Разработка устройства ИК-дистанционного управления на канале RC-5 для акустической системы 5.1

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Тема: Разработка устройства ИК-дистанционного управления на канале RC-5 для акустической системы 5.1

Студент Шумелкин И.А.

Группа 11ТОРр091

Специальность 210 308 Техническое обслуживание и ремонт радиоэлектронной техники Руководитель Захаров А.И.

Введение

Микропроцессоры и производные от них — микроконтроллеры — являются широко распространенным и при этом незаметным элементом инфраструктуры современного общества, основанного на электронике и коммуникациях. Исследования, проведенные в 2008 году, показали, что в каждом доме незаметно для нас «живет» около 100 микроконтроллеров и микропроцессоров. Они присутствуют буквально всюду: в звуковых открытках, стиральных машинах, микроволновых печах, телевизорах, телефонах, персональных компьютерах и разных других устройствах. Даже в самом обыкновенном автомобиле скрывается более двадцати таких элементов, где они, в частности, контролируют состояние беспроводных датчиков давления в шинах и отображают критичные данные.

Каждый год продается около четырех миллиардов подобных изделий, предназначенных для реализации «мозгов» разнообразных «умных» устройств, начиная от интеллектуальных таймеров для яйцеварок и заканчивая системами управления самолетом. Эволюция микропроцессоров, первые из которых были выпущены компанией Intel в далеком 1971 году, привела к коренному изменению структуры общества, спровоцировав в начале XXI века вторую промышленную революцию. Несмотря на то, что микропроцессоры, являясь основным компонентом вездесущих ПК, известны лучше, объем продаж различных микропроцессоров, таких как Intel Pentium, составляет всего около 2% от общего объема продаж подобных устройств. Подавляющее же большинство продаж приходится на дешевые микроконтроллеры, встраиваемые в специализированные электронные устройства, такие как смарт-карты. Причем если основной задачей микропроцессоров является обеспечение собственно вычислительной мощности, то во втором случае акцент смещается в сторону объединения на одном кристалле центрального процессора, памяти и устройств ввода/вывода. Такая интегрированная вычислительная система называется микроконтроллером.

В современных телевизорах также применяются микроконтроллеры и в основном они применяются для дистанционного управления, регулировки на расстоянии переключением каналов, громкостью, яркостью и еще рядом других функций. Дистанционное управление перешло и на аудиотехнику. Сейчас промышленностью выпускается всевозможное множество систем дистанционного управления. Они отличаются по принципу, по сложности, объему выполняемых функций. Сейчас уже невозможно представить, как бы выглядел пульт дистанционного управления телевизора, если бы он был собран на транзисторах, какую батарею питания пришлось бы носить с собой, чтобы питать этот пульт?

Тема курсовой работы — «Разработка ИК пульта и приемника дистанционного управления», которая будет являться предметом исследования.

Цель работы — разработать ИК пульт и приемник дистанционного управления для какого-либо устройства (управление освещением, двигателем, телевизором и т. д.), который бы отличался от выпускаемых промышленностью своей новизной и ценой.

Актуальность данной разработки огромная, т.к. каждый день почти каждый человек соприкасается с «ленивчиком», как его прозвали в народе.

Разработку пульта и приемника ИК управления разобьём на этапы:

— изучим теоретические вопросы, связанные с разработкой устройств на микроконтроллерах, в частности с разработкой ИК пультов и приемников для дистанционного управления;

— практически разработаем схему ИК передатчика (пульта) и приемника для дистанционного управления устройством.

1. Теоретические основы разработки

1.1 Пульт дистанционного управления на ИК лучах Пульт ДУ (ПДУ, пульт дистанционного управления, RCU, remote control unit) — электронное устройство для удалённого (дистанционного) управления другим электронным устройством на расстоянии. Существуют как в автономном, так и в (гораздо реже) неавтономном (проводном) вариантах. Конструктивно — обычно небольшая коробка, содержащая в себе электронную схему, кнопки управления и источник автономного питания.

