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紅外接收管（頭）工作原理

紅外接收管（頭）工作原理
紅外接收管一般是接收、放大、解調(diào)一體頭，一般紅外信號(hào)經(jīng)接收頭解調(diào)后，數(shù)據(jù) “0”和“1”的區(qū)別通常體現(xiàn)在高低電平的時(shí)間長(zhǎng)短或信號(hào)周期上，單片機(jī)解碼時(shí)，通常將接收頭輸出腳連接到單片機(jī)的外部中斷，結(jié)合定時(shí)器判斷外部中斷間隔的時(shí)間從而獲取數(shù)據(jù)。重點(diǎn)是找到數(shù)據(jù)“0”與“1”間的波形差別。
3條腿的紅外接收頭一般是接收、放大、解調(diào)一體頭，接收頭輸出的是解調(diào)后的數(shù)據(jù)信號(hào)（具體的信號(hào)格式，搜“紅外信號(hào) 格式”，一大把），單片機(jī)里面需要相應(yīng)的讀取程序。
紅外通信是利用紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)間的近距離保密通信和信息轉(zhuǎn)發(fā)。它一般由紅外發(fā)射和接收系統(tǒng)兩部分組成。發(fā)射系統(tǒng)對(duì)一個(gè)紅外輻射源進(jìn)行調(diào)制后發(fā)射紅外信號(hào)，而接收系統(tǒng)用光學(xué)裝置和紅外探測(cè)器進(jìn)行接收，就構(gòu)成紅外通信系統(tǒng)。
成品紅外接收頭的封裝大致有兩種：
一種采用鐵皮屏蔽；一種是塑料封裝。
均有三只引腳，即電源正（VDD）、電源負(fù)（GND）和數(shù)據(jù)輸出（VOUT）。紅外接收頭的引腳排列因型號(hào)不同而不盡相同，可參考廠(chǎng)家的使用說(shuō)明。成品紅外接收頭的優(yōu)點(diǎn)是不需要復(fù)雜的調(diào)試和外殼屏蔽，使用非常方便。但在使用時(shí)注意成品紅外接收頭的載波頻率,另外在遙控編碼芯片輸出的波形，在接收端收到接收到信號(hào)時(shí)，接收頭輸出的波形正好和遙控芯片輸出的相反。紅外遙控常用的載波頻率為38kHz，這是由發(fā)射端所使用的455kHz晶振來(lái)決定的。在發(fā)射端要對(duì)晶振進(jìn)行整數(shù)分頻，分頻系數(shù)一般取12，所以455kHz÷12≈37.9 kHz≈38kHz。也有一些遙控系統(tǒng)采用36kHz、40kHz、56kHz等，一般由發(fā)射端晶振的振蕩頻率來(lái)決定。
一、紅外接收管：運(yùn)作電壓 3V?5V 接收距離: 10m??20m型號(hào)
紅外遙控系統(tǒng)
通用紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分組成。應(yīng)用編/解碼專(zhuān)用集成電路芯片來(lái)進(jìn)行控制操作，如圖1所示。發(fā)射部分包括鍵盤(pán)矩陣、編碼調(diào)制、LED紅外發(fā)送器；接收部分包括光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路。
38kHz 紅外發(fā)射與接收
紅外線(xiàn)遙控器在家用電器和工業(yè)控制系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用，了解他們的運(yùn)作原理和性能、進(jìn)一步自制紅外遙控系統(tǒng)，也并非難事。
1.紅外線(xiàn)的特點(diǎn)
人的眼睛能看到的可見(jiàn)光，若按波長(zhǎng)排列，依次（從長(zhǎng)到短）為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，如圖1所示。
由圖可見(jiàn)，紅光的波長(zhǎng)范圍為0.62μm～0.76μm，比紅光波長(zhǎng)還長(zhǎng)的光叫紅外線(xiàn)。紅外線(xiàn)遙控器就是利用波長(zhǎng)0.76μm～1.5μm之間的近紅外線(xiàn)來(lái)傳送控制信號(hào)的。
