北邮简易红外遥控系统设计报告

课程设计实验报告 --------简易红外遥控系统学院：电子工程学院专业：电子信息科学与技术班级：学号：班内序号： 姓名：日期：2021.07.071【实验任务】 设计并制作红外遥控发射机和接收机红外遥控发射机发射功放调制编码控制键发射功放调制编码控制键外供直流稳压电源外供直流稳压电源红外接收机被控设备被控设备解码解调放大接收解码解调放大接收外供直流稳压电源外供直流稳压电源2【技术指标】遥控对象：8个，被控设备用LED分别代替，LED发光表示工作；接收机距离发射机不小于2米；8路设备中的一路为LED灯，用指令遥控LED灯亮度，亮度分为8级并用数码管显示级数；在一定发射功率下〔不大于20mW〕，尽量增大接收距离；增加信道抗干扰措施；尽量降低电源功耗；【发射机局部】控制键 本次实验中，控制键采用10位拨码开关，能够产生10个不同的通断键信号，但是根据技术指标中的要求，由于只要控制8个LED灯状态、7段数码管并且只有8个亮度等级，所以只需要8中状态即可，因此值使用其中的8个拨码开关。拨码开关实物图如下：按键状态编码器编码器采用的是74LS147，它是74LS147为优先编码器，它是将9条数据线〔1－9〕进行4线BCD编码，即对最高位数据线进展译码。当1－9均为高电平时，编码输出〔ABCD〕为十进制零。故不需单设/IN0输入端，从功能表中可以看出，其BCD码的译码输出是“反码〞，所以在后续的控制电路中需要采用反相器来实现原码译码，其功能表和实物图如下所示：并行转串行编码器采用MC145026编码芯片，其中5个为地址信息，后4位为数据信息，5位地址数据用于与解码芯片MC145027做配对，将这9位输入编码成4位并串行输出，该电路由于要采用红外发射和接收，所以需要互相配对验证，因此采用后一种工作模式，即9位输入A1-A5这5个输入为地址信息，D6-D9这4个输入端口输入的为上一级74LS147编码的4位数据信息。由于在试验中发现，如果编码速率为4KHz时候，解码时候的误码率比拟高，经常出现误判，所以经过调节Rt，使得发射的编码后的串行信号约为1.7KHz，此时解码效果最好，并且传输距离也比拟长，计算公式如下所示： RTC=250kΩ Cf= 芯片实物及编码信号波形如下图：调制器由于载波频率设置在38KHz左右，所以采用简单的RC振荡电路即可，并且仿真和实验的效果比拟理想，更好的一点是，由于RC振荡电路简单，只需要设置一个电位器代替振荡电阻R即可很容易调出较为准确的38KHz的波，然后通过多个反相器形成方波，并且也把电平振幅拉高到了0~5V，使得载波信号幅度增大。载波的计算公式为：f= 设计图和实物图如下所示：功放和发射端由于前面载波振幅已经到达了5V，所以功放其实只要采用简单高效的单级三极管共射电路输出已调信号的集电极反向电压即可，设计电路和实际电路如下图： 发射端的实际发射信号波形如下图：发射机总体设计电路图和实物电路图【接收机局部】 采用CX20216A红外线遥控接收前置放大电路，多适用于电视机。内部电路由前置放器，自动偏置电平控制电路〔ABLC〕、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和波形整形电路等组成。 这个芯片特别难调整，但是最后发现，其实这个芯片虽然可以通过调整5脚电阻R2来调整带通滤波器的中心频率，但是由于发射端的发射载波频率已经调整到比拟准确的38KHz，所以这个参数直接用标配的R2=220KΩ即可到达很好的滤波效果。实验中发现，输入的波形非常漂亮，与发送波形在3米距离时候依然非常吻合，但是在7脚输出的反相电平却发现了很多不吻合，最严重的是波形的占空比问题，发送端发送的“1〞信号占空比拟大，然后在接收端占空比却被严重缩小了(如右图所示)，导致后端MC145027的译码全是错误的，经过查询资料后发现，是由于3脚积分电容的影响，积分电容越大，放电越快，导致高电平的占空比持续时间变短，最后采用了C3=150pF的电容，解决了这个问题，使得7脚的输出波形和输入波形吻合的很好。 输出波形和发射波形如下图：解码芯片MC145027是与MC145026配合使用的解码芯片，它有A1-A5这5个地址输入端，和D6-D9这4个译码输出端，当Din接收的串行数据〔每9位一组，每个数据都连续发送两次，所以接收端也接收到两次〕，如果第一次地址位与MC145026发送的地址位一样，则通过验证，接着接收的二次9位数据，如果地址任然匹配，并且两次的后4位数据位一样，这判定这一次的传输数据是有效的，将4位译码数据译码锁存到D6-D9，然后等待下一次输入。由于MC145026编码频率设置为1.7KHz左右，所以选用芯片手册中的最后一列的推荐设置，设置MC145027芯片：控制8个数码管亮灭和亮度的译码和控制芯片和电路CD4514是一个4线到16线的译码器，输入为0000到1111，对应输出S0到S16其中一个输出高电平，其余输出的是低电平，它的真值表如下所示： 所以只需要将8个LED管的负极接地，正极分别接入8个输出就可以控制8个灯的亮灭，为了控制亮度，并且为了到达较好的线性度，采用了8个串联的等值电阻来说实现8级分压，通过电压来控制LED灯的亮度等级。 