电子电路课程设计
实验报告
红外遥控开关
小组成员： 自动化0801 郝嘉然 08212005 自动化0801 侯晓鹏 08212006 自动化0801 胡 泊 08212007
自动化0801 宋晓美 08212012
指导教师： 李维敏
2011年1月
红外遥控开关
基础知识
红外线
红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射, 他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。也可以当作传输之媒界。 太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～1000μm 。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为(0.75-1)～(2.5-3)μm 之间；中红外线，波长为(2.5-3)～(25-40)μm 之间；远红外线，波长为(25-40)～l000μm 之间。
真正的红外线夜视仪是光电倍增管成像，与望远镜原理完全不同，白天不能使用，价格昂贵且需电源才能工作。
近红外线或称短波红外线，波长
0.76～1.5微米，穿入人体组织较深, 约5～10毫米；远红外线或称长波红外线，波长1.5～400微米，多被表层皮肤吸收，穿透组织深度小于2毫米。 红外线通信
利用红外线来传输信号的通信方式，叫红外线通信。由于红外线能象可见光一样集中成很窄的一束发射出去，因此红外线通信有两个最突出的优点：1、不易被人发现和截获，保密性强；2、几乎不会受到电气、天电、人为干扰，抗干扰性强。此外，红外线通信机体积小，重量轻，结构简单，价格低廉。但是它必须在直视距离内通信，且传播受天气的影响。在不能架设有线线路，而使用无线电又怕暴露自己的情况下，使用红外线通信是比较好的。 红外线遥控器
目前，人们的物质文化生活水平日益提高，各种各样的家用电器走进了千家万户，其中，大多数的家用电器都有各自不同的遥控器，人们常常为了控制某台电器而到处寻找其对应的遥控器，这样，就给人们的生活带来了很多不便。为了解决这个问题，本文提出一个多功能遥控器的设计方案：该遥控器可以通过自学习而拥有对多台电器的遥控功能，即省时、又省力，从而使人们免除同时面对功 1、适用于编码式红外线遥控型家用电器； 2、可遥控多台家用电器；
3、具有一个学习/控制复用键、5~10个设备选择键，10~20个功能控制键，由一个设备选择键与各个功能控制键共同实现对一个设备的控制； 4、可通过一个设备选择键和各个功能控制键实现对多台设备的常用功能的学习和控制；
5、成本低，抗干扰能力强。 综述
综上所述，我们将在这次在小学期的学习实践中独立完成一个具有控制功能的红外线遥控器。利用所学的知识和网络上的资源，通过查找相关资料，设计电路，仿真，采买器件，焊接调试等工作。完成这项任务。
一、 设计任务书：
1、实验目的：
（1） 掌握电子电路设计的基本方法；
（2） 掌握各种红外收发器件； （3） 掌握红外遥控的收发方式； （4） 掌握红外遥控的编码解码方式；
（5） 掌握开关量信号对强电设备的控制方式。
2、设计要求及技术指标：
基础部分：
（1） 红外遥控器采用现成的家用电器的红外遥控器；
（2） 遥控距离不小于5米；遥控开关接收端的工作电源为220V 交流电； （3） 遥控开关使用发光二极管指示有无220V 交流电源及遥控开关的开关
状态；
（4） 遥控开关能够控制台灯、电扇等家用电器，输出功率不超过200W 。
发挥部分：
（1） 自制红外遥控器，包括至少4路遥控按键； （2） 遥控开关能够控制至少4路家用电器。
3、设计任务：
（1） 设计，安装、调试所设计的电路；
（2） 画出完整的电路图，详细说明电路原理，写出设计总结报告。
4、设计思路：
红外发射：指令编码器由基本脉冲发射电路和指令编码开关组成。当按下
某个指令按键时，指令编码器将产生不同编码的指令信号。该编码信号经调制器调制后变为编码脉冲调制信号，再经驱动电路功率放大后加至红外发射级，驱动红外发射管发出红外编码脉冲光信号。
红外接收：译码由红外接收器，前置放大器、解调器、指令译码器、记忆
和驱动级等组成。红外光电二极管（或光敏三极管）将接收到的红外光信号转变为相应的电脉冲信号，再经高倍电压放大后加至解调器进行解调，然后由指令译码器解码出指令信号。指令译码器是与指令编码器相对应的译码器，用于脉冲指令信号译出。译出的指令信号加至相应的记忆和驱动级，驱动执行机件（如继电器、可控硅、音频电路等）动作，实现红外光遥控。
方案比较：
方案一
编码电路
编码由74LS148完成，接反相器后送给移位寄存器74LS194，在第一位加上控制吗“1”，然后在标准脉冲电路的控制下输出逻辑电平，控制红外线调制电路。
使用CD4011与非门产生38kHz 的频率信号，经三极管放大后接红外线发射二极管，对编码电路送来的逻辑电平进行调制。
解码电路
还是通过74LS194在标准脉冲信号控制下串行接收，当信号第一位的控制码“1”被传输到Q 3端时，同时进行以下三个动作：控制74LS194的S 0端，使其处在保持状态；控制译码器74LS138的使能端E 0，使其开始解码；解除计数器74LS193的清零状态，使其开始对标准脉冲信号计数，16分频后，进位端输出脉冲，输入74LS194的清零端，使系统复原，准备接受下一个信号。最后接JK 触发器74LS112构成，JK 端同时接高电平，为一位计数器，实现锁存功能，同时74LS112为下降沿触发，与74LS138的反向输出配合。
方案二
运用集成红外线收发芯片BA5104 SM5032来控制红外发射管和接受光电信号。通过芯片的强大功能来完成电路
