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1、38kHz 红外发射与接收 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 0.62m0.76m，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 0.76m1.5m 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
2、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 5mm 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
3、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：4.85.3V工作电流：1.72.7mA接收频率：38kHz峰值波长：98
4、0nm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
5、，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 455kHz12=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
6、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
7、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
8、用大家熟悉的 555 产生 38kHz 方波信号，再利用 555 的复位端脚作调制端，即当脚为高电平时，555 是常规的方波振荡器；当脚为低电平时，555 的脚处于低电平。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 74H
9、C00 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。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、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，
10、、脚接的电容 C3、C4 到地，形成滤波网络，其中脚的电容 C2，决定锁相环路的捕捉带宽，电容值越大，环路带宽越窄。脚接的电容 C3 为脚的 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，脚由高电平变为低电平，该低电平使三极管 8550 导通
11、，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
12、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。 光谱位于红色光之外， 波长为 0.761.5m，比红色光的波长还长，这样的光被称为红外线。红外遥控是利用红外线进行传递信息的一种控制系统，红外遥控具有抗干扰，电路简单，编码及解码容易，功耗小，成本低的优点
13、，目前几乎所有的视频和音频设备都支持这种控制方式。 一、红外遥控系统结构红外遥控系统主要分为调制、发射和接收三部分，如图 1 所示：图 1 红外遥控系统1.调制红外遥控发射数据时采用调制的方式，即把数据和一定频率的载波进行“与”操作，这样可以提高发射效率和降低电源功耗。调制载波频率一般在 30khz 到 60khz 之间，大多数使用的是 38kHz，占空比 1/3 的方波，如图 2 所示，这是由发射端所使用的455kHz 晶振决定的。在发射端要对晶振进行整数分频，分频系数一般取 12，所以455kHz1237.9 kHz38kHz。图 2 载波波形 1.发射系统目前有很多种芯片可以实现红外发射
14、，可以根据选择发出不同种类的编码。由于发射系统一般用电池供电，这就要求芯片的功耗要很低，芯片大多都设计成可以处于休眠状态，当有按键按下时才工作，这样可以降低功耗芯片所用的晶振应该有足够的耐物理撞击能力，不能选用普通的石英晶体，一般是选用陶瓷共鸣器，陶瓷共鸣器准确性没有石英晶体高，但通常一点误差可以忽略不计。红外线通过红外发光二极管(LED)发射出去，红外发光二极管内部材料和普通发光二极管不同，在其两端施加一定电压时，它发出的是红外线而不是可见光。图 3a 简单驱动电路 图 3b 射击输出驱动电路如图 3a 和图 3b 是 LED 的驱动电路，图 3a 是最简单电路， 选用元件时要注意三极管的开
15、关速度要快，还要考虑到 LED 的正向电流和反向漏电流，一般流过 LED 的最大正向电流为 100mA，电流越大，其发射的波形强度越大。图 3a 电路有一点缺陷，当电池电压下降时，流过 LED 的电流会降低，发射波形强度降低，遥控距离就会变小。图 3b 所示的射极输出电路可以解决这个问题，两个二极管把三级管基极电压钳位在 1.2V 左右，因此三级管发射极电压固定在 0.6V 左右，发射极电流 IE 基本不变，根据 IEIC,所以流过 LED 的电流也基本不变，这样保证了当电池电压降低时还可以保证一定的遥控距离。1一体化红外接收头红外信号收发系统的典型电路如图所示，红外接收电路通常被厂家集成在一
16、个元件中，成为一体化红外接收头。内部电路包括红外监测二极管，放大器，限副器，带通滤波器，积分电路，比较器等。红外监测二极管监测到红外信号，然后把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平，而不论红外发射器和接收器的距离远近。交流信号进入带通滤波器，带通滤波器可以通过 30khz 到 60khz 的负载波，通过解调电路和积分电路进入比较器，比较器输出高低电平，还原出发射端的信号波形。注意输出的高低电平和发射端是反相的，这样的目的是为了提高接收的灵敏度。一体化红外接收头，如图 5 所示：图 5 红外接收头 红外接收头的种类很多，引脚定义也不相同，一般都有三个引脚，包括供电脚，接地和信号输出脚。根据发射端调制载波的不同应选用相应解调频率的接收头。红外接收头内部放大器的增益很大，很容易引起干扰，因此在接收头的供电脚上须加上滤波电容，一般在 22uf 以上。有的厂家建议
