关于单片机的红外音频信号发射遥控系统的设计与研究

梁锐庆黄伟群

摘要：随着移动通信业务的需求不断增加，个人通信的兴起，无线接入技术已得到广泛重视。己有的无线局域网移动通信技术的传输媒介包括微波、红外、无线电等技术。因此本文探讨如何设计和运用红外线音频信号接收遥控系统去实现声音通信。

关键词：单片机；红外音频信号；发射遥控系统；设计

引言：红外遥控是目前使用最为广泛的一种通信和遥控手段。红外装置具有体积小、微功耗、功能强、线路简单、保密性好、成本低等特点。一般的红外遥控系统是由红外遥控信号编码发送器（编码芯片或者单片机）、载波振荡器、红外遥控信号接收器和编码器（解码芯片或者单片机）及其他外围电路等部分组成。

1、红外线遥控概述

红外遥控是指利用红外线（又称红外光）来传递控制信号，实现对控制对象的远距离控制目的。具体来讲，就是由发射器发出红外线指令信号，由接收机接收下来并对信号进行处理，最后实现对控制对象的各种功能的远距离控制。

2、系统设计与分析

2.1频分制红外线遥控

红外遥控是指利用红外线（又称红外光）来传递控制信号，实现对控制对象的远距离控制目的。具体来讲，就是由发射器发出红外线指令信号，由接收机接收下来并对信号进行处理，最后实现对控制对象的各种功能的远距离控制。

频分制红外线遥控就是指令信号产生电路以不同频率的电信号代表不同的控制指令。当不同的指令键被按下时，指令信号电路产生不同频率的指令信号。接收器中指令信号检出电路就是对发射器的不同指令信号频率的频率选择电路，简称选频电路。对应每一个指令，就要有一个选频电路。红外发射、接收器件发射与接收的波长为0.88μm-0.94μm的近红外光，频分制遥控电路中指令信号的频率一般为几百Hz～几十kHz，由于采用这种频分制遥控方式时红外光具有较强的抗干扰能力，因此，一般情况下，频分制遥控的发射器中不用调制电路，不同频率的指令信号直接加至驱动电路，驱动红外发射器件发射不同频率的近红外光信号。当然接收器中的解调电路也就不需要了。这样一来，电路得到简化，成本随之降低。

频分制红外线遥控电路原理比较简单，易于组装，是一种应用较广的红外线遥控系统。但由于每有一个指令，接收电路就要有一个选频电路相对应，当系统的通道数较多时，电路就会变得复杂和庞大，且各通道间可能会产生串路干扰，因此，当系统的通道数较多时，一般采用码分制红外遥控电路。

2.2用NE555设计的控频自激多谐振荡发射电路

NE555的第四脚接高电平VCC，第五脚连接0.01uF电容，起滤波作用。将第六脚和第二脚连在一起，作为输入信号的输入端，构成了施密特电路形式。将三极管输出端第七脚通过电阻R1接到电源VCC，三极管就构成集电极开路门反相器的形式；其输出端再通过R2、C2积分电路反馈至输入信号的输入端，就构成了自激多谐振荡器。

当按下开关S1、S2、S3中的一个，电路就接了通电源，由于C2还未充电，所以Vc（第六脚与第二脚）为低电平，比较器一输出的V1为高电平，比较器二输出的V2为低电平，与非门一输出的为低电平，电路输出Vo为高电平。由于与非门一输出为低电平，使三极管截止，Vcc通过电阻（R1+R2）对电容C2充电，电路进入暂稳态。

在暂稳态期间，随着电容C2的充电，Vc电位不断升高，当Vc>=2/3Vcc时，比较器一输出的V1为低电平，使与非门一输出高电平，这使电路输出Vo翻转为低电平，电路发生一次自动翻转。

与此同时，由于与非门一输出高电平，使三极管导通，电容C2通过R2，三极管放电，电路进入另一暂稳态。在这一暂稳态期间，随着电容C2的放电，使Vc电位逐步下降。当Vc下降至Vc<=1/3Vcc时，比较器二输出Vc2为低电平，使得与非门一输出低电平，这使电路输出Vo翻转为高电平，电路又一次自动发生翻转。此后，由于与非门一输出低电平，三极管截止，电源Vcc又通过（R1+R2）对电容C2充电，重复上述电容C2的充电过程，如此反复，形成多谐振荡。而产生的振荡信号，就由第三脚通过红外线发射管发射出去。而S1、S2、S3三个开关对应着三种不同频率的信号。

由上述分析，振荡信号的频率是由R1，R2，C2确定的：

f=1.443/（R1+2×R2）×C2

在电容充电时，暂稳态持续时间为：

tw1=0.7×（R1+R2）×C

在电容放电时，暂稳态持续时间为：

tw2=0.7×R2×C2

因此，电路输出矩形脉冲的周期为：

T=tw1+tw2=0.7×（R1+2*R2）×C2

R1、R1’、R1”三个电阻确定了NE555多谐振荡器所产生的三种频率，取值是由发射端三块LM567芯片的中心频率确定的。

2.3用CD4046设计的接收解调电路

红外接收管将红外线信号接收到，经过放大和解调会在输出端直接输出原始的在发射部分经过CD4046调制的信号。该信号从CD4046的第十四脚输入到芯片里，通过锁相环再次进行解调。

锁相的意义是相位同步的自动控制，能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环，简称PLL。锁相环主要由相位比较器（PC）、压控振荡器（VCO）。低通滤波器三部分组成。

压控振荡器的输出Uo接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压Ud大小决定。施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号Ui与来自压控振荡器的输出信号Uo相比较，比较结果产生的误差输出电压U?准正比于Ui和Uo两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压Ud。这个平均值电压Ud朝着减小VCO输出频率和输入频率之差的方向变化，直至VCO输出频率和输入信号频率获得一致。这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步）称作相位锁定。

当锁相环入锁时，它还具有“捕捉”信号的能力，VCO可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相环能捕捉到输人信号频率，并强迫VCO锁定在这个频率上。锁相环应用非常灵活，如果输入信号频率f1不等于VCO输出信号频率f2，而要求两者保持一定的关系，例如比例关系或差值关系，则可以在外部加入一个运算器，以满足不同工作的需要。

CD4046锁相环采用的是RC型压控振荡器，必须外接电容C1和电阻R1作为充放电元件。当PLL对跟踪的输入信号的频率宽度有要求时还需要外接电阻R2。由于VCO是一个电流控制振荡器，对定时电容C1的充电电流与从9脚输入的控制电压成正比，使VCO的振荡频率亦正比于该控制电压。当VCO控制电压为0时，其输出频率最低；当输入控制电压等于电源电压Vdd时，输出频率则线性地增大到最高输出频率。VCO振荡频率的范围由R1、R2和C1决定。由于它的充电和放电都由同一个电容C1完成，故它的输出波形是对称方波。一般规定CD4046的最高频率为1。2MHz（Vdd=15V），若Vdd<15V，则fmax要降低一些。

结束语

综上所述，由于红外遥控抗干扰性强，电路调试简单，编解码容易等特点，已在实际生活中得到了广泛的应用。本文提出的红外遥控系统的设计方案和程序，为单片机控制产品的开发提供了非常实用的参考。

参考文献：

[1]朱高中.基于单片机的红外遥控解码电路的设计[J].计算技术与自动化，2011.

[2]孙曼璐.基于单片机的音频信号分析仪设计[J].电子制作，2013.