决策：经过比较这两种方案，我们发现，第一种虽然不用引进新器件，应用的都是我们数电课熟知的原件，但是通过自己搭接的编码译码一来不稳定，二来容易出错。第二种方案应用红外线接发芯片，5104、5032不但可以有效完成任务，而且对后续设计，如红外控速、红外调音等电路都有帮助，所以选择了第二种电路。下面就详细介绍我们的电路。
二、主要原器件：
发送接收红外组件、BA5014、SM5032（BA5024）、CD4013、455kHz 晶体振荡器、继电器、按键开关、二极管、三极管、电阻及电容若干、7.5V 变压器
主要原器件介绍： 1、BA5104
BA5104管脚图 （1）管脚说明：
表（1）
（2）工作特性：
表（2）
（3）BA5104键输出码表：
表（3）
（4）主要优点：
1) BA5104采用38KHZ 载波红外信号编码发射输出，具有定向性好，抗干扰
能力强，遥控距离远的特点。
2）BA5104采用按键起振的省电模式，具有功耗小的特点;
3）BA5104具有8个输入通道工用户选择，因此，它有32种不同的组合，可生产32种不同的编码输出供用户选择，具有功能强大的特点。 4）采用先进的CMOS 工艺，既有工作电压范围宽的特点。 5） 设计了防静电（ESD ）电路，具有安全可靠的特点。
2、
SM5032
此芯片与BA5104配套的BA5204功能相同，且在现在市面上应用更为广泛。
3、 C D4013
CD4013是双D 触发器芯片，在数字电路中通常用来进行数据锁存、组成分频电路等
三、 实用电路部分：
1、直流稳压电源部分
由于本实验对稳定性要求比较高，输出功率要求不高，因此采取现
二线性直流稳压电源方案。在线性直流稳压电源方案中，采用串联型的居多，故原理如下：
小功率稳压电源需要经过变压，整流，滤波和稳压四个过程，所以稳压电源部分需要由电源变压器，整流电路，
滤波电路和稳压电路四个部分
构成的，其原理框图如下：
从市电到5V 直流稳压电源的的波形图如下：
电路原理图如下：
2、红外遥控开关发射部分：
工作原理：图中BA5104是发射器芯片，K1~K8是控制输入端，在静态模式下，被内接上拉电阻置成高电平，没有电流通过。当按下其中任一键时，OSC1和OSC2脚所内接的时钟电路及外接455kHz 晶体、电容C1、C2组成的振荡电路起振，经内部电路分频产生38kHz 载频。 BA5104将C1、C2端及K1 - K8脚输入的数据进行编码，由D0端串行输出，经达三极管放大后驱动红外发射器D2送出调制载波脉冲红外信号。LED 端是发射状态显示输出端，有高电平输出时，LED 发亮。C1、C2端为用户编码输入端，可以设定4种编码方式。图中的LD 半导体激光二极管，是光电开关发射器的关键元件。按下的键不同，通过D2发射出的波形不一样。
3、红外遥控开关接收部分：
工作原理： 接收电路如图所示，当红外接收头(三端) ，它接收放大和解调信号，把遥控器发出的红外信号还原成解码SM5032能识别的脉冲码。之后经三极管对该信号进行放大后作用于SM5032的D1端（2号管脚），经该电路进行比较、解码后，由SM5032的3~10脚输出相应的控制信号。当按下发射器K1 ~ K6任一键时，SM5032相应的HP 端输出高电平，松开发射键，则输出低电平； C1、C2端为用户码输入端。有4种编码方式，要求与BA5104的C1、C2端设置一致。与SM5032的13脚相接的电容、电阻以及内部电路组成振荡回路，频率同样为为38kHz ，满足其正常工作需要。当CD4013的CP 端有数据输入且由低电平变为高电平（或由高电平变为低电平）时，CD4013的输出状态发生翻转，其Q 端由低电平转呈高电平（低电平），使得对应功率三极管（此时起到开关作用）饱和导通，继电器K1通电，吸合，其触点将相应电器或时序控制节点接通（实验中用发光二极管替代），则用电器开始工作（发光二极管亮光）。再按一下按键，CD4013又接收到一正向脉冲，此时其Q 端由高电平转呈低电平，功率三极管3DG12D 截止断开，继电器断开，用电器不工作（发光二极管熄灭）。从而达到控制的效果，且各路的用电器相互独立，类似自锁效果。
电路总体工作过程：
当按下4个控制按键的任一键时（例如K1）即3管脚，则3管脚的电平由原来的高电平跳变为低电平，BA5104开始进行工作，即发射相应的编码信号制接收电路，当端子为高电平时，则发射停止； OSC1与OSC2接出来的晶振电路可使红外遥控的载波频率为38kHz ，这是由发射端所使用的455kHz 晶振来决定的。在发射端要对晶振进行整数分频，分频系数一般取12，所以455kHz÷12≈37.9 kHz≈38kHz。则BA5104编的码可载在38KHZ 的载波上通过15管脚DO （编码信号发生器输出端）。从DO 出来的编码信号经过NPN 三极管（8050）放大后，可将编码信号经由集电极的红外发射管转变成光信号发射出去。同时发射显示端
LED 灯亮。
在接收端，红外接收头(三端) 接收由发射电路发射的光信号并将把遥控器发出的红外信号解调还原成解码器SM5032能够识别的脉冲码。由光电三极管OUT 端出来的脉冲码（信号）经过功率三极管（3DG6C ）放大足够的倍数（60～80）使原来微弱的脉冲信号能够被SM5032识别并进行解码过程。被放大的脉冲信号经2管脚DI 输入，经SM5032解码使得与发射电路已按按键相应的输出端输出高电平，使得双稳态触发器CD4013。当CD4013的CP 端加一正向脉冲时，则输出端Q 1端输出宽度一定的整形脉冲。当CD4013的CP 端有数据输入且由低电平变为高电平（或由高电平变为低电平）时，CD4013的输出状态发生翻转，其Q 端由低电平转呈高电平（低电平），使得功率三极管3DG12D （此时起到开关作用）饱和导通，继电器K1通电，吸合，其触点将相应电器或时序控制节点接通（实验中用发光二极管替代），则用电器开始工作（发光二极管亮光）。再按一下按键，CD4013又接收到一正向脉冲，此时其Q 端由高电平转呈低电平，功率三极管3DG12D 截止断开，继电器断开，用电器不工作（发光二极管熄灭）。从而达到控制的效果，且各路的用电器相互独立，我们在一路接上了220V 的灯泡，符合老师提出的控制高压用电器的要求。
