代码收藏家 51单片机学习笔记-15 红外遥控原理与应用详解
15 红外遥控
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注：笔记主要参考B站江科大自化协教学视频“51单片机入门教程-2020版 程序全程纯手打 从零开始入门”。
注：工程及代码文件放在了本人的Github仓库。
15.1 红外遥控与外部中断
15.1.1 红外遥控器
红外遥控是利用红外光进行通信的设备，由 红外LED 将调制后的信号发出，由专用的红外接收头进行解调输出。
通信方式：单工，异步 红外LED波长：940nm（还有一种850nm的可以微微看见红光） 通信协议标准：NEC标准
图15-1 红外遥控实物图
图15-2 红外发射和接收原理图
对于红外发射电路来说，要发送的信号应该调制在一定的载频上，才能使得红外接收模块从自然界中识别出遥控器所发出的信号。要实现这个目的，本质上可以采用方式一进行硬件调制，此时输出的红外LED在IN输出高电平时不导通，而在IN输出低电平时，以38kHz的频率闪烁，从而有区别于自然光。软件调制则是提前将IN调制好再进行发送。
而红外接收时，则要完成一系列负载的解调、滤波工作，这些器件集成在红外接收头中，无需关心。最后输出的信号OUT与原来发送的信号IN一致。如下图所示：
图15-3 红外调制解调示意图
注意若没有接收到信号，接收端默认输出高电平；接收到信号才输出低电平。行业内默认空闲信号高电平。
空闲状态：红外LED不亮，接收头输出高电平 发送低电平：红外LED以38KHz频率闪烁发光，接收头输出低电平 发送高电平：红外LED不亮，接收头输出高电平
15.1.2 NEC编码协议
上面介绍了最底层的物理层，已经集成好所以不需要过多关心。对于要发送的数据来说，红外遥控器主要采用NEC编码。
图15-4 NEC编码示意图
可以看到上述一个完整的数据帧包括4个字节的数据（反码主要用于数据验证），并且由以下三个部分组成：
- Start起始位：红色部分。
- DATA数据部分：蓝色部分。低位在前，高位在后。 注意发送0/1的区别主要在于高电平持续时间，并且在这一部分已经发送完成所有的32位信息。最后一个下降沿发送完成后，持续560us拉高结束。
- Repeat重复标志：绿色部分。如果按下按键不松手，就会重复发送该标志。最后的下降沿完成后，也是持续560us的低电平，然后拉高结束。
上述32位数据中，后发送的16位“命令”，指的就是遥控器的键码值，如下图：
图15-5 红外遥控键码
15.1.3 外部中断
由于红外遥控发送信号的速度很快（几十ms），如果采用单片机内部中断，很可能会遗漏信号，此时就需要 外部中断 实时的采集信号。回顾之前所学，STC89C52有4个外部中断，但是单片机只引出了2个外部中断（P3.2/P3.3）。这些外部中断有两种触发方式：下降沿触发和低电平触发。根据NEC编码协议，显然需要 下降沿触发。
// 中断后，就执行下面这些中断子程序
void Int0_Routine(void) interrupt 0 { 函数体 }
void Timer0_Routine(void) interrupt 1 { 函数体 }
void Int1_Routine(void) interrupt 2 { 函数体 }
void Timer1_Rountine(void) interrupt 3 { 函数体 }
void UART_Routine(void) interrupt 4 { 函数体 }
void Timer2_Routine(void) interrupt 5 { 函数体 }
void Int2_Routine(void) interrupt 6 { 函数体 }
void Int3_Routine(void) interrupt 7 { 函数体 }
图15-5 STC89C52上的外部中断
15.2 实验：红外遥控基本应用
需求：使用红外遥控发射信号，并将接收到的结果显示在LCD液晶屏上：
LCD第一行显示“ADDR COMD NUM”。 LCD第二行依次显示红外遥控的地址码、键码、音量按键（VOL+/VOL-）计数变量num。对于这个num，按下VOL+加1，按下VOL-则减一，要是一直按着不松手，那就快速增加/减小。 下面是初始化外部中断的一个小参考：
图15-6 简化的STC89C42中断系统结构图
整个程序使用了状态机。注意和FPGA中的单片机不太一样的是，所有的判断过程都是在外部中断（下降沿）来临时产生的，所以系统在执行判断语句的时候，目前的波形早就过去了。简单一句话，FPGA所有的信号等着你判断完才运行，所以要注意实时性；单片机中实际信号在你判断的时候已经过去了，有错位。并且状态机是在外部中断0的中断函数中完成的，这个中断函数放在HS0038.c文件中。
图15-7 红外遥控状态机
图15-7 “红外遥控”代码调用
代码展示：
– main.c
#include <REGX52.H>
#include "LCD1602.h"
#include "HS0038.h"
void main(){
unsigned char IR_addr, IR_comd, num=0x00;
//LCD初始化
LCD1602_Init();
LCD1602_DispString(1,1,"ADDR COMD VOL");
LCD1602_DispString(2,1," 00 00 000");
//红外接收初始化
HS0038_Init();
P2_0 = 1;
while(1){
if(HS0038_GetReadFlag() || HS0038_GetRepeFlag()){
