北郵簡易紅外遙控系統(tǒng)設(shè)計報告

課程設(shè)計實驗報告 --------簡易紅外遙控系統(tǒng)學(xué)院：電子工程學(xué)院專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)班級：學(xué)號：班內(nèi)序號： 姓名：日期：2021.07.071【實驗任務(wù)】 設(shè)計并制作紅外遙控發(fā)射機和接收機紅外遙控發(fā)射機發(fā)射功放調(diào)制編碼控制鍵發(fā)射功放調(diào)制編碼控制鍵外供直流穩(wěn)壓電源外供直流穩(wěn)壓電源紅外接收機被控設(shè)備被控設(shè)備解碼解調(diào)放大接收解碼解調(diào)放大接收外供直流穩(wěn)壓電源外供直流穩(wěn)壓電源2【技術(shù)指標(biāo)】遙控對象：8個，被控設(shè)備用LED分別代替，LED發(fā)光表示工作；接收機距離發(fā)射機不小于2米；8路設(shè)備中的一路為LED燈，用指令遙控LED燈亮度，亮度分為8級并用數(shù)碼管顯示級數(shù)；在一定發(fā)射功率下〔不大于20mW〕，盡量增大接收距離；增加信道抗干擾措施；盡量降低電源功耗；【發(fā)射機局部】控制鍵 本次實驗中，控制鍵采用10位撥碼開關(guān)，能夠產(chǎn)生10個不同的通斷鍵信號，但是根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的要求，由于只要控制8個LED燈狀態(tài)、7段數(shù)碼管并且只有8個亮度等級，所以只需要8中狀態(tài)即可，因此值使用其中的8個撥碼開關(guān)。撥碼開關(guān)實物圖如下：按鍵狀態(tài)編碼器編碼器采用的是74LS147，它是74LS147為優(yōu)先編碼器，它是將9條數(shù)據(jù)線〔1－9〕進(jìn)行4線BCD編碼，即對最高位數(shù)據(jù)線進(jìn)展譯碼。當(dāng)1－9均為高電平時，編碼輸出〔ABCD〕為十進(jìn)制零。故不需單設(shè)/IN0輸入端，從功能表中可以看出，其BCD碼的譯碼輸出是“反碼〞，所以在后續(xù)的控制電路中需要采用反相器來實現(xiàn)原碼譯碼，其功能表和實物圖如下所示：并行轉(zhuǎn)串行編碼器采用MC145026編碼芯片，其中5個為地址信息，后4位為數(shù)據(jù)信息，5位地址數(shù)據(jù)用于與解碼芯片MC145027做配對，將這9位輸入編碼成4位并串行輸出，該電路由于要采用紅外發(fā)射和接收，所以需要互相配對驗證，因此采用后一種工作模式，即9位輸入A1-A5這5個輸入為地址信息，D6-D9這4個輸入端口輸入的為上一級74LS147編碼的4位數(shù)據(jù)信息。由于在試驗中發(fā)現(xiàn)，如果編碼速率為4KHz時候，解碼時候的誤碼率比擬高，經(jīng)常出現(xiàn)誤判，所以經(jīng)過調(diào)節(jié)Rt，使得發(fā)射的編碼后的串行信號約為1.7KHz，此時解碼效果最好，并且傳輸距離也比擬長，計算公式如下所示： RTC=250kΩ Cf= 芯片實物及編碼信號波形如下圖：調(diào)制器由于載波頻率設(shè)置在38KHz左右，所以采用簡單的RC振蕩電路即可，并且仿真和實驗的效果比擬理想，更好的一點是，由于RC振蕩電路簡單，只需要設(shè)置一個電位器代替振蕩電阻R即可很容易調(diào)出較為準(zhǔn)確的38KHz的波，然后通過多個反相器形成方波，并且也把電平振幅拉高到了0~5V，使得載波信號幅度增大。載波的計算公式為：f= 設(shè)計圖和實物圖如下所示：功放和發(fā)射端由于前面載波振幅已經(jīng)到達(dá)了5V，所以功放其實只要采用簡單高效的單級三極管共射電路輸出已調(diào)信號的集電極反向電壓即可，設(shè)計電路和實際電路如下圖： 發(fā)射端的實際發(fā)射信號波形如下圖：發(fā)射機總體設(shè)計電路圖和實物電路圖【接收機局部】 采用CX20216A紅外線遙控接收前置放大電路，多適用于電視機。內(nèi)部電路由前置放器，自動偏置電平控制電路〔ABLC〕、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和波形整形電路等組成。 