三通道遥控器设计解读

三通道遥控器设计
摘要：遥控器在日常生活中扮演着很重要的角色，给人们进行远距离
设备操纵带来了极大的方便，对遥控器的设计具有很大的实用价值，
此处三通道遥控器的设计，旨在设计一个由三通道频率控制三种功
能，利用红外线传送控制信息的简易无线遥控器。

关键词：遥控发射；遥控接收；555定时器
1. 遥控器发射装置
一个遥控器发射系统一般由以下三个环节构成：
图 1.1 发射系统组成框图 1.1 命令输入
命令输入可由键盘、按钮、等一些传感器来实现，在本装置中，
单独按下图1.2中的按键开关J1、J2、J3稍长时间，接通电路，电路
中便生成相应的脉冲信号，由此产生命令。

1.2 命令生成
在多功能的遥控器中，命令生成包含有编码、串并转换过程，因
为本装置为三通道遥控器，宜用更简单的电路来生成命令，即用一个
555定时器产生三种不同频率的脉冲信号，再与另一个555定时器产
生的载波信号进行调制，便得到了待发送的命令信号。

555定时器组成的振荡器有三个优点，其一是振荡频率调节范围宽，不易停振；其二是输出功率较大，可以直接驱动红外发射管；其三是电源电压范围宽，可以在5～15Ｖ范围内工作。

由555定时器构成的产生三种不同频率脉冲信号的电路如图 1.2所示。

图 1.2 命令生成电路
图中555定时器LM555CM的4脚为复位端，当该脚输入为0电平时，3脚输出高电平，所以正常工作下4脚应常接高电平。

7脚为放电端，与内部一三极管的集电极相连。

5脚为控制电压端，其电压是VCC的2/3倍。

6脚与2脚相连，共同作为阀值电压输入端，该两端的电压值通过与1/3VCC和2/3VCC相比较，经过内部比较器和触发器的作用，生成相应的输出波形，这两端的电压值是由电容C1
的电压决定的。

按下某个开关如J3，电源VCC通过R3、R4向电容C1充电，当C1充电至1/3VCC之前，定时器3脚输出高电平，当电容C1电压在1/3VCC和2/3VCC之间时，3脚保持原输出高电平不变，当电容C1充电至2/3VCC以上时，3脚转为输出低电平，这时与7脚相连的内部三极管导通，电容C1通过R4和该三极管放电，当电容C1电压下降至1/3VCC时，3脚又转为输出高电平，电容C1又开始充电，如此循环。

单独按下开关J1时，
电容C1充电时间：
TPH1≈0.7(R1+R4)*C1=0.7(100+3.0k)*100n=0.217ms
电容C1 放电时间：
TPL1≈0.7R4*C1=0.7*3.0k*100n=0.210ms
输出波形周期：T1=TPH1+TPH2=0.427ms
输出波形频率：f1=1/T1=2341.9Hz
利用虚拟示波器XSC1测得的仿真输出波形如图1.3所示。

图 1.3 按下J1输出命令波形
由虚拟示波器面板读出该输出波形周期为427.6微秒，与计算结果很接近。

单独按下开关J2时，
电容C1充电时间：
TPH2≈0.7(R2+R4)*C1=0.7(1.0k+3.0k)*100n=0.280ms
电容C1 放电时间：
TPL2≈0.7R4*C1=0.7*3.0k*100n=0.210ms
输出波形周期：T2=TPH2+TPH2=0.490ms
输出波形频率：f2=1/T2=2040.8HZ
利用虚拟示波器XSC1测得的仿真输出波形如图1.4所示。

图 1.4 按下J2输出命令波形
单独按下开关J3时，
电容C1充电时间：
TPH3≈0.7(R3+R4)*C1=0.7(2.0k+3.0k)*100n=0.350ms
电容C1 放电时间：
TPL3≈0.7R4*C1=0.7*3.0k*100n=0.210ms
输出波形周期：
T3=TPH3+TPH3=0.560ms
输出波形频率：
f3=1/T3=1785.7HZ
利用虚拟示波器XSC1测得的仿真输出波形如图1.5所示。

由虚拟示波器面板读出该输出波形周期为556.9微秒，与计算结
果很接近。

图1.5按下J3输出命令波形
从图1.3、图1.4、图1.5中可以看出三种波形有比较明显的频率区分度，实际计算结果知，f1与f2约相差301HZ，f2与f3约相差255HZ,保证了足够的频率间隔带宽。

