电子信息工程毕业论文：基于单片机的红外通信研究

1、 河北省高等教育自学考试毕业论文题目：基于红外传输技术利用单片机集成电路进行编码解码的红外遥控收发系统专业：电子信息工程（独立本科段）作者：金伟准考证号：011313200268指导教师：田晓燕是否拟申请学位：是联系电话成日期：2014年7月10日 摘 要在很多实际的单片机系统中，常常使用非电信号（如光信号、超声波信号等）来传送控制信息和数据信息，以实现遥控和遥测的功能，其中红外遥控是目前使用最广泛且很实用的一种通信和遥控手段。由于红外遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空调以及玩具等其他小型电器装置上，也纷纷

2、采用红外线遥控。工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅安全可靠，而且能有效地隔离电气干扰。正是由于红外通信具有这些特点，随着计算机技术和红外遥控技术的发展，越来越多的红外通信装置在单片机系统中得到了应用。本设计详细介绍了红外通信的原理以及如何用51单片机来实现一个简单的红外数据通信系统。从硬件上来讲，系统实现的关键在于单片机89C52、红外接口芯片MAX3100和红外收发芯片HSDL3201的使用。本系统的软件程序比较简单，但它验证了单片机实现红外通信的可行性。关键词：红外通信； 单片机； 接口芯片ABSTRACT In many practical SCM sy

3、stem, often using non-electrical signals (such as optical signals, ultrasonic signals, etc.) to send control information and data information in order to achieve the functions of remote control and telemetry, infrared remote control is the most widely used and A very practical means of communication

4、 and remote control. Since infrared remote control device with small size, low power consumption, strong function, low cost, thus following the color television sets, VCRs, the tape recorder, audio equipment, air conditioners and other small toys, and other electrical installations, have also used i

5、nfrared remote control. Industrial equipment, in the high-pressure, radiation, toxic gases, dust and other circumstances, using infra-red remote control not only safe, reliable, but also effectively isolate electrical interference. It is precisely because of these characteristics with infrared commu

6、nication, with computer technology and infrared remote control technology, more and more infrared communication devices in the SCM system has been applied. The detailed design of infrared communication with the 51 principles and how to achieve a simple microcontroller infrared data communications sy

7、stems. In terms of hardware, the system is the key to achieving SCM89C52, infrared interface chip MAX3100 and infrared transceiver chip HSDL3201 use. The system is relatively simple software program, but he proved MCU the feasibility of infrared communication. Key words: infrared communication; SCM;

8、 interface chip河北大学毕业设计（论文）说明书目 录1 绪论11.1红外通信简介及研究现状11.2红外通信的研究目的和意义21.3 设计任务31.4 红外收发器产品的发展趋势32 方案论证42.1 方案的比较42.2 如何实现红外通信方案42.3 设计注意事项53 硬件设计73.1 红外通信相关器件73.2芯片选型103.3 看门狗电路设计143.4 单片机电路设计163.5 串口电平转换电路设计183.6 红外通信电路设计194 软件设计214.1 软件工作流程214.2 程序分析及代码235 分析与总结27致谢29参考文献30附图 电路总图31河北大学毕业设计（论文）说明书1

9、 绪论1.1红外通信简介及研究现状红外数据通信，顾名思义，就是通过红外线传输数据，它是一种使用红外线作为传播介质的数据传输方式。在电脑技术发展早期，数据都是通过线缆传输的，线缆传输连线麻烦，需要特制接口，颇为不便。于是后来就有了红外、蓝牙、802.11等无线数据传输技术。红外线是波长在750nm1mm之间的电磁波，是人眼看不到的光线。红外数据传输一半采用红外波段内的近红外线，波长在0.75m25m。红外数据协会成立后，为保证不同厂商的红外产品能获得最佳的通信效果，限定所用红外波长在850nm900nm。红外数据通信技术是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持

10、。红外收发器产品具有成本低，小型化，传输速率快，点对点安全传输，不受电磁干扰等特点，可以实现信息在不同产品之间快速、方便、安全地交换与传送，在短距离无线传输方面拥有十分明显的优势。红外遥控收发系统的设计在具有很高的实用价值，目前红外收发器产品在可携式产品中的应用潜力很大。全世界约有1亿5千万台设备采用红外技术，在电子产品和工业设备、医疗设备等领域广泛使用。绝大多数笔记本电脑和手机都配置红外收发器接口。随着红外数据传输技术更加成熟、成本下降，红外收发器在短距离通讯领域必将得到更广泛的应用。IrDA是国际红外数据协会（Infrared Data Association）的英文缩写，IrDA相继制定

