基于单片机的智能学习型红外空调遥控器

    为了解决空调遥控器不兼容问题,设计了一款基于Atmega16单片机的智能空调遥控器。该遥控器采用测量脉冲宽度的方法学习红外信号,同时使用游程编码算法对数据进行压缩后存储,并利用单片机内部定时器PWM模式产生红外载波,成功实现了对红外遥控的学习与再现,并可通过上位机进行控制。经运行测试表明,该智能遥控器操作灵活,性能稳定,为智能遥控器设计提供了一种新方案。

    1 引言

    本文设计了一款针对空调设备的智能学习型红外遥控器，采用记录脉冲宽度的方法，成功实现了对多种红外空调遥控信号的学习与再现，真正实现了"万能"。本文在阐述了系统的总体结构及硬件设计的基础上，详细研究了系统学习，发送及通信功能的软件设计与实现。

    2 系统总体结构与硬件设计

    系统采用模块化设计，各模块通过接口电路与主控芯片相连。主要模块有：矩阵键盘，液晶显示，存储模块，红外发送模块，红外接收模块，RS232、RS485 通信模块，以及温度检测模块。系统结构图如图1 所示。

    系统以Atmega16 单片机作为主控芯片，Atmega16具有16K 字节的系统内可编程Flash ,512 字节EEPROM,1K 字节SRAM,32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C)，片内/外中断，可编程串行USART,有起始条件检测器的通用串行接口，8 路10 位具有可选差分输入级可编程增益的ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。该芯片功能强大，满足系统设计需要并提供了充分的扩展空间。主控芯片使用8MHz 的晶振，晶振电路靠近主控芯片，尽量减少输入噪声。复位电路采用低电平复位。

    矩阵键盘采用3*3 的设计，设置了8 个功能键，方便用户进行手动操作。其中单独设计了一颗模式切换键，可在学习、发射、通信模式中切换。为了实现学习功能， 红外接收模块使用了一体化接收头NB1838,其光电检测和前置放大器集成于同一封装，中心频率为37.9KHz. NB1838 的环氧树脂封装结构为其提供了一个特殊的红外滤光器，对自然光和电场干扰有很强的防护性。NB1838 对接收到的红外信号进行放大、检波、整形，并调制出红外编码，得到TTL 波形，反相后输入单片机，再由单片机进行进一步的处理，存储到EEPROM 中，接收电路如图2 所示。

    考虑到系统需要的存储空间比较大，设计了单独的存储模块，选用的EEPROM 是AT24C64,它提供了8KB 的容量，通过IIC 协议与Atmega16 TWI 接口通信，将学习到的红外指令存储在此，掉电不丢失。

    在发射模式下，系统从EEPROM 读取相应数据信息，利用三极管9013 组成的放大电路，通过大功率红外发射管将调制好的红外信号发射出去。发射电路如图3所示，非发送状态时，三极管工作在截止状态，红外发射管不工作，有利于降低功耗以及延长红外发射管的使用寿命。经实际测试，发射距离可达到10m 左右。

    通信模式中，系统通过RS232 电路与上位机通信，在与上位机通信时使用DS18B20 反馈温度信息，DS18B20 一线总线设计大大提高了系统的抗干扰性，独特而且经济。系统还增加了RS485 模块，便于组网，以实现对多个红外设备进行控制。RS485 在组网时只需要用一对双绞线将子设备的"A"、"B"端连接起来，这种接线方式为总线式拓扑结构，在同一总线上可挂接多个结点，连接方便。

    为了增加设备的实用性，系统设计了两个电源方案，一个是直接接入5V 直流电源，一个是接入12V直流电源，然后通过L7805 构成的变压电路降压为5V使用。

    3 系统软件设计与实现

    系统程序主要分为三个部分：学习模式，发送模式以及通信模式。当第一次进入系统时，初始化设置设备地址，然后设置通信的波特率，提供1200、9600 以及19200 三种选择。系统主程序即在三个模式间切换，默认进入通信模式，可以通过模式切换按键改变模式，也可以通过上位机直接更改。出于系统的稳定性需要，在程序中加入了软件看门狗，防止程序"跑飞".