這個芯片特別難調(diào)整，但是最后發(fā)現(xiàn)，其實這個芯片雖然可以通過調(diào)整5腳電阻R2來調(diào)整帶通濾波器的中心頻率，但是由于發(fā)射端的發(fā)射載波頻率已經(jīng)調(diào)整到比擬準(zhǔn)確的38KHz，所以這個參數(shù)直接用標(biāo)配的R2=220KΩ即可到達(dá)很好的濾波效果。實驗中發(fā)現(xiàn)，輸入的波形非常漂亮，與發(fā)送波形在3米距離時候依然非常吻合，但是在7腳輸出的反相電平卻發(fā)現(xiàn)了很多不吻合，最嚴(yán)重的是波形的占空比問題，發(fā)送端發(fā)送的“1〞信號占空比擬大，然后在接收端占空比卻被嚴(yán)重縮小了(如右圖所示)，導(dǎo)致后端MC145027的譯碼全是錯誤的，經(jīng)過查詢資料后發(fā)現(xiàn)，是由于3腳積分電容的影響，積分電容越大，放電越快，導(dǎo)致高電平的占空比持續(xù)時間變短，最后采用了C3=150pF的電容，解決了這個問題，使得7腳的輸出波形和輸入波形吻合的很好。 輸出波形和發(fā)射波形如下圖：解碼芯片MC145027是與MC145026配合使用的解碼芯片，它有A1-A5這5個地址輸入端，和D6-D9這4個譯碼輸出端，當(dāng)Din接收的串行數(shù)據(jù)〔每9位一組，每個數(shù)據(jù)都連續(xù)發(fā)送兩次，所以接收端也接收到兩次〕，如果第一次地址位與MC145026發(fā)送的地址位一樣，則通過驗證，接著接收的二次9位數(shù)據(jù)，如果地址任然匹配，并且兩次的后4位數(shù)據(jù)位一樣，這判定這一次的傳輸數(shù)據(jù)是有效的，將4位譯碼數(shù)據(jù)譯碼鎖存到D6-D9，然后等待下一次輸入。由于MC145026編碼頻率設(shè)置為1.7KHz左右，所以選用芯片手冊中的最后一列的推薦設(shè)置，設(shè)置MC145027芯片：控制8個數(shù)碼管亮滅和亮度的譯碼和控制芯片和電路CD4514是一個4線到16線的譯碼器，輸入為0000到1111，對應(yīng)輸出S0到S16其中一個輸出高電平，其余輸出的是低電平，它的真值表如下所示： 所以只需要將8個LED管的負(fù)極接地，正極分別接入8個輸出就可以控制8個燈的亮滅，為了控制亮度，并且為了到達(dá)較好的線性度，采用了8個串聯(lián)的等值電阻來說實現(xiàn)8級分壓，通過電壓來控制LED燈的亮度等級。 設(shè)計電路圖和實際電路圖如下圖：控制7段數(shù)碼管顯示亮度等級控制電路使用MC14513是一個BCD-到7段LED數(shù)碼管的譯碼電路，通過4個輸入端0000到1001譯碼成數(shù)字“0〞到“9〞，通過7段共陰極LED數(shù)碼管顯示出來，芯片的管腳圖如下所示： MC14513功能真值表如下所示： 所以從表中可以看出，當(dāng)輸出為“1〞(高電平)的時候，對應(yīng)的數(shù)碼管點亮，因此需要采用的共陰極7段LED數(shù)碼管。 設(shè)計電路和實際電路圖如下圖：接收機總體設(shè)計電路圖和實際電路圖【實驗總體效果演示】MC145026編碼波形和接收端MC145027經(jīng)過無線傳輸后的波形相比擬，可以看出有一定的延時，并且放大后看到的波形上，其占空比還是存在一定的不匹配，但是在解碼的誤差范圍內(nèi)，所以不影響解碼，并且從波形的還是十分穩(wěn)定的，沒有誤碼雜波的存在。 紅外發(fā)送二極管和前端接收CX20216的7腳信號相比對：可以看出，高頻載波已經(jīng)被濾除，并且編碼信號被反相，波形匹配度良好〔放大后雖然占空比存在一定的不匹配，但是不影響解碼，因為解碼采樣速率較高，允許一定的占空比不匹配〕，保證了后端MC145027解碼的正確性?！居龅降膯栴}及解決方法】問題1：第一次設(shè)計電路的時候，由于想的太簡單，MC145026采用了4KHz的編碼速率，載波為38KHz，這樣使得調(diào)制信號的頻率太高，然后CX20216的內(nèi)部比擬器和積分器對該4KHz的調(diào)制信號的解調(diào)經(jīng)常會產(chǎn)生波形的不穩(wěn)，比方發(fā)送“0〞的時候，應(yīng)該為兩個很窄的高電平，但是經(jīng)常會出現(xiàn)不確定性的3個或者4個窄高脈沖，誤碼率較高。