【導讀】本文設計的是一款基于單片機的紅外智能空調遙控器，這種遙控器能采用測量脈沖寬度的方法學習紅外信號,同時使用游程編碼算法對數據進行壓縮后存儲,并利用單片機內部定時器PWM模式產生紅外載波,成功實現了對紅外遙控的學習與再現。下面請看詳細設計流程。
系統總體結構與硬件設計
系統采用模塊化設計，各模塊通過接口電路與主控芯片相連。主要模塊有：矩陣鍵盤，液晶顯示，存儲模塊，紅外發送模塊，紅外接收模塊，RS232、RS485 通信模塊，以及溫度檢測模塊。系統結構圖如圖1 所示。
系統以Atmega16 單片機作為主控芯片，Atmega16具有16K 字節的系統內可編程Flash ,512 字節EEPROM,1K 字節SRAM,32 個通用I/O 口線，32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內調試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數器(T/C)，片內/外中斷，可編程串行USART,有起始條件檢測器的通用串行接口，8 路10 位具有可選差分輸入級可編程增益的ADC,具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。該芯片功能強大，滿足系統設計需要并提供了充分的擴展空間。主控芯片使用8MHz 的晶振，晶振電路靠近主控芯片，盡量減少輸入噪聲。復位電路采用低電平復位。
圖1 系統結構圖
矩陣鍵盤采用3*3 的設計，設置了8 個功能鍵，方便用戶進行手動操作。其中單獨設計了一顆模式切換鍵，可在學習、發射、通信模式中切換。為了實現學習功能， 紅外接收模塊使用了一體化接收頭NB1838,其光電檢測和前置放大器集成于同一封裝，中心頻率為37.9KHz. NB1838 的環氧樹脂封裝結構為其提供了一個特殊的紅外濾光器，對自然光和電場干擾有很強的防護性。NB1838 對接收到的紅外信號進行放大、檢波、整形，并調制出紅外編碼，得到TTL 波形，反相后輸入單片機，再由單片機進行進一步的處理，存儲到EEPROM 中，接收電路如圖2 所示。
圖2 接收硬件電路圖。
考慮到系統需要的存儲空間比較大，設計了單獨的存儲模塊，選用的EEPROM 是AT24C64,它提供了8KB 的容量，通過IIC 協議與Atmega16 TWI 接口通信，將學習到的紅外指令存儲在此，掉電不丟失。
在發射模式下，系統從EEPROM 讀取相應數據信息，利用三極管9013 組成的放大電路，通過大功率紅外發射管將調制好的紅外信號發射出去。發射電路如圖3所示，非發送狀態時，三極管工作在截止狀態，紅外發射管不工作，有利于降低功耗以及延長紅外發射管的使用壽命。經實際測試，發射距離可達到10m 左右。
圖3 發射硬件電路圖。
通信模式中，系統通過RS232 電路與上位機通信，在與上位機通信時使用DS18B20 反饋溫度信息，DS18B20 一線總線設計大大提高了系統的抗干擾性，獨特而且經濟。系統還增加了RS485 模塊，便于組網，以實現對多個紅外設備進行控制。RS485 在組網時只需要用一對雙絞線將子設備的"A"、"B"端連接起來，這種接線方式為總線式拓撲結構，在同一總線上可掛接多個結點，連接方便。
為了增加設備的實用性，系統設計了兩個電源方案，一個是直接接入5V 直流電源，一個是接入12V直流電源，然后通過L7805 構成的變壓電路降壓為5V使用。
[page]
系統軟件設計與實現
系統程序主要分為三個部分：學習模式，發送模式以及通信模式。當第一次進入系統時，初始化設置設備地址，然后設置通信的波特率，提供1200、9600 以及19200 三種選擇。系統主程序即在三個模式間切換，默認進入通信模式，可以通過模式切換按鍵改變模式，也可以通過上位機直接更改。出于系統的穩定性需要，在程序中加入了軟件看門狗，防止程序"跑飛".