调试过程：
本电路的调试过程较为顺利。在电路板的安装完成后，初次接电源后发射端发射灯亮但接收端却没有反应。我们经过测试发现用别组的发射端是可以控制我们的接收端的，所以我们检查发射端的问题。
发射电路中作为指示遥控开关的开关状态的发光二极管工作正常，说明编码芯片BA5104的工作状态正常。于是我们使用示波器从BA5104的输出端15管脚测量输出波形，输出信号频率为37.9KHz ，但是输出波形不稳定，所以我们决定换一个晶振，更换后发现输出稳定。
我们又测试输出波形，发现并没有预计的输出波形。所以我们认为应该是芯片的问题。在更换了芯片之后发现发射端可以正常工作了。
通过此次调试，我们总结出以下几点经验
调试过程是发现错误、改正错误的过程。能够越早地发现错误，纠正它的代价就越小。错误可以分为：系统方案错误；系统设计错误；系统实现错误。
错误种类一：系统方案错误
错误后果：系统方案错误是致命的，如果在制作后期才发现它，几乎就没有挽救的办法。
措施：为避免方案错误，在设计前要进行周密的方案论证。查阅大量的文献资料，必要时设计调试核心单元电路或进行计算机模拟。
错误种类二：系统电路设计错误
例如，器件选择错误，在高速应用中使用了低速器件；元件参数计算错误，以致达不到预定的指标; 逻辑控制关系错误等。这些都是设计上的错误。
错误后果：系统设计错误通常意味要对物理线路作较大的改动。
措施：一是使用计算机对电路进行模拟，例如验证放大器的特性，而且模拟的结果为物理线路的调试提供了参考依据。
另一个是使用可编程逻辑器件，这样在发现错误时只要重新改变编程，不需要做大的改动
错误种类三：系统实现错误
系统实现错误主要是器件接线错误或工作点设置错误。
错误后果：系统实现错误通常导致电路工作状态不正常，但是通常不需要对物理线路作较大的改动。
措施：查找实现错误时可以根据模拟的结果进行对照调试，或由电路的因果关系确定故障的位置。
结果分析：
由于所用的电路板大小限制，而且由于所设计电路的八路控制通道工作原理完全一致，因此我们决定只在电路板上实现两路。从安全性和电路简洁角度考虑，我们设计用发光二极管充当执行机件以显示继电器是否吸合。后经指导老师建议，又焊接一路控制电路，控制220V 交流电源，用台灯作为执行机件。
我们的四路控制电路从分别从SM5032的3，4,5,6管脚引出，分别对应遥控电路中的3,4,5,6号按键。实验结果显示，在距离6米处分别按下遥控电路的四个按键时，对应管脚通道所控制的发光二极管和台灯分别点亮，再次按下同一按键时相应机件熄灭。对于未接控制电路的其他各通道，在发射端按下相应按键时可在解码芯片的对应输出管脚检测到一高电频跳变，且各控制通道工作稳定，无相互干扰。
由此可以说明我们制作的红外遥控开关发射和接收电路已可以实现遥控8路220V 交流电源开关的功能，控制距离已超过5米，且工作性能稳定，安全。我们的设计已达到实验设计要求。
四、 电路设计焊接及调试体会：
郝嘉然：此次课程设计中，我们参考借鉴了大量从老师那里、网上以及参考书籍中获得的电路设计。通过仔细分析比较，市场调研和实验测试，我们最终设计制作了这一电路。从开始查找资料，学习了解有关红外控制电路的相关知识，到初步制订设计方案，再到不断实验调试改进方案，到最终完成设计，制作完成最终的电路，我们经历了一个较为漫长的过程。
虽然以前我们模电数电课都有设计焊接电路的实验，但是那大都是根据课本眼神而来的，而这次，我们对红外遥控电路刚开始的认识几乎为零，刚开始不知道从何下手，感觉这次较之以前难了好多。而且我们在网上找到的相关电路经仿真验证大都存在错误。书籍资料中的参考电路，有很多元件都已经停产，这也给设计带来了很大困难。最后我们综合了搜集来的各种资料，再加上不断探索，最终设计出了符合要求的电路。
在此次安装焊接电路的过程中各我的最大感受就是随着电路的复杂化，电路焊接时对于布线的难度和细心程度的考验都明显增大。与摸电实验中语音放大器电路的焊接相比，这次的电路复杂许多，元件间所需连线的的数目增加不少，稍不注意便可能焊错或缺焊某根线，这将直接导致电路无法正常工作。此次安装电路过程中我们就出现过由于焊接错误而导致整个上午无法继续测试的情况，减缓了我们的进度。在此后的焊接过程中，我们甚至焊几个点就检查一下，以防再次出错，并且在电路图上对已焊部分进行标记，以防止错误发生。此外，在焊接前对于使用元件的检查也非常重要，元件质量不一定都好，将原本就已坏的元件安装在电路中，差错的难度很大，而且非常耗费时间。
在整个课程设计的完成过程中，我们组的四名成员同心协力，分工明确，配合默契，在遇到困难的时候总能共同商量解决方法，相互鼓励，相互帮助学习，使我充分感受到团队的力量和重要性。
侯晓鹏：这已经是我第五次焊板子了。每次焊板子都会遇到很多困难。逐渐地我也总结出了一点经验。元器件布局要合理，事先一定要规划好，不妨在纸上先画画，模拟一下走线的过程。电流较大的信号要考虑接触电阻、地线回路、导线容量等方面的影响。单点接地可以解决地线回路的影响，这点容易被忽视。还有最好是按照电路原理，分步进行制作调试。做好一部分就可以进行测试、调试，不要等到全部电路都制作完成后再测试调试，否则不利于调试和排错。
调试过程是最漫长的一个阶段，我们花费了大量时间在电路的调试上。调试过程是一个理论与实际相结合的过程，运用所学的知识在遇到问题时仔细分析，冷静思考才能抓住问题要害，解决问题；
1. 忽略小影响，抓住主要影响，以免被一些干扰误导；
2. 无论要进行什么实验，先从理论分析，才能有依据，不至于盲目（在
第一个方案的调试中，我们由于对两个芯片及编码译码过程相关知识
没有 深入得研究，导致无法自主地找出电路中的出入从而改进电路使
实验中端。）；
3. 调试时将接上电路之前必须检查电源正负极和连线正确，否则后果严
重。
成品的调试过程中也有一些心得：