ПДУ применяются для управления системами и механизмами на мобильных объектах (самолёты, космические корабли, суда и т. д.), управления производственными процессами, системами связи, военными объектами. Также широко используются для дистанционного управления телевизорами, музыкальными центрами, аудиои видеопроигрывателями, другой бытовой электронной аппаратурой (посылка команд переключения телеканалов, звуковых дорожек, управления громкостью и т. п.). Бытовой ПДУ представляет собой небольшое устройство с кнопками, питающееся от батареек и посылающее команды посредством инфракрасного излучения. Большинство образцов современной бытовой электроники содержат ограниченный набор средств управления на своем корпусе и полный набор на пульте ДУ.

Рисунок 1.1 — Различные пульты для бытовых приборов

Своеобразные пульты ДУ бывают у автомобильных сигнализаций и некоторых цифровых фотоаппаратов. Бывают также пульты ДУ для управления роботами, авиамоделями и др.(Рисунок 1.1).

1.2 История дистанционного управления Один из самых ранних образцов устройств для дистанционного управления придумал и запатентовал Никола Тесла в 1893 году.

В 1903 году испанский инженер и математик Leonardo Torres Quevedo представил в Парижской академии наук Telekino — устройство, представлявшее собой робота, выполняющего команды, переданные посредством электромагнитных волн. В том же году он получил патенты во Франции, Испании, Великобритании и США. В 1906 году в порту Бильбао в присутствии короля и большого сборища зрителей Torres представил своё изобретение, управляя лодкой с корабля. Позже он пробовал приспособить Telekino для снарядов и торпед, но прекратил проект из-за недостатка средств.

Первая дистанционно управляемая модель аэроплана была запущена в 1932 году. Затем над использованием дистанционного управления в военных целях усиленно работали во время Второй мировой войне, например в проекте немецкой ракеты земля-воздух Вассерфаль.

Первый пульт ДУ для управления телевизором был разработан американской компанией Zenith Radio Corporation в начала 1950;х. Он был соединён с телевизором кабелем. В 1955 году был разработан беспроводной пульт Flashmatic, основанный на посылании луча света в направлении фотоэлемента. К сожалению, фотоэлемент не мог отличить свет из пульта от света из других источников. Кроме того, требовалось направлять пульт точно на приёмник.

В 1956 году американец австрийского происхождения Роберт Адлер разработал беспроводной пульт Zenith Space Commander. Он был механическим и использовал ультразвук для задания канала и громкости. Когда пользователь нажимал кнопку, она щёлкала и ударяла пластину. Каждая пластина извлекала шум разной частоты, и схемы телевизора распознавали этот шум. Изобретение транзистора сделало возможным производство дешёвых электрических пультов, которые содержат пьезоэлектрический кристалл, питающийся электрическим током и колеблющийся с частотой, превышающей верхний предел слуха человека (хотя слышимой собаками). Приёмник содержал микрофон, подсоединённый к схеме, настроенной на ту же частоту. Некоторыми проблемами этого способа были возможность приёмника сработать от естественного шума и то, что некоторые люди, особенно молодые женщины, могли слышать пронзительные ультразвуковые сигналы. Был даже случай, когда игрушечный ксилофон мог переключать каналы на телевизорах этого типа, потому что некоторые обертоны ксилофона совпадали по частоте с сигналами пульта.

В 1974 г. фирмы GRUNDIG и MAGNAVOX выпустили первый цветной телевизор с микропроцессором управления на ИК-лучах. Телевизор имел экранную индикацию (OSD) — в углу экрана отображался номера канала.

