红外线遥控电动窗帘电路设计详解

　本文所介绍的红外窗帘遥控器的系统框图如图1所示，红外窗帘接收控制器的系统框图如图2所示。该系统主要有两个部分组成：一是遥控器部分，其功能为：单片机扫描遥控器上的6个按键（启动/停止，打开，关闭，速度减小，速度增加和自动），当某个按键按下后，单片机便通过红外发光二极管发射该按键的编码。二是接收控制器部分，其功能是用单片机通过红外一体化接收头接收遥控器发出的编码并进行解调，解调后根据编码的功能来控制步进电机的状态，从而实现窗帘的打开、关闭或停止等功能。

　　硬件电路设计主要包括：红外发射模块、红外接收模块、显示模块、光控模块、电机驱动模块、窗帘框架构造设计。

　　1、红外发射模块

　　红外发射模块主要包括单片机最小系统，按键，红外发射电路组成。本设计所要实现的功能不是很多，所以控制按键采用4X4 的矩阵键盘即可达到要求，另外发射过程中单片机输出端产生的脉冲信号为38KHz，所以采用一12M 晶体振荡器即可发出满足要求的频率。

　　红外线的发射过程如图3所示。

　　本遥控器的发射采用码分制的遥控方式，码分制红外遥控就是指令信号产生电路以不同的脉冲编码（不同的脉冲数目及组合） 代表不同的控制指令同。

　　在确定选择AT89C52 作为本设计发射电路核心芯片和矩阵键盘作为控制键后，加上一个简单的红外发射电路便可实现红外信号的发射，红外发射电路如图4 所示。

　　根据红外发射管本身的物理特性，必须要有载波信号与即将发射的信号相“与”，然后将相“与”后的信号送给发射管，才能进行红外信号的发射与传送，而在频率为38KHZ 的载波信号下，发射管的性能最好，发射距离最远，所以在硬件设计上，本设计利用单片机产生38KHZ 载波信号，与发射信号进行逻辑“与”运算后，通过极管的功率驱动到红外发光二极管上。

　　红外遥控器由51单片机、矩阵键盘、红外发射二极管、NPN 型三极管等组成。键盘用于输入控制指令，51单片机检测键盘上的按键状态，并对红外信号进行调制。发射二极管发射红外线，当单片机P3.4 口输出为“0”时，红外发射管不发光，当单片机P3.4 口输出为“1”时，红外发射管发出38KHZ 调制红外线。

　　红外信号调制过程如图5所示。

　　2、红外接收模块

　　红外一体化接收头（HS0038） 实物图如图6 所示。

　　红外线接收电路使用的是集成红外接收器，型号为HS0038，它接收红外信号的频率为38kHz，周期约26us，采用黑色环氧树脂封装，提供了一个特殊的红外滤光器，可防止自然光、荧光灯等光源的千扰，内附磁屏蔽， 功耗低，灵敏度高。在用小功率发射管发射信号情况下，其接收距离可达35m。它能与TTL、COMS电路兼容。

　　静态时输出端输出高电平，当接收到红外信号后，按红外信号的数据波形输出负脉冲数据信号。红外信号输出到单片机的P3.2 口，该口对应的第二功能是外部中断0（INT0），利用这一功能，一旦接收到红外信号，P3.2 即被拉低，单片机产生中断，处理红外信号”。

　　红外接收头完成对红外信号的接收、放大、检波、 整形，并解调出遥控编码脉冲，输出可以让单片机识别TTL 信号，再送给单片机，经单片机解码并执行去控制相关对象。三个管脚分别是GND、+5V 电源、OUT（解调信号输出端），红外接收头电路如图7 所示。

　　3、显示模块

　　LCD1602 采用标准的14脚（无背光） 和16脚（有背光） 接口，各接口信号说明如表3-1所示。液晶是一种高分子材料， 因为其特殊的物理、化学、光学特性，20 世纪中叶开始广泛应用在轻薄型显示器上。

　　液晶显示器 （LCD） 的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、 线、面并配合背部灯管构成画面。液晶显示器采用目前使用的比较广泛的字符型液晶显示器LCD1602。1602 液晶每行可显示16 个字符，一共可以显示两行。LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM） 已经存储了160 个不同的点阵字符图形，这些字符有： 阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等。每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H 中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。

　　在本设计中LCD1602 的主要功能为显示所接收到的遥控器按键编码、运行状态（RUN，STOP或AUTO）、速度等级等内容。

       （1）引脚功能说明

　　当向00~0F、40~4F 地址中的任一处写显示数据时，液晶都可以立即显示 出来，当写到10~27、50~67 地址时，必须通过移屏指令将它们移入可显示区域方可正常显示。