4. 好元件会有好的效果，再好的元件不经过细心琢磨也不会有好的效果；
5. 选购元件考虑性价比，是以后进行更大工程时所需的经验。
胡泊：由实验任务书的指标和要求，我们开始了对实验电路的设计、焊接、调试过程。本次设计实验中主要有以下体会：
首先，选图是关键，必须在保证设计的原理图的正确性的前提下财政正确完成一下的过程。其次，电路图的所用原件的市场供应和经济性。再有就是我们设计的电路要有其自己的特色和新颖性，这就要求我们在充分利用所学知识的同时，要在其基础上有创新。
安装过程主要是布线与焊接。此次的电路相比以前复杂了好多，我们可以通过适当的折线连接基本做到平面布线。布线的好坏不仅直接影响成品的美观，还关系到成品性能，不好的焊接工艺可能导致短路、接触不良、查线困难等麻烦。焊接技术可以通过动手逐步熟练，所以关键的还是布线的艺术。根据各个元件和管脚的分布，针对不同的电路设计出一套适合它的连接路线从而满足美观与简洁，才是我们需要通过不断尝试与琢磨的
宋晓美：此次课程设计相比以前的数电模电实验难了好多，电路设计、焊接、调试每一步都不是轻而易举能达到的。电路设计方面，我们查阅了好多资料，不管是网上的资料，还是书籍资料，刚开始我们想着找个现成的电路图直接焊接，简单省事，后来发现行不通。或许那些都是早期的资料，好多经验证行不通，最后我们总结了各种资料，费了九牛二虎之力，最终设计出了符合要求的电路，但最终忘了考证元件的市场供应，最后时刻发现我们用的BA5204已经停产了，幸亏现在市场有一个跟BA5204性能，管脚排列都一样的芯片SM5032，这算是不幸
中的万幸吧。再有吧，这次电路中用到的芯片大都是我们没有接触过的，焊接过程需要注意的问题也更多此次电路比以前复杂了好多，焊接时候更要格外小心，要避免虚焊，这种焊接错误单靠检查电路时查不出来的，因此我们焊接时候是焊几条线就测试一下，从大方面避免了错误，以免到最后电路有问题就无从下手了。电路调试同样也是一个漫长的过程，我们的调试过程并不是一帆风顺的，
这次试验就是以前所学知识的一次汇总吧。这次课程设计，我们不但巩固了以前所学，同时也接触了一些以前未接触的芯片，对红外遥控有了进一步的认识。
五、 参考文献：
[1] 侯建军. 数字电子技术基础【M 】. 北京：高等教育出版社，2003年
[2] 陈永甫. 红外探测与控制电路【M 】. 北京：人民邮电出版社，2004年
[3] 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计【M 】. 北京:电子工业出版社，2002年
[4] 彭介华. 电子技术课程设计指导【M 】. 北京:高等教育出版社，1997年
[5] 毕满清. 电子技术实验与课程设计【M 】. 北京:机械工业出版社，2001年
[6] 李金平. 模拟集成电路基础【M 】. 北京:北方交通大学出版社，2003年
[7] 路勇. 电子电路实验及仿真【M 】. 北京:北方交通大学出版社,2004年
附：
元件清单
表（4）
本次电子系统课程设计总结：
本次课程设计我们收获颇多，我们总结了这些收获，从表和里两方面来谈。表就是红外遥控开关这个电路的设计焊接调试，而里则是我认为更加关键的，也是老师想要告诉我们的，是一中“以弱控强”的思路，让我们通过实践这个遥控电路，来理解以弱控强这中思维。次课程设计中，我们参考借鉴了大量从老师那里、网上以及参考书籍中获得的电路设计。通过仔细分析比较，市场调研和实验测试，我们最终设计制作了这一电路。从开始查找资料，学习了解有关红外控制电路的相关知识，到初步制订设计方案，再到不断实验调试改进方案，到最终完成设计，制作完成最终的电路，我们经历了一个较为漫长的过程。
在刚开始设计电路时，由于对于红外遥控电路、数字电路的了解几乎为零，加之急于求成的心理，我们想直接找一参考电路作为设计。但随着认识的深入和设计过程的进展，我们发现这一想法基本不可行，原因有三：其一，无论是网上还是相关资料上的电路，大都存在较多错误，有的是由于印刷造成的，更多则是由于参考电路基本没有经过实际验证，很多元件的选取以及元件数值都存在各种问题，在实际运用中根本无法达到设计要求。另外由于部分书籍编者并没认真校对所有电路，导致一些电路设计本来就存在严重的理论错误，完全没
有可行性。其二，由于书籍资料的产生时间不一，很多参考电路虽然没有理论问题，但其中部分元件可能因为使用不广泛或早已停产等原因，在市场上相当难得买到，从而造成设计无法实现。以上两点原因在整个课程设计过程中消耗了我们大量的时间精力，造成设计电路的多次更换。在以后的电路设计过程中，完全避免这两点应该比较困难，但此次设计过程中总结出的宝贵经验，如对参考电路的认真查正，相信一定会为今后的学习工作提供很多帮助。
焊接之后便一次成功是可遇而不可求的，我们在调试过程中一个接一个地发现错误，然后一个个地耐心解决。调试的过程是理论与实际相结合的深刻体现，实验中遇到困难是必然的，我们只有运用知识原理耐心查找，反复核对才能找出电路症结并解决。调试的过程就是发现错误解决错误的过程，我们在电路调试中遇到的问题有线路焊接错误、管脚焊接错误、原理失误以及元件不匹配等。
在整个课程设计的完成过程中，我们组的三名成员同心协力，分工明确，配合默契，在遇到困难的时候总能共同商量解决方法，相互鼓励，相互帮助学习，使我充分感受到团队的力量和重要性。
最后我再谈谈这次课程设计的“里”。电路会变但思想不变。我们从这次的实践中理解了以弱电控强电的各种要素。生活中有的设备高电压，很危险，但我们又要应用取控制它，这就体现出我们的电路和电信学院的精髓了：即四两拨千斤。通过电信号和其他载体信号如声或波的转换传递，将控制端的弱电信号发到强电端，利用如继电器这样的器件，对强电实行控制，不得不谓之巧！
会了新电路，更会了新思路。电子系统课程设计带给我们的不只枯燥的焊接与调试、不只是检索各种电路图。而是一次体验、一种思维。感谢李维敏老师指导。
