一种基于MSP430单片机的红外遥控器的设计方案

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    Design of Infrared Controller Based on MCU MSP430
摘要：本文首先介绍了红外通信的基本原理；然后简要介绍了TI公司的MSP430单片机的功能特点；最后介绍了一种基于MSP430单片机的红外遥控器的设计方案，并给出了硬件电路和程序流程图。
关键词：红外通信；MSP430单片机；红外遥控器

1 引言
在工业控制的许多环境下，不适合操作人员直接控制，例如：高温、高压、辐射、粉尘、强酸性、腐蚀性、有毒气体等。这时，红外遥控是可行的控制方式。通过这种方式，操作人员能及时采集现场数据，修改控制对象的参数，并发送控制命令，以达到理想的控制效果。红外遥控通过红外通信的方式进行控制，具有低功耗、低成本、高可靠性、体积小、结构简单、避免人身伤害等优点，是一种先进的控制方式，具有广阔的应用前景。
2 红外通信原理[1][2]
红外通信，即以红外线作为通信载体，通过红外光在空中的传播来传输数据的通信方式，它由发射端和接收端来完成。在发射端，发送的数字信号经过适当的调制编码后，送入电光变换电路，经红外发射管转变为红外光脉冲发射到空中；在接收端，红外接收器对接收到的红外光脉冲进行光电变换，解调译码后恢复出原信号。
红外发射端发送数据时，是将待发送的二进制数据调制成一系列的脉冲信号后发射出去。红外载波为频率38KHz的方波，采用脉宽调制PWM方式发送，通过待发送二进制数据的“0”或“1”控制两个脉冲之间的时间间隔，及PWM的占空比。红外载波既可以通过外围硬件电路实现，也可以使用单片机内部的定时器的PWM功能实现。
红外接收端在收到38KHz的载波信号时，会输出低电平，否则输出高电平，从而可以将“时断时续”的红外光信号解调成一定周期的连续方波信号，经单片机处理，便可以恢复出原数据信号。
3 MSP430单片机简介[3]
MSP430单片机是TI公司推出的一个新型单片机系列，其主要特点是：超低功耗、16位指令、内置A/D转换器、串行通信接口、硬件乘法器、LCD（液晶）驱动器及高抗干扰能力等。因此，MSP430单片机特别适合应用在智能仪表、防盗系统、智能家电、电池供电便携式设备等产品之中。笔者在开发这款遥控器时，选用的单片机型号是MSP430F413，其性能特点如下：低工作电压（1.8"3.6V）；超低功耗（工作模式4下耗电仅为0.1μA）；16位精简指令结构（RISC）；150ns指令周期；带有3个捕获/比较器的16位定时器；片内集成96段LCD驱动器；片内有JTAG调试接口和FLASH型存储器，可在线串行编程；开发环境十分方便高效，支持C语言和汇编语言。
4 基于MSP430单片机的红外遥控器设计[4][5]
4.1 总体硬件框图
笔者设计的这款红外遥控器，不仅能设置控制对象的给定值或控制参数，并通过红外线发送给对象，而且能接收并显示对象通过红外线反馈回的实际值，这是它不同于普通红外遥控器的地方。因此，实际应用中，红外遥控器和控制对象上都装有红外发送电路和红外接收电路。红外遥控器的硬件部分主要包括五个模块：电源模块、键盘模块、液晶模块、红外发送模块和红外接收模块。总体硬件框图如图1所示。由于MSP430、红外发送模块和红外接收模块都可采用3V电源，所以电源模块采用两节1.5V电池供电即可。键盘模块采用4×4行列扫描式键盘。液晶模块由MSP430F413直接驱动。        



           图1  总体硬件框图
4.2 红外发送模块




图2  红外发射电路                         图3  红外发射波形
因为发光二极管的发光距离与其发射功率成正比，为了提高发光二极管的发光距离，必须提高它的发射功率，也就是使红外发光二极管工作于脉冲状态。可以用两种方法来实现：一是用硬件方法，即设计脉冲电路来产生占空比尽量小的脉冲载波信号；另一种就是用软件来控制MSP430F413的输出端P2.1，让其输出即为占空比较小的脉冲信号。
这里利用软件来实现这个功能。即在需要输出高电平的时候，让程序定时把P2.1口输出状态反向，其中定时时间是由指令数和指令周期来决定的，每条指令的指令执行周期是固定的，所以如果想让反向频率高一些，则让指令执行的少一些，反之就让指令多一些。可见输出信号占空比可以由定时时间的长短来决定，这样就可以在高电平时输出占空比尽量小的脉冲信号。因为接收头对38KHz的光信号转换能力比较强，所以把高电平的频率设置为38KHz。在需要输出低电平的时候，控制P2.1口一直为低就可以了。
红外发光二极管发射波形如图3所示。先发一段前导码，以检验这组码是否为想要的码。前导码由一个9ms的高电平和一个4ms的低电平组成。然后再发32位数据代码，其中高电平为0.5ms，低电平为0.5ms的一个周期为代码“0”；高电平为0.5ms，低电平为1.5ms的一个周期为代码“1”。为了提高发射功率，实际工作时，发光二极管的高电平用38kHz的载波信号载波，低电平则一直为低。
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红外发送程序流程图如图4所示。即先发出前导码，然后再按发出的是‘0’或‘1’来发出不同的数据码，每发送完一位，就让码长计数器num加1，直到num加到32时，发送停止。











图4   红外发送程序流程图   




图5   红外接收电路
  

4.3 红外接收模块
红外接收电路选用Vishay公司生产的专用红外接收模块TSOP1838SS3V（以下简称1838）。该接收模块是一个三端元件，使用+3V电源，具有功耗低、抗干扰能力强、输入灵敏度高、对其它波长（950nm以外）的红外光不敏感的特点。1838的工作原理为：首先，通过红外光敏元件将接收到的载波频率为38kHz的脉冲调制红外光信号转化为电信号，再由前置放大器和自动增益控制电路进行放大处理；然后，通过带通滤波器进行滤波，滤波后的信号由解调电路进行解调；最后，由输出级电路进行反向放大输出。
如图5所示，1838的Vcc接+3V，GND接地，信号从OUT引脚引出，进入MSP430F413的P2.0口。当1838接收到红外信号，就会把红外信号转换的电平从OUT脚输出，P2.0口就会产生一个中断，进入红外中断服务程序，进而判断是什么信号，并且对信号做出反应。
1838输出的接收波形与发射波形恰好反相，即前导码是9ms的低电平与4ms的高电平，“0”是0.5ms的低电平与0.5ms的高电平，“1”是0.5ms的低电平与1.5ms的高电平。因此，在接收程序中，通过比较高电平的脉宽来判断到底是前导码，还是“0”或“1”。
图6是红外接收中断程序流程图。在主程序中，先设置P2.0口为上升沿和下降沿都捕获，然后中断允许，进入主循环。一旦P2.0口有电平的跳变即进入中断程序。在中断程序中，首先判断是否上升沿。若是，则上升沿标志置1，并记录上升沿时刻；否则，说明是下降沿，再判断上升沿标志是否置1。若是，说明已有上升沿，记录下降沿时刻，并计算脉宽（脉宽=下降沿时刻—上升沿时刻）；否则，说明这是干扰信号，直接返回。下一步，判断脉宽的大小。若是起始码，则起始码标志置1，记数值n清0。否则，判断起始码标志是否置1，若是，判断是“0”还是“1”，并保存，n加1，判断n是否大于或等于32，是则将起始码标志和记数值n清0，保存32位数据，返回；否则直接返回。




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图6   红外接收中断程序流程图[/td][/tr]