11、了很多红外通信协议，有侧重于传输数率方面的，也有二者兼顾的。在海外通信技术发展早期，存在好几个红外通信标准，1993年，由二十多个大厂商发起成立了红外数据协会（IrDA），统一了红外通信标准，这就是目前被广泛使用的IrDA红外通信协议及规范。IrDA1.0协议基于异步收发器UART，最高通信速率为115.2Kb/s，简称SIR（Serial Infrared,串行红外协议），采用3/16 EN/DEC编/解码机制。IrDA1.1协议提高通信速率到4Mb/s，简称FIR（Fast Infrared，快速红外协议），采用4PPM（Pulse Position Modulation，脉冲位置调制）编

12、译码机制，同时在低速时保留1.0协议规定。之后，IrDA又推出了最高通信速率为16Mb/s的协议，简称VFEIR（Very Fast Infared，特速红外协议）。IrDA标准包括三个基本的规范和协议：IrPHY（Infared Physical Link Specification，红外物理层连接规范）、IrLAP（Infared Link Access Protocol，红外连接访问协议）和IrLMP（Infared Link Management Protocol，红外连接管理协议）。IrPHY规范制定了红外通信硬件设计上的目标和要求。IrLAP和IrLMP为两个软件层，负责对连接进行

13、设置、管理和维护。在IrLAP和IrLMP基础上，针对一些特定的红外通信应用领域，IrDA还陆续发布了一些更高级别的红外协议，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMN、IrLAN、IrTran-P等等。红外传输的距离在几厘米到几十米之间，发射角通常在015，发射强度与接收灵敏度因不同器件、不同应用设计而强弱不一。1.2红外通信的研究目的和意义红外数据传输有自身的优点。在一些单片机监测系统中，数据采集装置是安装在环境条件恶劣的现场或者野外。采集到的数据传输到手持终端，然后通过手持终端送到后台机进行数据分析、处理。这样，数据采集装置与手持终端之间的数据传输需解决通信问题。这时采用有线数据传输方式

14、显然是不合适的，而采用无线电通信方式，在恶劣的电磁环境下，要保障数据接受的可靠性，必须提高电台的发射功率，这样一方面需要申请专用额点，另一方面有会对空间产生无线干扰，同时无线电波的频率比红外线的频率更接近于系统工作频率，也容易对系统造成干扰。因此在这样的工作环境中，采用红外通信方式较为合适。本课题的研究对于工业控制有着重要的意义。目前红外遥控、遥测技术在彩电、录像机、音响设备、空调、玩具、门铃、遥控汽车路牌以及防盗等其它小型装置上得到了广泛的应用。采用红外线做通信媒介，经实验证明，在没有阻碍的有限范围内具有无线电无法比拟的优势。所以对本文的研究是很有必要的。1.3 设计任务考虑到红外光反射的原

15、因，在全双工方式下发送的信号也可能会本身吸收，一次红外通信需采用半双工方式，即通信的某一方发送和接收是交替进行的。红外通信的基本原理是发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。常用的有两种方法：通过脉冲宽度来实现信号调制的PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的PPM（Pulse Position Modulation，脉位调制），接收端将接收到的光脉冲转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制信号后输出。红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制解调，以便利用红外

16、信道进行传输。红外通信的接口就是针对红外信道的调制解调器。实现单片机红外通信的关键在于红外接口电路以及接口驱动程序的设计。主要包括三个方面的内容：一 接口器件的选取，要求能够完成单片机串口和红外通信之间的转换。二 根据选择的接口器件设计外围电路，实现单片机串口和红外通信的接口电路。三 编写实现红外通信的单片机程序。1.4 红外收发器产品的发展趋势在各种红外收发器产品中，虽然传输速率、传输距离等特性不同，但红外收发器产品一直朝着提高传输速率，增加传输距离，降低功耗，扩大发射接收角度等方面发展。特别是随着技术发展和成熟，传输方式正朝着点对多点方向发展。因此红外收发器产品还有更加宽广的发展前景。2