设计电路图和实际电路图如下图：控制7段数码管显示亮度等级控制电路使用MC14513是一个BCD-到7段LED数码管的译码电路，通过4个输入端0000到1001译码成数字“0〞到“9〞，通过7段共阴极LED数码管显示出来，芯片的管脚图如下所示： MC14513功能真值表如下所示： 所以从表中可以看出，当输出为“1〞(高电平)的时候，对应的数码管点亮，因此需要采用的共阴极7段LED数码管。 设计电路和实际电路图如下图：接收机总体设计电路图和实际电路图【实验总体效果演示】MC145026编码波形和接收端MC145027经过无线传输后的波形相比拟，可以看出有一定的延时，并且放大后看到的波形上，其占空比还是存在一定的不匹配，但是在解码的误差范围内，所以不影响解码，并且从波形的还是十分稳定的，没有误码杂波的存在。 红外发送二极管和前端接收CX20216的7脚信号相比对：可以看出，高频载波已经被滤除，并且编码信号被反相，波形匹配度良好〔放大后虽然占空比存在一定的不匹配，但是不影响解码，因为解码采样速率较高，允许一定的占空比不匹配〕，保证了后端MC145027解码的正确性。【遇到的问题及解决方法】问题1：第一次设计电路的时候，由于想的太简单，MC145026采用了4KHz的编码速率，载波为38KHz，这样使得调制信号的频率太高，然后CX20216的内部比拟器和积分器对该4KHz的调制信号的解调经常会产生波形的不稳，比方发送“0〞的时候，应该为两个很窄的高电平，但是经常会出现不确定性的3个或者4个窄高脉冲，误码率较高。解决方法：降低MC145026的编码频率为1.7KHz，可以使得上面的问题得到很好的解决，并且由于编码频率降低了，解码芯片的MC145027的解码速率也可以得到降低，误差的允许范围也得到了扩大，这样，不经增大了接收距离，也增加了抗干扰的能力。问题2：在调试的时候发现，有时候编码信号在高电平的时候有小毛刺，以为是MC145026的芯片出现了问题，但是换了新的芯片后发现没有任何改善，我看了其他同学的波形，也有这样的问题，担忧这样的毛刺会影响译码的正确率。解决方法：在无意中放大波形后观察，毛刺为有规律的50Hz类似正弦波的波形，联想到我们的稳压源使用的就是50Hz的家用电压，所以觉得是由于家用交流电源的影响，首先把这接收机和发送机的接地端共地，发现毛刺明显变少，并且再通过再MC145026和MC145027芯片的电源端分别并脸上一个10uF和100pF的大电容和小电容，进展电源滤波，发现毛刺根本没有了，消除了这个问题。问题3：在电路调试初期，传输距离一直无法突破1.5米，接收信号在距离增加的时候衰减特别快。解决方法：采用两种解决方法，第一种，运用两个串联的红外发射管，一起发送信号，发现距离能够提升到近2米，但是却出现接收端译码的不稳定的问题，可能是这两个发射管的参数有却别，导致两个红外发射管的发射波形不吻合。第二种方法是采用减小红外发射管的上拉电阻，强行增大发射电流从而提高发射功率，发现这个方法效果较好，能够把接收距离提高了2.5米左右，但是红外发射管的工作电流较大，容易损坏红外发射管。【实验心得】在本次小学期的实验中，第一次亲自动手完成从设计到仿真再到实际搭建电路再到调试电路这个完整的电子电路设计流程，在设计初期，考虑得特别少，以为很简单，但是在仿真的时候发现全是错误，电路的编码译码全是混乱的，并且还经常出现连线错误这样的极低错误，然后在认认真真地阅读了芯片资料后，对于每一个芯片的功能和电参数都有了一定的了解后，再次设计和调整各个芯片和电路的电阻电容等参数后，仿真出来的效果有了质的提高，接着着手搭建电路，由于是采用面包板搭建的电路，由于贪图方便，没有注意布局和布线的设计，所以到时搭建出来的电路线路特别乱，发现错误后难以检测，然后花了很大的时间和经历重新布局布线，才使得电路容易调试和查错，让我深刻体会到细节的重要性，魔蛋不误砍柴工。 在中期的时候，电路已经能够实现了短距离的接收，此时只要提高传输距离就行了，但是无论怎么调整电路的各项放大倍数，都无法实现大的提高，实验遇到了一个瓶颈，在这个问题上消耗了一整天都没进展，都失去了耐心，甚至采用盲目调整碰运气的做法，最后还是无功而返。最后我上网搜索了大量的类似的红外接收系统的设计方案和参数资料，终于在一份CX20216芯片原理和检修的文章中发现了原来接收距离太短是由于该芯片的参数设置不正确，1脚的输入电阻为40kΩ，然而红外接收管输入直接输入1管脚会照成电阻不匹配，所以接收功率较低，最后参考了CX20216芯片原理和检修一文中的参数设置后，距离一下子提高了1米。 这次的实验让我不仅加深了理论知识的理解，还大大提高了我的动手能力，更为重要的是，我学会了如何发现问题，检查问题，排查问题和解决问题的过程，也感谢教师在这个过程中的倾力帮助和指导，这次的