基于单片机的空调遥控器设计_毕业设计

本科毕业设计基于单片机的空调遥控器

摘要

随着社会的发展，科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的遥控系统开始进入了人们的生活。电器在家庭中已经十分普及，与此同时，和电器相伴的空调遥控器的品种和产量不断提高。

传统的遥控器采用专用的遥控编码及解码集成电路，这种方式虽然制作简单容易，但由于功能键数及功能受到特定的限制，只实用于某一专用电器产品的应用，应用范围受到限制。而采用单片机进行遥控系统的应用设计，具有编程灵活多样，操作码个数可随便设定等优点。

论文首先对遥控器的几个方案进行了论证，最终确定了一可行性方案，并对此方案进行了可行性分析之后提出了电器遥控器的硬件和软件设计方案。在硬件设计方案中，首先详细论述了遥控器的基本原理并用实例进行了说明。然后，对电器遥控器常用硬件设备原理和使用进行了讨论，并对设计中使用的单片机做了必要说明。在软件设计方案中，论文对软件流程做了详细的解释并阐述了单片机软件设计的一般方法。最后，论文对电器遥控器设计的硬、软件调试做了简单介绍。

关键字：遥控器电器遥控单片机

Air Conditioner Remote Controller Based On Single Chip Microcomputer

Fan Geqiang

(College of Science, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China) Abstract：With the development of society, the progress of science and technology and the improvement of people's living standards, remote control systems to facilitate life begin to enter people's life. Electrical appliances have become very popular, in the family at the same time, and the air conditioning remote control electric appliance with variety and yield improvement.

The traditional remote controller adopt special remote control coding and decoding integrated circuit, while this preparation is simple and easy, but because the function keys and function subject to certain limitations, application is applicable only to a special electrical products, limited application range. Design and application of single-chip control system with programmable, flexible operation, code can be arbitrarily set number etc.

Firstly, several schemes for the remote control has been demonstrated, ultimately determine a feasible scheme, and this scheme for the feasibility of proposed electric appliance remote controller hardware and software design scheme. In hardware design, this paper firstly discusses the basic principle of the remote control and illustrates it with examples. Then, on a remote control electric appliance equipment commonly used hardware principle and application are discussed, and the design used in single-chip to do the necessary notes. In software design, the software process to do a detailed explanation and expounds the general method of MCU software design. Finally, the article on the remote controller design hardware, software debugging is introduced briefly.

Keyword: remote control electric remote control single-chip

目录

1 引言 (1)

2 方案比较 (1)

2.1 方案一：多功能红外遥控器 (1)

2.2 方案二：红外线电器遥控器 (2)

2.3 方案三：空调遥控器 (2)

2.4 方案比较 (3)

3 空调遥控器硬件设计 (4)

3.1 单片机选型 (4)

3.2 红外发射电路设计 (4)

3.2.1 红外遥控基本原理 (4)

3.2.2 红外发射电路 (9)

3.3 LCD驱动电路设计 (9)

3.3.1 LCD基本原理 (9)

3.3.2 LCD驱动电路（串列传输） (10)

3.4 键盘、摇杆扫描电路设计 (12)

3.4.1 键盘、摇杆基本原理 (12)

3.4.2 键盘、摇杆扫描电路 (13)

3.5 空调遥控器硬件电路图 (14)

4 调试 (15)

4.1 硬件调试 (15)

4.2 软件调试 (16)

4.3 故障诊断及排除 (16)

5 总结 (16)

致谢............................................................................................................ 错误！未定义书签。参考文献 (17)

附录 (19)

华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表

1 引言

随着社会进步和科技的发展，现代电器中越来越向遥控化发展，实现人可以远距离的控制、无线控制。这大大的方便了人民的日常生活，有了遥控控制我们可以不用再在电器上进行操作了。我们可以通过遥控进行远距离操作，这样既把方便了我们进行移动操作也节省了时间。有了遥控器，在对电器进行调试、操作时不用再近距离的接近电器了，这在对某些高压机器或有毒现场进行操作时大大降低了危险，同时当我们不能触及到机器又想对其操作时，只要我们有遥控器我们就可以对其进行操作，这样也节省的时间同时在遇到紧急情况时能够第一时间控制机器。而遥控用于家电方面也越来越多了。随着社会的发展，人们对电器遥控器的要求越来越高了，而随着科技的发展目前电器遥控器正在朝着体积小，重量轻，简单易用，功能强大等方面发展。在众多的电器遥控器中红外线遥控器应用最为广泛。