17、方案论证2.1 方案的比较目前红外遥控收发系统产品方面因为技术的成熟而差异较小，主要区别于采用哪个方式对红外信号进行编码解码。有2种常用实现方法分别为专用芯片编码解码和使用单片机进行编码解码。方案一：专用芯片解决方案。 在无线通信领域，专用红外编码芯片种类很多，如日本三菱公司的M50426AP、PT2262、BL9148、ZD6631等，台湾普城公司生产的PT2262/2272是目前最常用的芯片之一，此芯片要求配对使用。这类芯片一般集载波振荡、编码、信号输出于一体，具有很强的抗干扰能力，外围电路简单，使用很方便，而且价格也很低，具有很好的使用效果，由于是专用芯片所以使用这类芯片的产品具有比较理

18、想的传输距离。通用的遥控器上大多使用此类专用芯片。 缺点是专用芯片的内部编码已经固定，无法修改内部数据，不适用于经常需要改动传送数据的场合 。方案二：单片机解决方案。该方案使用微处理器的I/O口直接产生已调波，驱动红外发光二极管，发射红外数据。方波由CPU的定时器产生或由软件编程产生。红外编码工作由软件完成，因此，红外编码方案可以任意设计，外部配接任意硬件电路，以完成各种需要。由于使用软件编码方案占用了CPU的时间，CPU处理速度受到一定的影响，对于设计来说也增加了对软件编程的负担。同时单片机解码时会使遥控距离缩短，这是因为单片机的时钟频率的倍频都会对接收模块产生干扰，需要采用一些抗干扰措施来

19、减小干扰。经过比较第二种方案软件设计自由虽然会产生一些干扰，但对于要求不高的大多数场合还是合适的，本文针对第二种方案进行设计。2.2 如何实现红外通信方案 单片机本身并不具备红外通信的接口，那如何在单片机系统中实现红外通信呢？常见的设计思路就是利用单片机的串行接口和片外的红外收发电路，构成一个红外串行通信接口。这里提到的片外的红外收发器电路主要是通过IrDA器件来实现。根据传输速度的大小，可以把IrDA器件分为SIR、FIR、VFIR、类型。如Vishay的红外收发器TFDU4300是SIR器件，TFDU6102是FIR器件，而TFDU8108是VFIR器件。根据应用功耗的大小，可以把IrDA

20、器件区分为标准型和低功耗型。（1）低功耗型器件，通常使用1.8-3.6V电源，传输距离较近（约20cm），如Agilent的红外收发器HSDL-3203.（2）标准型器件，通常使用直流5V电源，传输距离（在30厘米和几十米之间），如Vishay的红外接收器TSOP12系列，配合其发射器TSAL5100，传输距离可达35米。根据以上的分类方法，可以清晰地表明一个IrDA红外器件的性能。例如Agient的HSDL-3000就是一个SIR标准型红外收发器。红外数据传输原理可用图2-1来简单表示。微控制器接口逻辑编解码EN/DEC发射器接收器图2-1 红外传输原理图2.3 设计注意事项红外数据通信系统

21、的设计需要考虑以下几点。首先要根据需求做好红外器件的选型。要求传输快速时，可选择FIR、VFIR收发器与编/解码器；要求长距离传输时，可选择大LED电流、小发射角发射器和灵敏度高的接受检测器；低功耗场合应用时，可选取低功耗的红外器件。这里要注意低功耗与传输性能之间存在矛盾，通常低功耗器件，传输距离很小。这一点在应用时应该综合考虑。其次设计时需要考虑到红外数据传输都是半双工性质的，为了避免自身产生的信号干扰自身，要确保发送时不接收，接收时不发送。这主要是要着眼于软件设计，使软件在一种状态时暂不理会另一种状态，同时要合理设置好收发之间的时间间隔，不能立即从一种方式转入另一种方式。设计时要合理设计好

22、各种红外器件的供电电路，选择适当的DC-DC器件，恰当地进行电磁控制，做好电源滤波。同时还要注意尽可能减少功耗，不使用红外电路时要在软件上能够控制关闭其供电。很多厂家对自己推出的红外器件都有推荐的电路设计。在PCB设计时，要合理布局器件。滤波电感、电容等要靠近器件放置，以确保滤波效果。红外器件与系统的地线要分开布置，仅在一点相连。晶体等振荡器件要靠近所供器件，以减少辐射干扰。最后，增大红外传输距离、提高收发灵敏度，可以综合采用以下几种方法：1 增加发射电路的数量，使若干只 发射管同时启动发送。2 在接收管前加装红色滤光片，以滤除其他光线的干扰。3 在接收管和发射管前面加凸透镜，提高其光线采集能