紅外線(xiàn)的特點(diǎn)是不干擾其他電器設(shè)備運(yùn)作，也不會(huì)影響周邊環(huán)境。電路調(diào)試簡(jiǎn)單，若對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行編碼，可實(shí)現(xiàn)多路紅外遙控功能。
2. 紅外發(fā)射管
人們見(jiàn)到的紅外遙控系統(tǒng)分為發(fā)射和接收兩部分。發(fā)射部分的發(fā)射元件為紅外發(fā)光二極管，它發(fā)出的是紅外線(xiàn)而不是可見(jiàn)光，如圖2所示。
常用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線(xiàn)波長(zhǎng)為940nm左右，外形與普通φ5mm發(fā)光二極管相同，只是顏色不同。一般有透明、黑色和深藍(lán)色等三種。判斷紅外發(fā)光二極管的好壞與判斷普通二極管一樣的方法。單只紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率約100mW。紅外發(fā)光二極管的發(fā)光效率需用專(zhuān)用儀器測(cè)定，而業(yè)余條件下，只能憑經(jīng)驗(yàn)用拉距法進(jìn)行粗略判定。
接收電路的紅外接收管是一種光敏二極管，使用時(shí)要給紅外接收二極管加反向偏壓，它才能正常運(yùn)作而獲得高的靈敏度。紅外接收二極管一般有圓形和方形兩種。由于紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率較小，紅外接收二極管收到的信號(hào)較弱，所以接收端就要增加高增益放大電路。然而現(xiàn)在不論是業(yè)余制作或正式的產(chǎn)品，大都采用成品的一體化接收頭，如圖3所示。紅外線(xiàn)一體化接收頭是集紅外接收、放大、濾波和比較器輸出等的模塊，性能穩(wěn)定、可靠。所以，有了一體化接收頭，人們不再制作接收放大電路，這樣紅外接收電路不僅簡(jiǎn)單而且可靠性大大提高。
圖3是常用兩種紅外接收頭的外形，均有三只引腳，即電源正VDD、電源負(fù)(GND)和數(shù)據(jù)輸出(Out)。接收頭的引腳排列因型號(hào)不同而不盡相同，圖3列出了因接收頭的外形不同而引腳的區(qū)別。
紅外接收管的主要參數(shù)如下：
運(yùn)作電壓：4.8～5.3V
運(yùn)作電流：1.7～2.7mA
接收頻率：38kHz
峰值波長(zhǎng)：980nm
靜態(tài)輸出：高電平
輸出低電平：≤0.4V
輸出高電平：接近運(yùn)作電壓
3．紅外線(xiàn)遙控發(fā)射電路
紅外線(xiàn)遙控發(fā)射電路框圖如圖4所示。
框圖4是目前所有紅外遙控器發(fā)射電路的功能組成，其中的編碼器即調(diào)制信號(hào)，按遙控器用途的編碼方式可以很簡(jiǎn)單、也可以很復(fù)雜。例如用于電視機(jī)、VCD、DVD和組合音響的遙控發(fā)射的編碼器，因其控制功能多達(dá)50種以上，此時(shí)的編碼器均采用專(zhuān)用的紅外線(xiàn)編碼協(xié)議進(jìn)行嚴(yán)格的編程，然而對(duì)控制功能少的紅外遙控器，其編碼器是簡(jiǎn)單而靈活。前者編碼器是由生產(chǎn)廠(chǎng)家的專(zhuān)業(yè)人員按紅外遙控協(xié)議進(jìn)行編碼，而后者適用于一般電子技術(shù)人員和電子愛(ài)好者的編碼。圖4中的38kHz振蕩器即載波信號(hào)比較簡(jiǎn)單，但專(zhuān)業(yè)用的和業(yè)余用的也有區(qū)別，專(zhuān)業(yè)用的振蕩器采用了晶振，而后者一般是RC振蕩器。例如彩電紅外遙控器上的發(fā)射端用了455kHz的晶振，是經(jīng)過(guò)整數(shù)分頻的，分頻系數(shù)為12，即455kHz÷12=37.9kHz。當(dāng)然也有一些工業(yè)用的遙控系統(tǒng)，采用36kHz、40kHz或56kHz等的載波信號(hào)。
