基于MSP430單片機(jī)的紅外遙控器設(shè)計(jì)

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(qiáng)酸性、腐蝕性、有毒氣體等。這時，紅外遙控是可行的控制方式。通過這種方式，操作人員能及時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，修改控制對象的參數(shù)，并發(fā)送控制命令，以達(dá)到理想的控制效果。紅外遙控通過紅外通信的方式進(jìn)行控制，具有低功耗、低成本、高可靠性、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、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(yīng)用前景。

2 紅外通信原理

紅外通信，即以紅外線作為通信載體，通過紅外光在空中的傳播來傳輸數(shù)據(jù)的通信方式，它由發(fā)射端和接收端來完成。在發(fā)射端，發(fā)送的數(shù)字信號經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)制編碼后，送入電光變換電路，經(jīng)紅外發(fā)射管轉(zhuǎn)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(diào)譯碼后恢復(fù)出原信號。

紅外發(fā)射端發(fā)送數(shù)據(jù)時，是將待發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)調(diào)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(diào)制PWM方式發(fā)送，通過待發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)的“0”或“1”控制兩個脈沖之間的時間間隔，及PWM的占空比。紅外載波既可以通過外圍硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可以使用單片機(jī)內(nèi)部的定時器的PWM功能實(shí)現(xiàn)。

紅外接收端在收到38KHz的載波信號時，會輸出低電平，否則輸出高電平，從而可以將“時斷時續(xù)”的紅外光信號解調(diào)成一定周期的連續(xù)方波信號，經(jīng)單片機(jī)處理，便可以恢復(fù)出原數(shù)據(jù)信號。

3 MSP430單片機(jī)簡介

MSP430單片機(jī)是TI公司推出的一個新型單片機(jī)系列，其主要特點(diǎn)是：超低功耗、16位指令、內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器、串行通信接口、硬件乘法器、 LCD（液晶）驅(qū)動器及高抗干擾能力等。因此，MSP430單片機(jī)特別適合應(yīng)用在智能儀表、防盜系統(tǒng)、智能家電、電池供電便攜式設(shè)備等產(chǎn)品之中。筆者在開發(fā)這款遙控器時，選用的單片機(jī)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位精簡指令結(jié)構(gòu)（RISC）；150ns指令周期；帶有3個捕獲/比較器的16位定時器；片內(nèi)集成96段LCD驅(qū)動器；片內(nèi)有JTAG 調(diào)試接口和FLASH型存儲器，可在線串行編程；開發(fā)環(huán)境十分方便高效，支持C語言和匯編語言。

4 基于MSP430單片機(jī)的紅外遙控器設(shè)計(jì)

4.1 總體硬件框圖

筆者設(shè)計(jì)的這款紅外遙控器，不僅能設(shè)置控制對象的給定值或控制參數(shù)，并通過紅外線發(fā)送給對象，而且能接收并顯示對象通過紅外線反饋回的實(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(yīng)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模塊：電源模塊、鍵盤模塊、液晶模塊、紅外發(fā)送模塊和紅外接收模塊。總體硬件框圖如圖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(jié)1.5V電池供電即可。鍵盤模塊采用4×4行列掃描式鍵盤。液晶模塊由MSP430F413直接驅(qū)動。

圖1 總體硬件框圖

4.2 紅外發(fā)送模塊

因?yàn)榘l(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方法來實(shí)現(xiàn)：一是用硬件方法，即設(shè)計(jì)脈沖電路來產(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。