电子电路课程设计
实验报告
红外遥控开关
小组成员： 自动化0801 郝嘉然 08212005 自动化0801 侯晓鹏 08212006 自动化0801 胡 泊 08212007
自动化0801 宋晓美 08212012
指导教师： 李维敏
2011年1月
红外遥控开关
基础知识
红外线
红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射, 他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。也可以当作传输之媒界。 太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～1000μm 。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为(0.75-1)～(2.5-3)μm 之间；中红外线，波长为(2.5-3)～(25-40)μm 之间；远红外线，波长为(25-40)～l000μm 之间。
真正的红外线夜视仪是光电倍增管成像，与望远镜原理完全不同，白天不能使用，价格昂贵且需电源才能工作。
近红外线或称短波红外线，波长
0.76～1.5微米，穿入人体组织较深, 约5～10毫米；远红外线或称长波红外线，波长1.5～400微米，多被表层皮肤吸收，穿透组织深度小于2毫米。 红外线通信
利用红外线来传输信号的通信方式，叫红外线通信。由于红外线能象可见光一样集中成很窄的一束发射出去，因此红外线通信有两个最突出的优点：1、不易被人发现和截获，保密性强；2、几乎不会受到电气、天电、人为干扰，抗干扰性强。此外，红外线通信机体积小，重量轻，结构简单，价格低廉。但是它必须在直视距离内通信，且传播受天气的影响。在不能架设有线线路，而使用无线电又怕暴露自己的情况下，使用红外线通信是比较好的。 红外线遥控器
目前，人们的物质文化生活水平日益提高，各种各样的家用电器走进了千家万户，其中，大多数的家用电器都有各自不同的遥控器，人们常常为了控制某台电器而到处寻找其对应的遥控器，这样，就给人们的生活带来了很多不便。为了解决这个问题，本文提出一个多功能遥控器的设计方案：该遥控器可以通过自学习而拥有对多台电器的遥控功能，即省时、又省力，从而使人们免除同时面对功 1、适用于编码式红外线遥控型家用电器； 2、可遥控多台家用电器；
3、具有一个学习/控制复用键、5~10个设备选择键，10~20个功能控制键，由一个设备选择键与各个功能控制键共同实现对一个设备的控制； 4、可通过一个设备选择键和各个功能控制键实现对多台设备的常用功能的学习和控制；
5、成本低，抗干扰能力强。 综述
综上所述，我们将在这次在小学期的学习实践中独立完成一个具有控制功能的红外线遥控器。利用所学的知识和网络上的资源，通过查找相关资料，设计电路，仿真，采买器件，焊接调试等工作。完成这项任务。
一、 设计任务书：
1、实验目的：
（1） 掌握电子电路设计的基本方法；
（2） 掌握各种红外收发器件； （3） 掌握红外遥控的收发方式； （4） 掌握红外遥控的编码解码方式；
（5） 掌握开关量信号对强电设备的控制方式。
2、设计要求及技术指标：
基础部分：
（1） 红外遥控器采用现成的家用电器的红外遥控器；
（2） 遥控距离不小于5米；遥控开关接收端的工作电源为220V 交流电； （3） 遥控开关使用发光二极管指示有无220V 交流电源及遥控开关的开关
状态；
（4） 遥控开关能够控制台灯、电扇等家用电器，输出功率不超过200W 。
发挥部分：
（1） 自制红外遥控器，包括至少4路遥控按键； （2） 遥控开关能够控制至少4路家用电器。
3、设计任务：
（1） 设计，安装、调试所设计的电路；
（2） 画出完整的电路图，详细说明电路原理，写出设计总结报告。
4、设计思路：
红外发射：指令编码器由基本脉冲发射电路和指令编码开关组成。当按下
某个指令按键时，指令编码器将产生不同编码的指令信号。该编码信号经调制器调制后变为编码脉冲调制信号，再经驱动电路功率放大后加至红外发射级，驱动红外发射管发出红外编码脉冲光信号。
红外接收：译码由红外接收器，前置放大器、解调器、指令译码器、记忆
和驱动级等组成。红外光电二极管（或光敏三极管）将接收到的红外光信号转变为相应的电脉冲信号，再经高倍电压放大后加至解调器进行解调，然后由指令译码器解码出指令信号。指令译码器是与指令编码器相对应的译码器，用于脉冲指令信号译出。译出的指令信号加至相应的记忆和驱动级，驱动执行机件（如继电器、可控硅、音频电路等）动作，实现红外光遥控。
方案比较：
方案一
编码电路
编码由74LS148完成，接反相器后送给移位寄存器74LS194，在第一位加上控制吗“1”，然后在标准脉冲电路的控制下输出逻辑电平，控制红外线调制电路。
使用CD4011与非门产生38kHz 的频率信号，经三极管放大后接红外线发射二极管，对编码电路送来的逻辑电平进行调制。
解码电路
还是通过74LS194在标准脉冲信号控制下串行接收，当信号第一位的控制码“1”被传输到Q 3端时，同时进行以下三个动作：控制74LS194的S 0端，使其处在保持状态；控制译码器74LS138的使能端E 0，使其开始解码；解除计数器74LS193的清零状态，使其开始对标准脉冲信号计数，16分频后，进位端输出脉冲，输入74LS194的清零端，使系统复原，准备接受下一个信号。最后接JK 触发器74LS112构成，JK 端同时接高电平，为一位计数器，实现锁存功能，同时74LS112为下降沿触发，与74LS138的反向输出配合。
方案二
运用集成红外线收发芯片BA5104 SM5032来控制红外发射管和接受光电信号。通过芯片的强大功能来完成电路
