基于MSP430單片機的紅外遙控器設計

作者：時(shí)間：2012-01-19 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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1 引言

在工業(yè)控制的許多環(huán)境下，不適合操作人員直接控制，例如：高溫、高壓、輻射、粉塵、強酸性、腐蝕性、有毒氣體等。這時(shí)，紅外遙控是可行的控制方式。通過(guò)這種方式，操作人員能及時(shí)采集現場(chǎng)數據，修改控制對象的參數，并發(fā)送控制命令，以達到理想的控制效果。紅外遙控通過(guò)紅外通信的方式進(jìn)行控制，具有低功耗、低成本、高可靠性、體積小、結構簡(jiǎn)單、避免人身傷害等優(yōu)點(diǎn)，是一種先進(jìn)的控制方式，具有廣闊的應用前景。

2 紅外通信原理

紅外通信，即以紅外線(xiàn)作為通信載體，通過(guò)紅外光在空中的傳播來(lái)傳輸數據的通信方式，它由發(fā)射端和接收端來(lái)完成。在發(fā)射端，發(fā)送的數字信號經(jīng)過(guò)適當的調制編碼后，送入電光變換電路，經(jīng)紅外發(fā)射管轉變?yōu)榧t外光脈沖發(fā)射到空中；在接收端，紅外接收器對接收到的紅外光脈沖進(jìn)行光電變換，解調譯碼后恢復出原信號。

紅外發(fā)射端發(fā)送數據時(shí)，是將待發(fā)送的二進(jìn)制數據調制成一系列的脈沖信號后發(fā)射出去。紅外載波為頻率38KHz的方波，采用脈寬調制PWM方式發(fā)送，通過(guò)待發(fā)送二進(jìn)制數據的“0”或“1”控制兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔，及PWM的占空比。紅外載波既可以通過(guò)外圍硬件電路實(shí)現，也可以使用單片機內部的定時(shí)器的PWM功能實(shí)現。

紅外接收端在收到38KHz的載波信號時(shí)，會(huì )輸出低電平，否則輸出高電平，從而可以將“時(shí)斷時(shí)續”的紅外光信號解調成一定周期的連續方波信號，經(jīng)單片機處理，便可以恢復出原數據信號。

3 MSP430單片機簡(jiǎn)介

MSP430單片機是TI公司推出的一個(gè)新型單片機系列，其主要特點(diǎn)是：超低功耗、16位指令、內置A/D轉換器、串行通信接口、硬件乘法器、 LCD（液晶）驅動(dòng)器及高抗干擾能力等。因此，MSP430單片機特別適合應用在智能儀表、防盜系統、智能家電、電池供電便攜式設備等產(chǎn)品之中。筆者在開(kāi)發(fā)這款遙控器時(shí)，選用的單片機型號是MSP430F413，其性能特點(diǎn)如下：低工作電壓（1.8~3.6V）；超低功耗（工作模式4下耗電僅為 0.1μA）；16位精簡(jiǎn)指令結構（RISC）；150ns指令周期；帶有3個(gè)捕獲/比較器的16位定時(shí)器；片內集成96段LCD驅動(dòng)器；片內有JTAG 調試接口和FLASH型存儲器，可在線(xiàn)串行編程；開(kāi)發(fā)環(huán)境十分方便高效，支持C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言。

4 基于MSP430單片機的紅外遙控器設計

4.1 總體硬件框圖

筆者設計的這款紅外遙控器，不僅能設置控制對象的給定值或控制參數，并通過(guò)紅外線(xiàn)發(fā)送給對象，而且能接收并顯示對象通過(guò)紅外線(xiàn)反饋回的實(shí)際值，這是它不同于普通紅外遙控器的地方。因此，實(shí)際應用中，紅外遙控器和控制對象上都裝有紅外發(fā)送電路和紅外接收電路。紅外遙控器的硬件部分主要包括五個(gè)模塊：電源模塊、鍵盤(pán)模塊、液晶模塊、紅外發(fā)送模塊和紅外接收模塊?？傮w硬件框圖如圖1所示。由于MSP430、紅外發(fā)送模塊和紅外接收模塊都可采用3V電源，所以電源模塊采用兩節1.5V電池供電即可。鍵盤(pán)模塊采用4×4行列掃描式鍵盤(pán)。液晶模塊由MSP430F413直接驅動(dòng)。

圖1 總體硬件框圖

4.2 紅外發(fā)送模塊

圖2紅外發(fā)射電路圖3紅外發(fā)射波形

因為發(fā)光二極管的發(fā)光距離與其發(fā)射功率成正比，為了提高發(fā)光二極管的發(fā)光距離，必須提高它的發(fā)射功率，也就是使紅外發(fā)光二極管工作于脈沖狀態(tài)?？梢杂脙煞N方法來(lái)實(shí)現：一是用硬件方法，即設計脈沖電路來(lái)產(chǎn)生占空比盡量小的脈沖載波信號；另一種就是用軟件來(lái)控制MSP430F413的輸出端P2.1，讓其輸出即為占空比較小的脈沖信號。