Толчок к появлению более сложных типов пультов ДУ появился в конце 1970;х, когда компанией Би-би-си был разработан телетекст. Большинство продаваемых пультов ДУ в то время имели ограниченный набор функций, иногда только четыре: следующий канал, предыдущий канал, увеличить или уменьшить громкость. Эти пульты не отвечали нуждам телетекста, где страницы были пронумерованы трёхзначными числами. Пульт, позволяющий выбирать страницу телетекста, должен был иметь кнопки для цифр от 0 до 9, другие управляющие кнопки, например для переключения между текстом и изображением, а также обычные телевизионные кнопки для громкости, каналов, яркости, цветности. Первые телевизоры с телетекстом имели проводные пульты для выбора страниц телетекста, но рост использования телетекста показал необходимость в беспроводных устройствах. И инженеры Би-Би-Си начали переговоры с производителями телевизоров, что привело в 1977—1978 к появлению опытных образцов, имевших гораздо больший набор функций. Одной из компаний была ITT, её именем был позже назван протокол инфракрасной связи.

В 1980;х Стивен Возняк из компании Apple основал компанию CL9. Целью компании было создание пульта ДУ, который мог бы управлять несколькими электронными устройствами. Осенью 1987 года был представлен модуль CORE. Его преимуществом была возможность «обучаться» сигналам от разных устройств. Он также имел возможность выполнять определённые функции в назначенное время благодаря встроенным часам. Так же это был первый пульт, который мог быть подключён к компьютеру и загружен обновлённым программным кодом. CORE не оказал большого влияния на рынок. Для среднего пользователя было слишком сложно программировать его, но он получил восторженные отзывы от людей, которые смогли разобраться с его программированием. Названные препятствия привели к роспуску CL9, но один из её работников продолжил дело под маркой Celadon.

К началу 2000;х количество бытовых электроприборов резко возросло. Для управления домашним кинотеатром может потребоваться пять—шесть пультов: от спутникового приёмника, видеомагнитофона, DVD-проигрывателя, телевизионного и звукового усилителя. Некоторые из них требуется использовать друг за другом, и, из-за разобщённости систем управления, это становится обременительным. Многие специалисты, включая известного специалиста и изобретателя современного пульта ДУ Роберта Адлера, отмечают сколь запутанно и неуклюже использование нескольких пультов.

Появление КПК с инфракрасным портом позволило создавать универсальные пульты ДУ с программируемым управлением. Однако в силу высокой стоимости этот метод не стал слишком распространён. Не стали широко распространёнными и специальные универсальные обучаемые пульты управления в силу относительной сложности программирования и использования. Так же возможно использование некоторых мобильных телефонов для дистанционного управления (по каналу Bluetooth) персональным компьютером.

1.3 Каналы связи для дистанционного управления

— Проводной канал — используется там, где нет возможности применить беспроводные каналы, например, из-за отсутствия прямой видимости, наличия экранировки, соображений секретности и т. д., главным образом для управления системами мобильных объектов, оборудованием производственных объектов, лабораторий, или специальных объектов (военного и другого назначения)

— Радиоканал — используется, главным образом, для управления мобильными объектами — радиоуправляемыми спортивными моделями и игрушками, оборудованием для чрезвычайных ситуаций (роботы и т. д.), беспилотными летательными аппаратами, военными мобильными объектами

— Ультразвуковой канал — используется редко, для управления мобильными и стационарными объектами на сравнительно небольшом расстоянии

— Инфракрасный канал — используется, как правило, для бытовой электроники

1.4 Протокол RC-5

При проектировании ИК пульта и приемника для дистанционного управления мы будем использовать протокол RC-5, поэтому кратко рассмотрим, что это такое и как оно работает.

В протоколе RC5, тут кодирование информации осуществляется не длительностью импульса. Такой способ кодирования информации называется еще манчестерским. RC5 посылка на выходе интегрального приёмника TSOP36, который на выходе фильтрует несущую частоту 36кГц (Рисунок 1.2):

Рисунок 1.2 — Временное распределение протокола RC-5

Длительность посылки в протоколе RC5 составляет — 24.9мс, а период повторения — 114мс. Посылка состоит из 14бит. Первые два бита в посылке (S1 и S2) это стартовые биты они всегда должны быть равны 1. Третий бит (Т) это бит триггера, он меняет состояние каждый раз, когда на пульте нажимается кнопка. Служит для отличия многократного нажатия кнопки на пульте. После бита триггера идут 5 бит адреса устройства. Далее идут 6 бит самой команды.