本课题通过单片机红外线遥控发射技术，实现对空调控制空调制冷、温度、制热等功能的实现，从而达到遥控器的体积小、功耗低“功能强”成本低的目的。

本文先经过多方案的比较最终确定了一种方案，并通过此方案对电器遥控器的工作原理、整个工作的流程、硬件各部分设计和软件各部分程序的编写都进行了比较详细的介绍。本文还对电器遥控器的设计过程中所用到的单片机也进行了分析，以便于能够更好的了解电器遥控器的原理和工作过程。最后本文还对电器遥控器的硬、软件调试也进行简单的介绍。

2 方案比较

2.1 方案一：多功能红外遥控器

该方案适用于编码式红外线遥控型家用电器，可遥控多台家用电器，具有一个学习/控制复用键、5~10个设备选择键，10~20个功能控制键，由一个设备选择键与各个功能控制键共同实现对一个设备的控制。

原理：图1所示为多功能红外遥控器的结构框图。遥控器由红外接收及发射电路、信号调制电路，中央控制器8031、程序及数据存储器、键盘及状态指示电路组成。

遥控器有两种状态：学习状态和控制状态。当遥控器处于学习状态时，使用者每按一个控制键，红外线接收电路就开始接收外来红外信号，同时将其转换成

电信号，然后经过检波、整形、放大，再由CPU定时对其采样，将每个采样点的二进制数据以8位为

红外接收电路红外发射电路信号检波、整形、放

大、采样电路

信号保持、调制放大

电路

键盘及状态指

示电路

程序及数据存

储器

CPU

图1 多功能红外遥控器的结构框图

一个单位，分别存放到指定的存储单元中去，供以后对该设备控制使用。当遥控器处于控制状态时，使用者每按下一个控制键，CPU从指定的存储单元中读取一系列的二进制数据，串行输出（位和位之间的时间间隔等于采样时的时间间隔）给信号保持电路，同时由调制电路进行信号调制，将调制信号经放大后，由红外线发射二极管进行发射，从而实现对该键对应设备功能的控制。

2.2 方案二：红外线电器遥控器

本方案是采用8051单片机芯片设计的完成的：通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成，应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作,如图2所示。发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。

工作原理：

将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。当发射器按键按下后，即有遥控码发出,所按的键2不同遥控编码也不同并通过LED发射出去，当红外线返回时进去接收部分经过光/电放大、解调、解码最终使键盘恢复初始化状态以便进行其他操作。

2.3 方案三：空调遥控器

空调遥控器系统可分为控制器(单片机)，液晶模块，键盘，测温电路和红外

发射电路几个部分组成，原理框图如图3。

键盘编码制调LED

（a）遥控发射器

光/电放大解调

解码

（b）遥控接收器

图2 基于8051单片机的电器遥控

LCD

双时钟电路单片机

键盘扫描电路

红外发射电路

图3 空调遥控器设计框图

2.4 方案比较

通过三种方案的比较可以看出方案一虽然应用范围较广，但其正因为应用范围广，所以不能像专用遥控器能完全控制用电器。

方案二是以8051为基础设计的，电路简单但要实现更强的功能需要外接太多的电路所以较为麻烦。

方案三运用的是STC12C5612AD是单片机是精简指令集单片机具有速度快，功耗低，抗干扰能力强，结构简单易用，性价比高等特点，且是具有双晶振

及液晶驱动功能的单片机，这样性能更稳定。所以本设计选用该方案。

3 空调遥控器硬件设计

本章主要阐述了空调遥控器硬件设计，包括单片机的选型、红外发射电路设计、LCD驱动电路设计、键盘扫描电路设计和系统双时钟设计，详细阐述了各部分的基本原理和设计过程。

空调遥控器硬件设计框图如图4：

LCD

双时钟电路单片机

键盘扫描电路

红外发射电路

图4 空调遥控器硬件设计框图

3.1 单片机选型

空调遥控器使用的单片机应该满足LCD驱动，键盘扫描，红外发射和系统低功耗设计的要求。

STC12C5612AD单片机中包含中央处理器（CPU），程序存储器（Flash）,数据存储器（SRAM），定时/计数器，UART串口、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口,PCA,看门狗及片内R/C振荡器和外部晶振电路等模块。

STC12C5612AD的内部机构图和引脚图如图5和图6。

3.2 红外发射电路设计

3.2.1 红外遥控基本原理

人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为0.62～0.76μm；紫光的波长范围为0.38～0.46μm。

