可调遥控电源开关的设计与实现

可调遥控电源开关的设计与实现内容摘要：

9 的控制指令信号。 为了提高电路的抗干扰能力，把指令信号调制在 38kHz 的载波上再发射出去。 与非门 C、与非门 D、电阻 R电容 C2 等组成频率为 38kHz的方波 振荡器。 指令信号通过与非门 C 的一个输入端对此振荡器进行调制，由与非门 D 输出的脉冲 调制 信号 直接 驱动红外发光二极管 VD1 发射红外信号。 电阻 R2 的作用是平时使与非门 A 的输入为低电平，经四级反相后与非门 D 的输出仍为低电平，故平时未按下 S1~S4 时， VD1 没有工作 ，整个发射电路的静态工作电流小于 1 A。 图 红外发射机电路原理图 红外发射机电路原理图通过 Protues 软件仿真后的仿真图 如 图 所示 ，图中示波器的 A、 B、 C、 D 四个通道分别显示的是 A 与非门输入端、 A 与非门输出端、 B 与非门输出端、红外发射管 VD1 正极的波形。 图 红外发射机仿真图 武汉理工大学毕业设计（论文） 10 接收及控制 电路 红外接收 及控制 电路 如 图 所示 ，电路由接收部分和处理控制部分组成。 图 接收及控制电路 R C1 组成单片机的复位电路，接通电源瞬间，由 R1 对 C1 的充电过程，单片机 STC89C52 的复位端 9 脚获得一个高电平复位脉冲，使单片机进入程序所设定的初始状态，其引脚 ~ 均输出 低电平。 HS0038 是红外线专用接收集成电路，它由红外线接收管、带通放大器、检波和脉冲整形电路等部分组成，其内部带通滤波器的中心频率为 38kHz。 当HS0038 没有接收到发射机发射的红外信号时，其 3 脚一直输出高电平，当芯片接收到发射机发射的红外信号后，其 3 脚 即输出经过解调之后的指令信号到单片机的。 单片机根据输入的 信号的 频率决定改变引脚 ~，具体地说就是 400Hz 对应 、 600Hz 对应 、 800Hz 对应 、 1000Hz 对应。 控制部分的软件 仿真如图 所示，通过触点开关在单片机的 脚输入固定 频率 的信号，如 400Hz（或者 600Hz、 800Hz、 1000Hz） ，以此来模拟接收元件输入接收到的指令信号，在单片机中加载预先编写好的相应控制程序，打开仿真按钮，然后可以看到当按下不同的开关时相应的输出口电平会发生改变。 武汉理工大学毕业设计（论文） 11 图 控制部分电路仿真图 受控电路 受控电路部分主要包括双向晶闸管、发光二极管以及用以提供模拟交流电源的单片机，如图 所示。 电路中双向晶闸管 Q1~Q4 用作电源开关来取代传统的机械式电源开关，通过 发光二极管 VD1~VD4 的亮与灭来体现双向晶闸管的通与断，用以验证双向晶闸管可以用作家庭电路的电源开关。 单片机 IC3 用来提供模拟家庭电路的交流电， 同时让双向晶闸管作为电源开关能正常工作。 图 受控电路 武汉理工大学毕业设计（论文） 12 电路工作过程 以第一通道为例说明电路的工作过程：打开发射机和 接收机的电源 开关 ， 将发射机的红外发射头对准接收机的接收元件后 按一下发射机的按钮 S1，接收元件接收到发射机发射的信号，解调出来后将指令信号输入单片机的 脚，此时单片机内软件开始定时并同时对输入的 指令信号进行计数，当计时结束后，程序开 始对计数值进行判断，并根据判断结果对 脚进行置电平（由低电平变为高电平），此时由 脚控制的 Q1 双向晶闸管由于控制极具有高电平而处于导通状态，使 其所在 回路的发光二极管 VD1 发光。 当再次按下 S1 按钮时，单片机再次通过定时计数以及判断数值后对相应的 脚置电平（由高电平变为低电平），此时由 脚控制的双向晶闸管 Q1 由于控制极处于低电平，所以在其回路中的模拟交流电源电压处于过零状态时 Q1 将变为断开状态，与之相连的发光二极管 VD1 将由发光变为熄灭， 其余三个通道的工作过程以此类推。 当控制每一通道的电 源工作 状态时，其他三个通道的工作状态不受影响，即每一通道均可独立控制 [4]。 整个电路即是通过这样的工作原理来验证设计要求中的遥控、电源电压可调以及由双向晶闸管作为电源开关的设计要求 软件设计 程序工作原理 控制部分的 程序流程图 如 图 所示。 