基于单片机的智能学习型红外空调遥控器

为了解决空调遥控器不兼容问题,设计了一款基于Atmega16单片机的智能空调遥控器。该遥控器采用测量脉冲宽度的方法学习红外信号,同时使用游程编码算法对数据进行压缩后存储,并利用单片机内部定时器PWM模式产生红外载波,成功实现了对红外遥控的学习与再现,并可通过上位机进行控制。经运行测试表明,该智能遥控器操作灵活,性能稳定,为智能遥控器设计提供了一种新方案。

1 引言

本文设计了一款针对空调设备的智能学习型红外遥控器，采用记录脉冲宽度的方法，成功实现了对多种红外空调遥控信号的学习与再现，真正实现了"万能"。本文在阐述了系统的总体结构及硬件设计的基础上，详细研究了系统学习，发送及通信功能的软件设计与实现。

2 系统总体结构与硬件设计

系统采用模块化设计，各模块通过接口电路与主控芯片相连。主要模块有：矩阵键盘，液晶显示，存储模块，红外发送模块，红外接收模块，RS232、RS485 通信模块，以及温度检测模块。系统结构图如图1 所示。

系统以Atmega16 单片机作为主控芯片，Atmega16具有16K 字节的系统内可编程Flash ,512 字节EEPROM,1K 字节SRAM,32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C)，片内/外中断，可编程串行USART,有起始条件检测器的通用串行接口，8 路10 位具有可选差分输入级可编程增益的ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。该芯片功能强大，满足系统设计需要并提供了充分的扩展空间。主控芯片使用8MHz 的晶振，晶振电路靠近主控芯片，尽量减少输入噪声。复位电路采用低电平复位。

图1 系统结构图

矩阵键盘采用3*3 的设计，设置了8 个功能键，方便用户进行手动操作。其中单独设计了一颗模式切换键，可在学习、发射、通信模式中切换。为了实现学习功能， 红外接收模块使用了一体化接收头NB1838,其光电检测和前置放大器集成于同一封装，中心频率为37.9KHz. NB1838 的环氧树脂封装结构为其提供了一个特殊的红外滤光器，对自然光和电场干扰有很强的防护性。NB1838 对接收到的红外信号进行放大、检波、整形，并调制出红外编码，得到TTL 波形，反相后输入单片机，再由单片机进行进一步的处理，存储到EEPROM 中，接收电路如图2 所示。

图2 接收硬件电路图。

考虑到系统需要的存储空间比较大，设计了单独的存储模块，选用的EEPROM 是AT24C64,它提供了8KB 的容量，通过IIC 协议与Atmega16 TWI 接口通信，将学习到的红外指令存储在此，掉电不丢失。

在发射模式下，系统从EEPROM 读取相应数据信息，利用三极管9013 组成的放大电路，通过大功率红外发射管将调制好的红外信号发射出去。发射电路如图3所示，非发送状态时，三极管工作在截止状态，红外发射管不工作，有利于降低功耗以及延长红外发射管的使用寿命。经实际测试，发射距离可达到10m 左右。

图3 发射硬件电路图。

通信模式中，系统通过RS232 电路与上位机通信，在与上位机通信时使用DS18B20 反馈温度信息，DS18B20 一线总线设计大大提高了系统的抗干扰性，独特而且经济。系统还增加了RS485 模块，便于组网，以实现对多个红外设备进行控制。RS485 在组网时只需要用一对双绞线将子设备的"A"、"B"端连接起来，这种接线方式为总线式拓扑结构，在同一总线上可挂接多个结点，连接方便。

为了增加设备的实用性，系统设计了两个电源方案，一个是直接接入5V 直流电源，一个是接入12V直流电源，然后通过L7805 构成的变压电路降压为5V使用。

3 系统软件设计与实现

系统程序主要分为三个部分：学习模式，发送模式以及通信模式。当第一次进入系统时，初始化设置设备地址，然后设置通信的波特率，提供1200、9600 以及19200 三种选择。系统主程序即在三个模式间切换，默认进入通信模式，可以通过模式切换按键改变模式，也可以通过上位机直接更改。出于系统的稳定性需要，在程序中加入了软件看门狗，防止程序"跑飞".

3.1 学习功能设计

3.1.1 学习模式

红外遥控器的码型多样，编码一般包括：帧头、系统码、操作码、同步码、帧间隔码、帧尾，且同步码与帧间隔码出现的位置不固定，因此码型格式灵活多变，很难区分各种码型的编码含义;各个红外遥控的编码长度不尽相同，发送方式也多种多样，最常用的有三种：完整帧只发送一次、完整帧重复发送两次、先发送一个完整帧，后重复发送帧头和一个脉冲。面对如此多样化的编码方式，如果区分每种编码的含义进行学习，学习的复杂度将会很高，并且通用性也会受到影响。所以，为了避开各色码型的干扰，系统在学习时并不关心码型数据的实际意义，只记录脉冲的时间宽度。系统主要针对载波频率为38KHz(周期为26us)的红外遥控器，利用变量IR_time 记录接收到的脉冲宽度。学习程序流程如图4 所示。

图4 学习程序流程图。