學習功能設計
學習模式
紅外遙控器的碼型多樣，編碼一般包括：幀頭、系統碼、操作碼、同步碼、幀間隔碼、幀尾，且同步碼與幀間隔碼出現的位置不固定，因此碼型格式靈活多變，很難區分各種碼型的編碼含義;各個紅外遙控的編碼長度不盡相同，發送方式也多種多樣，最常用的有三種：完整幀只發送一次、完整幀重復發送兩次、先發送一個完整幀，后重復發送幀頭和一個脈沖。面對如此多樣化的編碼方式，如果區分每種編碼的含義進行學習，學習的復雜度將會很高，并且通用性也會受到影響。所以，為了避開各色碼型的干擾，系統在學習時并不關心碼型數據的實際意義，只記錄脈沖的時間寬度。系統主要針對載波頻率為38KHz(周期為26us)的紅外遙控器，利用變量IR_time 記錄接收到的脈沖寬度。學習程序流程如圖4 所示。
圖4 學習程序流程圖。
壓縮存儲由于不考慮具體的碼型數據意義，只記錄脈沖的寬度，系統的學習功能通用性得到了提高，但這種方式學習到的數據量很大，對存儲的要求就變得很高。
盡管系統針對存儲的大容量需求設計了單獨的存儲模塊，但考慮到應在不增加硬件開銷的情況下保證足夠的存儲容量，以及滿足未來擴展的需要，在進行數據存儲時，采取了數據壓縮技術。
從學習到的電平數據可以發現，無論數據是1 還是0,都有相同時長的電平出現，這符合游程編碼的特點。游程編碼是一種簡單的非破壞性資料壓縮法，其好處是加壓縮和解壓縮都非常快，其方法是計算連續出現的資料長度壓縮之。比如：一張二值圖像的數據為：
WWWWWWWWBWWWWBBBWWWWWWWBWWWWW
使用游程編碼壓縮可得：8W1B4W3B7W1B 5W.
可見，壓縮效率極高，且可避免復雜的編碼和解碼運算。所以，在存儲時，系統對學習到的數據進行游程編碼壓縮[7,8].例如，學習到的一組空調遙控器的數據為[157 153 23 53 … 23 53 23 180 156 152 23 53 …53 23],如圖5 所示，對重復的電平數據采用游程編碼壓縮后，原本需要199 字節的空調遙控碼，只需要106個字節即可存儲，壓縮率達53.27%.因此，在存儲時針對學習到的數據特點采取游程編碼壓縮，可以有效節約存儲空間。
圖5 一組典型的空調數據幀。
發射功能設計現有的紅外遙控器很多都是采用外部電路產生載波信號，例如使用NEC555 振蕩器產生載波信號。為了減少硬件開銷，本系統使用單片機內部的定時器產生載波。系統使用的是Atmega16 單片機，其定時器功能強大，具有普通模式、CTC 模式、快速PWM 模式、相位修正PWM 模式等工作模式，系統利用定時器1,使其工作在快速PWM 模式，產生占空比為1:3 的38KHz 的PWM 波。當發送某條指令時，單片機從對應的EEPROM 中提取指令信息，然后調制到生成的載波上，再通過發射電路即可完成紅外信號的發射。
[page]
通信功能設計
上位機通信
本遙控器除了能通過功能按鍵實現手動操作外，還可以通過上位機軟件對遙控器進行控制。遙控器與上位機通過RS232 模塊進行通信，首先配置上位機軟件，確定串口號，選擇與設備相同的波特率及主從設備地址，然后根據需要選擇相應的指令，點擊發送即可通過上位機對設備進行控制。由于本遙控器是基于空調遙控器進行研究的，在與上位機通信時，系統中的溫度檢測模塊會上傳實時溫度，便于用戶進行調整。圖6 為上位機軟件流程圖。
圖6 上位機軟件流程圖。
組網控制
為了實現對多個設備的聯網控制，還設計了RS485 模塊。各子遙控器通過RS485 模塊的"A"、"B"端連接在一起，組成控制網絡，如圖7 所示，其中一個作為主遙控器，與上位機通過RS232 模塊進行串口通信。當上位機需要對某個子設備進行控制時，選擇相應的子設備地址號，發送指令即可，主遙控器收到指令信息后，會將指令發給對應的子設備。與主遙控器相連的上位機PC 連接Internet,作為本地服務器，可實現遠程控制。
用戶登錄遠程客戶端，經身份驗證后與服務器建立連接，可發送指令給本地服務器，本地服務器再經過串口通信對遙控器進行相應操作。如果遙控器主機與上位機距離較遠，RS232 不能滿足通信需要，也可不使用遙控器主機，在上位機PC 上使用RS232-485 轉接頭，通過RS485 直接將遙控器網絡與PC 機485 接口相連，利用上位機對遙控器網絡直接進行控制。
圖7 控制網絡示意圖。
本文設計了一款智能空調遙控器。該系統采用只記錄紅外信號脈沖寬度，不考慮紅外編碼格式的方式，通過游程編碼算法將紅外信號壓縮后保存到EEPROM 中，并直接利用主控芯片定時器的PWM 模式產生38KHz 的載波，節約了硬件成本，除手動操作外還可以通過上位機對遙控器進行控制，使用方便。
系統成功實現了對多種空調遙控器的學習與功能再現，操作靈活，性能穩定。本系統還可用于智能家居中，對不同的紅外設備進行控制，也可用于遠程網絡控制，為智能家居及遠程監控提供了一種實現方法。
相關閱讀：
技術帝教你DIY紅外遙控LED電子鐘
一款單線紅外遙控開關電路設計
萬能紅外遙控開關DIY，讓你實現隨時開關