IR_addr = HS0038_GetAddress();
IR_comd = HS0038_GetCommand();
//更新显示
if (IR_comd==HS_VOL_MINUS && num>0){num--;}
else if(IR_comd==HS_VOL_ADD && num<255){num++;}
LCD1602_DispUnInt_Hex(2,3,IR_addr,2);
LCD1602_DispUnInt_Hex(2,8,IR_comd,2);
LCD1602_DispUnInt(2,11,num,3);
}
}
}
HS0038.h
#ifndef __HS0038_H__
#define __HS0038_H__
#define HS_POWER 0x45
#define HS_MODE 0x46
#define HS_MUTE 0x47
#define HS_START_STOP 0x44
#define HS_PREVIOUS 0x40
#define HS_NEXT 0x43
#define HS_EQ 0x07
#define HS_VOL_MINUS 0x15
#define HS_VOL_ADD 0x09
#define HS_0 0x16
#define HS_RPT 0x19
#define HS_USD 0x0D
#define HS_1 0x0C
#define HS_2 0x18
#define HS_3 0x5E
#define HS_4 0x08
#define HS_5 0x1C
#define HS_6 0x5A
#define HS_7 0x42
#define HS_8 0x52
#define HS_9 0x4A
void HS0038_Init(void);//红外接收初始化
unsigned char HS0038_GetReadFlag(void);//是否已经接收完红外数据
unsigned char HS0038_GetRepeFlag(void);//是否接收到重复数据
unsigned char HS0038_GetAddress(void);//读取地址码
unsigned char HS0038_GetCommand(void);//读取命名码（键码）
#endif
HS0038.c
#include <REGX52.H>
#include "Timer0.h"
#include "Int0.h"
static unsigned char state = 0; //状态变量
static unsigned int time_count = 0; //存储定时器T0计数值
static unsigned char rdata[4]; //存储接收的数据
static unsigned char ReadFlag = 0; //是否有新数据
static unsigned char RepeFlag = 0; //是否重复发送信号
//红外接收初始化
void HS0038_Init(void){
Timer0_CountInit();//计数器0初始化
Int0_Init(); //外部中断0初始化
}
//是否已经接收完红外数据
unsigned char HS0038_GetReadFlag(void){
if(ReadFlag){
ReadFlag = 0;
return 1;
}
else{
return 0;
}
}
//是否接收到重复数据
unsigned char HS0038_GetRepeFlag(void){
if(RepeFlag){
RepeFlag = 0;
return 1;
}
else{
return 0;
}
}
//读取地址码
unsigned char HS0038_GetAddress(void){
return rdata[0];
}
//读取命名码（键码）
unsigned char HS0038_GetCommand(void){
return rdata[2];
}
//外部中断0中断后所需要执行的函数
void Int0_Routine(void) interrupt 0 {
static unsigned char i=0;//循环变量
//空闲状态
if(state==0){
Timer0_SetCounter(0x0000);
Timer0_Run(1);//计时器T0开始工作
state = 1;
}
//判断状态
else if(state==1){
time_count = Timer0_GetCounter();
Timer0_SetCounter(0x0000);
//起始位Start
if(time_count>12442-500 && time_count<12442+500){
i = 0;
rdata[0] = 0x00;
rdata[1] = 0x00;
rdata[2] = 0x00;
rdata[3] = 0x00;
state = 2;
}
//重复位Repeat
else if(time_count>10368-500 && time_count<10368+500){
RepeFlag = 1;
state = 0;
}
//其他未知状态
else{state = 0;}
}
//接收数据的状态
else if(state==2){
time_count = Timer0_GetCounter();
Timer0_SetCounter(0x0000);
//接收到0
if(time_count>1032-500 && time_count<1032+500){
rdata[i/8] &= ~(0x01<<(i%8));
