文章目录
- 红外光的基本原理
- 红外遥控通信原理
- NEC协议
红外光的基本原理
红外线是微波和可见光之间波长的电磁波 760 纳米到 1 在毫米之间，波形长于红光。只要自然界中的物体温度高于绝对零度(-273)，就会有分子和原子的不规则运动，其表面就会不断辐射红外线。当然，虽然它们都辐射红外线，但不同物体的辐射强度不同，我们利用这一点将红外技术应用于我们的实际开发。
红外发射管非常常用，在我们的遥控器上可以看到，它类似于发光二极管，但它发红外线，肉眼看不见。我们了解到，发光二极管的亮度会随着电流的增加而增加。同样，红外发射管的强度也会随着电流的增加而增加，如图所示：
红外接收管内部具有红外光敏感 PN 节，属于光敏二极管，但只对红外光有反应。当没有红外光时，光敏管不导致，当有红外光时，光敏管导致形成光电流，并在一定范围内随着红外光强度的增加而增加。典型的红外接收管如图所示： 如图所示： 在上图中，发射控制和接收检测接收单片机 IO 口上的。
发射部分：当发射控制输出高电时，三极管 Q1 红外发射管不导通 L1 红外信号不会发射；当发射控制输出低电平时，通过三极管 Q1 导通让 L1 发出红外光。接收部分：R4 我们通过调整电位器给电位器 LM393 的 2 脚提供阈值电压，可根据实际情况调试确定。红外光敏二极管 L2 当收到红外光时，会产生电流，随着红外光从弱到强，电流会从小变大。当没有红外光或红外光很弱时，3 脚的电压会接近 VCC，如果 3 脚比 2 如果脚的电压高，通过 LM393 比较器后，接收检测引脚输出高电平。当随着光强变大，电流变大，3 脚的电压值等于 VCC-I*R3.电压会越来越小程度时，电压会越来越小 2 脚的电压还小的时候，接收检测引脚就会变成低电平。
当该电路用于避障时，发射管首先发送红外信号。随着传输距离的增加，红外信号会逐渐衰减。如果遇到障碍物，会形成红外反射。当反射信号较弱时，光敏二极管 L2接收的红外光较弱，比较器 LM393 的 3 脚电压高于 2 脚电压，接收检测引脚输出高电平，表明障碍物较远；当反射信号较强时，接收检测引脚输出低电平，表明障碍物较近。
汽车跟踪时，必须有黑白轨道。当红外信号发送到黑色轨道时，黑色因为吸光能力比较强，红外信号发送出去后就会被吸收掉，反射部分很微弱。白色轨道会反射大部分红外信号。通常情况下的循迹小车，需要应用多个红外模块同时检测，从多个角度判断轨道，根据判断的结果来调整小车使其按照正常循迹前行。
红外遥控通信原理
在实际的通信领域，发出来的信号一般有较宽的频谱，而且都是在比较低的频率段分布大量的能量，所以称之为基带信号，这种信号是不适合直接在信道中传输的。为了便于传输，提高抗干扰能力，有效利用带宽，信号通常需要调制到适合信道和噪声特性的频率，称为信号调制。在通信系统的接收端，解调接收到的信号，恢复原始基带信号。了解这部分通信原理。我们通常使用红外遥控器中的红外通信 38K 左右载波调制，下面我给大家介绍一下原理，先看发送的原理。调制：用待传输信号控制高频信号的范围、相位、频率等参数变化的过程，即用一个信号装载另一个信号。例如，当我们的红外遥控信号需要发送时，首先通过 38K 如图所示： 原始信号是我们要发送的数据0位或数据1位 38K 载波是频率 38K 调制后的方波信号是我们最终发出的波形。我们使用原始信号来控制它 38K 载波，当信号为数据0时，38K 当信号为数据1时，，当信号为数据1时，不发送任何载波信号。
原则上，我们如何从电路的角度实现这一功能？ 如下图所示： 38K 我们可以使用载波 455K 晶振，经过 12 分频得到 37.91K，也可以由时基电路 NE产生555，或使用单片机 PWM 来产生。当信号输出引脚输出高电时，Q2 截止，不管38K 如何控制载波信号？ Q1.右侧的垂直支路不会导通，红外管 L1 不会发送任何信息。当信号输出为低电平时， 38K 载波会通过 Q1 释放，在 L1 上产生 38K 载波信号。这里需要注意的是，大多数家用电器遥控器 38K 的占空比是 1/3，也有 1/2 是的，但相对较少。
在正常通信方面，接收端应首先通过监控、放大、滤波、解调等一系列电路处理信号，然后输出基带信号。但红外通信的集成接收器 HS0038B，所有这些电路都集成在一起了。我们只需要连接这个电路，就可以直接输出我们想要的基带信号，如图所示: 由于红外接收头内部放大器增益大，容易造成干扰，因此必须在接收头供电引脚上添加滤波电容器，官方手册给出的值是 4.7uF，我们直接在这里使用 10uF，手册还要求电源引脚和电源串联 100 欧洲电阻，进一步减少干扰。
