摘要：提出了一種基于單片機的遙控開關系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用AT89C2051單片機作為控制芯片，制作一個遙控器。鍵盤采用行列式操作，遙控器發(fā)射器采用紅外線脈沖個數(shù)編碼，另一個單片機AT89C52控制系統(tǒng)能被遙控操作，通過單片機軟件解碼實現(xiàn)對一個電燈的調光，以及對繼電器的控制功能。
1 引言
隨著電子技術的飛速發(fā)展，新型大規(guī)模遙控集成電路的不斷出現(xiàn)，遙控技術有了日新月異的發(fā)展。遙控裝置的中心控制部件已從早期的分立元件、集成電路逐步發(fā)展到現(xiàn)在的單片微型計算機，智能化程度大大提高。近年來，遙控技術在工業(yè)生產、家用電器、安全保衛(wèi)以及人們的日常生活中使用越來越廣泛。
本論文是基于單片機設計了一個智能化的遙控開關系統(tǒng)。該系統(tǒng)用AT89C2051單片機作為控制芯片，制作一個遙控器，鍵盤采用行列式操作，按鍵中斷掃描方式提高了CPU效率。遙控器發(fā)射器采用紅外線脈沖個數(shù)編碼，根據(jù)脈沖個數(shù)來確定是哪個按鍵按下，并發(fā)射相應的信號來控制電燈調光，無鍵按下時處于低功耗空閑方式狀態(tài)。另一個單片機控制系統(tǒng)能被遙控操作，通過軟件解碼實現(xiàn)對一個電燈的調光，以及對繼電器的控制功能。
2 系統(tǒng)的結構組成和工作原理
用單片機制作一個紅外遙控器，可以分別控制8個控制繼電器開關，和一個電燈開關，并且可以對電燈進行亮度的調光控制。
紅外發(fā)射部分結構圖如下圖2.1所示
當按下遙控按鈕時，單片機產生相應的控制脈沖，由紅外發(fā)光二極管發(fā)射出去。
紅外接收部分結構如下圖2.2所示：
采用紅外遙控不影響周邊環(huán)境的、不干擾其他電器設備。由于其無法穿透墻壁，故不同房間的家用電器可使用通用的遙控器而不會產生相互干擾；電路調試簡單，只要按給定電路連接無誤，一般不需任何調試即可投入工作；編解碼容易，適合進行多路遙控。
3 硬件電路設計
3.1 遙控發(fā)射器電路設計
電路主要由AT89C2051單片機、行列式操作鍵盤、低功耗空閑方式控制電路、紅外發(fā)射電路電源等部分組成。
遙控電路的主芯片采用美國ATMEL公司的AT89C2051Flash單片機。它是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含2KB的可反復擦寫的只讀Flash程序存儲器和128字節(jié)的隨機存取收據(jù)（RAM）；2.7～6V的電源使用電壓、兩個16位定時器∕計數(shù)器；6個中斷源、15條I∕O引線；1個精密模擬比較器以及片內振蕩器和時鐘電路；直接LED驅動輸出以及空閑和掉電方式等功能。遙控器采用兩節(jié)1.5V電池串聯(lián)提供3V電源供電，在遙控系統(tǒng)設計中，片內模擬比較器接口只是作普通I∕O運用。
行列式操作鍵盤又稱為矩陣式鍵盤。用I∕O線組成行、列結構，按鍵設置在行列的交點上，行列線分別連接到按鍵開關的兩端，鍵盤中有無按鍵按下是由列線送入掃描字、行線讀入行線狀態(tài)來判斷的。為了提高CPU效率，同時也為了節(jié)約電池電源能量，遙控器采用按鍵中斷掃描方式。無鍵按下時，單片機處于低耗空閑待機方式，有鍵按下時觸發(fā)外部中斷實現(xiàn)查鍵及執(zhí)行鍵功能程序。
AT89C205l的CPU有2種節(jié)電工作方式,即空閑方式和掉電方式,遙控器采用空閑節(jié)電工作方式。當CPU執(zhí)行完置IDL=1(PCON.0=1)指令后,系統(tǒng)進入空閑工作方式,這時內部時鐘不向CPU 提供,而只供給中斷、串行口、定時器部分。遙控器退出低功耗空閑方式電路由IN4148二極管組成“與”門實現(xiàn)。當有鍵按下時,由“與”門觸發(fā)外部中斷1 發(fā)生中斷,單片機退出空閑工作方式,進入鍵盤和紅外發(fā)射程序,結束后又進入低功耗空閑方式待機。在使用過程中單片機基本上處于空閑工作方式,功耗相當?shù)? 從而為使用電池電源提供了保障。