因紅外遙控器的控制距離約10米遠(yuǎn)，要達(dá)到這個(gè)指標(biāo)，其發(fā)射的載波頻率(38kHz)要求十分穩(wěn)定，而非專(zhuān)業(yè)用的RC(38kHz)載波頻率穩(wěn)定性差，往往偏離38kHz甚至很遠(yuǎn)，這就大大縮短了遙控器的控制距離。因晶振頻率十分穩(wěn)定，所以專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家的遙控器全部采用晶振的38kHz作遙控器的載波發(fā)送信號(hào)。
圖4中編碼器的編碼信號(hào)對(duì)38kHz的載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，再經(jīng)紅外發(fā)射管D向空間發(fā)送信號(hào)供遙控接收端一體化接收頭接收、解調(diào)輸出、再作處理。
利用紅外線(xiàn)的特點(diǎn)，可以制作多路遙控器。在遙控發(fā)射電路中，有兩種電路，即編碼器和38kHz載波信號(hào)發(fā)生器。在不需要多路控制的應(yīng)用電路中，可以使用常規(guī)集成電路組成路數(shù)不多的紅外遙控發(fā)射和接收電路，該電路無(wú)需使用較復(fù)雜的專(zhuān)用編譯碼器，因此制作容易。
4.頻分制編碼的遙控發(fā)射器
在紅外發(fā)射端利用專(zhuān)用(彩電、VCD、DVD等)的紅外編碼通訊協(xié)議作編碼器，對(duì)一般電子技術(shù)人員或業(yè)余愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，是難于實(shí)現(xiàn)的，但對(duì)路數(shù)不多的遙控發(fā)射電路，可以采用頻分制的方法制作編碼器，而對(duì)一路的遙控電路，還可以不用編碼器，直接發(fā)射38kHz紅外信號(hào)，即可達(dá)到控制的目的。
圖5是一種一路的紅外遙控發(fā)射電路，在該電路中，使用了一片ICl高速CMOS型4-2輸入的“與非”門(mén)74HC00集成電路，組成低頻振蕩器作編碼信號(hào)(f1)，用IC2 555電路作載波振蕩器，振蕩頻率為f0(38kHz)。f1對(duì)f0進(jìn)行調(diào)制，所以IC2的③腳的波形是斷續(xù)的載波，該載波經(jīng)紅外發(fā)光二極管發(fā)送到空間。電路中的關(guān)鍵點(diǎn)A、B、B’波形如圖2所示，其中B’是未調(diào)制的波形。
在圖5中，選用了555電路作載波振蕩器，其目的是說(shuō)明電路的調(diào)制運(yùn)作原理，即利用大家熟悉的555產(chǎn)生38kHz方波信號(hào)，再利用555的復(fù)位端④腳作調(diào)制端，即當(dāng)④腳為高電平時(shí)，555是常規(guī)的方波振蕩器；當(dāng)④腳為低電平時(shí)，555的③腳處于低電平。④腳的調(diào)制信號(hào)是由ICl的與非門(mén)的低頻振蕩器而獲得。
在實(shí)際應(yīng)用中，遙控發(fā)射器是3V電池供電，為此只需把555電路ICl剩余的兩個(gè)與非門(mén)組成的38kHz取而代之，如圖7所示。
注意：這里未引用CMOS 4-2輸入的“與非”門(mén)CD4011作圖5電路中的編碼器和載波發(fā)生器，是因?yàn)镃D4011作振蕩產(chǎn)生方波信號(hào)時(shí)，屬于模擬信號(hào)的應(yīng)用。為了保證電路可靠起振，其運(yùn)作電壓需4.5V以上，而74HC00的CMOS集成電路的*低運(yùn)作電壓為2V，所以使用3V電源，完全可以可靠的運(yùn)作。
6. 小結(jié)
