第16章 红外通信和DS18B20温度传感器的学习

16.1 红外光的基本原理

红外线是波长介于微波和可见光之间的电磁波，波长在760纳米到1毫米之间，是波形比红光长的非可见光。自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对零度(-273)就存在分子和原子的无规则运动，其表面就会不停的辐射红外线。当然了，虽然是都辐射红外线，但是不同的物体辐射的红外强度是不一样的，而我们正是利用了这一点把红外技术应用到我们实际开发中。

红外发射管很常用，在我们的遥控器上都可以看到，他类似发光二极管，但是他发射出来的是红外光，是我们肉眼所看不到的。第二课我们学过发光二极管会随着电流的增大亮度逐渐增加，同样的道理，红外发射管会随着电流的增大，红外线的强度越来越强，常见的红外发射管如图16-1所示。

图16-1 红外发射管

红外接收管内部带了一个具有红外光敏感特征的PN节，属于光敏二极管，但是它只对红外光有反应。无红外光时，光敏管不导通，有红外光时，光敏管导通形成光电流，并且在一定范围内电流随着红外光的强度的增强而增大。典型的红外接收管如图16-2所示。

图16-2 红外接收管

这种红外发射和接收对管在小车、机器人避障以及红外循迹小车中有所应用，这部分内容在我们的KST-51开发板上并没有实现，但是属于红外部分的内容，所以我提供一个原理图给大家作为学习之用，如图16-3所示。

图16-3 红外避障、循迹原理图

在图16-3这个原理图中，发射控制和接收检测都是接到我们单片机的IO口上。

发射部分：当发射控制输出高电平时，三极管Q1不导通，红外发射管L1不会发、射红外信号；当发射控制输出低电平的时候，通过三极管Q1导通让L1发出红外光。

接收部分：R4是一个电位器，也就是“传说”中的滑动变阻器。我们通过调整这个滑动变阻器给LM393的2脚一个阈值电压，这个电压值大小可以根据实际情况来确定。而红外光敏二极管L2收到红外光的时候，会产生电流，并且随着红外光的从弱变强，电流会从小变大。当没有红外光或者说红外光很弱的时候，3脚的电压就会接近VCC，如果3脚比2脚的电压高的话，通过LM393比较器后，接收检测引脚输出一个高电平。当随着光强变大，电流变大，3脚的电压值等于VCC-I*R3，电压就会越来越小，当小到一定程度，比2脚的电压还小的时候，接收检测引脚就会变为低电平。

这个电路用于避障的时候，发射管先发送红外信号，红外信号会随着传送距离的加大逐渐衰减，如果遇到障碍物，就会形成红外反射。当反射回来的信号比较弱时，光敏二极管L2接收的红外光较弱，比较器LM393的3脚电压高于2脚电压，接收检测引脚输出高电平，说明障碍物比较远；当反射回来的信号比较强，接收检测引脚输出低电平，说明障碍物比较近了。

用于小车循迹的时候，必须要有黑色和白色的轨道。当红外信号发送到黑色轨道时，黑色因为吸光能力比较强，红外信号发送出去后就会被吸收掉，反射部分很微弱。白色轨道就会把大部分红外信号返回来。通常情况下的循迹小车，需要应用多个红外模块同时检测，从多个角度判断轨道，根据判断的结果来调整小车使其按照正常循迹前行。

16.2 红外遥控通信原理

在实际的通信领域，发出来的信号一般有较宽的频谱，而且都是在比较低的频率段分布大量的能量，所以称之为基带信号，这种信号是不适合直接在信道中传输的。为便于传输、提高抗干扰能力和有效的利用带宽，通常需要将信号调制到适合信道和噪声特性的频率范围内进行传输，这就叫做信号调制。在通信系统的接收端要对接收到的信号进行解调，恢复出原来的基带信号。这部分通信原理的内容，大家了解一下即可。如需了解更多可上 51hei.com搜索“红外”会有很多详细的资料.

我们平时用到的红外遥控器里的红外通信，通常是使用38K左右的载波进行调制的，下面我把原理大概给大家介绍一下，了解一下，先看发送部分原理。

调制：就是用待传送信号去控制某个高频信号的幅度、相位、频率等参量变化的过程，即用一个信号去装载另一个信号。比如我们的红外遥控信号要发送的时候，先经过38K调制，如图16-4所示。

图16-4  红外信号调制  

原始信号就是我们要发送的一个数据“0”位或者一位数据“1”位，而所谓38K载波就是频率为38K的方波信号，调制后信号就是最终我们发射出去的波形。我们使用原始信号来控制38K载波，当信号是数据“0”的时候，38K载波毫无保留的全部发送出去，当信号是数据“1”的时候，不发送任何载波信号。

