1 引言

在工業控制的許多環境下，不適合操作人員直接控制，例如：高溫、高壓、輻射、粉塵、強酸性、腐蝕性、有毒氣體等。這時，紅外遙控是可行的控制方式。通過這種方式，操作人員能及時采集現場數據，修改控制對象的參數，并發送控制命令，以達到理想的控制效果。紅外遙控通過紅外通信的方式進行控制，具有低功耗、低成本、高可靠性、體積小、結構簡單、避免人身傷害等優點，是一種先進的控制方式，具有廣闊的應用前景。

2 紅外通信原理

紅外通信，即以紅外線作為通信載體，通過紅外光在空中的傳播來傳輸數據的通信方式，它由發射端和接收端來完成。在發射端，發送的數字信號經過適當的調制編碼后，送入電光變換電路，經紅外發射管轉變為紅外光脈沖發射到空中；在接收端，紅外接收器對接收到的紅外光脈沖進行光電變換，解調譯碼后恢復出原信號。

紅外發射端發送數據時，是將待發送的二進制數據調制成一系列的脈沖信號后發射出去。紅外載波為頻率38KHz的方波，采用脈寬調制PWM方式發送，通過待發送二進制數據的“0”或“1”控制兩個脈沖之間的時間間隔，及PWM的占空比。紅外載波既可以通過外圍硬件電路實現，也可以使用單片機內部的定時器的PWM功能實現。

紅外接收端在收到38KHz的載波信號時，會輸出低電平，否則輸出高電平，從而可以將“時斷時續”的紅外光信號解調成一定周期的連續方波信號，經單片機處理，便可以恢復出原數據信號。

3 MSP430單片機簡介

MSP430單片機是TI公司推出的一個新型單片機系列，其主要特點是：超低功耗、16位指令、內置A/D轉換器、串行通信接口、硬件乘法器、 LCD（液晶）驅動器及高抗干擾能力等。因此，MSP430單片機特別適合應用在智能儀表、防盜系統、智能家電、電池供電便攜式設備等產品之中。筆者在開發這款遙控器時，選用的單片機型號是MSP430F413，其性能特點如下：低工作電壓（1.8~3.6V）；超低功耗（工作模式4下耗電僅為 0.1μA）；16位精簡指令結構（RISC）；150ns指令周期；帶有3個捕獲/比較器的16位定時器；片內集成96段LCD驅動器；片內有JTAG 調試接口和FLASH型存儲器，可在線串行編程；開發環境十分方便高效，支持C語言和匯編語言。

4 基于MSP430單片機的紅外遙控器設計

4.1 總體硬件框圖

筆者設計的這款紅外遙控器，不僅能設置控制對象的給定值或控制參數，并通過紅外線發送給對象，而且能接收并顯示對象通過紅外線反饋回的實際值，這是它不同于普通紅外遙控器的地方。因此，實際應用中，紅外遙控器和控制對象上都裝有紅外發送電路和紅外接收電路。紅外遙控器的硬件部分主要包括五個模塊：電源模塊、鍵盤模塊、液晶模塊、紅外發送模塊和紅外接收模塊。總體硬件框圖如圖1所示。由于MSP430、紅外發送模塊和紅外接收模塊都可采用3V電源，所以電源模塊采用兩節1.5V電池供電即可。鍵盤模塊采用4×4行列掃描式鍵盤。液晶模塊由MSP430F413直接驅動。

圖1 總體硬件框圖

4.2 紅外發送模塊

因為發光二極管的發光距離與其發射功率成正比，為了提高發光二極管的發光距離，必須提高它的發射功率，也就是使紅外發光二極管工作于脈沖狀態。可以用兩種方法來實現：一是用硬件方法，即設計脈沖電路來產生占空比盡量小的脈沖載波信號；另一種就是用軟件來控制MSP430F413的輸出端P2.1，讓其輸出即為占空比較小的脈沖信號。

這里利用軟件來實現這個功能。即在需要輸出高電平的時候，讓程序定時把P2.1口輸出狀態反向，其中定時時間是由指令數和指令周期來決定的，每條指令的指令執行周期是固定的，所以如果想讓反向頻率高一些，則讓指令執行的少一些，反之就讓指令多一些。可見輸出信號占空比可以由定時時間的長短來決定，這樣就可以在高電平時輸出占空比盡量小的脈沖信號。因為接收頭對38KHz的光信號轉換能力比較強，所以把高電平的頻率設置為38KHz。在需要輸出低電平的時候，控制P2.1口一直為低就可以了。

