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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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基于红外技术的单片机嵌入式系统设计

Md。ShahadatHossain1K. M. A.萨拉姆2
  1. 孟加拉国南北大学电气与计算机工程系PG学生[MS-ETE]
  2. 孟加拉国南北大学电气与计算机工程系副教授兼系主任
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

利用单片机进行基于红外技术的嵌入式系统设计是家电系统的重要组成部分。该系统采用红外传感技术，从发射源和接收信号后进行调理;信号被传递给微控制器。所使用的微控制器是IC PIC 16F690，它驱动可控硅BT134控制输出负载。最终将演示一个工作系统以验证设计。这个系统只是一个原型。一个更大的系统可以使用这个原型作为模型。在本研究中，我们开发了一个嵌入式系统，可以通过微控制器对家用电器进行远程控制和手动控制。这项工作已经通过软件和硬件实现完成。

关键字
嵌入式设计，红外传感器，微控制器，样机，可控硅BT134。

介绍
近年来，许多研究者研究了基于红外技术的[1]单片机系统的设备控制。由于嵌入式系统设计技术的不同适用性和固有局限性，研究人员一直致力于不同场景下的增强标定设计。在他们的论文中，他们使用了ATMEL AVR，它不太紧凑，需要设计专用的红外遥控发射机，而且系统不太灵活，无法修改用于其他控制应用。此外，功耗和速度是器件应用的关键因素。负荷的控制和平稳运行也是重要因素。本文利用PIC 16F690单片机开发了一种基于红外的嵌入式设备控制系统，该系统比ATMEL AVR具有功耗低、结构紧凑、转换速度快等优点。
此外，这种嵌入式设计是一种先进的自动化系统，开发用于手动和远程控制房屋中的电器。两个系统安装在同一电路中，可以分别控制相同的连接负载。本设计完全自动化的开关板借助红外技术与手动开关来控制户抱连接设备。

硬件实现
在该系统中，通过红外技术和与控制器接口的手动开关对设备进行控制。我们可以用这种方法控制任何设备。在本实验中，我们通过红外技术和手动开关来控制开关的开/关。
系统总体架构功能框图如图1所示。该装置由红外发射器、红外接收器、单片机、手动开关和驱动电路组成
在这个方框图中显示的是在3V电源下工作的发射机电路，以虚线集成电路为核心，采用NEC协议进行操作。图2显示了使用消息位的脉冲距离编码的NEC IR传输协议。每个脉冲爆发(mark - RC发射器ON)的长度为562.5μs，载频为38 kHz (26.3μs)。逻辑比特的传输过程如下:当逻辑'0' - 562.5μs的脉冲爆发，紧接着562.5μs的空间，总传输时间为1.125ms。当逻辑'1' - 562.5μs脉冲爆发，随后是1.6875ms的空间，总传输时间为2.25ms。为了保证可靠性，地址和命令传输两次[2]。
即使遥控器上的键仍然按下，命令也只传输一次。只要密钥保持关闭状态，每110毫秒就会传输一个重复代码。这个重复代码只是一个9ms的AGC脉冲，后面跟着2.25ms的空间和560μs的爆发。其传输波长在900 ~ 1100nm(近红外范围)之间，处于TSOP1738接收模块的峰值接收范围。
系统的接收电路由红外传感器TSOP1738、电源和手动开关组成。接收器和发射器电路应该面对面地对齐，这样当有人站在两者之间时，红外射线就会被中断。只要红外光束落在传感器上，它的输出保持低，晶体管就不导电。当任何人中断落在传感器上的红外光束时，它的输出就会变高，从而驱动晶体管传导。所有收集到的不同用户的数据将通过IC PIC 16F690输入微控制器。
该系统的结构还通过与控制器直接接口的手动开关控制连接负载。微控制器将处理此信息，并相应地打开/关闭设备。接收端硬件实现如图3所示，该硬件采用IC PIC 16F690、TSOP 1738、嵌入式系统、Traic BT134、电容供电系统。