决策：经过比较这两种方案，我们发现，第一种虽然不用引进新器件，应用的都是我们数电课熟知的原件，但是通过自己搭接的编码译码一来不稳定，二来容易出错。第二种方案应用红外线接发芯片，5104、5032不但可以有效完成任务，而且对后续设计，如红外控速、红外调音等电路都有帮助，所以选择了第二种电路。下面就详细介绍我们的电路。
二、主要原器件：
发送接收红外组件、BA5014、SM5032（BA5024）、CD4013、455kHz 晶体振荡器、继电器、按键开关、二极管、三极管、电阻及电容若干、7.5V 变压器
主要原器件介绍： 1、BA5104
BA5104管脚图 （1）管脚说明：
表（1）
（2）工作特性：
表（2）
（3）BA5104键输出码表：
表（3）
（4）主要优点：
1) BA5104采用38KHZ 载波红外信号编码发射输出，具有定向性好，抗干扰
能力强，遥控距离远的特点。
2）BA5104采用按键起振的省电模式，具有功耗小的特点;
3）BA5104具有8个输入通道工用户选择，因此，它有32种不同的组合，可生产32种不同的编码输出供用户选择，具有功能强大的特点。 4）采用先进的CMOS 工艺，既有工作电压范围宽的特点。 5） 设计了防静电（ESD ）电路，具有安全可靠的特点。
2、
SM5032
此芯片与BA5104配套的BA5204功能相同，且在现在市面上应用更为广泛。
3、 C D4013
CD4013是双D 触发器芯片，在数字电路中通常用来进行数据锁存、组成分频电路等
三、 实用电路部分：
1、直流稳压电源部分
由于本实验对稳定性要求比较高，输出功率要求不高，因此采取现
二线性直流稳压电源方案。在线性直流稳压电源方案中，采用串联型的居多，故原理如下：
小功率稳压电源需要经过变压，整流，滤波和稳压四个过程，所以稳压电源部分需要由电源变压器，整流电路，
滤波电路和稳压电路四个部分
构成的，其原理框图如下：
从市电到5V 直流稳压电源的的波形图如下：
电路原理图如下：
2、红外遥控开关发射部分：
工作原理：图中BA5104是发射器芯片，K1~K8是控制输入端，在静态模式下，被内接上拉电阻置成高电平，没有电流通过。当按下其中任一键时，OSC1和OSC2脚所内接的时钟电路及外接455kHz 晶体、电容C1、C2组成的振荡电路起振，经内部电路分频产生38kHz 载频。 BA5104将C1、C2端及K1 - K8脚输入的数据进行编码，由D0端串行输出，经达三极管放大后驱动红外发射器D2送出调制载波脉冲红外信号。LED 端是发射状态显示输出端，有高电平输出时，LED 发亮。C1、C2端为用户编码输入端，可以设定4种编码方式。图中的LD 半导体激光二极管，是光电开关发射器的关键元件。按下的键不同，通过D2发射出的波形不一样。
3、红外遥控开关接收部分：
工作原理： 接收电路如图所示，当红外接收头(三端) ，它接收放大和解调信号，把遥控器发出的红外信号还原成解码SM5032能识别的脉冲码。之后经三极管对该信号进行放大后作用于SM5032的D1端（2号管脚），经该电路进行比较、解码后，由SM5032的3~10脚输出相应的控制信号。当按下发射器K1 ~ K6任一键时，SM5032相应的HP 端输出高电平，松开发射键，则输出低电平； C1、C2端为用户码输入端。有4种编码方式，要求与BA5104的C1、C2端设置一致。与SM5032的13脚相接的电容、电阻以及内部电路组成振荡回路，频率同样为为38kHz ，满足其正常工作需要。当CD4013的CP 端有数据输入且由低电平变为高电平（或由高电平变为低电平）时，CD4013的输出状态发生翻转，其Q 端由低电平转呈高电平（低电平），使得对应功率三极管（此时起到开关作用）饱和导通，继电器K1通电，吸合，其触点将相应电器或时序控制节点接通（实验中用发光二极管替代），则用电器开始工作（发光二极管亮光）。再按一下按键，CD4013又接收到一正向脉冲，此时其Q 端由高电平转呈低电平，功率三极管3DG12D 截止断开，继电器断开，用电器不工作（发光二极管熄灭）。从而达到控制的效果，且各路的用电器相互独立，类似自锁效果。
电路总体工作过程：
当按下4个控制按键的任一键时（例如K1）即3管脚，则3管脚的电平由原来的高电平跳变为低电平，BA5104开始进行工作，即发射相应的编码信号制接收电路，当端子为高电平时，则发射停止； OSC1与OSC2接出来的晶振电路可使红外遥控的载波频率为38kHz ，这是由发射端所使用的455kHz 晶振来决定的。在发射端要对晶振进行整数分频，分频系数一般取12，所以455kHz÷12≈37.9 kHz≈38kHz。则BA5104编的码可载在38KHZ 的载波上通过15管脚DO （编码信号发生器输出端）。从DO 出来的编码信号经过NPN 三极管（8050）放大后，可将编码信号经由集电极的红外发射管转变成光信号发射出去。同时发射显示端
LED 灯亮。
在接收端，红外接收头(三端) 接收由发射电路发射的光信号并将把遥控器发出的红外信号解调还原成解码器SM5032能够识别的脉冲码。由光电三极管OUT 端出来的脉冲码（信号）经过功率三极管（3DG6C ）放大足够的倍数（60～80）使原来微弱的脉冲信号能够被SM5032识别并进行解码过程。被放大的脉冲信号经2管脚DI 输入，经SM5032解码使得与发射电路已按按键相应的输出端输出高电平，使得双稳态触发器CD4013。当CD4013的CP 端加一正向脉冲时，则输出端Q 1端输出宽度一定的整形脉冲。当CD4013的CP 端有数据输入且由低电平变为高电平（或由高电平变为低电平）时，CD4013的输出状态发生翻转，其Q 端由低电平转呈高电平（低电平），使得功率三极管3DG12D （此时起到开关作用）饱和导通，继电器K1通电，吸合，其触点将相应电器或时序控制节点接通（实验中用发光二极管替代），则用电器开始工作（发光二极管亮光）。再按一下按键，CD4013又接收到一正向脉冲，此时其Q 端由高电平转呈低电平，功率三极管3DG12D 截止断开，继电器断开，用电器不工作（发光二极管熄灭）。从而达到控制的效果，且各路的用电器相互独立，我们在一路接上了220V 的灯泡，符合老师提出的控制高压用电器的要求。