23、力。3 硬件设计3.1 红外通信相关器件图2-1中发射器主要是指红外发送器件。红外线是不可见光，人眼是觉察不到的。电子技术中是用红外发光二极管（又称红外发射二极管）来产生红外线。红外遥控收发是利用近红外光传送的波长为 0.76m1. 5m。用近红外光作为光源，是因为目前红外发光二极管与红外接收器件(光敏二极管、三极管及光电池) 的发光与受光峰值波长一般为 0.8m0. 94m ,在近红外光波段内 ,二者的光谱正好重合 ,能够很好地匹配 ,可获得较高的传输效率及较高的可靠性。常用的红外发光二极管，其外形和发光二极管LED相似，它的基本工作电路如图3-1所示。图中的三极管作开关，当基极上加有驱动信

24、号时，三极管饱和导通红外发光管D也正向导通工作，发出红外光（近红外线约0.93m）。D的管压降约1.4V，工作电流一般为1020mA。红外发送器大多是使用Ga、As等材料制成的红外发射二极管，它能够通过的LED电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大，发射强度越大，红外传输距离就越远，传输距离正比于发射强度的平方根。有少数厂商的红外发送器件内置有驱动电路。为了适应不同的工作电压，D的回路中常串有电阻作为红外发光二极管的限流电阻。图2-1中接收器主要指红外检测器件。红外检测器件的主要部件是红外敏感接收管件，这其中包括由独立接收管构成的器件、内含放大器的器件以及由集成放大器与解调器构成的器件。

25、接收灵敏度是衡量红外检测器件的主要性能指标，接收灵敏度高，传输距离远，误码率越低。内含放大器的红外检测器件内部构成如图3-2所示。由集成放大器与解调器构成的红外检测器件内部构成，如图3-3所示。内部集成放大器与解调功能的红外检测器件通常还含有带通滤波器，这类器件常用于固定载波频率（如40kHz）的应用。晶体管驱动电路红外发射二极管图3-1 内含驱动器件的发射器GNDVCC红外接收二极管放大器OUT图3-2 红外检测器件河北大学毕业设计（论文）说明书VCC放大器带通滤波解调OUTGND图3-3 红外检测器件内部构成红外收发器件发射与接收于一体。通常，器件的发射部分含有驱动器，接收部分含有放大器，

26、并且内部集成有关断控制逻辑。关断控制逻辑在发送时关断接收，以避免引入干扰。在不使用红外传输时，该控制逻辑通过SD引脚接收指令，关断器件的电源供应，这样可以降耗节能。使用器件时需要在LED引脚接入合适的限流电阻。大多数红外收发器件带有屏蔽层，该层不要直接接地，可以通过串连一个磁珠再接地，以避免引入高频干扰影响接收灵敏度。红外收发器的构成如图3-4所示。驱动控制放大TXDSDTXDGNDLED外壳图3-4 红外收发器图2-1中的红外编/解码器件的作用是实现调制/解调和编/解码。通常，红外遥控收发器将信号(二进制脉冲码)调制在载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，转化为红外信号发射出去。二进制脉冲

27、码的形式有多种，其中最为常用的是PWM码(脉冲宽度调制码)和PPM码(脉冲位置调制码）。前者以宽脉冲表示1，窄脉冲表示0。后者脉冲宽度一样，但是码位的宽度不一样，码位宽的代表1，码位窄的代表0。遥控编码脉冲信号（以PPM码为例）通常由引导码、系统码、系统反码、功能码、功能反码等信号组成。引导码也叫起始码，由宽度为9ms的高电平和宽度为4.5ms的低电平组成（不同的遥控系统在高低电平的宽度上有一定区别），用来标志遥控编码脉冲信号的开始。系统码也叫识别码，它用来指示遥控系统的种类，以区别其它遥控系统，防止各遥控系统的误动作。功能码也叫指令码，它代表了相应的控制功能，接收器中的微控制器可根据功能码的

28、数值完成各种功能操作。系统反码与功能反码分别是系统码与功能码的反码，反码的加入是为了能在接收端校对传输过程中是否产生差错。为了提高抗干扰性能和降低电源消耗，将上述的遥控编码脉冲进行脉幅调制(PAM），再经缓冲放大后送到红外发光管，将遥控信号发射出去。SIR器件多采用3/16 EN/DEC，FIR器件则多采用4PPM EN/DEC。3/16 EN/DEC是一个有效数字位（bit）时间段，划分为16等分小段，以连续3个小时间段内有无脉冲来表示调制/解调信息。这是对3/16 EN/DEC的简单解释，其他可参阅有关资料。红外编/解码器件需要从外部接入时钟，或使用自身晶体振荡电路进行调制或解调。红外编/