那在原理上，我们如何从电路的角度去实现这个功能呢？如图16-5所示。

图16-5 红外发射原理图

38K载波，我们可以用455K晶振，经过12分频得到37.91K，也可以由时基电路NE555来产生，或者使用单片机的PWM来产生。当信号输出引脚输出高电平时，Q2截止，不管38K载波信号如何控制Q1，右侧的竖向支路都不会导通，红外管L1不会发送任何信息。当信号输出是低电平的时候，那么38K载波就会通过Q1释放出来，在L1上产生38K的载波信号。这里要说明的是，大多数家电遥控器的38K的占空比是1/3，也有1/2的，但是相对少一些。

正常的通信来讲，接收端要首先对信号通过监测、放大、滤波、解调等等一系列电路处理，然后输出基带信号。但是红外通信的一体化接收头HS0038B，已经把这些电路全部集成到一起了，我们只需要把这个电路接上去，就可以直接输出我们所要的基带信号了，如图16-6所示。

图16-6 红外接收原理图

由于红外接收头内部放大器的增益很大，很容易引起干扰，因此在接收头供电引脚上必须加上滤波电容，官方手册给的值是4.7uF，我们这里直接用的10uF，手册里还要求在供电引脚和电源之间串联100欧的电阻，进一步降低干扰。

图16-6所示的电路，用来接收图16-5电路发送出来的波形，当HS0038监测到有38K的红外信号时，就会在OUT引脚输出低电平，当没有38K的时候，OUT引脚就会输出高电平。那我们把OUT引脚接到单片机的IO口上，通过编程，就可以获取红外通信发过来的数据了。

大家想想，OUT引脚输出的数据是不是又恢复成为基带信号数据了呢？那我们单片机在接收这个基带信号数据的时候，如何判断接收到的是什么数据，应该遵循什么协议呢？像我们前边学到的UART、I2C、SPI等通信协议都是基带通信的通信协议，而红外的38K仅仅是对基带信号进行调制解调，让信号更适合在信号中传输。

由于我们的红外调制信号是半双工的，而且同时空间只能允许一个信号源，所以我们红外的基带信号不适合在I2C或者SPI通信协议中进行的，我们前边提到过UART虽然是2条线，但是通信的时候，实际上一条线即可，所以红外可以在UART中进行通信。当然，这个通信也不是没有限制的，比如在HS0038B的数据手册中标明，要想让HS0038B识别到38K的红外信号，那么这个38K的载波必须要大于10个周期，这就限定了我们红外通信的基带信号的比特率必须不能高于3800，那如果把串口输出的信号直接用38K调制的话，波特率也就不能高于3800。当然还有很多其他基带协议可以利用红外来调制，下面我们介绍一种遥控器常用的红外通信协议——NEC协议。

16.3 NEC协议红外遥控器

家电遥控器通信距离往往要求不高，而红外的成本比其他无线设备要低的多，所以家电遥控器应用中红外始终占据着一席之地。遥控器的基带通信协议很多，大概有几十种，常用的就有ITT协议、NEC协议、Sharp协议、Philips RC-5协议、Sony SIRC协议等。用的最多的就是NEC协议了，因此我们KST-51开发板随板的遥控器直接采用NEC协议，我们这节课也以NEC协议标准来讲解一下。

NEC协议的数据格式包括了引导码、用户码、用户码(或者用户码反码)、按键键码和键码反码，最后一个停止位，停止位主要起隔离作用，一般不进行判断，编程时我们也不予理会。其中数据编码总共是4个字节32位，如图16-7所示。第一个字节是用户码，第二个字节可能也是用户码，或者是用户码的反码，具体由生产商决定，第三个字节就是当前按键的键数据码，而第四个字节是键数据码的反码，可用于对数据的纠错。

图16-7 NEC协议数据格式

这个NEC协议，表示数据的方式不像我们之前学过的比如uart那样直观，而是每一位数据本身也需要进行编码，编码后再进行载波调制。

引导码：9ms的载波+4.5ms的空闲。

比特值“0”：560us的载波+560us的空闲。

比特值“1”：560us的载波+1.68ms的空闲。

结合图16-7我们就能看明白了，最前面黑乎乎的一段，是引导码的9ms载波，紧接着是引导码的4.5ms的空闲，而后边的数据码，是众多载波和空闲交叉，它们的长短就由其要传递的具体数据来决定。我们的HS0038B这个红外一体化接收头，当收到有载波的信号的时候，会输出一个低电平，空闲的时候会输出高电平，我们用逻辑分析仪抓出来一个红外按键通过HS0038解码后的图形来了解一下，如图16-8所示。

图16-8 红外遥控器按键编码

从图上可以看出，先是9ms载波加4.5ms空闲的起始码，数据码是低位在前，高位在后，数据码第一个字节是8组560us的载波加560us的空闲，也就是0x00，第二个字节是8组560us的载波加1.68ms的空闲，可以看出来是0xFF，这两个字节就是用户码和用户码的反码。按键的键码二进制是0x0B，反码就是0xF3，最后跟了一个560us载波停止位。对于我们的遥控器来说，不同的按键，就是键码和键码反码的区分，用户码是一样的。这样我们就可以通过单片机的程序，把当前的按键的键码给解出来。

