【導讀】本文設(shè)計的是一款基于單片機的紅外智能空調(diào)遙控器，這種遙控器能采用測量脈沖寬度的方法學習紅外信號,同時使用游程編碼算法對數(shù)據(jù)進行壓縮后存儲,并利用單片機內(nèi)部定時器PWM模式產(chǎn)生紅外載波,成功實現(xiàn)了對紅外遙控的學習與再現(xiàn)。下面請看詳細設(shè)計流程。
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計
系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，各模塊通過接口電路與主控芯片相連。主要模塊有：矩陣鍵盤，液晶顯示，存儲模塊，紅外發(fā)送模塊，紅外接收模塊，RS232、RS485 通信模塊，以及溫度檢測模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。
系統(tǒng)以Atmega16 單片機作為主控芯片，Atmega16具有16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash ,512 字節(jié)EEPROM,1K 字節(jié)SRAM,32 個通用I/O 口線，32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART,有起始條件檢測器的通用串行接口，8 路10 位具有可選差分輸入級可編程增益的ADC,具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。該芯片功能強大，滿足系統(tǒng)設(shè)計需要并提供了充分的擴展空間。主控芯片使用8MHz 的晶振，晶振電路靠近主控芯片，盡量減少輸入噪聲。復位電路采用低電平復位。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
矩陣鍵盤采用3*3 的設(shè)計，設(shè)置了8 個功能鍵，方便用戶進行手動操作。其中單獨設(shè)計了一顆模式切換鍵，可在學習、發(fā)射、通信模式中切換。為了實現(xiàn)學習功能， 紅外接收模塊使用了一體化接收頭NB1838,其光電檢測和前置放大器集成于同一封裝，中心頻率為37.9KHz. NB1838 的環(huán)氧樹脂封裝結(jié)構(gòu)為其提供了一個特殊的紅外濾光器，對自然光和電場干擾有很強的防護性。NB1838 對接收到的紅外信號進行放大、檢波、整形，并調(diào)制出紅外編碼，得到TTL 波形，反相后輸入單片機，再由單片機進行進一步的處理，存儲到EEPROM 中，接收電路如圖2 所示。
圖2 接收硬件電路圖。
考慮到系統(tǒng)需要的存儲空間比較大，設(shè)計了單獨的存儲模塊，選用的EEPROM 是AT24C64,它提供了8KB 的容量，通過IIC 協(xié)議與Atmega16 TWI 接口通信，將學習到的紅外指令存儲在此，掉電不丟失。
在發(fā)射模式下，系統(tǒng)從EEPROM 讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，利用三極管9013 組成的放大電路，通過大功率紅外發(fā)射管將調(diào)制好的紅外信號發(fā)射出去。發(fā)射電路如圖3所示，非發(fā)送狀態(tài)時，三極管工作在截止狀態(tài)，紅外發(fā)射管不工作，有利于降低功耗以及延長紅外發(fā)射管的使用壽命。經(jīng)實際測試，發(fā)射距離可達到10m 左右。
圖3 發(fā)射硬件電路圖。
通信模式中，系統(tǒng)通過RS232 電路與上位機通信，在與上位機通信時使用DS18B20 反饋溫度信息，DS18B20 一線總線設(shè)計大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，獨特而且經(jīng)濟。系統(tǒng)還增加了RS485 模塊，便于組網(wǎng)，以實現(xiàn)對多個紅外設(shè)備進行控制。RS485 在組網(wǎng)時只需要用一對雙絞線將子設(shè)備的"A"、"B"端連接起來，這種接線方式為總線式拓撲結(jié)構(gòu)，在同一總線上可掛接多個結(jié)點，連接方便。
為了增加設(shè)備的實用性，系統(tǒng)設(shè)計了兩個電源方案，一個是直接接入5V 直流電源，一個是接入12V直流電源，然后通過L7805 構(gòu)成的變壓電路降壓為5V使用。
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系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)
系統(tǒng)程序主要分為三個部分：學習模式，發(fā)送模式以及通信模式。當?shù)谝淮芜M入系統(tǒng)時，初始化設(shè)置設(shè)備地址，然后設(shè)置通信的波特率，提供1200、9600 以及19200 三種選擇。系統(tǒng)主程序即在三個模式間切換，默認進入通信模式，可以通過模式切換按鍵改變模式，也可以通過上位機直接更改。出于系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要，在程序中加入了軟件看門狗，防止程序"跑飛".
學習功能設(shè)計
學習模式
紅外遙控器的碼型多樣，編碼一般包括：幀頭、系統(tǒng)碼、操作碼、同步碼、幀間隔碼、幀尾，且同步碼與幀間隔碼出現(xiàn)的位置不固定，因此碼型格式靈活多變，很難區(qū)分各種碼型的編碼含義;各個紅外遙控的編碼長度不盡相同，發(fā)送方式也多種多樣，最常用的有三種：完整幀只發(fā)送一次、完整幀重復發(fā)送兩次、先發(fā)送一個完整幀，后重復發(fā)送幀頭和一個脈沖。面對如此多樣化的編碼方式，如果區(qū)分每種編碼的含義進行學習，學習的復雜度將會很高，并且通用性也會受到影響。所以，為了避開各色碼型的干擾，系統(tǒng)在學習時并不關(guān)心碼型數(shù)據(jù)的實際意義，只記錄脈沖的時間寬度。系統(tǒng)主要針對載波頻率為38KHz(周期為26us)的紅外遙控器，利用變量IR_time 記錄接收到的脈沖寬度。學習程序流程如圖4 所示。
圖4 學習程序流程圖。
壓縮存儲由于不考慮具體的碼型數(shù)據(jù)意義，只記錄脈沖的寬度，系統(tǒng)的學習功能通用性得到了提高，但這種方式學習到的數(shù)據(jù)量很大，對存儲的要求就變得很高。
盡管系統(tǒng)針對存儲的大容量需求設(shè)計了單獨的存儲模塊，但考慮到應(yīng)在不增加硬件開銷的情況下保證足夠的存儲容量，以及滿足未來擴展的需要，在進行數(shù)據(jù)存儲時，采取了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。
從學習到的電平數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，無論數(shù)據(jù)是1 還是0,都有相同時長的電平出現(xiàn)，這符合游程編碼的特點。游程編碼是一種簡單的非破壞性資料壓縮法，其好處是加壓縮和解壓縮都非常快，其方法是計算連續(xù)出現(xiàn)的資料長度壓縮之。比如：一張二值圖像的數(shù)據(jù)為：
WWWWWWWWBWWWWBBBWWWWWWWBWWWWW
使用游程編碼壓縮可得：8W1B4W3B7W1B 5W.