利用圖5和圖8的電路，可以實(shí)現(xiàn)多路遙控器，即在發(fā)射端，將ICl組成的低頻振蕩器，其電路模式不變，只改變電阻R2，即可構(gòu)成若干種R組成的多個(gè)頻率不同的低頻振蕩器(即編碼)，利用微動(dòng)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)接，38kHz的載波電路共用；在接收電路中，一體化紅外接收頭共用，再設(shè)置與接收端編碼器相同個(gè)數(shù)的LM567鎖相器和后級(jí)鎖相驅(qū)動(dòng)控制電路，各鎖相環(huán)的振蕩頻率與各編碼器的低頻編碼信號(hào)的頻率對(duì)應(yīng)相等。這樣發(fā)射端(圖5)按壓不同的按鈕，載波信號(hào)接入不同頻率編碼的調(diào)制信號(hào)時(shí)，在接收端(圖8)，各對(duì)應(yīng)的LM567的⑧腳的電平會(huì)發(fā)生變化，從而形成多路控制信號(hào)。上述所述的運(yùn)作方式，稱(chēng)為頻分制的編碼方式。這種頻分制運(yùn)作方式，其優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)多路控制，但缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，對(duì)于路數(shù)不多的控制電路，因電路運(yùn)作原理簡(jiǎn)單，對(duì)一般電子技術(shù)人員仍然是有用的
5．遙控接收解調(diào)電路
圖8為紅外接收解調(diào)控制電路，圖8中IC2是LM567。LM567是一種鎖相環(huán)集成電路，采用8腳雙列直插塑封裝，運(yùn)作電壓為+4.75～+9V，運(yùn)作頻率從直流到500kHz，靜態(tài)電流約8mA。⑧腳為輸出端，靜態(tài)時(shí)為高電平，是由內(nèi)部的集電極開(kāi)路的三極管構(gòu)成，允許*大灌電流為100mA。鑒于LM567的內(nèi)部電路較復(fù)雜，這里僅介紹該電路的基本功能。
LM567的⑤、⑥腳外接的電阻(R3+RP)和電容C4，決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率f01，f01=1/1.1RC，①、②腳接的電容C3、C4到地，形成濾波網(wǎng)絡(luò)，其中②腳的電容C2，決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬，電容值越大，環(huán)路帶寬越窄。①腳接的電容C3為②腳的2倍以上為好。
弄清了LM567的基本組成后，再來(lái)分析圖8電路的運(yùn)作過(guò)程。
ICl是紅外接收頭，它接收?qǐng)D1發(fā)出的紅外線(xiàn)信號(hào)，接收的調(diào)制載波頻率仍為38kHz，接收信號(hào)經(jīng)ICl解調(diào)后，在其輸出端OUT輸出頻率為f1(見(jiàn)圖2)的方波信號(hào)，只要將LM567的中心頻率f01調(diào)到(用RP)與發(fā)射端f1(見(jiàn)圖2)相同，即f01=fl，則當(dāng)發(fā)射端發(fā)射時(shí)，LM567開(kāi)始運(yùn)作，⑧腳由高電平變?yōu)榈碗娖剑摰碗娖绞谷龢O管8550導(dǎo)通，在A(yíng)點(diǎn)輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)D觸發(fā)鎖存器，再由它驅(qū)動(dòng)各種開(kāi)關(guān)電路運(yùn)作。這樣，只要按一下圖1電路的微動(dòng)開(kāi)關(guān)K，即發(fā)射紅外線(xiàn)，接收電路圖4即可輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)開(kāi)通控制電路，再按一下開(kāi)關(guān)K，控制開(kāi)關(guān)信號(hào)關(guān)閉，這就完成了完整的控制功能。

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