}
//接收到1
else if(time_count>2074-500 && time_count<2074+500){
rdata[i/8] |= (0x01<<(i%8));
}
//接收到非0非1
else{
i=0;
state = 0;
}
//判断数据是否接收完成
if(i>=31){
i=0;
//判断接收是否正确
if((rdata[0]==~rdata[1]) && (rdata[2]==~rdata[3])){
ReadFlag = 1;
}else{
ReadFlag = 0;
}
Timer0_Run(0);//计时器T0停止工作
state = 0;
}else{
i++;
state = state;
}
}
}
Int0.h
#ifndef __INT0_H__
#define __INT0_H__
//外部中断0的初始化函数
void Int0_Init(void){
IT0 = 1;//下降沿触发
IE0 = 0;//默认没有触发中断请求
EX0 = 1;//允许外部中断0中断
EA = 1;//全局中断允许
PX0 = 1;//提升外部中断0的优先级
}
/*中断函数模板
//外部中断0中断后所需要执行的函数
void Int0_Routine(void) interrupt 0 {
}
*/
#endif
Timer0.h
#ifndef __TIMER0_H__
#define __TIMER0_H__
//下面的函数实现正常计数中断
void Timer0_Init(void);//定时器0正常初始化
//下面的函数是为了实现计数的功能，不能中断
void Timer0_CountInit(void);//定时器0计数初始化
void Timer0_SetCounter(unsigned int num_count);//设置计数器0当前的值
unsigned int Timer0_GetCounter(void);//读取计数器0当前的值
void Timer0_Run(unsigned char run_flag);//计数器0是否运行（1/0）
#endif
Timer0.c
#include <REGX52.H>
//下面的函数实现正常计数中断
/*******************************************/
/**
* @brief :对定时器0进行初始化，初始化完成后定时器0即可正常工作。
* 注：对11.0592MHz进行12分频（脉冲周期1.0850694us）。
* 注：配置过程中，由于掉电复位后中断都默认不开启，所以只需配置定时器0
* 相关的寄存器即可，不要定义其他中断的寄存器，以保证程序的复用性。
*/
void Timer0_Init(void){
// 配置定时器T0的相关寄存器
TMOD&=0xf0; TMOD|=0x01; // 选择T0的GATE=0/允许计数/模式1
// 上面这个方法目的是不干扰高四位，对低四位先清零再加值。
TF0 = 0; TR0 = 1; // 溢出标志位清空，运行控制位置1
TH0 = 0xfc; TL0 = 0x66; // 离溢出近似1ms
// 注：上面这个初值只在第一次溢出生效，后面都是从0开始计数。
// 配置中断寄存器
EA = 1; ET0 = 1; // 不屏蔽所有中断，允许T0溢出中断
PT0 = 0; // T0优先级保持默认，不写这句话也可以
}
/*中断函数模板
// 定义定时器T0中断后要执行的动作
void Timer0_Routine(void) interrupt 1{
static unsigned int count_T0; //中断次数
count_T0++; //更新中断次数
TH0 = 0xfc; TL0 = 0x66; // 恢复溢出周期，近似1ms
if(count_T0>500){
count_T0 = 0;
}
}
*/
/*******************************************/
//下面的函数是为了实现计数的功能，不能中断
/*******************************************/
/**
* @brief :对定时器0进行初始化计数配置，不中断，默认不工作。
* 注：对11.0592MHz进行12分频（脉冲周期1.0850694us）。
*/
void Timer0_CountInit(void){
// 配置定时器T0的相关寄存器
TMOD&=0xf0; TMOD|=0x01; //选择T0的GATE=0/允许计数/模式1
TF0 = 0; //溢出标志位清空
TR0 = 0; //运行控制位置0，先不工作
TH0 = 0;
TL0 = 0;
// 配置中断寄存器
ET0 = 0; //不允许T0溢出中断
}
//设置计数器0当前的值
void Timer0_SetCounter(unsigned int num_count){
TH0 = num_count%256;
TL0 = num_count/256;
}
//读取计数器0当前的值
unsigned int Timer0_GetCounter(void){
unsigned int cur_counter=0;
cur_counter = TH0*256 + TL0;
return cur_counter;
}
//计数器0是否运行（1/0）
void Timer0_Run(unsigned char run_flag){
TR0 = run_flag;
}
/*******************************************/