当上图所示的电路用于接收波形时 HS0038B 监测到有 38K在红外信号中， OUT 当没有引脚输出低电平时， 38K 的时候，OUT 引脚会输出高电平。然后我们把它拿走 OUT 引脚与单片机相连 IO 红外通信发送的数据可以通过口头编程获得。
大家想想，OUT 引脚输出的数据是否恢复为基带信号数据？当我们单片机接收基带信号数据时，如何判断接收到什么数据，应遵循什么协议？就像我们前面学到的 UART、I2C、SPI 等待通信协议是基带通信的通信协议，红外 38K 只调制基带信号，使信号更适合在信道中传输。
因为我们的红外调制信号是半双工的，同时空间只能允许一个信号源，所以红外基带信号不适合 I2C 或者 SPI 我们前面提到过的通信协议 UART 虽然是 2 但是通信的时候，其实一条线就够了，所以红外线可以在 UART 中间通信。当然，这种通信也不是没有限制的，比如HS0038B 在数据手册中注明，如果你想，你想 HS0038B 识别到 38K红外信号，所以这个 38K 载波必须大于 10 这限制了红外通信基带信号的比例不得高于 3800，如果直接使用串口输出的信号 38K 调制的话，波特率不能高于 3800。当然，还有许多其他基带协议可以通过红外调制。让我们介绍一种常用于遥控器的红外通信协议——NEC 协议。
NEC协议
家电遥控器的通信距离往往不高，红外线的成本远低于其他无线设备，因此红外线在家电遥控器的应用中一直占有一席之地。遥控器的基带通信协议很多，大概有几十种，常用 ITT 协议、NEC 协议、Sharp 协议、Philips RC-5 协议、Sony SIRC 协议等。最常用的是 NEC 协议了。
NEC 协议的数据格式包括引导码、用户码、用户码(或用户码反码)、按键码和键码反码，最后一个停止位。停车位主要起隔离作用，一般不判断，编程时也不理会。总共有数据编码 4 个字节 32 如图所示。第一个字节是用户代码，第二个字节也可能是用户代码，或用户代码的反向代码，具体由制造商决定，第三个字节是当前按钮的关键数据代码，第四个字节是关键数据代码的反向代码，可用于纠正数据错误。
这个 NEC 协议表味着数据的方式不像我们以前学到的那样 UART 如此直观，但每个数据本身也需要编码，然后编码载波调制。
- ：9ms 的载波 4.5ms 的空闲。
- ：560us 的载波 560us 的空闲。
- ：560us 的载波 1.68ms 的空闲。
结合上图，我们可以看到前面的黑色段落是指导码 9ms 载波，然后是引导码 4.5ms 后面的数据码是许多载波和空闲交叉，它们的长度取决于它们想要传递的具体数据。HS0038B 红外到载波信号时，红外集成接收器将输出低电平，并在业余时间输出高电平。我们用逻辑分析仪抓住红外按钮HS0038B 解码后的图形。 从图中可以看出，首先是 9ms 载波加 4.5ms 空闲的起始码，数据码是低位在前，高位在后，数据码第一个字节是 8 组 560us 的载波加 560us 空闲，也就是 0x第二个字节是00 8 组 560us的载波加 1.68ms 的空闲，可以看出来是 0xFF，这两个字节是用户码和用户码的反码。键码二进制是按键 0x0C，反码就是 0xF最后跟着一个 560us 载波停止。键码二进制是按键 0x0C，反码就是 0xF最后跟着一个 560us 载波停止位。对于我们的遥控器来说，不同的按钮是键码和键码反码的区别，用户码是一样的。这样，我们就可以通过单片机程序分析当前按键的键码。
当我们的学习中断时，我们学会了 51 单片机外部中断 0 和外部中断 1 这两个外部中断。我们的红外接收引脚收到了 P3.3 在引脚上，引脚的第二个功能是外部中断 1。在寄存器TCON 中的 bit3 和 bit2 这两个人与外部中断 1 相关两个。其中 IE1 这是外部中断标志位，当外部中断发生时，该标志位会自动移动 1.与定时器中断标志位置 TF 类似地，中断后会自动清零，软件也可以清零。bit2 如果设置外部中断类型，则设置外部中断类型 bit2 为 0，那么只要 P3.3 为低电平就可以触发中断，如果 it2 为 1，那么 P3.3 从高电平到低电平的下降沿发生才可以触发中断。此外，外部中断 1 使能位是 EX1。那下面我们就把程序写出来，使用数码管把遥控器的用户码和键码显示出来。
Infrared.c 文件主要是用来检测红外通信的，当发生外部中断后，进入外部中断，通过定时器 1 定时，首先对引导码判断，而后对数据码的每个位逐位获取高低电平的时间，从而得知每一位是 0 还是 1，最终把数据码解出来。虽然最终实现的功能很简单，但因为编码本身的复杂性，使得红外接收的中断程序在逻辑上显得就比较复杂，那么我们首先提供出中断函数的程序流程图，大家可以对照流程图来理解程序代码。
