基于红外遥控的传感器实验设计与实现

梁剑平

（玉林师范学院 计算机科学与工程学院，广西 玉林 537000）

0 引 言

红外遥控设备具有价格低廉、体积小、功能强、功耗低、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于家用电器、玩具、工业设备中[1-5]。根据我校物联网工程专业“传感器原理及应用”课程实验的需要，研制了红外遥控传感器实验平台，设计了相应的实验内容，让学生在做中学[6]、理论和实践相结合，使学生进一步了解和掌握红外遥控传感器的原理及应用。

1 红外遥控传感器实验平台

本文设计的实验平台如图1所示，以STC89C52单片机为主控芯片，红外接收传感器使用HS0038一体化万能接收传感器，用于接收并解码红外遥控器发送的信号，其电压范围是2.7～5.5 V，引脚间距为2.5 mm，中心频率为38 kHz，集成光电检测和放大器、滤波器；采用环氧树脂一体成型，抗自然红外光干扰[7]。对应图1圈出部分的实物如图2所示，将其集成在实验平台中。图3是红外遥控接收传感器电路原理，STC89C52单片机IO口P3.4通过上拉电阻与红外接收传感器的IR输出引脚连接。选择红外遥控器作为红外发射电路。图4是本实验平台选择的红外遥控器实物，其使用专用集成电路进行编码，由38 kHz载波调制脉冲幅度，通过红外二极管进行红外信号发射。红外遥控系统由发射和接收两部分组成，系统框图如图5所示[8]。

图1 红外遥控传感器实验平台

图2 红外接收传感器HS0038实物

图3 红外遥控接收传感器电路原理

图4 红外遥控器

图5 红外遥控系统框图

2 红外遥控传感器实验内容设计

根据本文研制的实验平台，围绕红外遥控传感器设计了红外传感器通信协议初探实验、红外传感器解码基础实验、红外遥控LED灯亮灭进阶实验，三个实验环节难度由浅入深。

2.1 红外传感器通信协议初探实验

本实验平台红外遥控采用NEC通信协议[9-10]，使用逻辑分析仪读取IR引脚的电平，从而直观了解NEC通信协议。NEC通信协议定义的逻辑“0”和逻辑“1”如下：

（1）逻辑0∶0.56 ms低电平+ 0.56 ms高电平（低高电平比1∶1）。

（2）逻辑1∶0.56 ms低电平+ 1.68 ms高电平（低高电平比1∶3）。

NEC通信协议中一帧编码数据由前导码+起始码+数据码+数据反码组成，本实验中前导码由9 ms低电平+4.5 ms高电平组成，起始码16位（00000000 11111111） = 0x00FF，数据码8位，数据反码8位，数据码+数据反码＝0x00FF，前导码和起始码对于同一个遥控器不同的按键都是一样的，数据码对应于每个按键的编码，数据反码是数据码按位取反的值。

初探实验学生不需要编程，将实验平台上红外遥控接收传感器HS0038的引脚与逻辑分析仪连接如图6所示，逻辑分析仪的白色探头接红外接收头IR引脚，黑色探头接红外接收头地引脚，接好线路后给实验平台上电，按图4遥控器的某个按键，如“1”按键，观察逻辑分析仪上位机的波形并分析记录。图7是实验课程中某组学生按下实验所用遥控器按键“1”的解码波形，对波形进行放大如图8所示，对波形进行分析如图9所示。该波形图即为按下的遥控器某个按键对应的NEC通信协议解码数据。

图6 逻辑分析仪测量遥控按键波形

图7 遥控器按键“1”解码波形

图8 遥控器按键“1”解码放大波形

图9 遥控器按键“1”解码放大波形分析

根据图9分析遥控器的按键“1”的编码，可得按键“1”数据码为（10100010）=0XA2，通过下一节的基础实验进一步验证波形数据的正确性。

2.2 红外传感器解码基础实验

根据硬件部分图3所示的红外遥控接收传感器电路原理，利用Keil软件编程控制单片机通过IO口P3.4读取红外接收传感器HS0038输出引脚IR的数据。为了便于观察记录并通过串口助手显示数据，同时数码管显示对应的数字，如按下按键“1”，数码管显示单个数字“1”，要求学生解码实验平台所用的遥控器所有按键的编码，并将数据记录在表1中，其中编码值采用十六进制记录，编码值是学生实验编程读取IR引脚记录的红外遥控器按键对应的编码，将本节实验编程解码数据与上一节实验使用逻辑分析仪读取的数据对比，验证实验结果的正确性和一致性。图10和图11是实验课程中某组学生的串口助手数据显示结果和数码管显示结果。

表1 红外遥控器按键对应编码

图10 串口助手数据显示结果

图11 数码管显示结果

2.3 红外遥控LED灯亮灭进阶实验

开发板上有红色、黄色、绿色三种颜色的LED灯，实验平台对应LED灯部分的电路原理如图12所示。利用Keil软件编程实现使用红外遥控信号控制三个LED灯的亮灭，模拟现实情况中遥控电灯的开关控制。具体功能如下：当按下遥控器按键“1”时，红色LED灯亮；当按下按键“2”时，黄色LED灯亮；当按下按键“3”时，绿色LED灯亮；当按下按键“OK”时，三个灯都熄灭。软件流程如图13所示。该实验能够使学生更进一步掌握如何使用红外遥控器的红外信号进行灵活设计以实现按键的功能。

图12 LED灯电路原理

图13 红外遥控信号控制LED灯亮灭流程

3 结 语

本文针对“传感器原理及应用”课程中红外遥控传感器研制的实验平台和实验内容进行设计，其中实验内容涉及初探实验、基础实验、进阶实验三个环节，实验环节循序渐进、环环紧扣，能够帮助学生理解并掌握红外遥控传感器原理及应用。本实验平台外扩了E2PROM存储器，可以设计实现红外遥控器密码锁项目式实验，进一步提高学生的工程实践能力。