原创 引用 红外线接受发射原理及应用

kevinwongwell 的 红外线接受发射原理及应用

 

红外线遥控器在家用电器和工业控制系统中已得到广泛应用，了解他们的工作原理和性能、进一步自制红外遥控系统，也并非难事。

    1.红外线的特点

    人的眼睛能看到的可见光，若按波长排列，依次（从长到短）为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，如图1所示。

          

     由图可见，红光的波长范围为0.62μm～0.76μm，比红光波长还长的光叫红外线。红外线遥控器就是利用波长0.76μm～1.5μm之间的近红外线来传送控制信号的。

     红外线的特点是不干扰其他电器设备工作，也不会影响周边环境。电路调试简单，若对发射信号进行编码，可实现多路红外遥控功能。

2.红外线发射和接收

      人们见到的红外遥控系统分为发射和接收两部分。发射部分的发射元件为红外发光二极管，它发出的是红外线而不是可见光，如图2所示。

   

      常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φ5mm发光二极管相同，只是颜色不同。一般有透明、黑色和深蓝色等三种。判断红外发光二极管的好坏与判断普通二极管一样的方法。单只红外发光二极管的发射功率约100mW。红外发光二极管的发光效率需用专用仪器测定，而业余条件下，只能凭经验用拉距法进行粗略判定。

      接收电路的红外接收管是一种光敏二极管，使用时要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作而获得高的灵敏度。红外接收二极管一般有圆形和方形两种。由于红外发光二极管的发射功率较小，红外接收二极管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。然而现在不论是业余制作或正式的产品，大都采用成品的一体化接收头，如图3所示。红外线一体化接收头是集红外接收、放大、滤波和比较器输出等的模块，性能稳定、可靠。所以，有了一体化接收头，人们不再制作接收放大电路，这样红外接收电路不仅简单而且可靠性大大提高。 

     图3是常用两种红外接收头的外形，均有三只引脚，即电源正VDD、电源负(GND)和数据输出(Out)。接收头的引脚排列因型号不同而不尽相同，图3列出了因接收头的外形不同而引脚的区别。

      红外接收头的主要参数如下：

      工作电压：4.8～5.3V

      工作电流：1.7～2.7mA

      接收频率：38kHz

      峰值波长：980nm

      静态输出：高电平

      输出低电平：≤0.4V

      输出高电平：接近工作电压

3．红外线遥控发射电路

      红外线遥控发射电路框图如图4所示。

                 

      框图4是目前所有红外遥控器发射电路的功能组成，其中的编码器即调制信号，按遥控器用途的编码方式可以很简单、也可以很复杂。例如用于电视机、VCD、DVD和组合音响的遥控发射的编码器，因其控制功能多达50种以上，此时的编码器均采用专用的红外线编码协议进行严格的编程，然而对控制功能少的红外遥控器，其编码器是简单而灵活。前者编码器是由生产厂家的专业人员按红外遥控协议进行编码，而后者适用于一般电子技术人员和电子爱好者的编码。图4中的38kHz振荡器即载波信号比较简单，但专业用的和业余用的也有区别，专业用的振荡器采用了晶振，而后者一般是RC振荡器。例如彩电红外遥控器上的发射端用了455kHz的晶振，是经过整数分频的，分频系数为12，即455kHz÷12=37.9kHz。当然也有一些工业用的遥控系统，采用36kHz、40kHz或56kHz等的载波信号。

      因红外遥控器的控制距离约10米远，要达到这个指标，其发射的载波频率(38kHz)要求十分稳定，而非专业用的RC(38kHz)载波频率稳定性差，往往偏离38kHz甚至很远，这就大大缩短了遥控器的控制距离。因晶振频率十分稳定，所以专业厂家的遥控器全部采用晶振的38kHz作遥控器的载波发送信号。

      图4中编码器的编码信号对38kHz的载波信号进行调制，再经红外发射管D向空间发送信号供遥控接收端一体化接收头接收、解调输出、再作处理。

      利用红外线的特点，可以制作多路遥控器。在遥控发射电路中，有两种电路，即编码器和38kHz载波信号发生器。在不需要多路控制的应用电路中，可以使用常规集成电路组成路数不多的红外遥控发射和接收电路，该电路无需使用较复杂的专用编译码器，因此制作容易。