紅外發光二極管發射波形如圖3所示。先發一段前導碼，以檢驗這組碼是否為想要的碼。前導碼由一個9ms的高電平和一個4ms的低電平組成。然后再發 32位數據代碼，其中高電平為0.5ms，低電平為0.5ms的一個周期為代碼“0”；高電平為0.5ms，低電平為1.5ms的一個周期為代碼“1”。為了提高發射功率，實際工作時，發光二極管的高電平用38kHz的載波信號載波，低電平則一直為低。

紅外發送程序流程圖如圖4所示。即先發出前導碼，然后再按發出的是‘0’或‘1’來發出不同的數據碼，每發送完一位，就讓碼長計數器num加1，直到num加到32時，發送停止。

圖4紅外發送程序流程圖

圖5紅外接收電路


4.3 紅外接收模塊

紅外接收電路選用Vishay公司生產的專用紅外接收模塊TSOP1838SS3V（以下簡稱1838）。該接收模塊是一個三端元件，使用+3V電源，具有功耗低、抗干擾能力強、輸入靈敏度高、對其它波長（950nm以外）的紅外光不敏感的特點。1838的工作原理為：首先，通過紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38kHz的脈沖調制紅外光信號轉化為電信號，再由前置放大器和自動增益控制電路進行放大處理；然后，通過帶通濾波器進行濾波，濾波后的信號由解調電路進行解調；最后，由輸出級電路進行反向放大輸出。

如圖5所示，1838的Vcc接+3V，GND接地，信號從OUT引腳引出，進入MSP430F413的P2.0口。當1838接收到紅外信號，就會把紅外信號轉換的電平從OUT腳輸出，P2.0口就會產生一個中斷，進入紅外中斷服務程序，進而判斷是什么信號，并且對信號做出反應。

1838輸出的接收波形與發射波形恰好反相，即前導碼是9ms的低電平與4ms的高電平，“0”是0.5ms的低電平與0.5ms的高電平，“1” 是0.5ms的低電平與1.5ms的高電平。因此，在接收程序中，通過比較高電平的脈寬來判斷到底是前導碼，還是“0”或“1”。

圖6是紅外接收中斷程序流程圖。在主程序中，先設置P2.0口為上升沿和下降沿都捕獲，然后中斷允許，進入主循環。一旦P2.0口有電平的跳變即進入中斷程序。在中斷程序中，首先判斷是否上升沿。若是，則上升沿標志置1，并記錄上升沿時刻；否則，說明是下降沿，再判斷上升沿標志是否置1。若是，說明已有上升沿，記錄下降沿時刻，并計算脈寬（脈寬=下降沿時刻—上升沿時刻）；否則，說明這是干擾信號，直接返回。下一步，判斷脈寬的大小。若是起始碼，則起始碼標志置1，記數值n清0。否則，判斷起始碼標志是否置1，若是，判斷是“0”還是“1”，并保存，n加1，判斷n是否大于或等于32，是則將起始碼標志和記數值n清0，保存32位數據，返回；否則直接返回。

5 結束語

在遙控器開發中，紅外發射電路采用紅外發光二極管，用軟件生成38K的載波；紅外接收電路采用專用模塊TSOP1838SS3V；主控制器采用 MSP430F413單片機。經實際測試，遙控器的發射功率約為38mw，發射距離達到8m。遙控器具有低功耗、便攜式、低成本、高可靠性、體積小、結構簡單的特點。

本文作者創新點：本文中的紅外遙控器主要用于現場儀表的控制。目前帶遙控器的現場儀表還非常少，國外也只有SIEMENS公司開發了帶有遙控功能的現場儀表，而國內這種產品幾乎沒有，所以紅外遙控器的開發，可以說走在了國內同類產品的前列，具有很大的市場優勢。而且，通過紅外遙控器的開發和使用，適應了現代社會對控制的要求日益向便攜式、簡單式方向發展的趨勢。

參考文獻

[1] 柏軍，胡屏. 一種用于單片機的紅外串行通信接口. 單片機及嵌入式系統應用, 2003.8

[2] 蔣俊峰. 基于單片機的紅外通訊設計. 電子設計應用，2003.11

[3] 魏小龍. MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例. 北京：北京航空航天大學出版社，2002

[4] 陳茂勇，郭西進. 基于MSP430單片機的智能無功補償控制器的設計. 微計算機信息，2005.5

[5] 馮瑛. 全數字電動調節閥模糊控制系統的研究與開發：[學位論文].長沙：中南大學，2004