紅外線發(fā)射和指示燈電路利用遙控器信息碼由AT89C2051單片機的定時器1調制成38.5kHz紅外線載波信號，由P3.5口輸出，經(jīng)過三極管 9013放大，由紅外線發(fā)射管發(fā)送。電阻R1的大小可以改變發(fā)射距離，按鍵的操作指示燈使用一個LED發(fā)光二極管。定時器1按照方式2工作，即設置自動8 位重裝模式。在用作定時器時，在每個機器周期計算器加1，所以可以把它看成累加機器周期，1個機器周期包括12個振蕩周期，則計數(shù)頻率為振蕩頻率的十二分之一。當M1M0為10時，定時器∕計數(shù)器工作于方式2。在此方式下，設置了一個8位的計數(shù)器，并自動恢復初值的功能，以T1為例，將TL1作為計數(shù)器，將TH1作為寄存器使用，存放計數(shù)初值。當TL1作增1計數(shù)至溢出時，除了把溢出標志位TF1置1外，同時還將TH1中的計數(shù)初值送入TL1中，使TL1 又重新從初值開始計數(shù)。而TH1中的計數(shù)初值由軟件編程置入，在常數(shù)重裝入的過程中，TH1保持不變。在方式2中，T0和T1的操作功能完全相同，可自由選擇使用。
3.2 遙控接收器電路設計
接收控制系統(tǒng)主要由AT89C52單片機、電源電路、紅外接收電路、50Hz交流過零檢測電路、電燈調光控制電路、控制繼電器電路等部分組成。
單片機AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入∕輸出（I∕O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位定時器∕計數(shù)器，6個中斷源、低功耗空閑和掉電方式，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微機處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可以反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。控制系統(tǒng)采用5V電源電壓，外接12MHz晶振。
電源電路由橋式整流、電容濾波、7805穩(wěn)壓器及電源指示燈組成。交流電經(jīng)過橋式整流變成直流電，再經(jīng)過電容濾波，7805集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓成為穩(wěn)定的+5V電源，用一個發(fā)光二極管指示燈指示電源狀態(tài)。
紅外遙控接收器集成了模塊化，一般為三個引腳，輸出為檢波整形過的方波信號。紅外接收電路如圖3.1所示，接收器前端紅外濾光片去除可見光使紅外光通過。監(jiān)測器紅外光敏二極管，使器件構成最大受光區(qū)。在放大器端增加電濾波，消除低頻干擾和高頻干擾。數(shù)據(jù)檢測一般用峰值監(jiān)測器，通用信號比較器電路，輸出新電平去處理器。
交流電過零檢測電路如圖3.2所示。過零檢測電路主要由兩個NPN型三極管組成，Q1的基極過一200K電阻進行限流，電阻另一端為被檢測端，經(jīng)過全橋整流后為全波，一周期內可以觸發(fā)兩次。被檢測端為經(jīng)過變壓器后整流得到的，此處電源主要供給AT89C52用，電路設計中僅有輸入和輸出端的電解電容濾波，考慮高頻雜波最好加入104/50V的鉭電容而使得電源更干凈，更好的防止干擾。在橋后串一二極管是為防止電源反接，一般在CPU電路板上。
可控硅電燈調光控制電路設計原理圖如圖3.3所示。電燈調光是由可控硅的導通角控制的。AT89C52產生可控硅控制的移相脈沖，移相角的改變實現(xiàn)導通角的改變，即當移相角較大是，可控硅的導通角較小，分布在電燈上的電壓較低，電等較暗；當移相角較小時，可控硅的導通角較大，分布在電燈上的電壓較高，電燈很亮；當導通角不為0時，電燈即可發(fā)光；當導通角為0時，電燈熄滅。當AT89C52的P0.0位為低電平時，9012三極管導通，三極管電極電流驅動光電耦合器導通，使可控硅的G極產生脈沖信號觸發(fā)可控硅導通；當AT89C52的P0.0位為高電平時，9012三極管截止，則光電耦合器和可控硅都處于截止狀態(tài)。
本設計有八路控制繼電器電路，在紅外接收原理圖上只畫出一路控制繼電器電路。圖3.4為HK4100F繼電器驅動電路原理圖，三極管Q5的基極B接到 AT89C52單片機的P0.7口，三極管的發(fā)射極E接到繼電器線圈的一端，線圈的另一端接到＋5V電源VCC上；繼電器線圈兩端并接一個二極管 IN4148，用于吸收釋放繼電器線圈斷電時產生的反向電動勢，防止反向電勢擊穿三極管Q5及干擾其他電路；R14和發(fā)光二極管LED9組成一個繼電器狀態(tài)指示電路，當繼電器吸合的時候，LED9點亮，這樣就可以直觀的看到繼電器狀態(tài)了
4.1 遙控發(fā)射器的程序設計
4.1.1 初始化程序和主程序
初始化程序流程圖如4.1所示。初始化程序主要是設置P1口和P3口為高電平狀態(tài)復位，關P3.5口遙控輸出，設置堆棧指針SP為#70H，關閉總中斷源，設置中斷優(yōu)先級IP，選擇定時器∕計數(shù)器1和設置工作方式為2的自動8位重裝載模式。方式2是8位定時器/計數(shù)器，晶體振蕩器頻率為 12MHZ，則機器周期為f/12=12/12=1μs。計數(shù)功能計數(shù)初值X=28—計數(shù)值（計數(shù)值=T×f/12）。