编程感想：
- 验证外部中断初始化的小技巧：由于外部中断的引脚与按键开关的引脚相同，所以通过检测按下按键的次数，就可以实现对外部中断是否完成初始化进行验证。
- 一般不使用外部中断进行按键检测。因为有可能会收到按键抖动的影响，并且也无法做到上升沿检测。
- 关于检测高电平持续时间：由于只用到了外部中断0的下降沿触发，所以实际上测量的是整个周期的时间长度。当然，定时器计数也存在误差，所以定时器判断可以设定为经典值左右500us。
注：Start-13500us、Data0-1120us、Data1-2250us、Repeat-11250us。
转换到11.0592MHz晶振，对应关系为Start-12442周期、Data0-1032周期、Data1-2074周期、Repeat-10368周期。
- 关于移位：Keil中移位16位以上就不再正确。 所以单次发送的32位数据可以考虑用数组
unsigned char Data[4]来进行存储。- 卡了很久的bug：注意移位默认填进来的是0，左移不能疏忽！ 如果接收到0，应该写
rdata[i/8] &= ~(0x01<<(i%8));，而不能写rdata[i/8] &= (0xfe<<(i%8));。- 关于灵敏度。有时候按着按着就不灵敏了，过一段时间又好了。这种现象非常奇怪，后来我觉得应该是这个红外遥控抗干扰能力太弱了。如果用手捂着遥控和接收器，会发现其实还挺灵敏的。
15.3 红外遥控电机调速
需求：在之前“直流电机调速”的基础上，使用数码管显示直流电机当前转速，并使用红外遥控的0、1、2、3、4控制5档转速。直流电机转速等级：Stop、40%、50%、75%、100%。
数码管的显示可以为：00、40、50、75、100。 注：综合考虑程序效率和硬件效果，由于要设置PWM周期为100个定时器中断，且PWM调速频率应在10kHz量级，于是尽量调低定时器中断周期，最后设置为100us。
图15-8 “红外遥控直流电机转速”代码调用
代码如下：
– main.c
#include <REGX52.H>
#include "DC_Motor.h"
#include "HS0038.h"
void main(){
unsigned char command=0;//红外接收的命令（键码）
unsigned char speed_index=0;//转速等级索引
unsigned char speed_motor[5] = {0,40,50,75,100};
//电机初始化
DC_Motor_Init();
//红外接收初始化
HS0038_Init();
while(1){
if(HS0038_GetReadFlag() || HS0038_GetRepeFlag()){
command = HS0038_GetCommand();
switch(command){
case 0x16: speed_index=0; break;
case HS_1: speed_index=1; break;
case HS_2: speed_index=2; break;
case HS_3: speed_index=3; break;
case HS_4: speed_index=4; break;
default:;
}
//调整PWM占空比（转速）
DC_Motor_SetSpeed(speed_motor[speed_index]);
}
}
}
– DC_Motor.h
#ifndef __DC_MOTOR_H__
#define __DC_MOTOR_H__
//电机初始化（主要是对PWM初始化）
void DC_Motor_Init(void);
//调节电机（PWM）占空比
void DC_Motor_SetSpeed(unsigned char speed);
#endif
– DC_Motor.c
#include "Timer1.h"
#include "NixieTube.h"
#define motor P1_0
unsigned int PWM_Peri = 100;
unsigned int PWM_Duty = 0;
//电机初始化（主要是对PWM初始化）
void DC_Motor_Init(void){
//初始化定时器
Timer1_Init();
}
//调节电机（PWM）占空比
void DC_Motor_SetSpeed(unsigned char speed){
unsigned char hunds,tens,ones;
PWM_Duty = speed;
ones = speed%10; speed = speed/10;
tens = speed%10; speed = speed/10;
hunds = speed%10;
if(hunds==0){hunds = 10;}//如果百位是0，那数码管就不显示
//数码管更新显示转速等级
NixieTube_SetBuf(8,hunds);
NixieTube_SetBuf(7,tens);
NixieTube_SetBuf(6,ones);
}
/**********************************************/
// 定义定时器T1中断后要执行的动作
void Timer1_Routine() interrupt 3{
static unsigned int count1_T1,count2_T1; //中断次数
TH1 = 0xFF; TL1 = 0xA4; // 恢复溢出周期，近似100us
//对于PWM所需的中断
count1_T1++; //更新中断次数
if(count1_T1>PWM_Peri){