Протокол передачи данных RC-5 имеет следующий формат (Рисунок 1.3):

Команды передаются пакетами. Каждый пакет содержит 14 бит:

SB (start bit) — два стартовых бита (всегда равны 1)

TB (toggle bit) — управляющий бит. Используется как признак нового нажатия. (Если удерживать кнопку пульта нажатой, то в первом пакете этот бит будет равен 1, а в последующих 0).

S4, S3, S2, S1, S0 (system bits) — пять битов адреса, определяющих номер системы, для которой данный пакет предназначен.

C5, C4, C3, C2, C1, C0 (command bits) — собственно биты, кодирующие определенную команду.

Длина одного пакета составляет 24,889 миллисекунд. Минимальная пауза между пакетами равна по длине 50 битам (88,889 миллисекунд) (Рисунок 1.3)

Рисунок 1.3 — Формат протокола передачи данных RC-5

Рисунок 1.4 — Временные интервалы передачи сигналов протокола RC-5

2. Разработка ИК пульта и приемника дистанционного управления

2.1 Разработка структурной схемы устройства Разработаем структурную схему ИК пульта (Рисунок 2.1) и приемника (Рисунок 2.2) дистанционного управления.

Функциональная спецификация ИК пульта дистанционного управления:

1) Входы:

— 4 кнопки выбора функций (SВ1-SВ4);

— Электропитание МК.

Рисунок 2.1 — Структурная схема ИК пульта дистанционного управления Рисунок 2.2 — Структурная схема ИК приемника дистанционного управления

2) Выходы:

— ИК излучатель.

3) Функции:

— Запись кодированного сигнала в память, при нажатии на одну из кнопок SВ1-SВ4;

— Вывод кодированной информации на ИКИ (инфракрасный излучатель) с МК;

— Осуществление электропитания МК от внутреннего источника питания (ИП).

Функциональная спецификация ИК приемника дистанционного управления:

1) Входы:

— Передача в МК закодированных сигналов от ИКП (ИК приемника)

— Электропитание МК и ключей управления (Кл1-Кл4)

2) Выходы:

— Сигнал управления от МК на соответствующий ключ (Кл1-Кл4);

— Подача импульсов управления от ключа на исполнительные устройства (ИУ1-ИУ4).

3) Функции:

— Прием ИКП закодированных сигналов и передача их на вход МК;

— МК, раскодировав сигналы, передает импульсы управления на ключи Кл1-Кл4;

— При срабатывании определенного ключа напряжение питания подается на исполнительные устройства (светодиоды, реле, лампы накаливания и т. д.);

— Электропитание МК и ключей осуществляется либо от автономного источника питания, либо от селевого (ИП).

2.2 Разработка алгоритма управления Алгоритм работы ИК пульта дистанционного управления (Рисунок 2.3):

Рисунок 2.3 — Основная программа работы ИК пульта дистанционного управления

Алгоритм передачи пакета ИК пультом дистанционного управления изобразим на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 — Алгоритм передачи пакета ИК пультом дистанционного управления Алгоритм работы ИК приемника дистанционного управления изображен на рисунке 2.5, а алгоритм программы обработки прерывания ИК приемника дистанционного управления на рисунке 2.6.

Основные идеи алгоритма:

1) Выход ILMS1836 — инвертированный, т. е. когда принимается «1» — на выходе фотоприемника «0» (низкий уровень), когда приема нет или принимается «0» — на выходе фотоприемника «1» (высокий уровень).

2) Стартовый бит манчестерским кодом передается как последовательность «01», но первый полубит («0») мы не отличим от отсутствия сигнала, т. е. фактически прием начинается со второго полубита.