调试过程：
本电路的调试过程较为顺利。在电路板的安装完成后，初次接电源后发射端发射灯亮但接收端却没有反应。我们经过测试发现用别组的发射端是可以控制我们的接收端的，所以我们检查发射端的问题。
发射电路中作为指示遥控开关的开关状态的发光二极管工作正常，说明编码芯片BA5104的工作状态正常。于是我们使用示波器从BA5104的输出端15管脚测量输出波形，输出信号频率为37.9KHz ，但是输出波形不稳定，所以我们决定换一个晶振，更换后发现输出稳定。
我们又测试输出波形，发现并没有预计的输出波形。所以我们认为应该是芯片的问题。在更换了芯片之后发现发射端可以正常工作了。
通过此次调试，我们总结出以下几点经验
调试过程是发现错误、改正错误的过程。能够越早地发现错误，纠正它的代价就越小。错误可以分为：系统方案错误；系统设计错误；系统实现错误。
错误种类一：系统方案错误
错误后果：系统方案错误是致命的，如果在制作后期才发现它，几乎就没有挽救的办法。
措施：为避免方案错误，在设计前要进行周密的方案论证。查阅大量的文献资料，必要时设计调试核心单元电路或进行计算机模拟。
错误种类二：系统电路设计错误
例如，器件选择错误，在高速应用中使用了低速器件；元件参数计算错误，以致达不到预定的指标; 逻辑控制关系错误等。这些都是设计上的错误。
错误后果：系统设计错误通常意味要对物理线路作较大的改动。
措施：一是使用计算机对电路进行模拟，例如验证放大器的特性，而且模拟的结果为物理线路的调试提供了参考依据。
另一个是使用可编程逻辑器件，这样在发现错误时只要重新改变编程，不需要做大的改动
错误种类三：系统实现错误
系统实现错误主要是器件接线错误或工作点设置错误。
错误后果：系统实现错误通常导致电路工作状态不正常，但是通常不需要对物理线路作较大的改动。
措施：查找实现错误时可以根据模拟的结果进行对照调试，或由电路的因果关系确定故障的位置。
结果分析：
由于所用的电路板大小限制，而且由于所设计电路的八路控制通道工作原理完全一致，因此我们决定只在电路板上实现两路。从安全性和电路简洁角度考虑，我们设计用发光二极管充当执行机件以显示继电器是否吸合。后经指导老师建议，又焊接一路控制电路，控制220V 交流电源，用台灯作为执行机件。
我们的四路控制电路从分别从SM5032的3，4,5,6管脚引出，分别对应遥控电路中的3,4,5,6号按键。实验结果显示，在距离6米处分别按下遥控电路的四个按键时，对应管脚通道所控制的发光二极管和台灯分别点亮，再次按下同一按键时相应机件熄灭。对于未接控制电路的其他各通道，在发射端按下相应按键时可在解码芯片的对应输出管脚检测到一高电频跳变，且各控制通道工作稳定，无相互干扰。
由此可以说明我们制作的红外遥控开关发射和接收电路已可以实现遥控8路220V 交流电源开关的功能，控制距离已超过5米，且工作性能稳定，安全。我们的设计已达到实验设计要求。
四、 电路设计焊接及调试体会：
郝嘉然：此次课程设计中，我们参考借鉴了大量从老师那里、网上以及参考书籍中获得的电路设计。通过仔细分析比较，市场调研和实验测试，我们最终设计制作了这一电路。从开始查找资料，学习了解有关红外控制电路的相关知识，到初步制订设计方案，再到不断实验调试改进方案，到最终完成设计，制作完成最终的电路，我们经历了一个较为漫长的过程。
虽然以前我们模电数电课都有设计焊接电路的实验，但是那大都是根据课本眼神而来的，而这次，我们对红外遥控电路刚开始的认识几乎为零，刚开始不知道从何下手，感觉这次较之以前难了好多。而且我们在网上找到的相关电路经仿真验证大都存在错误。书籍资料中的参考电路，有很多元件都已经停产，这也给设计带来了很大困难。最后我们综合了搜集来的各种资料，再加上不断探索，最终设计出了符合要求的电路。
在此次安装焊接电路的过程中各我的最大感受就是随着电路的复杂化，电路焊接时对于布线的难度和细心程度的考验都明显增大。与摸电实验中语音放大器电路的焊接相比，这次的电路复杂许多，元件间所需连线的的数目增加不少，稍不注意便可能焊错或缺焊某根线，这将直接导致电路无法正常工作。此次安装电路过程中我们就出现过由于焊接错误而导致整个上午无法继续测试的情况，减缓了我们的进度。在此后的焊接过程中，我们甚至焊几个点就检查一下，以防再次出错，并且在电路图上对已焊部分进行标记，以防止错误发生。此外，在焊接前对于使用元件的检查也非常重要，元件质量不一定都好，将原本就已坏的元件安装在电路中，差错的难度很大，而且非常耗费时间。
在整个课程设计的完成过程中，我们组的四名成员同心协力，分工明确，配合默契，在遇到困难的时候总能共同商量解决方法，相互鼓励，相互帮助学习，使我充分感受到团队的力量和重要性。
侯晓鹏：这已经是我第五次焊板子了。每次焊板子都会遇到很多困难。逐渐地我也总结出了一点经验。元器件布局要合理，事先一定要规划好，不妨在纸上先画画，模拟一下走线的过程。电流较大的信号要考虑接触电阻、地线回路、导线容量等方面的影响。单点接地可以解决地线回路的影响，这点容易被忽视。还有最好是按照电路原理，分步进行制作调试。做好一部分就可以进行测试、调试，不要等到全部电路都制作完成后再测试调试，否则不利于调试和排错。
调试过程是最漫长的一个阶段，我们花费了大量时间在电路的调试上。调试过程是一个理论与实际相结合的过程，运用所学的知识在遇到问题时仔细分析，冷静思考才能抓住问题要害，解决问题；
1. 忽略小影响，抓住主要影响，以免被一些干扰误导；
2. 无论要进行什么实验，先从理论分析，才能有依据，不至于盲目（在
第一个方案的调试中，我们由于对两个芯片及编码译码过程相关知识
没有 深入得研究，导致无法自主地找出电路中的出入从而改进电路使
实验中端。）；
3. 调试时将接上电路之前必须检查电源正负极和连线正确，否则后果严
重。
成品的调试过程中也有一些心得：