count1_T1 = 0;
}else{
if(count1_T1<PWM_Duty){motor=1;}//电机运行
else {motor=0;}//电机不运行
}
//数码管扫描所需的中断
count2_T1++; //更新中断次数
if(count2_T1>2){
count2_T1 = 0;
NixieTube_Loop();
}
}
– Timer1.h
#ifndef __TIMER1_H__
#define __TIMER1_H__
#include <REGX52.H>
/**
* @brief :对定时器1进行初始化，使定时器1计数、中断。
* 注：对11.0592MHz进行12分频（脉冲周期1.0850694us）。
*/
void Timer1_Init(){
// 配置定时器T1的相关寄存器
TMOD&=0x0f; TMOD|=0x10; // 选择T1的GATE=0/允许计数/模式1
TF1 = 0; TR1 = 1; // 溢出标志位清空，运行控制位置1
TH1 = 0xfc; TL1 = 0x66; // 离溢出近似1ms
// 配置中断寄存器
EA = 1; ET1 = 1; // 不屏蔽所有中断，允许T0溢出中断
PT1 = 0; // T1优先级保持默认，不写这句话也可以
}
/*中断函数模板
// 定义定时器T0中断后要执行的动作
void Timer1_Routine() interrupt 3{
static unsigned int count_T1; //中断次数
count_T1++; //更新中断次数
TH1 = 0xfc; TL1 = 0x66; // 恢复溢出周期，近似1ms
if(count_T1>500){
count_T1 = 0;
}
}
*/
#endif
– NixieTube.h
#ifndef __NIXIETUBE_H__
#define __NIXIETUBE_H__
//改变数码管数据缓冲区的数值
void NixieTube_SetBuf(unsigned char index,unsigned char num);
//在指定数码管显示指定的数字
void NixieTube_Signle(unsigned char led, unsigned char num);
//定时器中断函数执行的数码管扫描函数
void NixieTube_Loop(void);
#endif
– NixieTube.c
#include <REGX52.H>
//重新命名端口信号
#define Nixie_posi P2
#define Nixie_info P0
// 数据缓冲区，注意每个数字显示的范围就是0~9
unsigned char NixieTube_buf[8] = {10,10,10,10,10,10,10,10};
// 给出数字0~9的定义（符合数组的索引），最后两个依次表示不显示/显示横杠
unsigned char NixieTube_number[12] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0x40};
/**
* @brief :改变数码管数据缓冲区的数值。
* @param :index索引1~8，num数值0~11(10表示不显示，11表示横杠)
* @retval :无
*/
void NixieTube_SetBuf(unsigned char index,unsigned char num){
NixieTube_buf[index-1] = num;
}
/**
* @brief :在指定数码管显示指定的数字。
* @param :led片选信号0~7，num表示显示的索引0~11
* @retval :无。
*/
void NixieTube_Signle(unsigned char led, unsigned char num){
// 给出选择的LED1~LED8的定义（实际上只用P2的2/3/4引脚）
unsigned char sel_led[8] = {0x00,0x04,0x08,0x0c,0x10,0x14,0x18,0x1c};
Nixie_info = 0x00; // 数码管不显示，消影
Nixie_posi = sel_led[led]; // 选择数码管：LED1
Nixie_info = NixieTube_number[num]; // 数码管显示
}
//定时器中断函数执行的数码管扫描函数，每次只扫描一个数码管
void NixieTube_Loop(void){
static unsigned char i=0;
NixieTube_Signle(i,NixieTube_buf[i]);
i++;
if(i>=8){i=0;}
}
HS0038.h、HS0038.c、Int0.h、Timer0.h、Timer0.c 均与上一个实验相同。
编程感想：
- 卡了很久的bug：红外初始化时，使用了原来的定时器T0初始化函数（允许T0中断），而不是最新的初始化函数（只允许T0计数而不能中断）。导致按下红外之后，整个系统没什么现象。
- 关于电力资源。在找上述bug的过程中，使用LCD显示屏查看中间变量，最后调试完成。然后拆下LCD1602硬件（此时还保留着代码中使用LCD显示变量的语句）运行程序，会发现每次按下按键的时候，数码管会整体闪烁出“噪点”；当把代码中关于LCD1602的一切删除干净后，所有系统都可以正常工作，数码管也不会出现噪点。结论就是：LCD显示的过程会占用很多引脚资源/功率资源，导致数码管/红外接收等其他元器件工作不灵敏。
