【導讀】本文設計的是一款基于單片機的紅外智能空調遙控器，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據進行壓縮后存儲,并利用單片機內部定時器PWM模式產生紅外載波,成功實現了對紅外遙控的學習與再現。下面請看詳細設計流程。
系統總體結構與硬件設計
系統采用模塊化設計，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。系統結構圖如圖1 所示。
系統以Atmega16 單片機作為主控芯片，Atmega16具有16K 字節(jié)的系統內可編程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，支持片內調試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數器(T/C)，片內/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，滿足系統設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 系統結構圖
矩陣鍵盤采用3*3 的設計，設置了8 個功能鍵，方便用戶進行手動操作。其中單獨設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)氧樹脂封裝結構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。
考慮到系統需要的存儲空間比較大，設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，系統從EEPROM 讀取相應數據信息，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 一線總線設計大大提高了系統的抗干擾性，獨特而且經濟。系統還增加了RS485 模塊，便于組網，以實現對多個紅外設備進行控制。RS485 在組網時只需要用一對雙絞線將子設備的"A"、"B"端連接起來，這種接線方式為總線式拓撲結構，在同一總線上可掛接多個結點，連接方便。
為了增加設備的實用性，系統設計了兩個電源方案，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 構成的變壓電路降壓為5V使用。
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系統軟件設計與實現
系統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。當第一次進入系統時，初始化設置設備地址，然后設置通信的波特率，提供1200、9600 以及19200 三種選擇。系統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、系統碼、操作碼、同步碼、幀間隔碼、幀尾，且同步碼與幀間隔碼出現的位置不固定，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，系統在學習時并不關心碼型數據的實際意義，只記錄脈沖的時間寬度。系統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據意義，只記錄脈沖的寬度，系統的學習功能通用性得到了提高，但這種方式學習到的數據量很大，對存儲的要求就變得很高。
盡管系統針對存儲的大容量需求設計了單獨的存儲模塊，但考慮到應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，在進行數據存儲時，采取了數據壓縮技術。
從學習到的電平數據可以發(fā)現，無論數據是1 還是0,都有相同時長的電平出現，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?？?，其方法是計算連續(xù)出現的資料長度壓縮之。比如：一張二值圖像的數據為：
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，系統對學習到的數據進行游程編碼壓縮[7,8].例如，學習到的一組空調遙控器的數據為[157 153 23 53 … 23 53 23 180 156 152 23 53 …53 23],如圖5 所示，對重復的電平數據采用游程編碼壓縮后，原本需要199 字節(jié)的空調遙控碼，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據特點采取游程編碼壓縮，可以有效節(jié)約存儲空間。
圖5 一組典型的空調數據幀。
發(fā)射功能設計現有的紅外遙控器很多都是采用外部電路產生載波信號，例如使用NEC555 振蕩器產生載波信號。為了減少硬件開銷，本系統使用單片機內部的定時器產生載波。系統使用的是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，系統利用定時器1,使其工作在快速PWM 模式，產生占空比為1:3 的38KHz 的PWM 波。當發(fā)送某條指令時，單片機從對應的EEPROM 中提取指令信息，然后調制到生成的載波上，再通過發(fā)射電路即可完成紅外信號的發(fā)射。
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通信功能設計
上位機通信
本遙控器除了能通過功能按鍵實現手動操作外，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，選擇與設備相同的波特率及主從設備地址，然后根據需要選擇相應的指令，點擊發(fā)送即可通過上位機對設備進行控制。由于本遙控器是基于空調遙控器進行研究的，在與上位機通信時，系統中的溫度檢測模塊會上傳實時溫度，便于用戶進行調整。圖6 為上位機軟件流程圖。
圖6 上位機軟件流程圖。
組網控制
為了實現對多個設備的聯網控制，還設計了RS485 模塊。各子遙控器通過RS485 模塊的"A"、"B"端連接在一起，組成控制網絡，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備進行控制時，選擇相應的子設備地址號，發(fā)送指令即可，主遙控器收到指令信息后，會將指令發(fā)給對應的子設備。與主遙控器相連的上位機PC 連接Internet,作為本地服務器，可實現遠程控制。
用戶登錄遠程客戶端，經身份驗證后與服務器建立連接，可發(fā)送指令給本地服務器，本地服務器再經過串口通信對遙控器進行相應操作。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 轉接頭，通過RS485 直接將遙控器網絡與PC 機485 接口相連，利用上位機對遙控器網絡直接進行控制。
圖7 控制網絡示意圖。
本文設計了一款智能空調遙控器。該系統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。
系統成功實現了對多種空調遙控器的學習與功能再現，操作靈活，性能穩(wěn)定。本系統還可用于智能家居中，對不同的紅外設備進行控制，也可用于遠程網絡控制，為智能家居及遠程監(jiān)控提供了一種實現方法。
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