主程序流程圖如4.2所示。主程序部分首先調用初始化程序，再進入主程序循環(huán)狀態(tài)。在循環(huán)中主要有兩個任務，即調用鍵盤程序和進入低功耗空閑待機方式。系統(tǒng)完成鍵盤查詢程序后即進入空閑節(jié)點方式，直到外部中斷1中斷或硬件復位而退出，CPU再次轉向循環(huán)部
在發(fā)射程序中，首先要裝入發(fā)射脈沖個數(shù)，第一個碼間隔即起始碼為3ms時，開高頻定時中斷調制（P3.7端口設為高電平）。然后設置軟件陷阱，提高單片機的可靠性，以免出現(xiàn)死機現(xiàn)象，在進行循環(huán)指令，第一個碼間隔3ms完成既R0為0時碼距間隔為1ms，如果之后脈沖個數(shù)為零，這時取反，關高頻中斷調制即 P3.7為低電頻，系統(tǒng)退出發(fā)射程序。如果脈沖個數(shù)還有則再循環(huán)發(fā)射。P3.7端口取反為低電頻時工作指示燈開，高電頻時指示燈關。在程序中調用 500ms的延時程序是確保遙控器發(fā)射的準確性。發(fā)射程序流程圖如下4.3所示。
4.2 遙控接收器的程序設計
初始化程序流程圖如圖4.4所示。初始化程序部分主要使系統(tǒng)進入復位初始化的狀態(tài)值。具體是：P1、P2、P3口置位設置為高電平狀態(tài)，使之成為輸入口。選擇工作寄存器區(qū)，設置堆棧指針SP，設置中斷優(yōu)先級IP，開外部中斷0和定時器1，開總中斷允許。設置導通角為零的延時值，并設置電燈默認熄滅的標志位。
主程序部分首先調用初始化程序，再進入主程序循環(huán)狀態(tài)。在循環(huán)中主要任務是50Hz交流電過零檢測，如果是過零則調用延時子程序，發(fā)開導通角脈沖，調用延時256μs程序，然后關脈沖并返回過零檢測狀態(tài)。圖4.5為主程序流程圖。
5 性能指標
調試后系統(tǒng)性能指標測試如下：
1最大遙控距離：10m；
2最大接收角：90度；
3遙控器發(fā)射時工作電流：8mA；
4遙控器靜態(tài)電流：0.6mA；
5調光控制系統(tǒng)最大輸出電壓（5檔調光）：交流200V；
6調光控制系統(tǒng)最慢輸出電壓（1檔調光）：交流50V;
7調光控制系統(tǒng)停止輸出電壓：0V；
8繼電器正常工作。
采用紅外遙控方式時，距離、角度等使用效果受一頂?shù)南拗?，如果采用調頻或調副發(fā)射接受，則發(fā)射距離會更遠，接受將不受角度的影響。本單片機遙控編碼及解碼方案適合一切需要應用到遙控的電器系統(tǒng)，是自行設計帶遙控功能的控制系統(tǒng)的首選理想方案。
6 結束語
隨著遙控技術的使用越來越廣泛，智能化控制已成為一種趨勢。本設計提出了一種基于單片機的遙控開關系統(tǒng)。通過對樣機的測試結果表明，本系統(tǒng)采用單片機進行遙控系統(tǒng)的應用設計，具有編程靈活多樣，操作碼個數(shù)可隨意設定等優(yōu)點。一般設備系統(tǒng)采用專用的遙控編碼及解碼集成電路。此方案具有制作簡單，容易等特點，但由于功能鍵數(shù)及功能受到特定的限制，只適合用于某一專用電器產品的應用，應用范圍受到限制。而本系統(tǒng)消除了此問題，智能化大大提高。通過對樣機的調試運行，節(jié)能效果很好，具有極其廣泛的應用價值和應用前景。
參考文獻：
[1]梁延貴，遙控電路可控硅觸發(fā)電路語音電路分冊北京:科學技術文獻出版社,2002，60-90
[2]余永權，ATMEL89系列單片機應用技術.北京：北京航空航天大學出版社,2002，90-150
[3]張玉梅，曲仕茹，白樹林.基于單片機的紅外遙控開關控制器.西安.西安工程科技學院學報，2005年12月.第19卷.第4期，1-5
[4]楊穎，單片機紅外遙控器設計.江蘇.電子與封裝，2005年11月.第5卷.第1l期，1-4
[5] Forsyth, A.J..Extended fundamental frequency analysis of the LCC resonant converter. Power Electronics [J], 2003，6(18): 1286- 1292.
[6]Doolla,S.. A GUI based simulation of power electronic converters and reactive power compensators using MATLAB/SIMULINK. 2004 International Conference on Power System Technology.2004, 2(21-24): 1710-1715.