程序采用 C 语言编写，初始化时~ 口 置低电平， 口置高电平，将定时器 T0 设定为计数器， 定时器T1 和 T2 设定为定时器， 脚 为 T0 计数器外部 计数脉冲的输入端。 接下来程序 不断的 检测 脚是否 出现低 电平，在发射机不发射红外线信号时 脚始终为高电平，程序处于等待状态；一旦发射机发射红外信号后 脚就会出现低电平，程序检测到后即向下执行， 首先由一个 10ms 的延时语句来用作软件消抖，然后开启 T0 计数器和 T1 定时器，由 T0 计数器 对 脚输入的脉冲信号进行计数。 计数的闸门时间必须小于一般人习惯按发射机按键的时间，否则不能对输入脉冲进行正确计数，这里定为 100ms（即 T1 定时器的定时时间为 100ms） ，当输入脉冲的频率为 400Hz 时，计数值为 40，即计数值是频率的十分之一。 计数结束后程序对计数值进行筛选，由于发射机采用了 RC 振荡器 ，其频率稳定性较差，为了提高电路工作的可靠性，在筛选时允许脉冲频率有一定的误差，当计数值在 30~50 之间时改变 脚 的输出状态（即将 取反），当计数值在 50~70武汉理工大学毕业设计（论文） 13 之间时改变 的输出状态，当计数值在 70~90 之间时改变 的输出状态，当计数值在 90~110 之间时改变 的输出状态。 筛选结束后程序在 50ms 的时间内检测 脚的电平，如果在 50ms 的时间内 脚出现低电平，则重新进行 50ms 的检测。 进行这项检测的目的是防止发射机一次按键引起接收机的重复动作，只有在按键松开后程序能返 回到初始状态 [8]。 开始 初始化 =0。 N 100ms 计数 Y 计数值输入 A A30。 A50。 A70。 A90。 A110。 50ms 内 =0。 取反 取反 取反 取反 N N N N N N Y Y Y Y Y Y 10ms 延时去 抖 武汉理工大学毕业设计（论文） 14 图 控制部分程序流程图 模拟交流电源 部分的程序流程图如图 所示，初始化时 ~ 都置低电平，然后经过一个 10ms 的延时之后再将 ~ 分别取反，依次不停的循环下去，这样 ~ 就会输出周期为 20ms 的方波，频率刚好为 50Hz，用来模拟交流电给双向晶闸管和发光二极管供电。 图 模拟交流电源程序流程图 程序代码 控制 部分单片机及模拟交流电源部分单片机 相应 的程序代码 分别 见附录 C及附录 D。 开始 初始化 10ms 延时 ~ 电平置反 武汉理工大学毕业设计（论文） 15 第 4 章 实物制作与调试 发射机 部分 发射机主要组件介绍 （ 1） CD4011 图 CD4011 图片及引脚图 CD4011 的图片及引脚图如图 所示，其内部集成有 4 个 CMOS 二输入与非门。 二输入与非门的逻辑表达式为 Y=AB ， 其真值表 如图 所示， CD4011内部结构图如图 所示。 A B Y 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 图 二输入与非门真值表 (1)当 A=0、 B=0时， A 和 B 相与结果为 0，再取非之后则为 1（即 Y=1），如真值表第一行。 (2)当 A=0、 B=1时， A 和 B相与结果为 0，再取非之后则为 1，即输出 Y=1， 如真武汉理工大学毕业设计（论文） 16 值表第二 行。 (3)当 A= B=0时， A 和 B相与结果为 0，再取非之后则为 1，即输出 Y=1， 如真值表第三 行。 (4)当 A= B=1时， A 和 B相与结果为 1，再取非之后则为 0，即输出 Y=0， 如真值表第四 行。 图 CD4011 内部结构图 （ 2） GL560 GL560 是一种红外发 光 二极管，其图片如图 所示。 图 红外发光二极管 常用的红外发光二极管，其外形和发光二极管 LED 相似，发出红外光。 管压武汉理工大学毕业设计（论文） 17 降约 ，工作电流一般小于 20mA。 为了适应不同的工作电压，回路中常常串有限流电阻。 发射 红外线 去控制相应的受控装置时，其控制的距离与发射功率成正比。 为了增加红外线的控制距离，红外发光二极管工作于脉冲状态，因为脉动光（调制光）的有效传送距离与脉冲的 峰值电流 成正比，只需尽量提高峰值 Ip，就能增加红外光的发射距离。 