基于Atmega16單片機(jī)的新型智能空調(diào)遙控器

　　1 引言

　　近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)高速發(fā)展，智能化家居系統(tǒng)也隨著新技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了千家萬(wàn)戶，家居系統(tǒng)中如空調(diào)、電視、照明系統(tǒng)等，都使用遙控器進(jìn)行控制。紅外線遙控器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，已成為使用最廣泛的一種遙控方式。然而，由于各種紅外設(shè)備采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議大不相同，使得各種設(shè)備的遙控器并不能兼容，給用戶和消費(fèi)者帶來(lái)了諸多不便。

　　目前，市場(chǎng)上已有的萬(wàn)能遙控器多是內(nèi)置了多種品牌的紅外控制指令，對(duì)內(nèi)置品牌以外的紅外設(shè)備則無(wú)能為力。為此，本文設(shè)計(jì)了一款針對(duì)空調(diào)設(shè)備的智能學(xué)習(xí)型紅外遙控器，采用記錄脈沖寬度的方法，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種紅外空調(diào)遙控信號(hào)的學(xué)習(xí)與再現(xiàn)，真正實(shí)現(xiàn)了"萬(wàn)能".本文在闡述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了系統(tǒng)學(xué)習(xí)，發(fā)送及通信功能的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

　　2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，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(chǔ)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(cè)模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

　　系統(tǒng)以Atmega16 單片機(jī)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(gè)通用I/O 口線，32 個(gè)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(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART,有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8 路10 位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的ADC,具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(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(qiáng)大，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要并提供了充分的擴(kuò)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(fù)位電路采用低電平復(fù)位。

　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　矩陣鍵盤(pán)采用3*3 的設(shè)計(jì)，設(shè)置了8 個(gè)功能鍵，方便用戶進(jìn)行手動(dòng)操作。其中單獨(dú)設(shè)計(jì)了一顆模式切換鍵，可在學(xué)習(xí)、發(fā)射、通信模式中切換。為了實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)功能， 紅外接收模塊使用了一體化接收頭NB1838,其光電檢測(cè)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(jié)構(gòu)為其提供了一個(gè)特殊的紅外濾光器，對(duì)自然光和電場(chǎng)干擾有很強(qiáng)的防護(hù)性。NB1838 對(duì)接收到的紅外信號(hào)進(jìn)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(jī)，再由單片機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，存儲(chǔ)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(chǔ)空間比較大，設(shè)計(jì)了單獨(dú)的存儲(chǔ)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(xí)到的紅外指令存儲(chǔ)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(guò)大功率紅外發(fā)射管將調(diào)制好的紅外信號(hào)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?fàn)顟B(tài)，紅外發(fā)射管不工作，有利于降低功耗以及延長(zhǎng)紅外發(fā)射管的使用壽命。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，發(fā)射距離可達(dá)到10m 左右。

　　圖3 發(fā)射硬件電路圖。

　　通信模式中，系統(tǒng)通過(guò)RS232 電路與上位機(jī)通信，在與上位機(jī)通信時(shí)使用DS18B20 反饋溫度信息，DS18B20 一線總線設(shè)計(jì)大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)。系統(tǒng)還增加了RS485 模塊，便于組網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)紅外設(shè)備進(jìn)行控制。RS485 在組網(wǎng)時(shí)只需要用一對(duì)雙絞線將子設(shè)備的"A"、"B"端連接起來(lái)，這種接線方式為總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在同一總線上可掛接多個(gè)結(jié)點(diǎn)，連接方便。

　　為了增加設(shè)備的實(shí)用性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gòu)成的變壓電路降壓為5V使用。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)程序主要分為三個(gè)部分：學(xué)習(xí)模式，發(fā)送模式以及通信模式。當(dāng)?shù)谝淮芜M(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，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(gè)模式間切換，默認(rèn)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(jī)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".

　　3.1 學(xué)習(xí)功能設(shè)計(jì)

　　3.1.1 學(xué)習(xí)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(gè)紅外遙控的編碼長(zhǎng)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(fù)發(fā)送兩次、先發(fā)送一個(gè)完整幀，后重復(fù)發(fā)送幀頭和一個(gè)脈沖。面對(duì)如此多樣化的編碼方式，如果區(qū)分每種編碼的含義進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的復(fù)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(tǒng)在學(xué)習(xí)時(shí)并不關(guān)心碼型數(shù)據(jù)的實(shí)際意義，只記錄脈沖的時(shí)間寬度。系統(tǒng)主要針對(duì)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(xí)程序流程如圖4 所示。

　　圖4 學(xué)習(xí)程序流程圖。

　　3.1.2 壓縮存儲(chǔ)

　　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(xué)習(xí)功能通用性得到了提高，但這種方式學(xué)習(xí)到的數(shù)據(jù)量很大，對(duì)存儲(chǔ)的要求就變得很高。

　　盡管系統(tǒng)針對(duì)存儲(chǔ)的大容量需求設(shè)計(jì)了單獨(dú)的存儲(chǔ)模塊，但考慮到應(yīng)在不增加硬件開(kāi)銷的情況下保證足夠的存儲(chǔ)容量，以及滿足未來(lái)擴(kuò)展的需要，在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，采取了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。