　　（3）LCD1602 电路接线说明

　　PO 口作为数据口，P0.0~P0.7 分别连接LCD1602 的D0~D7 数据口，来传输数据及指令，由于PO 口带负载驱动能力差，故需接上拉电阻。P2.4 接LCD1602 的4脚RS （数据/命令选择端），P2.5接LCD1602的5脚RW （读写，/选择端），P2.6接LCD1602的6脚EN （使能信号） VSS接地（电源地），VDD接5V 电源 （电源正极），VEE 为液晶显示偏压信号。显示模块电路接线图如图9所示。

　　4、光控模块

　　光敏电阻模块由光敏电阻传感器、可调电位器、宽电压LM393 比较器、 电源 指示灯、电容等元器件组成。光敏电阻对环境光线非常敏感，在黑暗的环境下，它的阻值很高，当受到光照并且光辐射能量足够大时，电阻变小。

　　光敏电阻的管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案。

　　电压比较器（LM393） 是集成运放非线性应用电路，它将一个模拟量电压信号和一个参考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生越变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。参考电压加在运放的反相输入端，输入电压加在同相输入端，当输入电压小于参考电压时， 运放输出高电平（D0=1），当输入电压大于参考电压时，运放输出低电平（D0=0）。光敏电阻模块上有一个可调电位器用来调节光敏电阻的触发灵敏度，使光线控制在一定的范围之内。光敏电阻模块的DO输出端与单片机的P2.0 口相连，通过单片机来检测DO端口高低电平，以此来判断光线的强度，当环境光线亮度达不到设定阈值时，DO 端输出低电平（光线较暗） 步进电机正转，当外界环境光线亮度超过设定阈值时， DO 端输出高电平（光线较亮） 步进电机反转，从而实现窗帘的打开和关闭。光敏电阻检测电路如图10所示。

　　5、步进电机驱动模块

　　步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，具有瞬时启动和急速停止的优越特性，通过改变脉冲的顺序就可以方便的改变转动的方向，步进电机必 须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候步进电机静止， 当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一 个固定的角度（即步进角）。转动的速度与脉冲的频率成正比。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的; 同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

　　步进电机驱动电路如图11所示。本系统采用的是额定电压为5V DC，相数为4相的步进电机，驱动方式为4 相8拍，一共有5根连接线，其中红色为电源线，采用单极性直流电源供电。由于单片机I/0 口输出的电流比较弱不能直接驱动步进电机。所以要加一个ULN2003 芯片（步进电机驱动芯片） 来放大电流使之能够驱动步进电机工作。

　　ULN2003芯片是高耐压、大电流，内部由七个硅NPN达林顿管组成的驱动芯片。经常在以下电路中使用，显示驱动、继电器驱动、照明灯驱动、伺服电机驱动、步进电机驱动等电路中。ULN2003 的每一对达林顿管都串联一个2.7K 的基极电阻，在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连。可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

　　ULN2003 的封装采用DIP-16 或S0P-16，ULN2003 可以驱动7 个继电器具有高电压输出特性，并带有共阴极的续流二极管使器件可用于开关型感性负载。每对达林顿管的额定集电极电流是500mA，达林顿管还可以并联使用以达到更高的电流输出能力。

　　当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，对应转 子也就转过一定的角度（一个步距角）， 步距角为对应一个脉冲信号， 电机转子 转过的角位移，当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。由于单片机I/0 口没有上拉电阻驱动能力有限，需要通过ULN2003来驱动步进电机”。驱动端口为P1.0（A）， P1.1（B）， P1.2（C），P1.3（D）。红色电线接电源+5V，橙色 电线接P1.3 口，黄色电线接P1.2 口，粉色电线接P1.1口，蓝色电线接P1.0 口。如果P1口输出的控制信号中，0代表使绕组通电，1代表使绕组断电。则步进电机的控制字见表3-2。

　　6、窗帘框架构造设计

　　窗帘框架构造设计包括位置传感器开关电路和窗帘架结构的设计。本设计中采用两个位置传感器接在单片机的P2.1引脚上，位置传感器电路图如图12所示。位置传感器固定在窗帘滑杆上，一个安装在窗帘杆的正中间，另一个安装 在窗帘杆的最左端或最右端。当窗帘完全打开或完全关闭时，位置传感器便产生有效信号并送给单片机，通过程序使步进电机停转，窗帘停止运动，防止在窗帘完全打开（关闭） 时步进电机继续运行损坏窗帘。窗帘框架构造如图13 所示。