Рисунок 2.5 — Основная программа работы ИК приемника дистанционного управления

3) В процессе работы программа считывает значение на входе контроллера каждые 889 мкс и считает это значение — значением принятого полубита.

4) Программа уходит в прерывание очень быстро — за несколько микросекунд, поэтому, чтобы читать значения подальше от границы полубитов, перед приемом первого полубита вводится пауза, примерно равная половине полубита.

5) Для проверки на соответствие манчестерскому алгоритму используется следующее его свойство: никакие три последовательных полубита не могут быть одновременно нулями или единицами.

6) Если записывать все четные полубиты, начиная со второго, то мы восстановим исходную посылку.

Рисунок 2.6 — Алгоритм программы обработки прерывания ИК приемника дистанционного управления Четные полубиты — записываем и используем для проверки на соответствие манчестерскому алгоритму, нечетные — используем только для проверки на соответствие манчестерскому алгоритму.

2.3 Выбор, описание и расчеты элементной базы Для ИК пульта нам понадобятся: контроллер PIC12F629, ИК-светодиод, транзистор КТ315, два конденсатора (электролитический 100мкФх10 В и керамический 0,1мкФ), четыре кнопки и семь резисторов. Для питания схемы подойдут две батарейки по 1,5 В. Транзистор VT1, в принципе, почти любой. На нем реализован транзисторный ключ, который обеспечивает большой импульсный ток через ИК-светодиод. Если мы будем использовать другой транзистор — нужно подобрать R3 так, чтобы транзистор полностью открывался, но при этом порт GP0 не сгорел. Ток через ИК-светодиод можно увеличивать (уменьшать), уменьшая (увеличивая) номинал резистора R2, соответственно, будет увеличиваться (уменьшаться) дальнодействие пульта (Приложение Д). Можно использовать SMD резисторы и кнопки ПКН-150−1 (которые в изобилии встречаются в старой советской технике).

Для ИК приемника — контроллер PIC12F629, интегральный фотоприемник, четыре транзистора, четыре светодиода, несколько резисторов и конденсаторов. Для питания схемы необходимо стабильное питание +5 В.

ILMS5360 — интегральный фотоприемник на частоту несущей 36 кГц (если на входе импульсы 36кГц — на выходе низкий уровень, если нет импульсов — высокий уровень). Транзисторы VT1, VT2, VT3, VT4 — любые маломощные (для светодиодов) или среднемощные (для реле) транзисторы. На них реализованы транзисторные ключи. Токи базы задаются резисторами R2, R3, R4, R5. Токи через светодиоды (яркость) можно регулировать резисторами R6, R7, R8, R9 (при указанных на схеме номиналах — токи светодиодов около 2 мА). С1 — электролитический 100мкФ х 10 В, С2 — керамический 0,1 мкФ.

Схемы питаются низкими напряжениями, поэтому особых претензий по выбору элементной базы нет.

Спецификация элементной базы ИК пульта дистанционного управления приведена в Приложении Ж.

Спецификация элементной базы ИК приемника дистанционного управления приведена в Приложении К.

2.4 Разработка схемы электрической принципиальной Принципиальная схема ИК пульта (Рисунок 2.7) и ИК приемника (Рисунок 2.8) дистанционного управления.

Рисунок 2.7 — Принципиальная схема ИК пульта дистанционного управления пульт дистанционное управление приемник В ИК приемнике дистанционного управления можно организовать срабатывание от определенной команды определенного выхода микроконтроллера, а можно передавать декодированные команды по какому либо интерфейсу в другие устройства или на компьютер. В данном случае, показан вариант, в котором, в зависимости от четырех определенных команд, полученных контроллером, загораются четыре различных светодиода (вместо светодиодов можно подключить, например реле, только нужно пересчитать выходную часть, в зависимости от потребляемого обмотками реле тока).