- infrared.c
/* 本例程使用晶振为24MHz */
#include "infrared.h"
#include <reg52.h>
bit irflag = 0; //红外接收标志，收到一帧正确数据后置 1
unsigned char ircode[4]; //红外代码接收缓冲区
/* 初始化红外接收功能 */
void InitInfrared()
{
IR_INPUT = 1; //确保红外接收引脚被释放
TMOD &= 0xf0; //清零 T0 的控制位
TMOD |= 0x01; //配置 T0 为模式 1
TR0 = 0; //停止 T0 计数
ET0 = 0; //禁止 T0 中断
IT0 = 1; //设置 INT0 为负边沿触发
EX0 = 1; //使能 INT0 中断
}
/* 获取当前高电平的持续时间 */
unsigned int GetHighTime()
{
TH0 = 0; //清零 T0 计数初值
TL0 = 0;
TR0 = 1; //启动 T0 计数
while (IR_INPUT) //红外输入引脚为 1 时循环检测等待，变为 0 时则结束本循环
{
if (TH0 >= 0x8c) //当 T0 计数值大于 0x8c00，即高电平持续时间超过约 18ms 时
{
break; //强制退出循环，是为了避免信号异常时，程序假死在这里。
}
}
TR0 = 0; //停止 T0 计数
return (TH0 * 256 + TL0); //T0 计数值合成为 16bit 整型数，并返回该数
}
/* 获取当前低电平的持续时间 */
unsigned int GetLowTime()
{
TH0 = 0; //清零 T0 计数初值
TL0 = 0;
TR0 = 1; //启动 T0 计数
while (!IR_INPUT) //红外输入引脚为 0 时循环检测等待，变为 1 时则结束本循环
{
if (TH0 >= 0x8c) //当 T0 计数值大于 0x8c00，即低电平持续时间超过约 18ms 时
{
break; //强制退出循环，是为了避免信号异常时，程序假死在这里。
}
}
TR0 = 0; //停止 T1 计数
return (TH0 * 256 + TL0); //T0 计数值合成为 16bit 整型数，并返回该数
}
/* INT1 中断服务函数，执行红外接收及解码 */
void EXINT1_ISR() interrupt 0
{
unsigned char i, j;
unsigned char byt;
unsigned int time;
//接收并判定引导码的 9ms 低电平
time = GetLowTime();
if ((time < (8500 * 2)) || (time > (9500 * 2))) //时间判定范围为 8.5～9.5ms，
{
//超过此范围则说明为误码，直接退出
IE0 = 0; //退出前清零 INT1 中断标志
return;
}
//接收并判定引导码的 4.5ms 高电平
time = GetHighTime();
if ((time < (4000 * 2)) || (time > (5000 * 2))) //时间判定范围为 4.0～5.0ms，
{
//超过此范围则说明为误码，直接退出
IE0 = 0;
return;
}
//接收并判定后续的 4 字节数据
for (i = 0; i < 4; i ++) //循环接收 4 个字节
{
for (j = 0; j < 8; j ++) //循环接收判定每字节的 8 个 bit
{
//接收判定每 bit 的 560us 低电平
time = GetLowTime();
if ((time < (340 * 2)) || (time > (780 * 2))) //时间判定范围为 340～780us，
{
//超过此范围则说明为误码，直接退出
IE0 = 0;
return;
}
//接收每 bit 高电平时间，判定该 bit 的值
time = GetHighTime();
if ((time > (340 * 2)) && (time < (780 * 2))) //时间判定范围为 340～780us，
{
//在此范围内说明该 bit 值为 0
byt >>= 1; //因低位在先，所以数据右移，高位为 0
}
else if ((time > (1460 * 2)) && (time < (1900 * 2))) //时间判定范围为 1460～1900us，
{