29、解码器中，有单独编码的集成器件，如MITSUBISHI的键盘遥控红外编码器M50462AP；也有集编码/解码于一体的，这类器件较为多见，其构成如图3-5所示。红外接口器件的作用是实现红外传输系统与微控制器、PC机或网络系统的连接。设计中经常使用的器件有UART串行异步收发器件、USB接口转换器等。红外编码红外解码时钟分频Ir_TXDIr_RCVXinXoutVCCGNDTXDRSTClk_sltCLKRCV红外编码红外解码VCCGNDTXDCLKRCVRSTIr_TXDIr_RCV图3-5 红外编解码器件3.2芯片的选型前文提到，51系列单片机的串口不支持红外数据传输功能。实现红外通信的方案之

30、一是采用分立元件搭建红外收发器，同时通过51单片机完成一定的简单通信协议，从而形成一个简单的红外数据传输方案。这种方案有些复杂，对于实际的应用，可以采用更为简单更为可靠的方法。那就是采用一个串口红外转换芯片，利用该芯片完成单片机串口红外数据传输功能转换。MAX3100是美国MAXIM公司生产的通用异步收发器（UART）芯片，使用SPI/Microwire接口与微控制器进行通信。MAX3100不仅适用于速率高达230Kb/s的RS232和RS485数据链路，而且支持速率2.4115.2Kb/s的红外线数据传输格式。MAX3100的封装和引脚如图3-6所示。它的引脚功能说明如下：图3-6 MAX3

31、100管脚图DIN：SPI/Microwire串行数据输入。DOUT：SPI/Microwire串行数据输出。SCLK：SPI/Microwire串行时钟输入。CS：片选端，CS=1时DOUT呈高阻态。IRQ：低电平中断申请输出。SHDN：硬件关断脚，SHDN为低电平时内部晶振电路关闭。X2：晶振连接脚，外接时钟时该端悬空。X1：晶振连接脚，外接时钟时从该端输入。CTS：用于RS232的CTS输入。RTS：用于RS232的RTS输出或RS485使能。RX：异步串行数据输入（接入）。TX：异步串行数据输入（发送）。VCC：正电源输入端（2.75.5V）。GND：地。MAX3100供电电源范围宽，

32、功耗低，从+2.7-5.5V的电源中仅吸收0.5mA的电流，具有零功耗的停机模式，并能由接收信号唤醒，在基于微控制器的小型系统设计中具有良好的应用前景。MAX3100是性能完善的UART，内部包含了一个简单的UART、可编程波特率发生器、8字节接收FIFO以及SPI接口和中断控制器，可实现由同步串行数据（兼容于SPI及Microwire标准）到异步串行数据通信（如RS-232、RS-485、IrDA）间的转换。本例要使用的就是SPI到IrDA的红外数据传输功能。MAX3100设计具有很大的灵活性，其特点如下：奇偶校验等完全由软件控制，只需往一个内部寄存器写入控制字，即可设置UART的波特率、数

33、据字长、校验使能以及8字节接收FIFO使能。CTS/TRS硬件握手控制线，如简单的I/O线，由寄存器直接控制。具有硬件和软件调用的关断功能，可以降低系统的功耗。具有4个中断源：接收校验（Pr）、接收数据（R）、接收开始/帧误和发送缓冲空（T），任何中断源都可以屏蔽。可选择普通UART和红外通信IrDA定时两种工作模式，其中，IrDA定时模式能够和其他具有SIR兼容的红外端口设备进行红外通信。红外收发器选用HP公司的HSDL3201，它是一款支持IrDA Data2.0的低功耗适应115.2Kb/s速率的红外收发芯片。HSDL-3201芯片简介：HSDL-3201是一种廉价的红外收发器模块，工作