比紫光波

图5 内部机构图

图6 引脚图

长还短的光叫紫外线，比红光波长还长的光叫红外线，红外线遥控就是利用波长为0.76～1.5μm之间的近红外线来传送控制信号的。

常用的红外遥控系统一般分发射和接收两个部分。发射部分的主要元件为红外发光二极管。它实际上是一只特殊的发光二极管，由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它便发出的是红外线而不是可见光。目前大量使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm 左右，外形与普通发光二极管相同，只是颜色不同。接收部分的红外接收管是一种光敏二极管。在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。红外接收二极管一般有圆形和方形两种。

红外遥控常用的载波频率为38kHz，这是由发射端所使用的455kHz晶振来决定的。在发射端对晶振进行整数分频，分频系数一般取12，所以455kHz÷12≈37.9kHz≈38kHz。也有一些遥控系统采用36kHz、40kHz、56kHz 等，一般由发射端晶振的振荡频率来决定。

多路控制的红外发射部分一般有许多按键，代表不同的控制功能。当发射端按下某一按键时，相应地在接收端有不同的输出状态。接收端的输出状态大致可分为脉冲、电平、自锁、互锁、数据五种形式。“脉冲”输出是当按发射端按键时，接收端对应输出端6输出一个“有效脉冲”，宽度一般在100ms 左右。“电平”输出是指发射端按下键时，接收端对应输出端输出“有效电平”，发射端松开键时，接收端“有效电平”消失。此处的“有效脉冲”和“有效电平”，可能是高、也可能是低，取决于相应输出脚的静态状况，如静态时为低，则“高”为有效；如静态时为高，则“低”为有效。大多数情况下“高”为有效。“自锁”输出是指发射端每按一次某一个键，接收端对应输出端改变一次状态，即原来为高电平变为低电平，原来为低电平变为高电平。此种输出适合用作电源开关、静音控制等。有时亦称这种输出形式为“反相”。“互锁”输出是指多个输出互相清除，在同一时间内只有一个输出有效。电视机的选台就属此种情况，其它如调光、调速、音响的输入选择等。“数据”输出是指把一些发射键编上号码，利用接收端的几个输出形成一个二进制数，来代表不同的按键输入，这种输出形式一般用于

与单片机或微机接口。本文介绍的空调遥控器设计就是采用这种编码。

遥控器所发送的功能指令码一般采用多位二进制串行码，例如某彩色电视的红外遥控码，其编码规律为：头脉冲、系统码、资料码、资料反码和结束位。头脉冲用做一帧命令的起始位；系统码用于区别不同类的电器；资料码用于完成命令功能；资料反码是将资料码按位取反的码。每次进行发送都是先发送脉宽4510us、周期2*4510us的头脉冲，然后连续发送两次系统码、接着发送资料码及资料反码、最后发送结束位，波形图见图7。美的空调（R51D）协议，如图8和图9。包括：引导码、8位地址码、8位地址反码、前8位数据、前8位数据反码、后8位数据、后8位数据反码、后置单脉冲。

图7 遥控指令编码图

图8 美的空调（R51D协议）两次波形图

图9 美的空调（R51D协议）详解图

红外通讯数据采用脉冲编码，所谓脉冲编码，就是将每位数据信号用一个脉冲来表示。例如红外编码以脉宽561us、周期4*561us代表“1”；以脉宽561us、周期2*561us代表“0”。脉冲信号都调制在占空比为1/3，频率为38kHz的载波上再发送出去，调制后的信号“1”和“0”如图10所示。这样做有两点好处：第一，减少了有效的发射时间，有利于降低平均功耗，这对于采用干电池供电的发射器十分重要；第二，外部干扰信号多为缓变信号，有利于抗干扰。

图10 信号1和0

程序设计流程图、红外发射程序流程图如图11 所示。

取发射数据

发射初始化

发射头脉冲

发射系统码

发射资料码和反码发射结束位

打开38K载波

关闭38K载波

发射结束位

Y

高电平时间到？N

低电平时间到？N

Y

（a）程序设计流程图（b）红外发射程序流程图

图11 程序流程图

3.2.2 红外发射电路

常用的红外发光二极管，其外形和发光二极管LED相似，发出红外光（近红外线约0.93μm）。管压降约1.4V ，工作电流一般小于20mA。为了适应不同的工作电压，回路中常串有限流电阻。