由555定时器构成的产生载波的振荡电路如图1.6所示，图1.7是用虚拟示波器测得的载波仿真波形。

电容C3充电时间TPH4≈0.7[R5*R6/(R5+R6)+R7]*C3=0.7*(1.667k+3.0k)*4.700n TPH4=0.015354ms
电容C3 放电时间TPL4≈0.7R7*C3=0.7*3.0k*4.700n=0.009870ms 载波周期T4=TPH4+TPH4=0.025224ms
载波频率f4=1/T4=39.64kHZ
图1.6 载波产生电路
图1.7 载波波形
图1.8 发射系统整体电路
图1.8为遥控发射装置的整体电路图，前级的555定时器3脚输出经一非门接后级555定时器的4脚复位端，这样当前级3脚的输出波形为低电平时，后级3脚也输出低电平，当前级3脚输出波形为高电平时，后级3脚输出载波波形，这样前级3脚的输出信号便调制在了后级555定时器产生的载波上。

分别单独按下开关J1、J2、J3，在后级3脚得到的仿真调制波形分别如图1.9、图1.10、图1.11所示。

前级555定时器3脚与后级555定时器4脚间接一非门的原因是，当不进行遥控操作时，三个开关J1、J2、J3自然都是断开的，这样电源VCC就不能对电容C1进行充电，前级555定时器6脚、2脚的阀值输入电压永远小于1/3VCC，因此前级3脚输出恒为高电平，这时如果把前级3脚的输出直接作为后级4脚的输入，那么在不执行遥
控操作时，遥控器会向外一直不停发射无用的载波，显然这是对电源能源的极大浪费。

所以必须在前级555定时器3脚与后级555定时器4脚间接一非门。

图1.9按下J1输出已调命令波形
图1.10按下J2输出已调命令波形
图1.11按下J3输出已调命令波形
1.3命令发送
红外线在充满尘埃的空气中传播时，不易发生散射，穿透能力较强，还具有不易受干扰，易于产生等优点，因此家用电器大多使用红外线作为遥控信息的传送载体。

红外发光二极管是红外遥控器的重要发射器件，它可以使用图1.8中的NPN管来驱动，而三极管又由后级555定时器输出的已调信号来控制导通和截止的。

三极管在这里作开关使用，应工作在截止和饱和两种状态，其基级电阻R8和集电极电阻R9的选取是关键。

图1.8中R8取820ohm,R9取20ohm,一般实际电路中后级555定时器输出高电平约为4.8V，三极管基射级导通管压降约为0.7V，那么基级电流为Ib=（4.8V-0.7V）/820ohm=5mA，三极管电流放大系数一般在20~100之间，现取电流放大系数为下限值20，若在放大状态下，则三极管集电极电流Ic=5mA*20=100mA，电阻R9的电压降U9=100mA*20ohm=2V，红外发光二极管若采用GaAlAs管，其正向压降一般约为 1.35V，由此算得三极管集射级间压降Uce=5V-1.35V*2-2V=0.3V，说明三极管已进入饱和状态。

三极管的选取要求集电极最大电流Icm>100mA，图1.8中2SC945三极管的Icm 查阅相关资料知为250mA。

遥控器不仅要求能正常发射遥控命令信号，还要求有一定的遥控距离，增加遥控距离的方法大致有三种。

其一提高红外接收头的接收灵敏度，但灵敏度提高了又会使接收头的抗干扰能力下降，两者相互矛盾，因此一般不采用此法；其二是
增加发射管的发射工作电流，提高发射功率，这需要减小限流电阻R9，但三极管集电极饱和电流增加有可能烧坏三极管；第三种方法是增加发射管的个数来提高发射功率，把两红外二极管串联，工作电流与单只发射管电流相比变化很小，只需提高下电源电压，便可获得较大的发射功率，该方法是一种比较好的方法，图1.8正是采用了此方法。