34、电压为2.73.6V。由于发光二极管的驱动电流是内部供给的恒流32mA，因此确保了连接距离符合IrDA12(低功耗)物理层规范。HSDL3201与IrDA12低功耗器件通信的连接距离为20cm，与IrDA12标准器件通信的连接距离为30cm。HSDL-3201的特性如下：超小型表面封装；最小高度：2.5mm；发光二级管电压范围2.7-6.0V；温度范围：-25-85摄氏度；发光二级管驱动电流32mA；边缘检测输入：避免发光二极管的开启时间长。HSDL3201的引脚功能说明如表3-1所示。表3-1 HSDL3201的引脚功能说明Table 3-1 HSDL3201 pin Help引脚标记描述备

35、注1GND地接系统地2NC悬空此引脚必须悬空3VCC电源2.7-3.6V4AGND模拟地接“静”地5SD关断（高电平有效）此引脚必须接高或低，但不能悬空6RXD接收数据输出输出是2.4s的低电平脉冲7TXD发送数据输入逻辑高会开启LED，但如果延时20s以上会关闭LED，此脚必须接高或低，不能悬空8VLEDLED电压2.7-6.0V/SHIELDEMI外壳通过磁珠或电感（感值低）接系统地，最好不要直接接GND或AGND对于HSDL3201，LED的输出和RXD输出受TXD、SD以及接收器检测到的光信号控制，如表3-2所示。表3-2 HSDL3201收发器I/0真值表Table 3-2 HSDL

36、3201 transceiver I / 0 truth tableSDTXDLED接收器RXD备注低高开无关无效1，2低低关IrDA信号低3，4低低关无信号高高无关关无关高5注：1如果LED持续20s的高状态，LED将关闭。2当TXD正发送数据时，RXD将响应TXD信号。3带内IrDA信号和数据速率低于等于115.2Kb/s。4 RXD逻辑低是脉冲响应，脉冲宽度为2.4s，和数据5速率独立。6关断状态RXD逻辑高的上拉电阻为300k。3.3 看门狗电路设计在系统的设计中，可靠性的设计尤为重要。众所周知，在工业现场，往往会由于供电电源、空间电磁干扰或其他原因引起强烈的干扰噪声。这些干扰作用于数

37、字器件，极易使其产生误动作，引起“程序跑飞”事故。若不进行有效处理，程序就永远不能回到正常运行状态，从而失去应有的控制功能，这在工业现场中是不允许的。为了提高系统的可靠性，可以在系统中使用监视定时器（WDT）。WDT又名“看门狗”，是工业计算机和微控制器中常用的一种电路。在正常操作期间，一次WDT定时时间到，将产生一次器件复位（监视定时器复位）。在编程时加入对WDT 清0 的语句，使得程序正常运行时，在WDT 定时时间到之前对WDT 清0 ，不会产生监视定时器复位；如果由于干扰使程序跑飞，则不会在WDT 定时时间到之前执行WDT 清0 语句，WDT 就会产生复位，从而使程序又回到正常运行状态。

38、单片机系统通常工作在一些特定环境中， 不可避免会受到外界的干扰， 这些干扰轻则导致系统内部数据出错，重则将严重影响程序的运行。一般说来系统的可靠性应从软件、硬件以及结构设计等方面全面考虑， 如器件选择、电路板的布线、看门狗、软件冗余等。只有通过软、硬件的联合设计， 才能保证系总体的可靠性指标， 以满足系统在现场苛刻条件下的正常运行。对于来自电网电压的欠压、过压、掉电和瞬变现象，通常采用低通电源滤波器、隔离变压器、光电隔离及使用UPS不间断电源， 或者给单片机系统配备专用电源。但这些措施仍然不能解决上述电源异常问题， 而且线路复杂、成本高。所以，单片机监控电路应运而生。利用监控芯片和少量外围元件

39、能方便地组成各种有效的复位电路， 并能对电源异常情况进行各种监控。这种芯片具有监视功能多、可靠性高、外围元件少、监控电路简单和体积小等优点。因此它被广泛应用在计算机、微控制器应用系统、便携式智能仪器、自动控制等领域。看门狗电路采用MAXIM公司的MAX6304实现，其原理如图3-7所示。MAX6304简介：Maxim公司生产的MAX6304是一款专用、高性能、低功耗的微处理器监控芯片， 它有如下特点。（1）同时具有复位和看门狗功能； （2）复位门限电压在1122V以上可调节；（3）复位超时时间可调；（4）看门狗超时时间可调，通过看门狗选择脚还可以设置500倍超时时间；（5）4A供电电流；（6）