发射红外线去控制相应的受控装置时，其控制的距离与发射功率成正比。为了增加红外线的控制距离，红外发光二极管工作于脉冲状态，因为脉动光（调制光）的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，只需尽量提高峰值电流，就能增加红外光的发射距离。提高峰值电流的方法，是减小脉冲占空比，即压缩脉冲的宽度。减小冲占空比还可使小功率红外发光二极管的发射距离大大增加。要使红外发光二极管产生调制光，只需在驱动管上加上一定频率的脉冲电压。红外发射电路如图12 所示。

图12 红外发射电路图

3.3 LCD驱动电路设计

3.3.1 LCD基本原理

LCD（Liquid Crystal Digit）具有耗电低，驱动电压低，结构空间小而有效显示面积大、体薄物轻等优点，在各类电子产品中得到广泛应用。

液晶显示器的结构如图13 所示：

在上、下两层电极之间封入向列型液晶材料，液晶分子平行排列，上、下扭曲90度，在无外部电压状态下，外部入射光通过上偏振片后形成偏振光，该偏振光通过平行排列的液晶材料后备旋转90度，再通过与上偏振片垂直的下偏

振片，被反射板反射回来，呈

透明状态；当上、下电极加上一定的电压后，电极部分的液晶分子转成垂直排列，失去旋光性，从上偏振片入射的偏振光不被旋转，光无法通过下偏振片返回，因而呈黑色。根据需要将电极做成各种文字、数字、图形，就可以获得各种状态显示。显示内容由引脚端和公共端共同决定，在应用时，只要给相应引脚端写入信号，即可显示，LCD内部自带刷新电路，不必重复写入。

图13 液晶显示器基本结构

3.3.2 LCD驱动电路（串列传输）

当PSB脚接低电位时，ST7920将进入串列模式，在串列模式下将使用两条资料传输线作串列资料的传送，主控制系统将配合传输同步时派线（SCLK）与接收串列资料线（SID），来达成串列传输的动作。

当需要同时连接数颗ST7920晶片时，晶片选择脚CS将要被配合使用，在晶片选择脚设为高电位时，同步时派线输入的讯号才会被接收，另一方面，当晶片选择脚设为低电位时，ST7920的内部串列传输计数与串列资料将会被重置，也就是说在此状态下，传输中的资料将终止清除，并且将待传输的串列资料计数重设回第一位元；在一个最小的系统架构下，由一个微处理器连接控制单一个ST7920晶片时，相关的连接界面只需要使用同步时派线与接收串列资料线两只脚，在这个模式下镜片选择脚将被固定接到高电位。

ST7920的同步时派线具有独立的操作时派，但是当有连续多个指令需要被传送时，指令执行的时间将需要被考虑，必须却是等到前一个指令完全执行完成才传送下一笔资料，因为ST7920内部并没有传送/接收缓冲区。

从一个完整的串列传输流程来看，一开始先传输起始位元祖，它需先接收到五个连续的“1”（同步位元字串）在起始位元组，此时传输计数将被重置并且串

列传输将被同步，再跟随的两个位元串分别指定传输方向位元及暂存器选择位元，最后第八的位元则为“0”。

在接收到同步位元及RW和RS资料的起始位元组后，每一个八位元的指令将被分为两个位元组接收到：较高4位元的指令资料将会被放在第一个位元组的LSB部分，而较低4位元的指令资料将会被放在第二个位元组的LSB部分，至于相关的另四位元则为0。LCD显示屏接口图，如图14。

图14 LCD显示屏接口图

3.4 键盘、摇杆扫描电路设计

3.4.1 键盘、摇杆基本原理

STC12C5612AD系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口( (P1.7-P1.0)，有8路10位高速A/D转换器，速度可达到，速度可达到100kHz （10万次/秒）。8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。

STC12C5612AD系列单片机ADC（A/D转换器）的结构如图15所示。

图15 STC12C5612AD系列单片机ADC(A/D转换器)的结构图

STC12C5612AD系列单片机ADC由多路选择开关、比较器、逐次比较寄存器、10位DAC、转换结果寄存器(ADC_DATA和ADC_LOW2)以及ADC_CONTR 构成。

STC12C5612AD系列单片机的ADC是逐次比较型ADC。逐次比较型ADC 由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位(MSB)开始，顺序地对每次输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换

