操作靈活性能穩(wěn)定的Atmega16單片機(jī)智能空調(diào)遙控器設(shè)計(jì)

操作靈活，性能穩(wěn)定的Atmega16單片機(jī)智能空調(diào)遙控器設(shè)計(jì)1引言近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)高速發(fā)展，智能化家居系統(tǒng)也隨著新技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了千家萬戶，家居系統(tǒng)中如空調(diào)、電視、照明系統(tǒng)等，都使用遙控器進(jìn)行控制。紅外線遙控器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，已成為使用最廣泛的一種遙控方式。然而，由于各種紅外設(shè)備采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議大不相同，使得各種設(shè)備的遙控器并不能兼容，給用戶和消費(fèi)者帶來了諸多不便。目前，市場(chǎng)上已有的萬能遙控器多是內(nèi)置了多種品牌的紅外控制指令，對(duì)內(nèi)置品牌以外的紅外設(shè)備則無能為力。為此，本文設(shè)計(jì)了一款針對(duì)空調(diào)設(shè)備的智能學(xué)習(xí)型紅外遙控器，采用記錄脈沖寬度的方法，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種紅外空調(diào)遙控信號(hào)的學(xué)習(xí)與再現(xiàn)，真正實(shí)現(xiàn)了“萬能”。本文在闡述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了系統(tǒng)學(xué)習(xí)，發(fā)送及通信功能的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，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(chǔ)模塊，紅外發(fā)送模塊，紅外接收模塊，RS232、RS485通信模塊，以及溫度檢測(cè)模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)以Atmega16單片機(jī)作為主控芯片，Atmega16具有16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（T/C），片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI串行端口，以及六個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。該芯片功能強(qiáng)大，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要并提供了充分的擴(kuò)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(fù)位電路采用低電平復(fù)位。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖矩陣鍵盤采用3*3的設(shè)計(jì)，設(shè)置了8個(gè)功能鍵，方便用戶進(jìn)行手動(dòng)操作。其中單獨(dú)設(shè)計(jì)了一顆模式切換鍵，可在學(xué)習(xí)、發(fā)射、通信模式中切換。為了實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)功能，紅外接收模塊使用了一體化接收頭NB1838，其光電檢測(cè)和前置放大器集成于同一封裝，中心頻率為37.9KHz.NB1838的環(huán)氧樹脂封裝結(jié)構(gòu)為其提供了一個(gè)特殊的紅外濾光器，對(duì)自然光和電場(chǎng)干擾有很強(qiáng)的防護(hù)性。NB1838對(duì)接收到的紅外信號(hào)進(jìn)行放大、檢波、整形，并調(diào)制出紅外編碼，得到TTL波形，反相后輸入單片機(jī)，再由單片機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，存儲(chǔ)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(tǒng)需要的存儲(chǔ)空間比較大，設(shè)計(jì)了單獨(dú)的存儲(chǔ)模塊，選用的EEPROM是AT24C64，它提供了8KB的容量，通過IIC協(xié)議與Atmega16TWI接口通信，將學(xué)習(xí)到的紅外指令存儲(chǔ)在此，掉電不丟失。在發(fā)射模式下，系統(tǒng)從EEPROM讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，利用三極管9013組成的放大電路，通過大功率紅外發(fā)射管將調(diào)制好的紅外信號(hào)發(fā)射出去。