2. 遥控接收装置
遥控接收装置分为如图2.1所示的三个部分，整体电路图如图2.2所示。

（因为遥控命令有三种频率，包络检波理应有三种不同电路，考虑只需对电路元件参数稍作修改，在此只画出一种包络检波电路）
图2.1 接收系统组成框图
2.1 命令接收
遥控接收装置收到的信号为红外光信号，要将红外光信号转换成电路可处理的电信号，可使用红外接收光电二极管，该光电二极管的响应波长应与遥控发射装置的红外发射二极管的发射波长尽可能接近，这样能提高信号接收的灵敏度，而且光电二极管的暗电流指标应尽可能小，这样受到自然光的干扰就小。

图2.2中，光电二极管PD 把接收到的光信号转换成微弱的电流后，经电阻R10转换成电压，再送往后级电路做进一步的处理。

图2.2 接收系统整体电路
2.2 命令还原
为方便仿真，现将光电二极管用正弦普通调幅波信号源代替，其中载波频率设为1000HZ，基波频率设为100HZ，电压设为0.2V，如图2.3所示。

2.2.1 信号放大
接收到的信号送往集成运算放大器LM741H进行放大，该运放为双电源运放，1脚和5脚接调零电阻R4，因为任何运放本身都具有一定的失调量，再加之光电二极管受自然光照射，有暗电流输入运放，引起输出误差，所以在输入有用信号为零时，通过调节R4可使输出也为零。

图2.3 放大和检波电路
图中运放和电阻R1、R2、R3构成一个同相比例运算放大器，根据理想运放虚短的概念，运放两输入端电压U3≈U2，根据虚断的概念两输入端电流I3≈I2≈0,所以U3近似等于信号源电压V1。

运放的放大倍数Af=Uo/Ui≈(R2+R1)/R1=(30+1)/1=31，图2.4是运放输入输出的仿真波形，它们在波幅处的电压值分别为0.3974Ｖ和12.4V，12.4/0.3974≈31.20，与理论计算结果相符。

2.2.2 包络检波
放大后的信号，经过二极管D1进行半波整流，二极管具有单向导通作用，可以让输入信号处于正半周的波形通过，而对负半周的波形阻止其通过，因此把信号由交流电变成了直流电。

整流后的信号再经R5、R6、C1组成的滤波电路进行包络检波，滤波电路的充电时间
应远大于放电时间，相应地R5应远大于R6。

充电时间常数=(R5||R6||Rin)C1≈R5*C1=200hom*100nF=20μS，放电时间常数=R6*C1=10khom*100nF=1mS，其中Rin为比较器及后继负载；仿真得到的包络波形是图2.5中粗糙的正弦半波样图形。

2.2.3 整形变换
包络经过比较器被变换成脉冲波形，可以用于后继数字电路。

比较器LM339N为双电源比较器，输出为正负双极性脉冲波，两个二极管D2、D3串联接在比较器负输入端，使该比较器的阀值电压钳制在1.4V，当比较器正输入端输入的包络电压值在1.4V以上时，比较器输出高电平，当包络电压值在1.4V以下时，比较器输出低电平。

比较器的输出仿真波形是图2.5中所示的脉冲波形。

图2.4 接收信号放大前、后波形
图2.5 包络及整形波形
2.4 命令执行
图2.2中采用电磁继电器作为命令执行部件。

比较器输出的脉冲波用以控制三极管2N1711的导通与截止，当脉冲波为高电平时三极管导通，继电器线圈也因而得电，产生磁场，吸动衔铁，使开关闭合，从而接在交流市电220V端的电器开始工作，当脉冲波为低电平时，三极管截止，继电器断电，衔铁开关弹开，市电端的电器停止工作。

与继电器并联的二极管D4可以阻止继电器断电瞬间产生的较大感应电流流过三极管，避免三极管烧坏。

3.总结
三通道遥控器的设计到这里已告完成，设计过程中，通过反复查阅课本及其他资料，再三仿真与修正，使我的相关专业知识得到巩固与提升，也使我明白做成一项好的设计，不仅知识要精还要广，更要
有平心静气、埋头钻研的精神。

本次设计也有不尽如人意处，比如所使用的multism2001仿真软件自带元件库中缺乏不少元件，致使设计思路一改再改，甚至有走弯路之嫌，“工欲善其事，必先利其器”，以后如有设计，定当找个好用的软件，熟练之后，再行设计。

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读书的好处
1、行万里路，读万卷书。

2、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。

3、读书破万卷，下笔如有神。

4、我所学到的任何有价值的知识都是由自学中得来的。

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