40、输出结构为: 推/拉方式输出、高电平复位。图3-7 看门狗电路图中D1即为看门狗芯片MAX6304。看门狗电路可参考MAX6304的芯片资料来设计。R1取15K，R3取10K，这样得到复位阈值电压为：VRSR=1.22（R3R1）/R3=3.05VMAX6304的SWT脚用于设置基本看门狗的超时周期，这个周期可以通过外部电容C2来调节。这里取C2=100pF。基本看门狗超时周期tWD=2.67C2=2.67100=267sWDS脚是看门狗选择输入脚，这个输入可以选择看门狗的模式，接低电平为正常模式，接高电平则选择的是扩展模式，在扩展模式下，看门狗超时周期为基本超时周期的500倍。在本例中，WD

41、S接高电平，所以最终的看门狗超时周期约为133ms。这样，只需单片机程序每隔小于133ms的一个时间周期内，对WDI产生输入的电平变换就可以实现对单片机程序的检测了。3.4 单片机电路设计硬件电路的单片机部分除了看门狗电路以外，其他电路采用最为常用的“CPURAM锁存器”模式。电路原理图如图3-8所示。图3-8中D2即为本例采用的单片机89C52，它由11.95MHz的晶振提供工作时钟。它的P1.7脚DOG_IN和看门狗电路相连：12脚ITN0以及P1.0P1.4均和红外接口电路相连（在后文介绍）：P1.6脚控制红外线收发器的SHUTDOWN关断脚，实现红外收发器的降功耗处理：10脚RXD、1

42、1脚TXD和串口电路相连：其他的数据线、地址线以及读写、ALE等控制信号线和锁存器以及RAM电路相连，采用最为常用的工作方式。图3-8中D3为锁存器芯片SN74ABT373，D9为32K字节的CMOS静态RAM芯片。实际上在本设计中需要用到的RAM空间很少，用89C52内部自带的256B RAM空间已经足够，可以不必使用外部RAM。图3-8 单片机电路3.5 串口电平转换电路设计目前， 计算机广泛采用RS232 串行接口标准。本文采用MAX203 转换芯片， 将RS-232 标准接口转换为TTL 电平。 MAX203 是用于RS-232 通讯的收发器， 它有两个驱动器， 两个接收器， 采用单+

43、 5V 电源， 不需要任何外部元件， 由内部电源转换电路自动生成+ 10 V 和- 10 V 电源， 以适合RS232 的电气标准， 即逻辑0 时为+ 5 + 15 V 输出， 逻辑1 时为- 5 - 15 V 输出。RS-232串口电平转换电路采用MAXIM公司的串口电平转换芯片MAX203实现，如图3-9所示。图中D8即为芯片MAX203，它是一款+5V供电、带有两路收发的RS232串行收发器，这里用到其中的一路收发。具体的电路设计参考了MAX203的芯片文档。图3-9的上面是9针的DB9插座，简单串口通信只用到了三根线：发数据、收数据和地线。图3-9 串口电平转换电路3.6 红外通信电路

44、设计红外通信电路主要由红外接口芯片MAX3100和红外收发器HSDL3201构成，其工作原理如图3-10所示。图3-10 红外通信电路图中D7为红外通信芯片MAX3100，它在单片机的控制下完成单片机串口和红外通信之间的转换，它的SPI口主要对CS、SCLK、DIN、DOUT 4个端口进行控制。X1是频率为3.6864MHz的晶振，它提供MAX3100的时钟频率。D6为红外收发芯片HSDL3201，在芯片选型时已经介绍了此芯片的功能和用法。图3-10中，HSDL3201的SD(SHUTDOWN)脚和单片机89C52的P1.6相连，由单片机通过程序来控制关断的时机。HSDL3201和MAX310

45、0的接口也很简单，就是一收一发两根线。红外通信电路和单片机的接口主要由MAX3100完成的，接口信号主要是DIN、DOUT、SCLK和CS。DIN：连接单片机的P1.1脚，串行数据输入。DOUT：连接单片机的P1.0脚，串行数据输出。SCLK：连接单片机的P1.2脚，串行时钟输入。CS：连接单片机的P1.3脚，片选信号。MAX3100的中断请求由它的nIRQ脚（低电平有效）送至单片机的INT0脚，触发器外部中断0。MAX3100的关断脚nSHDN和单片机的P1.4相连，由单片机通过程序来控制关断时机。关断脚的作用主要是节能降耗。红外通信电路的主要功能是接收IrDA数据，并输出标准的RS-232