發(fā)射電路如圖3所示，非發(fā)送狀態(tài)時(shí)，三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，紅外發(fā)射管不工作，有利于降低功耗以及延長(zhǎng)紅外發(fā)射管的使用壽命。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，發(fā)射距離可達(dá)到10m左右。圖3發(fā)射硬件電路圖。通信模式中，系統(tǒng)通過RS232電路與上位機(jī)通信，在與上位機(jī)通信時(shí)使用DS18B20反饋溫度信息，DS18B20一線總線設(shè)計(jì)大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)。系統(tǒng)還增加了RS485模塊，便于組網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)紅外設(shè)備進(jìn)行控制。RS485在組網(wǎng)時(shí)只需要用一對(duì)雙絞線將子設(shè)備的“A”、“B”端連接起來，這種接線方式為總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在同一總線上可掛接多個(gè)結(jié)點(diǎn)，連接方便。為了增加設(shè)備的實(shí)用性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)電源方案，一個(gè)是直接接入5V直流電源，一個(gè)是接入12V直流電源，然后通過L7805構(gòu)成的變壓電路降壓為5V使用。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序主要分為三個(gè)部分：學(xué)習(xí)模式，發(fā)送模式以及通信模式。當(dāng)?shù)谝淮芜M(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，初始化設(shè)置設(shè)備地址，然后設(shè)置通信的波特率，提供1200、9600以及19200三種選擇。系統(tǒng)主程序即在三個(gè)模式間切換，默認(rèn)進(jìn)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(jī)直接更改。出于系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要，在程序中加入了軟件看門狗，防止程序“跑飛”。3.1學(xué)習(xí)功能設(shè)計(jì)3.1.1學(xué)習(xí)模式紅外遙控器的碼型多樣，編碼一般包括：幀頭、系統(tǒng)碼、操作碼、同步碼、幀間隔碼、幀尾，且同步碼與幀間隔碼出現(xiàn)的位置不固定，因此碼型格式靈活多變，很難區(qū)分各種碼型的編碼含義；各個(gè)紅外遙控的編碼長(zhǎng)度不盡相同，發(fā)送方式也多種多樣，最常用的有三種：完整幀只發(fā)送一次、完整幀重復(fù)發(fā)送兩次、先發(fā)送一個(gè)完整幀，后重復(fù)發(fā)送幀頭和一個(gè)脈沖。面對(duì)如此多樣化的編碼方式，如果區(qū)分每種編碼的含義進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的復(fù)雜度將會(huì)很高，并且通用性也會(huì)受到影響。所以，為了避開各色碼型的干擾，系統(tǒng)在學(xué)習(xí)時(shí)并不關(guān)心碼型數(shù)據(jù)的實(shí)際意義，只記錄脈沖的時(shí)間寬度。系統(tǒng)主要針對(duì)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(xué)習(xí)程序流程如圖4所示。圖4學(xué)習(xí)程序流程圖。3.1.2壓縮存儲(chǔ)由于不考慮具體的碼型數(shù)據(jù)意義，只記錄脈沖的寬度，系統(tǒng)的學(xué)習(xí)功能通用性得到了提高，但這種方式學(xué)習(xí)到的數(shù)據(jù)量很大，對(duì)存儲(chǔ)的要求就變得很高。盡管系統(tǒng)針對(duì)存儲(chǔ)的大容量需求設(shè)計(jì)了單獨(dú)的存儲(chǔ)模塊，但考慮到應(yīng)在不增加硬件開銷的情況下保證足夠的存儲(chǔ)容量，以及滿足未來擴(kuò)展的需要，在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，采取了數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)。從學(xué)習(xí)到的電平數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，無論數(shù)據(jù)是1還是0，都有相同時(shí)長(zhǎng)的電平出現(xiàn)，這符合游程編碼的特點(diǎn)。游程編碼是一種簡(jiǎn)單的非破壞性資料壓縮法，其好處是加壓縮和解壓縮都非?？?，其方法是計(jì)算連續(xù)出現(xiàn)的資料長(zhǎng)度壓縮之。