這里利用軟件來(lái)實(shí)現這個(gè)功能。即在需要輸出高電平的時(shí)候，讓程序定時(shí)把P2.1口輸出狀態(tài)反向，其中定時(shí)時(shí)間是由指令數和指令周期來(lái)決定的，每條指令的指令執行周期是固定的，所以如果想讓反向頻率高一些，則讓指令執行的少一些，反之就讓指令多一些?？梢?jiàn)輸出信號占空比可以由定時(shí)時(shí)間的長(cháng)短來(lái)決定，這樣就可以在高電平時(shí)輸出占空比盡量小的脈沖信號。因為接收頭對38KHz的光信號轉換能力比較強，所以把高電平的頻率設置為38KHz。在需要輸出低電平的時(shí)候，控制P2.1口一直為低就可以了。

紅外發(fā)光二極管發(fā)射波形如圖3所示。先發(fā)一段前導碼，以檢驗這組碼是否為想要的碼。前導碼由一個(gè)9ms的高電平和一個(gè)4ms的低電平組成。然后再發(fā) 32位數據代碼，其中高電平為0.5ms，低電平為0.5ms的一個(gè)周期為代碼“0”；高電平為0.5ms，低電平為1.5ms的一個(gè)周期為代碼“1”。為了提高發(fā)射功率，實(shí)際工作時(shí)，發(fā)光二極管的高電平用38kHz的載波信號載波，低電平則一直為低。

紅外發(fā)送程序流程圖如圖4所示。即先發(fā)出前導碼，然后再按發(fā)出的是‘0’或‘1’來(lái)發(fā)出不同的數據碼，每發(fā)送完一位，就讓碼長(cháng)計數器num加1，直到num加到32時(shí)，發(fā)送停止。

圖4紅外發(fā)送程序流程圖

圖5紅外接收電路

4.3 紅外接收模塊

紅外接收電路選用Vishay公司生產(chǎn)的專(zhuān)用紅外接收模塊TSOP1838SS3V（以下簡(jiǎn)稱(chēng)1838）。該接收模塊是一個(gè)三端元件，使用+3V電源，具有功耗低、抗干擾能力強、輸入靈敏度高、對其它波長(cháng)（950nm以外）的紅外光不敏感的特點(diǎn)。1838的工作原理為：首先，通過(guò)紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38kHz的脈沖調制紅外光信號轉化為電信號，再由前置放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理；然后，通過(guò)帶通濾波器進(jìn)行濾波，濾波后的信號由解調電路進(jìn)行解調；最后，由輸出級電路進(jìn)行反向放大輸出。

如圖5所示，1838的Vcc接+3V，GND接地，信號從OUT引腳引出，進(jìn)入MSP430F413的P2.0口。當1838接收到紅外信號，就會(huì )把紅外信號轉換的電平從OUT腳輸出，P2.0口就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷，進(jìn)入紅外中斷服務(wù)程序，進(jìn)而判斷是什么信號，并且對信號做出反應。

1838輸出的接收波形與發(fā)射波形恰好反相，即前導碼是9ms的低電平與4ms的高電平，“0”是0.5ms的低電平與0.5ms的高電平，“1” 是0.5ms的低電平與1.5ms的高電平。因此，在接收程序中，通過(guò)比較高電平的脈寬來(lái)判斷到底是前導碼，還是“0”或“1”。

圖6是紅外接收中斷程序流程圖。在主程序中，先設置P2.0口為上升沿和下降沿都捕獲，然后中斷允許，進(jìn)入主循環(huán)。一旦P2.0口有電平的跳變即進(jìn)入中斷程序。在中斷程序中，首先判斷是否上升沿。若是，則上升沿標志置1，并記錄上升沿時(shí)刻；否則，說(shuō)明是下降沿，再判斷上升沿標志是否置1。若是，說(shuō)明已有上升沿，記錄下降沿時(shí)刻，并計算脈寬（脈寬=下降沿時(shí)刻—上升沿時(shí)刻）；否則，說(shuō)明這是干擾信號，直接返回。下一步，判斷脈寬的大小。若是起始碼，則起始碼標志置1，記數值n清0。否則，判斷起始碼標志是否置1，若是，判斷是“0”還是“1”，并保存，n加1，判斷n是否大于或等于32，是則將起始碼標志和記數值n清0，保存32位數據，返回；否則直接返回。

圖6 紅外接收中斷程序流程圖

5 結束語(yǔ)

在遙控器開(kāi)發(fā)中，紅外發(fā)射電路采用紅外發(fā)光二極管，用軟件生成38K的載波；紅外接收電路采用專(zhuān)用模塊TSOP1838SS3V；主控制器采用 MSP430F413單片機。經(jīng)實(shí)際測試，遙控器的發(fā)射功率約為38mw，發(fā)射距離達到8m。遙控器具有低功耗、便攜式、低成本、高可靠性、體積小、結構簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：本文中的紅外遙控器主要用于現場(chǎng)儀表的控制。目前帶遙控器的現場(chǎng)儀表還非常少，國外也只有SIEMENS公司開(kāi)發(fā)了帶有遙控功能的現場(chǎng)儀表，而國內這種產(chǎn)品幾乎沒(méi)有，所以紅外遙控器的開(kāi)發(fā)，可以說(shuō)走在了國內同類(lèi)產(chǎn)品的前列，具有很大的市場(chǎng)優(yōu)勢。而且，通過(guò)紅外遙控器的開(kāi)發(fā)和使用，適應了現代社會(huì )對控制的要求日益向便攜式、簡(jiǎn)單式方向發(fā)展的趨勢。