可見，壓縮效率極高，且可避免復雜的編碼和解碼運算。所以，在存儲時，系統(tǒng)對學習到的數(shù)據(jù)進行游程編碼壓縮[7,8].例如，學習到的一組空調(diào)遙控器的數(shù)據(jù)為[157 153 23 53 … 23 53 23 180 156 152 23 53 …53 23],如圖5 所示，對重復的電平數(shù)據(jù)采用游程編碼壓縮后，原本需要199 字節(jié)的空調(diào)遙控碼，只需要106個字節(jié)即可存儲，壓縮率達53.27%.因此，在存儲時針對學習到的數(shù)據(jù)特點采取游程編碼壓縮，可以有效節(jié)約存儲空間。
圖5 一組典型的空調(diào)數(shù)據(jù)幀。
發(fā)射功能設(shè)計現(xiàn)有的紅外遙控器很多都是采用外部電路產(chǎn)生載波信號，例如使用NEC555 振蕩器產(chǎn)生載波信號。為了減少硬件開銷，本系統(tǒng)使用單片機內(nèi)部的定時器產(chǎn)生載波。系統(tǒng)使用的是Atmega16 單片機，其定時器功能強大，具有普通模式、CTC 模式、快速PWM 模式、相位修正PWM 模式等工作模式，系統(tǒng)利用定時器1,使其工作在快速PWM 模式，產(chǎn)生占空比為1:3 的38KHz 的PWM 波。當發(fā)送某條指令時，單片機從對應(yīng)的EEPROM 中提取指令信息，然后調(diào)制到生成的載波上，再通過發(fā)射電路即可完成紅外信號的發(fā)射。
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通信功能設(shè)計
上位機通信
本遙控器除了能通過功能按鍵實現(xiàn)手動操作外，還可以通過上位機軟件對遙控器進行控制。遙控器與上位機通過RS232 模塊進行通信，首先配置上位機軟件，確定串口號，選擇與設(shè)備相同的波特率及主從設(shè)備地址，然后根據(jù)需要選擇相應(yīng)的指令，點擊發(fā)送即可通過上位機對設(shè)備進行控制。由于本遙控器是基于空調(diào)遙控器進行研究的，在與上位機通信時，系統(tǒng)中的溫度檢測模塊會上傳實時溫度，便于用戶進行調(diào)整。圖6 為上位機軟件流程圖。
圖6 上位機軟件流程圖。
組網(wǎng)控制
為了實現(xiàn)對多個設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)控制，還設(shè)計了RS485 模塊。各子遙控器通過RS485 模塊的"A"、"B"端連接在一起，組成控制網(wǎng)絡(luò)，如圖7 所示，其中一個作為主遙控器，與上位機通過RS232 模塊進行串口通信。當上位機需要對某個子設(shè)備進行控制時，選擇相應(yīng)的子設(shè)備地址號，發(fā)送指令即可，主遙控器收到指令信息后，會將指令發(fā)給對應(yīng)的子設(shè)備。與主遙控器相連的上位機PC 連接Internet,作為本地服務(wù)器，可實現(xiàn)遠程控制。
用戶登錄遠程客戶端，經(jīng)身份驗證后與服務(wù)器建立連接，可發(fā)送指令給本地服務(wù)器，本地服務(wù)器再經(jīng)過串口通信對遙控器進行相應(yīng)操作。如果遙控器主機與上位機距離較遠，RS232 不能滿足通信需要，也可不使用遙控器主機，在上位機PC 上使用RS232-485 轉(zhuǎn)接頭，通過RS485 直接將遙控器網(wǎng)絡(luò)與PC 機485 接口相連，利用上位機對遙控器網(wǎng)絡(luò)直接進行控制。
圖7 控制網(wǎng)絡(luò)示意圖。
本文設(shè)計了一款智能空調(diào)遙控器。該系統(tǒng)采用只記錄紅外信號脈沖寬度，不考慮紅外編碼格式的方式，通過游程編碼算法將紅外信號壓縮后保存到EEPROM 中，并直接利用主控芯片定時器的PWM 模式產(chǎn)生38KHz 的載波，節(jié)約了硬件成本，除手動操作外還可以通過上位機對遙控器進行控制，使用方便。
系統(tǒng)成功實現(xiàn)了對多種空調(diào)遙控器的學習與功能再現(xiàn)，操作靈活，性能穩(wěn)定。本系統(tǒng)還可用于智能家居中，對不同的紅外設(shè)備進行控制，也可用于遠程網(wǎng)絡(luò)控制，為智能家居及遠程監(jiān)控提供了一種實現(xiàn)方法。
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