提高 Ip的方法，是减小脉冲占空比，即 压缩脉冲的宽度T，一些彩电 红外遥控 器，其红外发光管的工作脉冲占空比约 1/31/4；一些电器产品红外 遥控器 ，其占空比是 1/10。 减小脉冲占空比还可使小功率红外发光二极管的发射距离大大增加。 常见的红外发光二极管，其功率分为小功率(1mW10mW)、（ 20mW50mW)和大功率（ 50mW100mW 以上 )三大类。 要使红外发光二极管产生调制光，只需在驱动管上加上一定频率的脉冲电压 [9]。 发射机 实物 制作 发射机 实物电路 正 、 反 面如图 所示 ， IC1 选 CMOS 与非门集成电路CD4011， 其内部集成 有四个 CMOS 二输入与非门， VD1 选用φ 5 的红外发光二极管，如 GL560.、 GL537 等。 电容 C C2 选用稳定性较好的 瓷片 电容 和独石电容 ，以保证振荡频率的稳定性。 电阻 R6 的阻值 ，可用电阻串联或并联的方式获得此阻值，也可以用 ，这时四通道的频率变为 1050Hz，对电路的正常工作没有影响。 S1~S4 选用 触点 开关。 图 发射机正、反面图 武汉理工大学毕业设计（论文） 18 接收 控制及受控 部分 主要组件介绍 （ 1） HS0038 HS0038 是与红外发光二极管相对应的红外接收元件 ，其图片和 引脚图如图 所示。 图 HS0038 图片及引脚图 红外接收 电路 一体化的红外接收装置将遥控信号的接收、放大、检波、整形集于一身，并且输出可以让单片机识别的 TTL 信号，这样大大简化了接收电路的复杂程度和电路的设计工作， 方 便使用。 在本系统 中我们采用红外一体化接收头 HS0038，外观图如图 所示。 HS0038 黑色环氧树脂封装，不受日光、荧光灯等光源干扰，内附磁屏蔽，功耗低，灵敏度高。 在用小功率发射管发射信号情况下，其接收距离可达 35m。 它能与 TTL、 COMS 电路 兼容。 HS0038 为直立侧面收光型。 它接收红外 信号频率 为 38 kHz,周期约 26 μs，同时能对信号进行放大、检波、整形，得到 TTL 电平的编码信号。 三个管脚分别是地、＋ 5 V 电源、解调信号输出端 [10]。 HS0038 的内部结构 ： PIN： PIN 光敏二极管 光敏二极管工作时加有反向电压，没有光照时，其反向电阻很大，只有很微弱的反向饱和电流（暗电池）。 当有光照时，就会产生很大的反向电流（亮电流），武汉理工大学毕业设计（论文） 19 光照越强，该亮电流就越大。 光敏二极管是一种光电转换二极管，所以又叫光电二极管； （ 1） PN结光敏二极管由于相应速度慢，不能再通信系统中得到应用。 （ 2） PIN 光敏二极管 就是在 PN结中间夹入一层轻掺杂本征半导体。 （ 3） PIN 光敏二极管特点：响应时间短、暗电流小，入射光量与输出电流的直线性良好； （ 4） PIN 光敏二极管的主要用途：遥控，传真机，光通信（短距离）。 AGC(Automatic Gain Control)：自动增益控制（放大器） （ 1） 增益表示放大器功率放大倍数 ,以输出功率同输入功率比值的常用对数表示 ,单位为分贝。 （ 2） 它是输出限幅装置的一种，是利用线性放大和压缩放大的有效组合对输出信号进行调整。 当输入信号较弱时，线性放大电路工作，保证输出信号的强度；当输 入信号强度达到一定程度时，启动压缩放大线路，使输出幅度降低，满足了对输入信号进行衰减的需要。 也就是说， AGC功能可以通过改变输入输出压缩比例自动控制增益的幅度，它能够在输入信号幅度变化很大的情况下，使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化，不至于因为输入信号太小而无法正常工作，也不至于因为输入信号太大而使接收机发生饱和或堵塞。 Band Pass（ bandpass filter)：带通（滤波器） 带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器。 Demodulator：解调器 解调是将模拟信号 转化为 数字信号。 HS0038 对数据格式的要求 :(The data signal should fullfill the following condition:） 载波频率接近 3。