Рисунок 2.8 — Принципиальная схема ИК приемника дистанционного управления

3. Правила техники безопасности При ремонте, регулировке радиоэлектронной аппаратуры электромонтажных работах следует строго придерживаться правил техники безопасности:

— Внешний осмотр монтажа и радиоэлементов, а также замену вышедших из строя радиоэлементов радиоэлектронной аппаратуры, разрешается производить только после отключения аппаратуры от электрической сети.

— Радиоэлектронную аппаратуру под напряжением можно проверять только в тех случаях, когда выполнение работ в отключенном от сети аппарате невозможна (настройка, регулировка, измерение режимов, нахождение плохих контактов и т. д.), при этом необходимо соблюдать осторожность во избежание попадания под напряжение.

— При замене радиоэлементов необходимо отключить от электрической сети (выдернуть вилку из цепи) и с помощью специального разрядника снять заряд с конденсаторов фильтров блоков питания и в высоковольтных сетях.

— Во всех случаях работы с включенным аппаратом необходимо пользоваться инструментом, с хорошо изолированными ручками.

— Работать следует одной рукой, в одежде с длинными рукавами, или в нарукавниках. Другой рукой в это время нельзя прикасаться к корпусу аппаратуры и к другим заземленным предметам.

— Измерительные приборы должны подключаться к схеме аппарата только после отключения его от сети и снятия остаточных зарядов с элементов схемы.

— Провода приборов должны оканчиваться щупами и иметь хорошую изоляцию.

— Запрещается ремонтировать радиоэлектронную аппаратуру, включенную в электрическую сеть, если помещение, в котором она находится, сырое, либо имеет цементный или иной токопроводящий пол.

— Следует остерегаться разбрызгивания канифоли в момент погружения в нее паяльника. Вытаскивать отпаиваемый провод из платы радиоэлектронной аппаратуры следует осторожно, чтобы при этом брызги расплавленного припоя не попали в лицо и на руки.

— Во избежание травмы из-за попадания на открытые участки тела, или на лицо брызг жидкого флюса и расплавленного припоя рекомендуется наносить флюс тонким слоем, не брать на паяльник много флюса, лишний припой не встряхивать, а удалять специально предназначенной для этих целей салфеткой.

Заключение

В данном проекте был разработаны ИК пульт и приемник дистанционного управления.

В процессе разработки были рассмотрены общие вопросы разработки устройств на микроконтроллерах, рассмотрены этапы разработки. На основании изученной литературы и сети Интернет получены теоретические знания в области проектирования устройств на микроконтроллерах, приобретены теоретические знания работы системы ИК дистанционного управления.

В практической части были разработаны структурная, функциональная и принципиальная схемы устройства, составлен алгоритм работы микроконтроллера, выбран микроконтроллер удовлетворяющий требованиям данного проекта, произведен расчет элементной базы устройства.

1) «Dimmable Fluorescent Ballast» — User Guide, 10/07, Atmel Corporation, http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc7597.pdf

2) G. Howell «Five questions about resistors» // EDN, 9/28/2006, http://www.edn.com/contents/images/6 372 835.pdf

3) П. Хоровиц, У. Хилл «Искусство схемотехники» — Изд. 6-е, М.: Мир, 2003.

4) Н. Заец. Радиолюбительские конструкции на Р1С-микроконтроллерах. Книга 3. — М.: СОЛОН-Пресс, 2005, с. 248.

5) Н. Заец. Таймеры десятичного счета. — Электрик, 2006, № 7−8, с. 36 -39.

6) А. Долгий. Разработка и отладка устройств на микроконтроллерах. — Радио, 2001 ,№ 5−12, 2002, № 1.

7) А. Долгий. Программаторы и программирование микроконтроллеров. — Радио, 2004, № 1−12.

8) Н. Заец. Электронные самоделки для быта, отдыха и здоровья.— М.: СОЛОН-Пресс, 2009, 423 с.