4.频分制编码的遥控发射器

      在红外发射端利用专用(彩电、VCD、DVD等)的红外编码通讯协议作编码器，对一般电子技术人员或业余爱好者来说，是难于实现的，但对路数不多的遥控发射电路，可以采用频分制的方法制作编码器，而对一路的遥控电路，还可以不用编码器，直接发射38kHz红外信号，即可达到控制的目的。

       

       图5是一种一路的红外遥控发射电路，在该电路中，使用了一片ICl高速CMOS型4-2输入的“与非”门74HC00集成电路，组成低频振荡器作编码信号(f1)，用IC2 555电路作载波振荡器，振荡频率为f0(38kHz)。f1对f0进行调制，所以IC2的③脚的波形是断续的载波，该载波经红外发光二极管发送到空间。电路中的关键点A、B、B’波形如图2所示，其中B’是未调制的波形。

     

       在图5中，选用了555电路作载波振荡器，其目的是说明电路的调制工作原理，即利用大家熟悉的555产生38kHz方波信号，再利用555的复位端④脚作调制端，即当④脚为高电平时，555是常规的方波振荡器；当④脚为低电平时，555的③脚处于低电平。④脚的调制信号是由ICl的与非门的低频振荡器而获得。

      在实际应用中，遥控发射器是3V电池供电，为此只需把555电路ICl剩余的两个与非门组成的38kHz取而代之，如图7所示。

     注意：这里未引用CMOS 4-2输入的“与非”门CD4011作图5电路中的编码器和载波发生器，是因为CD4011作振荡产生方波信号时，属于模拟信号的应用。为了保证电路可靠起振，其工作电压需4.5V以上，而74HC00的CMOS集成电路的最低工作电压为2V，所以使用3V电源，完全可以可靠的工作。

5．遥控接收解调电路

      图8为红外接收解调控制电路，图8中IC2是LM567。LM567是一种锁相环集成电路，采用8脚双列直插塑封装，工作电压为+4.75～+9V，工作频率从直流到500kHz，静态电流约8mA。⑧脚为输出端，静态时为高电平，是由内部的集电极开路的三极管构成，允许最大灌电流为100mA。鉴于LM567的内部电路较复杂，这里仅介绍该电路的基本功能。

    

   LM567的⑤、⑥脚外接的电阻(R3+RP)和电容C4，决定了内部压控振荡器的中心频率f01，f01=1/1.1RC，①、②脚接的电容C3、C4到地，形成滤波网络，其中②脚的电容C2，决定锁相环路的捕捉带宽，电容值越大，环路带宽越窄。①脚接的电容C3为②脚的2倍以上为好。

      弄清了LM567的基本组成后，再来分析图8电路的工作过程。

 

        

 

ICl是红外接收头，它接收图1发出的红外线信号，接收的调制载波频率仍为38kHz，接收信号经ICl解调后，在其输出端OUT输出频率为f1(见图2)的方波信号，只要将LM567的中心频率f01调到(用RP)与发射端f1(见图2)相同，即f01=fl，则当发射端发射时，LM567开始工作，⑧脚由高电平变为低电平，该低电平使三极管8550导通，在A点输出开关信号驱动D触发锁存器，再由它驱动各种开关电路工作。这样，只要按一下图1电路的微动开关K，即发射红外线，接收电路图4即可输出开关信号开通控制电路，再按一下开关K，控制开关信号关闭，这就完成了完整的控制功能。

6. 小结   

  

      利用图5和图8的电路，可以实现多路遥控器，即在发射端，将ICl组成的低频振荡器，其电路模式不变，只改变电阻R2，即可构成若干种R组成的多个频率不同的低频振荡器(即编码)，利用微动开关转接，38kHz的载波电路共用；在接收电路中，一体化红外接收头共用，再设置与接收端编码器相同个数的LM567锁相器和后级锁相驱动控制电路，各锁相环的振荡频率与各编码器的低频编码信号的频率对应相等。这样发射端(图5)按压不同的按钮，载波信号接入不同频率编码的调制信号时，在接收端(图8)，各对应的LM567的⑧脚的电平会发生变化，从而形成多路控制信号。上述所述的工作方式，称为频分制的编码方式。这种频分制工作方式，其优点是可实现多路控制，但缺点是电路复杂，对于路数不多的控制电路，因电路工作原理简单，对一般电子技术人员仍然是有用的。