4. 好元件会有好的效果，再好的元件不经过细心琢磨也不会有好的效果；
5. 选购元件考虑性价比，是以后进行更大工程时所需的经验。
胡泊：由实验任务书的指标和要求，我们开始了对实验电路的设计、焊接、调试过程。本次设计实验中主要有以下体会：
首先，选图是关键，必须在保证设计的原理图的正确性的前提下财政正确完成一下的过程。其次，电路图的所用原件的市场供应和经济性。再有就是我们设计的电路要有其自己的特色和新颖性，这就要求我们在充分利用所学知识的同时，要在其基础上有创新。
安装过程主要是布线与焊接。此次的电路相比以前复杂了好多，我们可以通过适当的折线连接基本做到平面布线。布线的好坏不仅直接影响成品的美观，还关系到成品性能，不好的焊接工艺可能导致短路、接触不良、查线困难等麻烦。焊接技术可以通过动手逐步熟练，所以关键的还是布线的艺术。根据各个元件和管脚的分布，针对不同的电路设计出一套适合它的连接路线从而满足美观与简洁，才是我们需要通过不断尝试与琢磨的
宋晓美：此次课程设计相比以前的数电模电实验难了好多，电路设计、焊接、调试每一步都不是轻而易举能达到的。电路设计方面，我们查阅了好多资料，不管是网上的资料，还是书籍资料，刚开始我们想着找个现成的电路图直接焊接，简单省事，后来发现行不通。或许那些都是早期的资料，好多经验证行不通，最后我们总结了各种资料，费了九牛二虎之力，最终设计出了符合要求的电路，但最终忘了考证元件的市场供应，最后时刻发现我们用的BA5204已经停产了，幸亏现在市场有一个跟BA5204性能，管脚排列都一样的芯片SM5032，这算是不幸
中的万幸吧。再有吧，这次电路中用到的芯片大都是我们没有接触过的，焊接过程需要注意的问题也更多此次电路比以前复杂了好多，焊接时候更要格外小心，要避免虚焊，这种焊接错误单靠检查电路时查不出来的，因此我们焊接时候是焊几条线就测试一下，从大方面避免了错误，以免到最后电路有问题就无从下手了。电路调试同样也是一个漫长的过程，我们的调试过程并不是一帆风顺的，
这次试验就是以前所学知识的一次汇总吧。这次课程设计，我们不但巩固了以前所学，同时也接触了一些以前未接触的芯片，对红外遥控有了进一步的认识。
五、 参考文献：
[1] 侯建军. 数字电子技术基础【M 】. 北京：高等教育出版社，2003年
[2] 陈永甫. 红外探测与控制电路【M 】. 北京：人民邮电出版社，2004年
[3] 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计【M 】. 北京:电子工业出版社，2002年
[4] 彭介华. 电子技术课程设计指导【M 】. 北京:高等教育出版社，1997年
[5] 毕满清. 电子技术实验与课程设计【M 】. 北京:机械工业出版社，2001年
[6] 李金平. 模拟集成电路基础【M 】. 北京:北方交通大学出版社，2003年
[7] 路勇. 电子电路实验及仿真【M 】. 北京:北方交通大学出版社,2004年
附：
元件清单
表（4）
本次电子系统课程设计总结：
本次课程设计我们收获颇多，我们总结了这些收获，从表和里两方面来谈。表就是红外遥控开关这个电路的设计焊接调试，而里则是我认为更加关键的，也是老师想要告诉我们的，是一中“以弱控强”的思路，让我们通过实践这个遥控电路，来理解以弱控强这中思维。次课程设计中，我们参考借鉴了大量从老师那里、网上以及参考书籍中获得的电路设计。通过仔细分析比较，市场调研和实验测试，我们最终设计制作了这一电路。从开始查找资料，学习了解有关红外控制电路的相关知识，到初步制订设计方案，再到不断实验调试改进方案，到最终完成设计，制作完成最终的电路，我们经历了一个较为漫长的过程。
在刚开始设计电路时，由于对于红外遥控电路、数字电路的了解几乎为零，加之急于求成的心理，我们想直接找一参考电路作为设计。但随着认识的深入和设计过程的进展，我们发现这一想法基本不可行，原因有三：其一，无论是网上还是相关资料上的电路，大都存在较多错误，有的是由于印刷造成的，更多则是由于参考电路基本没有经过实际验证，很多元件的选取以及元件数值都存在各种问题，在实际运用中根本无法达到设计要求。另外由于部分书籍编者并没认真校对所有电路，导致一些电路设计本来就存在严重的理论错误，完全没
有可行性。其二，由于书籍资料的产生时间不一，很多参考电路虽然没有理论问题，但其中部分元件可能因为使用不广泛或早已停产等原因，在市场上相当难得买到，从而造成设计无法实现。以上两点原因在整个课程设计过程中消耗了我们大量的时间精力，造成设计电路的多次更换。在以后的电路设计过程中，完全避免这两点应该比较困难，但此次设计过程中总结出的宝贵经验，如对参考电路的认真查正，相信一定会为今后的学习工作提供很多帮助。
焊接之后便一次成功是可遇而不可求的，我们在调试过程中一个接一个地发现错误，然后一个个地耐心解决。调试的过程是理论与实际相结合的深刻体现，实验中遇到困难是必然的，我们只有运用知识原理耐心查找，反复核对才能找出电路症结并解决。调试的过程就是发现错误解决错误的过程，我们在电路调试中遇到的问题有线路焊接错误、管脚焊接错误、原理失误以及元件不匹配等。
在整个课程设计的完成过程中，我们组的三名成员同心协力，分工明确，配合默契，在遇到困难的时候总能共同商量解决方法，相互鼓励，相互帮助学习，使我充分感受到团队的力量和重要性。
最后我再谈谈这次课程设计的“里”。电路会变但思想不变。我们从这次的实践中理解了以弱电控强电的各种要素。生活中有的设备高电压，很危险，但我们又要应用取控制它，这就体现出我们的电路和电信学院的精髓了：即四两拨千斤。通过电信号和其他载体信号如声或波的转换传递，将控制端的弱电信号发到强电端，利用如继电器这样的器件，对强电实行控制，不得不谓之巧！
会了新电路，更会了新思路。电子系统课程设计带给我们的不只枯燥的焊接与调试、不只是检索各种电路图。而是一次体验、一种思维。感谢李维敏老师指导。