方法
图4为BT 134因npntriac而采用中性连接的系统手动开关电路设计。那就是中性行驶。电源通过非极性电容器连接，其中一脚接中性，另一脚接24伏电源。根据电容输出的要求，使用5.1V齐纳二极管将电压从24V降至5V。这5伏的工作电压需要操作智能网卡PIC 16F690。
红外信号来自发射端，接收端使用TSOP 1738[3]传感器接收数字信号。当红外波从一个中心频率为38千赫的光源发出时，它的输出就会变低。TSOP的输出是有效的低，它给出+5V在关闭状态。TSOP模块具有用于放大红外发射机编码脉冲的内置控制电路。当PIN光电二极管接收到信号时产生信号。输入信号由自动增益控制(AGC)接收。对于一定范围的输入，输出被反馈到AGC，以调整增益到一个合适的水平。来自AGC的信号被传递到带通滤波器来过滤不需要的频率。在此之后，信号进入解调器，这个解调输出驱动npn晶体管。晶体管的集电极输出在TSOP模块的引脚3处获得。
在这个程序中，我们使用过零检测器来保证启动电压的准确性。在交流电中，过零是没有电压存在的瞬时点。在正弦波或其他简单波形中，这通常在每个周期中发生两次。因为异常电压对电路的可靠性是有害的。过零检测器从字面上检测信号波形从正和负的转变，理想情况下提供与零电压条件完全一致的窄脉冲。提到脉冲宽度调制(PWM)系统是内置在这个二极管控制我们的模拟设备速度[4]。
BT 134可控硅采用玻璃钝化可控硅封装在塑料外壳中，用于需要高双向瞬态和阻塞电压能力以及高热循环性能的应用[5]。典型的VDRM重复峰值off-state应用包括电机控制，电压工业和家庭照明，加热和静态开关。该电路采用电容电源消耗损耗。
从TSOP 1738传感器发送红外信号到IC PIC 16F690，其引脚通过BT 134可控硅连接。BT 134Triacs单独连接到单独的负载。用户可以通过控制BT134可控硅将信号发送到接收端，驱动负载。该控制语言安装在微控制器上。用户可以通过系统语言驱动自己想要的负载，不受任何干扰。这里使用的电源控制设备是最便宜的Triac BT134电源开关，可直接在110/240V电源上运行。因此，它是大多数在线运行的低成本电源应用的最佳开关。它可以承受的最大负载电流通常为5A。采用相位角控制技术对负载功率进行控制。输出功率由可控硅驱动器的相位延迟控制。 This delay is referred to the zero crossing of the line voltage detected by Zero crossing detector circuit. This process repeated on each connected loads.
值得注意的是，该系统通过红外技术控制连接的负载，以及通过BT134可控硅与控制器接口的手动开关系统。本设计由单片机组成，单片机与输入输出模块连接，在集成电路中预先设定器件的切换顺序。

仿真结果
微控制器及其各种接口需要软件来操作。单片机的汇编语言软件是用micro C开发的[6]-[8]。它由一个项目管理器、文本编辑器和模拟器组成。使用文本编辑器编写汇编语言代码，然后编译成十六进制形式下载到单片机中。模拟器proteus被用来测试程序功能，尽管由于模拟器的性质，这是非常有限的。
如果通过调光器通道连接80W负载，调光器的设定值增加。每设置一个新值后，该通道的输出电压是不同的，用万用表测量。观测数据如表1所示。
从表1可以看出，调光器输出的每个通道可以承受满量程的10.7%到98.7%之间的任何电压，可以作为无变压器可变电源使用。通过调节单片机内的定时器设置，可改变步进电压的分辨率。
微控制器的电源电流仅增加35%，然后实现电路电流的净减少至63%。其结果是大大节省了在变压器中耗散的功率较少的可变电源。
我们可以发现定时器设置为65455，测量值为218.2，此时任何连接的负载都处于接通状态，全电压激活。当负载卸下时，表1所示电压为零。如果测量另一个100W的负载，通过系统连接，示波器得到准确的测试结果如图5所示。结果表明，当符号波的拾取值较大时，负载的方波也较大，此时负载为开。否则卸载。
利用该方法得到了其它连接负载的结果，并用示波器对结果进行了验证。从示波器我们可以看到，如果我们发射的信号电压与我们的编程电压匹配，我们就可以得到准确的输出。
本系统采用手动开关与单片机接口进行设计。手动开关发送ON/OFF命令到微控制器，负载通过BT 134可控硅连接，然后负载可以打开/关闭，并直接看到输出结果，负载通过系统连接。本设计为用户有效地操作设备提供了一个友好的环境。

结论
研究了基于红外的嵌入式单片机控制系统的设计。仿真结果表明，该系统具有功耗低、速度快、多负载联动等优点。该系统结构简单，成本低，安装方便，干扰少，体积小。未来它可能被用于家用电器。

确认
作者要感谢K. M. A. Salam, North South University的帮助，帮助收集嵌入式系统设计的当前信息。

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图1 图2 图3 图4 图5
图1 图2 图3 图4 图5

参考文献











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