46、数据。虽然51单片机包含了一个内部的UART，但它不支持IrDA或者高速数据通信。而利用MAX3100能够很方面的将51单片机连接至那些支持高性能通信模式。51单片机没有SPI接口，所以它与MAX3100的通信必须通过口脚（这里是P1.0-P1.3）来完成。这里需要注意的是，在本系统中，大部分芯片都是+5V供电，而HSDL3201时+3.3V供电，所以在电路设计时还需要考虑电源的供电，需要由+5V电压变换到+3.3的电源变换电路。电源变换电路采用的电源转换芯片LT1585是一款LINEAR公司的3.3V输出电压、5A输出电流的三端电源转换芯片，如图3-6所示。图中为R4为50的电阻，R5为10

47、0的电阻，C4和C5为22F的极性电容。R4+3.3V+ C5VCC+ C4R5VOVINADJ图3-11 电源转换电路原理图4 软件设计本系统的功能时实现红外通信，所以通信内容以及协议的复杂程度决定了本系统的软件复杂度。在这里如果只是实现简单的发送和接收，验证红外通信的可行性，那么程序的功能就变得比较简单。实际上，本节介绍的软件设计就是利用单片机控制外围芯片MAX3100，从而使得单片机的串口能够实现红外数据传输。4.1 软件工作流程整个系统的工作流程如图4-1所示。在本设计的一开始就提到了红外通信的特点，它是一种半双工通信，为了避免自身产生的信号干扰自身，要确保发送时不接收，接收时不发送。

48、在软件设计时，要使得发送和接收不会同时出现，同时要合理设置好收发之间的时间间隔，间隔不能设置的太短，即从一种方式转入另一种方式的时间要稍长一些。软件方案应与硬件结构结合一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。对顺序要求严格的一些过程控制系统，系统非正常复位否，一般都要求从失控的那一个模块或任务恢复运行。所以测控系统要作好重要数据单元、参数的备份，如系统运行状态、系统的进程值、当前输入、输出的值，当前时钟值、观测单元值等，这些数据既要定时备份，同时若有

49、修改也应立即予以备份。开始初始化SPI端口初始化发送，接受寄存器初始化89C52串口初始化MAX3100串口初始化MAX3100接收到数据？串口接收到数据？从MAX3100发送，从89C52接收从MAX3100接收，从89C52发送YesYesNoNo图4-1 系统成程序流程图4.2 程序分析及代码程序中出现的变量及相应的功能如表41所示。表4-1 程序中变量及相应功能列表Table 4-1 procedures in the list of variables and the corresponding function变量说明DOUT数据输出DIN数据输出SCLK串行时钟CS片选信号IRQ

50、红外通信中断输出URCV从MAX3100接收，从8951发送函数RCV51从MAX3100发送，从8951接收函数UTLK完成16位数据的收发函数BYT88个字节的移位函数利用MAX3100完成单片机红外数据传输功能的源程序的主要代码部分如下：; *; IrDA Data Communication; *; PCON EQU 87H; 定义端口DOUT BIT P1.0 ; 数据输出DIN BIT P1.1 ; 数据输入SCLK BIT P1.2 ; 串行时钟CS BIT P1.3 ; 片选信号-低电平有效IRQ BIT P3.2 ; 红外通信中断信号，在程序中轮询; RAM地址分配TX1 E

51、QU 10H ; 发送寄存器 TX2 EQU 11H ; 发送寄存器 RX1 EQU 12H ; 接收寄存器 RX2 EQU 13H ; 接收寄存器 ; *ORG 00HBEGIN:MOV SP, #70H ; 堆栈初始化 CLR SCLK ; 清空时钟线信号; 初始化89C52的串口: 红外方式工作在9600波特率 MOV TMOD, #20H ; T1的波特率 MOV TH1, #253 ; 重装数值 MOV SCON, #50H MOV PCON, #80H ; 波特率加倍 MOV TCON, #40H ; 计数器开始工作; 初始化MAX3100串口-红外方式工作在9600波特率 MOV TX1, #0E4H MOV TX2, #0CAH ; 9600波特率，两个停止位 CALL UTLK ; 串口写; * 主程序循环 *LOOP: JNB IRQ, URCV ; 判断有数据NRECV:JBC RI, RCV51 JMP LOOP; 从MAX3100接收，从8951发送 URCV:MOV TX1, #0 ; 读数据MOV TX2, #0 CALL UTLK ; 将数据发送到R