解決方法：降低MC145026的編碼頻率為1.7KHz，可以使得上面的問題得到很好的解決，并且由于編碼頻率降低了，解碼芯片的MC145027的解碼速率也可以得到降低，誤差的允許范圍也得到了擴大，這樣，不經(jīng)增大了接收距離，也增加了抗干擾的能力。問題2：在調(diào)試的時候發(fā)現(xiàn)，有時候編碼信號在高電平的時候有小毛刺，以為是MC145026的芯片出現(xiàn)了問題，但是換了新的芯片后發(fā)現(xiàn)沒有任何改善，我看了其他同學(xué)的波形，也有這樣的問題，擔(dān)憂這樣的毛刺會影響譯碼的正確率。解決方法：在無意中放大波形后觀察，毛刺為有規(guī)律的50Hz類似正弦波的波形，聯(lián)想到我們的穩(wěn)壓源使用的就是50Hz的家用電壓，所以覺得是由于家用交流電源的影響，首先把這接收機和發(fā)送機的接地端共地，發(fā)現(xiàn)毛刺明顯變少，并且再通過再MC145026和MC145027芯片的電源端分別并臉上一個10uF和100pF的大電容和小電容，進(jìn)展電源濾波，發(fā)現(xiàn)毛刺根本沒有了，消除了這個問題。問題3：在電路調(diào)試初期，傳輸距離一直無法突破1.5米，接收信號在距離增加的時候衰減特別快。解決方法：采用兩種解決方法，第一種，運用兩個串聯(lián)的紅外發(fā)射管，一起發(fā)送信號，發(fā)現(xiàn)距離能夠提升到近2米，但是卻出現(xiàn)接收端譯碼的不穩(wěn)定的問題，可能是這兩個發(fā)射管的參數(shù)有卻別，導(dǎo)致兩個紅外發(fā)射管的發(fā)射波形不吻合。第二種方法是采用減小紅外發(fā)射管的上拉電阻，強行增大發(fā)射電流從而提高發(fā)射功率，發(fā)現(xiàn)這個方法效果較好，能夠把接收距離提高了2.5米左右，但是紅外發(fā)射管的工作電流較大，容易損壞紅外發(fā)射管。【實驗心得】在本次小學(xué)期的實驗中，第一次親自動手完成從設(shè)計到仿真再到實際搭建電路再到調(diào)試電路這個完整的電子電路設(shè)計流程，在設(shè)計初期，考慮得特別少，以為很簡單，但是在仿真的時候發(fā)現(xiàn)全是錯誤，電路的編碼譯碼全是混亂的，并且還經(jīng)常出現(xiàn)連線錯誤這樣的極低錯誤，然后在認(rèn)認(rèn)真真地閱讀了芯片資料后，對于每一個芯片的功能和電參數(shù)都有了一定的了解后，再次設(shè)計和調(diào)整各個芯片和電路的電阻電容等參數(shù)后，仿真出來的效果有了質(zhì)的提高，接著著手搭建電路，由于是采用面包板搭建的電路，由于貪圖方便，沒有注意布局和布線的設(shè)計，所以到時搭建出來的電路線路特別亂，發(fā)現(xiàn)錯誤后難以檢測，然后花了很大的時間和經(jīng)歷重新布局布線，才使得電路容易調(diào)試和查錯，讓我深刻體會到細(xì)節(jié)的重要性，魔蛋不誤砍柴工。 在中期的時候，電路已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)了短距離的接收，此時只要提高傳輸距離就行了，但是無論怎么調(diào)整電路的各項放大倍數(shù)，都無法實現(xiàn)大的提高，實驗遇到了一個瓶頸，在這個問題上消耗了一整天都沒進(jìn)展，都失去了耐心，甚至采用盲目調(diào)整碰運氣的做法，最后還是無功而返。最后我上網(wǎng)搜索了大量的類似的紅外接收系統(tǒng)的設(shè)計方案和參數(shù)資料，終于在一份CX20216芯片原理和檢修的文章中發(fā)現(xiàn)了原來接收距離太短是由于該芯片的參數(shù)設(shè)置不正確，1腳的輸入電阻為40kΩ，然而紅外接收管輸入直接輸入1管腳會照成電阻不匹配，所以接收功率較低，最后參考了CX20216芯片原理和檢修一文中的參數(shù)設(shè)置后，距離一下子提高了1米。 這次的實驗讓我不僅加深了理論知識的理解，還大大提高了我的動手能力，更為重要的是，我學(xué)會了如何發(fā)現(xiàn)問題，檢查問題，排查問題和解決問題的過程，也感謝教師在這個過程中的傾力幫助和指導(dǎo)，這次的