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為了解決空調遙控器不兼容問(wèn)題,設計了一款基于A(yíng)tmega16單片機的智能空調遙控器。該遙控器采用測量脈沖寬度的方法學(xué)習紅外信號,同時(shí)使用游程編碼算法對數據進(jìn)行壓縮后存儲,并利用單片機內部定時(shí)器PWM模式產(chǎn)生紅外載波,成功實(shí)現了對紅外遙控的學(xué)習與再現,并可通過(guò)上位機進(jìn)行控制。經(jīng)運行測試表明,該智能遙控器操作靈活,性能穩定,為智能遙控器設計提供了一種新方案。 1 引言 本文設計了一款針對空調設備的智能學(xué)習型紅外遙控器，采用記錄脈沖寬度的方法，成功實(shí)現了對多種紅外空調遙控信號的學(xué)習與再現，真正實(shí)現了"萬(wàn)能"。本文在闡述了系統的總體結構及硬件設計的基礎上，詳細研究了系統學(xué)習，發(fā)送及通信功能的軟件設計與實(shí)現。 2 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(guò)接口電路與主控芯片相連。主要模塊有：矩陣鍵盤(pán)，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 字節的系統內可編程Flash ,512 字節EEPROM,1K 字節SRAM,32 個(gè)通用I/O 口線(xiàn)，32 個(gè)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(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)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(mén)狗定時(shí)器，一個(gè)SPI 串行端口，以及六個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式。該芯片功能強大，滿(mǎn)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(pán)采用3*3 的設計，設置了8 個(gè)功能鍵，方便用戶(hù)進(jìn)行手動(dòng)操作。其中單獨設計了一顆模式切換鍵，可在學(xué)習、發(fā)射、通信模式中切換。為了實(shí)現學(xué)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(shù)脂封裝結構為其提供了一個(gè)特殊的紅外濾光器，對自然光和電場(chǎng)干擾有很強的防護性。NB1838 對接收到的紅外信號進(jìn)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(jìn)行進(jìn)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(guò)IIC 協(xié)議與Atmega16 TWI 接口通信，將學(xué)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(guò)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(shí)，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(cháng)紅外發(fā)射管的使用壽命。經(jīng)實(shí)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(guò)RS232 電路與上位機通信，在與上位機通信時(shí)使用DS18B20 反饋溫度信息，DS18B20 一線(xiàn)總線(xiàn)設計大大提高了系統的抗干擾性，獨特而且經(jīng)濟。系統還增加了RS485 模塊，便于組網(wǎng)，以實(shí)現對多個(gè)紅外設備進(jìn)行控制。RS485 在組網(wǎng)時(shí)只需要用一對雙絞線(xiàn)將子設備的"A"、"B"端連接起來(lái)，這種接線(xiàn)方式為總線(xiàn)式拓撲結構，在同一總線(xiàn)上可掛接多個(gè)結點(diǎn)，連接方便。 為了增加設備的實(shí)用性，系統設計了兩個(gè)電源方案，一個(gè)是直接接入5V 直流電源，一個(gè)是接入12V直流電源，然后通過(guò)L7805 構成的變壓電路降壓為5V使用。 3 系統軟件設計與實(shí)現 系統程序主要分為三個(gè)部分：學(xué)習模式，發(fā)送模式以及通信模式。當第一次進(jìn)入系統時(shí)，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(gè)模式間切換，默認進(jìn)入通信模式，可以通過(guò)模式切換按鍵改變模式，也可以通過(guò)上位機直接更改。出于系統的穩定性需要，在程序中加入了軟件看門(mén)狗，防止程序"跑飛". 3.1 學(xué)習功能設計 3.1.1 學(xué)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，很難區分各種碼型的編碼含義;各個(gè)紅外遙控的編碼長(cháng)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(gè)完整幀，后重復發(fā)送幀頭和一個(gè)脈沖。面對如此多樣化的編碼方式，如果區分每種編碼的含義進(jìn)行學(xué)習，學(xué)習的復雜度將會(huì )很高，并且通用性也會(huì )受到影響。