這里利用軟件來實(shí)現(xiàn)這個功能。即在需要輸出高電平的時候，讓程序定時把P2.1口輸出狀態(tài)反向，其中定時時間是由指令數(shù)和指令周期來決定的，每條指令的指令執(zhí)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(zhí)行的少一些，反之就讓指令多一些?？梢娸敵鲂盘栒伎毡瓤梢杂啥〞r時間的長短來決定，這樣就可以在高電平時輸出占空比盡量小的脈沖信號。因?yàn)榻邮疹^對38KHz的光信號轉(zhuǎn)換能力比較強(qiáng)，所以把高電平的頻率設(shè)置為38KHz。在需要輸出低電平的時候，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(dǎo)碼，以檢驗(yàn)這組碼是否為想要的碼。前導(dǎo)碼由一個9ms的高電平和一個4ms的低電平組成。然后再發(fā) 32位數(shù)據(jù)代碼，其中高電平為0.5ms，低電平為0.5ms的一個周期為代碼“0”；高電平為0.5ms，低電平為1.5ms的一個周期為代碼“1”。為了提高發(fā)射功率，實(shí)際工作時，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(dǎo)碼，然后再按發(fā)出的是‘0’或‘1’來發(fā)出不同的數(shù)據(jù)碼，每發(fā)送完一位，就讓碼長計(jì)數(shù)器num加1，直到num加到32時，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)的專用紅外接收模塊TSOP1838SS3V（以下簡稱1838）。該接收模塊是一個三端元件，使用+3V電源，具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、輸入靈敏度高、對其它波長（950nm以外）的紅外光不敏感的特點(diǎn)。1838的工作原理為：首先，通過紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38kHz的脈沖調(diào)制紅外光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再由前置放大器和自動增益控制電路進(jìn)行放大處理；然后，通過帶通濾波器進(jìn)行濾波，濾波后的信號由解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)；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(dāng)1838接收到紅外信號，就會把紅外信號轉(zhuǎn)換的電平從OUT腳輸出，P2.0口就會產(chǎn)生一個中斷，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(yīng)。

1838輸出的接收波形與發(fā)射波形恰好反相，即前導(dǎo)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，通過比較高電平的脈寬來判斷到底是前導(dǎo)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(shè)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(biāo)志置1，并記錄上升沿時刻；否則，說明是下降沿，再判斷上升沿標(biāo)志是否置1。若是，說明已有上升沿，記錄下降沿時刻，并計(jì)算脈寬（脈寬=下降沿時刻—上升沿時刻）；否則，說明這是干擾信號，直接返回。下一步，判斷脈寬的大小。若是起始碼，則起始碼標(biāo)志置1，記數(shù)值n清0。否則，判斷起始碼標(biāo)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(biāo)志和記數(shù)值n清0，保存32位數(shù)據(jù)，返回；否則直接返回。

5 結(jié)束語

在遙控器開發(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用模塊TSOP1838SS3V；主控制器采用 MSP430F413單片機(jī)。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(dá)到8m。遙控器具有低功耗、便攜式、低成本、高可靠性、體積小、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文中的紅外遙控器主要用于現(xiàn)場儀表的控制。目前帶遙控器的現(xiàn)場儀表還非常少，國外也只有SIEMENS公司開發(fā)了帶有遙控功能的現(xiàn)場儀表，而國內(nèi)這種產(chǎn)品幾乎沒有，所以紅外遙控器的開發(fā)，可以說走在了國內(nèi)同類產(chǎn)品的前列，具有很大的市場優(yōu)勢。而且，通過紅外遙控器的開發(fā)和使用，適應(yīng)了現(xiàn)代社會對控制的要求日益向便攜式、簡單式方向發(fā)展的趨勢。

參考文獻(xiàn)

[1] 柏軍，胡屏. 一種用于單片機(jī)的紅外串行通信接口. 單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2003.8

[2] 蔣俊峰. 基于單片機(jī)的紅外通訊設(shè)計(jì). 電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2003.11

[3] 魏小龍. MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002

[4] 陳茂勇，郭西進(jìn). 基于MSP430單片機(jī)的智能無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì). 微計(jì)算機(jī)信息，2005.5

[5] 馮瑛. 全數(shù)字電動調(diào)節(jié)閥模糊控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)：[學(xué)位論文].長沙：中南大學(xué)，2004