所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点。

从上图可以看出，通过模拟多路开关，将通过ADC0~7的模拟量输入送给比较器。用数/模转换器(DAC)转换的模拟量与本次输入的模拟量通过比较器进行比较，将比较结果储存到逐次比较器，并通过逐次比较寄存器输出转换结果。A/D转换结束后，最终的转换结果储存到ADC转换结果寄存器ADC_DATA和ADC_LOW2，同时，置位ADC控制寄存器ADC_CONTR中的A/D转换结束标志位ADC_FLAG，以供程序查询或发出中断申请。模拟通道的选择控制由ADC 控制寄存器ADC_CONTR中的CHS2 ~ CHS0确定。ADC的转换速度由ADC控制寄存器中的SPEED1和SPEED0确定。在使用ADC之前，应先给ADC上电，也就是置位ADC控制寄存器中的ADC_POWER位。

3.4.2 键盘、摇杆扫描电路

键盘、摇杆扫描电路如图16所示。

图16 键盘、摇杆扫描电路图

空调遥控器按键功能设计解析：通过按下A键，会不断发送信号，这些信

号包括温度，模式等所有信息的组合信号。通过按下B键，会发射关机信息给空调。通过按下C键，可以设定定时功能的开关，有定时开，关，和取消定时这几个功能。通过按下D键，控制器进入省电模式，关闭LCD背光灯。通过摇杆的上下方向，控制光标上下移动，选择不同的控制菜单。通过摇杆的左右方向，根据不同的控制菜单，调整不同的控制方式和量。

3.5 空调遥控器硬件电路图

综合前面各硬件电路功能模块的设计，图17给出了空调硬件设计电路图。

空调遥控器硬件电路图空调遥控器的硬件设计，严格按照任务书的要求，进行了单片机的选型，并以单片机为基础进行了红外发射电路、键盘扫描电路和LCD驱动电路的

设计，利用关闭LCD背光灯，满足了无操作时的低功耗设计，同时为软件的低功耗设计奠定了基础。

图17 空调硬件电路图

4 调试

4.1 硬件调试

在硬件调试时可以运用单片机仿真器对课题的原理图以检查电路的设计是不是合理且性能良好。假如在仿真器上没有发现异常的话则可以进行下一步调试即根据原理图做出实物再对实物进行通电实验，看看遥控器是否正常工作，假如出现异常则证明电路的焊接方面还存在问题，要对其进行进一步检查和调试直到

正常工作。

4.2 软件调试

软件编程完成之后要进行调试。可将每个子程序写如单片机实验系统中进行调试当每段子程序都没有错误时再将完整的程序输入进去进行调试看看是否有问题。

4.3 故障诊断及排除

在电输入和输出端要加电容滤波。

分模块测试，首先测试电源模块的VCC的GND端，保证输入恒定在5V上下；然后先把51单片机最小系统搭建起来，测试输入VCC端和GND是否有5V，如果有，用示波器查看晶振是否起震，接着把编好的测试程序烧到单片机中，测试各个硬件模块式否正常工作，对于这个工程的红外模块可以把对于的引脚拉低，用手机的摄像头对着红外发射管，如果是蓝色证明，电路正常。

在联调时常见的故障是遥控距离较短，不满足要求，一般可通过增大红外管发射电流，或将几个红外发射管串联发射等增强红外发射光的方法来解决；也可以使几个红外接受管并联接受，以提高接受灵敏度。还可以将红外发射管和红外接受管均放入黑盒屏蔽，仅在发射和接受处开个小窗口，这样可消除杂散红外光的干扰，使有用信号增强。引起遥控距离较短的原因还有可能是，发射的载波频率与接受机带通滤波器的中心频率不一致。可试着微调发射载波的频率，观察遥控距离的变化，使系统达到最佳工作状态。

5 总结

经过几个月的思考与查阅，我终于完成了这篇毕业论文。通过多方面的审查，可以测试到硬件和软件的设计上是没有问题的，并且实际上也是可用的。

其实，还是有点不足，就是精度问题，由于红外发射管的灵敏度问题，已经系统在布线焊接上，器件与器件之间的相互干扰，多少存在一定的影响，所以这种遥控操作准确性还存在不足。

计算机的发展可以说是日新月异，它给我们的生活、工作带来了翻天覆地的变化，现代生产生活计算机无处不在。随着近代单片机的发展，人马的生活环境更是向着智能化、自动化方向发展，单片机主要的特点就是功能强大并且成本相当的低，所以很多领域都应用了单片机，我想，单片机应用会越来越成熟，它的功能会越来越强大。