所以，為了避開(kāi)各色碼型的干擾，系統在學(xué)習時(shí)并不關(guān)心碼型數據的實(shí)際意義，只記錄脈沖的時(shí)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(xué)習程序流程如圖4 所示。 圖4 學(xué)習程序流程圖。 3.1.2 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(xué)習功能通用性得到了提高，但這種方式學(xué)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(kāi)銷(xiāo)的情況下保證足夠的存儲容量，以及滿(mǎn)足未來(lái)擴展的需要，在進(jìn)行數據存儲時(shí)，采取了數據壓縮技術(shù)。 從學(xué)習到的電平數據可以發(fā)現，無(wú)論數據是1 還是0,都有相同時(shí)長(cháng)的電平出現，這符合游程編碼的特點(diǎn)。游程編碼是一種簡(jiǎn)單的非破壞性資料壓縮法，其好處是加壓縮和解壓縮都非�？�，其方法是計算連續出現的資料長(cháng)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(jiàn)，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(shí)，系統對學(xué)習到的數據進(jìn)行游程編碼壓縮[7,8].例如，學(xué)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 字節的空調遙控碼，只需要106個(gè)字節即可存儲，壓縮率達53.27%.因此，在存儲時(shí)針對學(xué)習到的數據特點(diǎn)采取游程編碼壓縮，可以有效節約存儲空間。 圖5 一組典型的空調數據幀。 3.2 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(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(kāi)銷(xiāo)，本系統使用單片機內部的定時(shí)器產(chǎn)生載波。系統使用的是Atmega16 單片機，其定時(shí)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(shí)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(shí)，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(guò)發(fā)射電路即可完成紅外信號的發(fā)射。 3.3 通信功能設計 3.3.1 上位機通信 本遙控器除了能通過(guò)功能按鍵實(shí)現手動(dòng)操作外，還可以通過(guò)上位機軟件對遙控器進(jìn)行控制。遙控器與上位機通過(guò)RS232 模塊進(jìn)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(diǎn)擊發(fā)送即可通過(guò)上位機對設備進(jìn)行控制。由于本遙控器是基于空調遙控器進(jìn)行研究的，在與上位機通信時(shí)，系統中的溫度檢測模塊會(huì )上傳實(shí)時(shí)溫度，便于用戶(hù)進(jìn)行調整。圖6 為上位機軟件流程圖。 圖6 上位機軟件流程圖。 3.3.2 組網(wǎng)控制 為了實(shí)現對多個(gè)設備的聯(lián)網(wǎng)控制，還設計了RS485 模塊。各子遙控器通過(guò)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(gè)作為主遙控器，與上位機通過(guò)RS232 模塊進(jìn)行串口通信。當上位機需要對某個(gè)子設備進(jìn)行控制時(shí)，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(huì )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(wù)器，可實(shí)現遠程控制。 用戶(hù)登錄遠程客戶(hù)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(guò)串口通信對遙控器進(jìn)行相應操作。如果遙控器主機與上位機距離較遠，RS232 不能滿(mǎn)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(guò)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(jìn)行控制。 圖7 控制網(wǎng)絡(luò )示意圖。 4 結語(yǔ) 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(guò)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(shí)器的PWM 模式產(chǎn)生38KHz 的載波，節約了硬件成本，除手動(dòng)操作外還可以通過(guò)上位機對遙控器進(jìn)行控制，使用方便。 系統成功實(shí)現了對多種空調遙控器的學(xué)習與功能再現，操作靈活，性能穩定。本系統還可用于智能家居中，對不同的紅外設備進(jìn)行控制，也可用于遠程網(wǎng)絡(luò )控制，為智能家居及遠程監控提供了一種實(shí)現方法。 |