我们前边学习中断的时候，学到51单片机有外部中断0和外部中断1这两个外部中断。我们的红外接收引脚接到了P3.3引脚上，这个引脚的第二功能就是外部中断1。在寄存器TCON中的bit3和bit2这两位，是和外部中断1相关的两位。其中IE1是外部中断标志位，当外部中断发生后，这一位被自动置1，和定时器中断标志位TF相似，进入中断后会自动清零，也可以软件清零。bit2位是设置外部中断类型的，如果bit2位为0，那么只要P3.3为低电平就可以触发中断，如果bit2位为1，那么P3.3从高电平到低电平的下降沿发生才可以触发中断。此外，外部中断1使能位是EX1。那下面我们就把程序写出来，使用数码管把遥控器的用户码和键码显示出来。

Infrared.c文件主要是用来检测红外通信的，当发生外部中断后，进入外部中断，通过定时器1定时，首先对引导码判断，而后对数据码的每个位逐位获取高低电平的时间，从而得知每一位是0还是1，最终把数据码解出来。

/***********************infrared.c文件程序源代码*************************/

#include

sbit IR_INPUT = P3^3;  //红外接收引脚

bit irflag = 0;  //红外接收标志，收到一帧正确数据后置1

unsigned char ircode[4];  //红外代码接收缓冲区

void InitInfrared(void)  //红外功能的初始化函数

{

    TMOD &= 0x0F;  //清零T1的控制位

    TMOD |= 0x10;  //配置T1为模式1

    TR1 = 0;       //停止T1计数

    ET1 = 0;       //禁止T1中断

    IT1 = 1;       //设置INT1为负边沿触发

    EX1 = 1;       //使能INT1中断

}

unsigned int GetHighTime(void)  //获取高电平时间

{

    TH1 = 0;  //清零T1计数初值

    TL1 = 0;

    TR1 = 1;  //启动T1计数

    while (IR_INPUT)  //红外输入引脚为1时循环检测等待，变为0时则结束本循环

    {

        if (TH1 >= 0x40)

        {           //当T1计数值大于0x4000，即高电平持续时间超过约18ms时，

            break;  //强制退出循环，是为了避免信号异常时，程序假死在这里。

        }

    }

    TR1 = 0;  //停止T1计数

    return (TH1*256 + TL1);  //返回T1的计数值

}

unsigned int GetLowTime(void)  //获取低电平时间

{

    TH1 = 0;  //清零T1计数初值

    TL1 = 0;

    TR1 = 1;  //启动T1计数

    while (!IR_INPUT)  //红外输入引脚为0时循环检测等待，变为1时则结束本循环

    {

        if (TH1 >= 0x40)

        {           //当T1计数值大于0x4000，即低电平持续时间超过约18ms时，

            break;  //强制退出循环，是为了避免信号异常时，程序假死在这里。

        }

    }

    TR1 = 0;  //停止T1计数

    return (TH1*256 + TL1);  //返回T1的计数值

}

void EXINT1_ISR() interrupt 2  //INT1中断服务函数，执行红外接收及解码

{

    unsigned char i, j;

    unsigned char byt;

    unsigned int time;

    //接收并判定引导码的9ms低电平

    time = GetLowTime();

    if ((time<7833) || (time>8755))  //时间判定范围为8.5～9.5ms，

    {                                //超过此范围则说明为误码，直接退出

        IE1 = 0;   //退出前清零INT1中断标志

        return;

    }

    //接收并判定引导码的4.5ms高电平

    time = GetHighTime();

    if ((time<3686) || (time>4608))  //时间判定范围为4.0～5.0ms，

    {                                //超过此范围则说明为误码，直接退出

        IE1 = 0;

        return;

    }

    //接收并判定后续的4字节数据

    for (i=0; i<4; i++)  //循环接收4个字节

    {

        for (j=0; j<8; j++)  //循环接收判定每字节的8个bit

        {

            //接收判定每bit的560us低电平

            time = GetLowTime();

            if ((time<313) || (time>718))  //时间判定范围为340～780us，

            {                              //超过此范围则说明为误码，直接退出

                IE1 = 0;

                return;

            }

            //接收每bit高电平时间，判定该bit的值

            time = GetHighTime();

            if ((time>313) && (time<718))  //时间判定范围为340～780us，

            {                              //在此范围内说明该bit值为0

                byt >>= 1;   //因低位在先，所以数据左移，高位为0

            }

            else if ((time>1345) && (time<1751))  //时间判定范围为1460～1900us，

            {                                     //在此范围内说明该bit值为1

                byt >>= 1;   //因低位在先，所以数据左移，

                byt |= 0x80; //高位置1

            }