比如：一張二值圖像的數(shù)據(jù)為：WWWWWWWWBWWWWBBBWWWWWWWBWWWWW使用游程編碼壓縮可得：8W1B4W3B7W1B5W.可見，壓縮效率極高，且可避免復(fù)雜的編碼和解碼運(yùn)算。所以，在存儲(chǔ)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)學(xué)習(xí)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行游程編碼壓縮［7，8］。例如，學(xué)習(xí)到的一組空調(diào)遙控器的數(shù)據(jù)為［1571532353…2353231801561522353…5323］，如圖5所示，對(duì)重復(fù)的電平數(shù)據(jù)采用游程編碼壓縮后，原本需要199字節(jié)的空調(diào)遙控碼，只需要106個(gè)字節(jié)即可存儲(chǔ)，壓縮率達(dá)53.27%.因此，在存儲(chǔ)時(shí)針對(duì)學(xué)習(xí)到的數(shù)據(jù)特點(diǎn)采取游程編碼壓縮，可以有效節(jié)約存儲(chǔ)空間。圖5一組典型的空調(diào)數(shù)據(jù)幀。3.2發(fā)射功能設(shè)計(jì)現(xiàn)有的紅外遙控器很多都是采用外部電路產(chǎn)生載波信號(hào)，例如使用NEC555振蕩器產(chǎn)生載波信號(hào)。為了減少硬件開銷，本系統(tǒng)使用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生載波。系統(tǒng)使用的是Atmega16單片機(jī)，其定時(shí)器功能強(qiáng)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(tǒng)利用定時(shí)器1，使其工作在快速PWM模式，產(chǎn)生占空比為1:3的38KHz的PWM波。當(dāng)發(fā)送某條指令時(shí)，單片機(jī)從對(duì)應(yīng)的EEPROM中提取指令信息，然后調(diào)制到生成的載波上，再通過發(fā)射電路即可完成紅外信號(hào)的發(fā)射。3.3通信功能設(shè)計(jì)3.3.1上位機(jī)通信本遙控器除了能通過功能按鍵實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作外，還可以通過上位機(jī)軟件對(duì)遙控器進(jìn)行控制。遙控器與上位機(jī)通過RS232模塊進(jìn)行通信，首先配置上位機(jī)軟件，確定串口號(hào)，選擇與設(shè)備相同的波特率及主從設(shè)備地址，然后根據(jù)需要選擇相應(yīng)的指令，點(diǎn)擊發(fā)送即可通過上位機(jī)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。由于本遙控器是基于空調(diào)遙控器進(jìn)行研究的，在與上位機(jī)通信時(shí)，系統(tǒng)中的溫度檢測(cè)模塊會(huì)上傳實(shí)時(shí)溫度，便于用戶進(jìn)行調(diào)整。圖6為上位機(jī)軟件流程圖。圖6上位機(jī)軟件流程圖。3.3.2組網(wǎng)控制為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)控制，還設(shè)計(jì)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(wǎng)絡(luò)，如圖7所示，其中一個(gè)作為主遙控器，與上位機(jī)通過RS232模塊進(jìn)行串口通信。當(dāng)上位機(jī)需要對(duì)某個(gè)子設(shè)備進(jìn)行控制時(shí)，選擇相應(yīng)的子設(shè)備地址號(hào)，發(fā)送指令即可，主遙控器收到指令信息后，會(huì)將指令發(fā)給對(duì)應(yīng)的子設(shè)備。與主遙控器相連的上位機(jī)PC連接Internet，作為本地服務(wù)器，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。用戶登錄遠(yuǎn)程客戶端，經(jīng)身份驗(yàn)證后與服務(wù)器建立連接，可發(fā)送指令給本地服務(wù)器，本地服務(wù)器再經(jīng)過串口通信對(duì)遙控器進(jìn)行相應(yīng)操作。如果遙控器主機(jī)與上位機(jī)距離較遠(yuǎn)，RS232不能滿足通信需要，也可不使用遙控器主機(jī)，在上位機(jī)PC上使用RS232-485轉(zhuǎn)接頭，通過RS485直接將遙控器網(wǎng)絡(luò)與PC機(jī)485接口相連，利用上位機(jī)對(duì)遙控器網(wǎng)絡(luò)直接進(jìn)行控制。圖7控制網(wǎng)絡(luò)示意圖。4結(jié)語本文設(shè)計(jì)了一款智能空調(diào)遙控器。該系統(tǒng)采用只記錄紅外信號(hào)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(hào)壓