//在此范围内说明该 bit 值为 1
byt >>= 1; //因低位在先，所以数据右移，
byt |= 0x80; //高位置 1
}
else //不在上述范围内则说明为误码，直接退出
{
IE0 = 0;
return;
}
}
ircode[i] = byt; //接收完一个字节后保存到缓冲区
}
irflag = 1; //接收完毕后设置标志
IE0 = 0; //退出前清零 INT1 中断标志
}
- infrared.h
#ifndef _INFRARED_H
#define _INFRARED_H
#include <reg52.h>
sbit IR_INPUT = P3^2; //红外接收引脚
extern void InitInfrared();
extern bit irflag; //红外接收标志，收到一帧正确数据后置 1
extern unsigned char ircode[4]; //红外代码接收缓冲区
#endif
- mian.c
#include <reg52.h>
#include "infrared.h"
unsigned char ledChar[18] = {
//共阴极数码管显示字符转换表
0x3F, 0x06, 0x5B, 0x4F, 0x66, 0x6D, 0x7D, 0x07,
0x7F, 0x6F, 0x77, 0x7c, 0x39, 0x5e, 0x79, 0x71,
0x40, 0x00
};
unsigned char ledBuff[8] = {
//数码管显示缓冲区
0x06, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00
};
unsigned char T1RH = 0; //T1 重载值的高字节
unsigned char T1RL = 0; //T1 重载值的低字节
void ConfigTimer1(unsigned int ms);
void main()
{
EA = 1; //开总中断
InitInfrared(); //初始化红外功能
ConfigTimer1(1); //配置 T1 定时 1ms
PT1 = 1; //配置 T1 中断为高优先级，启用本行可消除接收时的闪烁
while (1)
{
if (irflag) //接收到红外数据时刷新显示
{
irflag = 0;
ledBuff[5] = ledChar[ircode[0] >> 4]; //用户码显示
ledBuff[4] = ledChar[ircode[0]&0x0F];
ledBuff[1] = ledChar[ircode[2] >> 4]; //键码显示
ledBuff[0] = ledChar[ircode[2]&0x0F];
}
}
}
/* 配置并启动 T1，ms-T0 定时时间 */
void ConfigTimer1(unsigned int ms)
{
unsigned long tmp; //临时变量
tmp = 24000000 / 12; //定时器计数频率
tmp = (tmp * ms) / 1000; //计算所需的计数值
tmp = 65536 - tmp; //计算定时器重载值
tmp = tmp + 13; //补偿中断响应延时造成的误差
T1RH = (unsigned char)(tmp>>8); //定时器重载值拆分为高低字节
T1RL = (unsigned char)tmp;
TMOD &= 0x0f; //清零 T1 的控制位
TMOD |= 0x10; //配置 T1 为模式 1
TH1 = T1RH; //加载 T1 重载值
TL1 = T1RL;
ET1 = 1; //使能 T1 中断
TR1 = 1; //启动 T1
}
/* 数码管动态扫描刷新函数，需在定时中断中调用 */
void LedScan()
{
static unsigned char i = 0; //动态扫描的索引
P0 = ledChar[11]; //显示消隐
P2 = ~(0x80 >> i);
P0 = ledBuff[i];
i ++;
i &= 0x07;
}
/* T0 中断服务函数，执行数码管扫描显示 */
void InterruptTimer0() interrupt 3
{
TH1 = T1RH; //重新加载重载值
TL1 = T1RL;
LedScan(); //数码管扫描显示
}
main.c 文件的主要功能就是把获取到的红外遥控器的用户码和键码信息，传送到数码管上显示出来，并且通过定时器 T0 的 1ms 中断进行数码管的动态刷新。