    3.1 学习功能设计

    3.1.1 学习模式

    红外遥控器的码型多样，编码一般包括：帧头、系统码、操作码、同步码、帧间隔码、帧尾，且同步码与帧间隔码出现的位置不固定，因此码型格式灵活多变，很难区分各种码型的编码含义;各个红外遥控的编码长度不尽相同，发送方式也多种多样，最常用的有三种：完整帧只发送一次、完整帧重复发送两次、先发送一个完整帧，后重复发送帧头和一个脉冲。面对如此多样化的编码方式，如果区分每种编码的含义进行学习，学习的复杂度将会很高，并且通用性也会受到影响。所以，为了避开各色码型的干扰，系统在学习时并不关心码型数据的实际意义，只记录脉冲的时间宽度。系统主要针对载波频率为38KHz(周期为26us)的红外遥控器，利用变量IR_time 记录接收到的脉冲宽度。学习程序流程如图4 所示。

    3.1.2 压缩存储

    由于不考虑具体的码型数据意义，只记录脉冲的宽度，系统的学习功能通用性得到了提高，但这种方式学习到的数据量很大，对存储的要求就变得很高。[page]

    尽管系统针对存储的大容量需求设计了单独的存储模块，但考虑到应在不增加硬件开销的情况下保证足够的存储容量，以及满足未来扩展的需要，在进行数据存储时，采取了数据压缩技术。

    从学习到的电平数据可以发现，无论数据是1 还是0,都有相同时长的电平出现，这符合游程编码的特点。游程编码是一种简单的非破坏性资料压缩法，其好处是加压缩和解压缩都非常快，其方法是计算连续出现的资料长度压缩之。比如：一张二值图像的数据为：

    WWWWWWWWBWWWWBBBWWWWWWWBWWWWW

    使用游程编码压缩可得：8W1B4W3B7W1B 5W.

    可见，压缩效率极高，且可避免复杂的编码和解码运算。所以，在存储时，系统对学习到的数据进行游程编码压缩[7,8].例如，学习到的一组空调遥控器的数据为[157 153 23 53 … 23 53 23 180 156 152 23 53 …53 23],如图5 所示，对重复的电平数据采用游程编码压缩后，原本需要199 字节的空调遥控码，只需要106个字节即可存储，压缩率达53.27%.因此，在存储时针对学习到的数据特点采取游程编码压缩，可以有效节约存储空间。

    3.2 发射功能设计

    现有的红外遥控器很多都是采用外部电路产生载波信号，例如使用NEC555 振荡器产生载波信号。为了减少硬件开销，本系统使用单片机内部的定时器产生载波。系统使用的是Atmega16 单片机，其定时器功能强大，具有普通模式、CTC 模式、快速PWM 模式、相位修正PWM 模式等工作模式，系统利用定时器1,使其工作在快速PWM 模式，产生占空比为1:3 的38KHz 的PWM 波。当发送某条指令时，单片机从对应的EEPROM 中提取指令信息，然后调制到生成的载波上，再通过发射电路即可完成红外信号的发射。

    3.3 通信功能设计

    3.3.1 上位机通信

    本遥控器除了能通过功能按键实现手动操作外，还可以通过上位机软件对遥控器进行控制。遥控器与上位机通过RS232 模块进行通信，首先配置上位机软件，确定串口号，选择与设备相同的波特率及主从设备地址，然后根据需要选择相应的指令，点击发送即可通过上位机对设备进行控制。由于本遥控器是基于空调遥控器进行研究的，在与上位机通信时，系统中的温度检测模块会上传实时温度，便于用户进行调整。图6 为上位机软件流程图。

    3.3.2 组网控制

    为了实现对多个设备的联网控制，还设计了RS485 模块。各子遥控器通过RS485 模块的"A"、"B"端连接在一起，组成控制网络，如图7 所示，其中一个作为主遥控器，与上位机通过RS232 模块进行串口通信。当上位机需要对某个子设备进行控制时，选择相应的子设备地址号，发送指令即可，主遥控器收到指令信息后，会将指令发给对应的子设备。与主遥控器相连的上位机PC 连接Internet,作为本地服务器，可实现远程控制。

    用户登录远程客户端，经身份验证后与服务器建立连接，可发送指令给本地服务器，本地服务器再经过串口通信对遥控器进行相应操作。如果遥控器主机与上位机距离较远，RS232 不能满足通信需要，也可不使用遥控器主机，在上位机PC 上使用RS232-485 转接头，通过RS485 直接将遥控器网络与PC 机485 接口相连，利用上位机对遥控器网络直接进行控制。

    4 结语

    本文设计了一款智能空调遥控器。该系统采用只记录红外信号脉冲宽度，不考虑红外编码格式的方式，通过游程编码算法将红外信号压缩后保存到EEPROM 中，并直接利用主控芯片定时器的PWM 模式产生38KHz 的载波，节约了硬件成本，除手动操作外还可以通过上位机对遥控器进行控制，使用方便。

    系统成功实现了对多种空调遥控器的学习与功能再现，操作灵活，性能稳定。本系统还可用于智能家居中，对不同的红外设备进行控制，也可用于远程网络控制，为智能家居及远程监控提供了一种实现方法。