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基于UM3758-108A的紅外遙控沙盤(pán)模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)
沙盤(pán)模型是一種廣泛應(yīng)用的展示形式。可用于輔助相關(guān)課程的教學(xué)，本系統(tǒng)所控制的沙盤(pán)模型展示的主要控制對(duì)象是LED顯示器，沙盤(pán)需要控制的LED顯示點(diǎn)有近200個(gè)，而且要求能單獨(dú)顯示且指示同一區(qū)域的LED并能同時(shí)點(diǎn)亮。由于系統(tǒng)的控制點(diǎn)較多，因此，本文選用具有八位數(shù)據(jù)碼和10位地址碼的UM3758-108A編譯碼芯片來(lái)進(jìn)行多點(diǎn)顯示控制。
1 、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
該電子沙盤(pán)模型主要用于教室的教學(xué)演示，遙控距離不超過(guò)30米，故可采用紅外發(fā)射和紅外接收器來(lái)完成控制。UM3758-108A串行數(shù)據(jù)輸出端TX／RX輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)555構(gòu)成的調(diào)制電路后將產(chǎn)生38 kHz的信號(hào)，再由SE303紅外發(fā)射管發(fā)射出去，圖1所示是系統(tǒng)的硬件發(fā)射電路。
而紅外接收采用的是一體化的接收頭HS0038，其具體電路如圖2所示，該電路內(nèi)部集成有紅外接收、放大、解調(diào)、整形等電路，而且內(nèi)帶PCM頻率濾波器，中心頻率為38 kHz。為了使接收頭不受自然光等光源干擾，設(shè)計(jì)時(shí)可采用黑色環(huán)氧樹(shù)脂封裝；同時(shí)內(nèi)附磁屏蔽，以改善對(duì)電場(chǎng)干擾的防護(hù)性；本系統(tǒng)使用5 V電源電壓，功耗低；在小功率發(fā)射管發(fā)射信號(hào)的情況下，其接收距離可達(dá)35米，且靈敏度較高；該發(fā)射管的3個(gè)引出腳分別為接地端、電源端及信號(hào)輸出端；HS0038的輸出信號(hào)與TTL、CMOS電路兼容，當(dāng)接收到38 kHz紅外脈沖串時(shí)，它輸出低電平，否則輸出高電平。由于其輸出信號(hào)的極性與發(fā)送信號(hào)相反，故使用三極管來(lái)反向及放大。
1．1 系統(tǒng)發(fā)射電路
本系統(tǒng)的發(fā)射電路以AT89C5單片機(jī)為控制核心，并由其讀入鍵盤(pán)輸入的控制點(diǎn)位置代碼，以形成UM3758-108A編譯碼器的高5位地址碼A10～A6(低5位地址碼A5～A1懸空)與8位數(shù)據(jù)碼D8～D1。UM3758-108A的TX／RX端可送出相應(yīng)的串行數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)38 kHz調(diào)制電路調(diào)制后，可由SE303紅外發(fā)射管發(fā)射出去。同時(shí)，液晶顯示器LCM061A將顯示沙盤(pán)中LEDR示點(diǎn)的位置代碼。
1．2 系統(tǒng)接收電路
由于本系統(tǒng)需要控制的顯示點(diǎn)有近200個(gè)，故該電路共使用了25片UM3758-108A，每片的低5位地址碼懸空，高5位地址碼依次分別設(shè)置為“00000”～“11000”，圖2中畫(huà)出了2個(gè)UM3758-108A。一體化紅外接收頭HS0038H解調(diào)出38 kHz的紅外數(shù)據(jù)后將送入所有的UM3758-108A，只有地址設(shè)置的值與串行輸入的數(shù)據(jù)中包含的地址碼相同的UM3758-108A才能將數(shù)據(jù)碼解出形成8位的并行數(shù)據(jù)送到D8～D1以點(diǎn)亮或熄滅相應(yīng)的LED。
1．3 UM3758-108A芯片簡(jiǎn)介
UM3758-108A是一種編碼發(fā)送與接收譯碼合一的多路編譯碼器，具有10位三態(tài)地址輸入端，可形成310=59049種地址，其8位兩態(tài)鎖存式數(shù)據(jù)輸入或輸出端能方便地實(shí)現(xiàn)多址多路數(shù)字信號(hào)的傳遞與控制，并可與有線載波及無(wú)線、超聲波、紅外等接口配用，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸控制。
UM3758-108A芯片的工作電壓范圍為3～12V，UM3758-108A采用24腳標(biāo)準(zhǔn)雙列直插式封裝。其中21(T／R)腳接高電平時(shí)，芯片處于編碼發(fā)送工作方式，接低電平時(shí)，芯片處于接收譯碼工作方式；當(dāng)芯片處于編碼發(fā)送時(shí)，23(TX／RX)腳為串行數(shù)據(jù)輸出端，當(dāng)芯片處于接收譯碼時(shí)，該端為譯碼接收正確標(biāo)志顯示，低電平有效；22(IN)腳為芯片處于接收譯碼時(shí)的串行數(shù)據(jù)輸入端；11(D1)到18(D8)腳為8位并行數(shù)據(jù)線，本系統(tǒng)的發(fā)射電路由單片機(jī)的P3口來(lái)控制D1～D8，接收電路則由D1～D8控制8個(gè)LED顯示器；1(A1)～10(A10)腳為10根三態(tài)地址端，發(fā)送與接收芯片必須地址編碼一致才能配對(duì)工作。本系統(tǒng)由于控制的LED點(diǎn)有近200個(gè)，因此，接收電路共需25塊UM3758-108A芯片，若控制點(diǎn)增多，只需相應(yīng)增加接收電路的UM3758-108A芯片便可，故其擴(kuò)展簡(jiǎn)單。發(fā)射電路中，UM3758-108A的A6～A10由單片機(jī)的P2．3～P2．7控制。由于UM37 58-108A片內(nèi)具有數(shù)據(jù)鎖存器，因此，不同的UM3758-108A上控制的LED要同時(shí)點(diǎn)亮，可通過(guò)軟件分兩次送數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)；19(OSC)腳外接振蕩電阻和電容可構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)鐘，電阻和電容的典型值如圖1所示，同樣，發(fā)送與接收芯片的該值也必須相同。
當(dāng)OSC腳外接R1為100 kΩ、C1為120 pF時(shí)，UM3758-108A芯片的工作時(shí)鐘頻率fosc為160 kHz，發(fā)射編碼頻率為1／16fosc，且每18位(前10位為地址，后8位為數(shù)據(jù))數(shù)據(jù)為一幀。通常的邏輯“1”用兩個(gè)占空比為1／3的連續(xù)脈沖表示，邏輯“0”用兩個(gè)占空比為2／3的連續(xù)脈沖表示， “懸空”用一個(gè)占空比為2／3的脈沖和一個(gè)占空比為1／3的脈沖表示，發(fā)送一位編碼的周期為6x16／fosc，圖3所示是UM3758-108A的工作時(shí)序波形。
一般情況下，電源接通后，處于發(fā)送狀態(tài)的UM3758-108A就開(kāi)始工作，直到切斷電源為止。而處于接收狀態(tài)的UM3758-108A將進(jìn)行兩次譯碼檢驗(yàn)，如果發(fā)送地址與接收地址碼一致，則TX／RX端就輸出低電平以指示接收成功，同時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)鎖存并從D1～D8輸出。每當(dāng)進(jìn)行一次有效的接收后，新的數(shù)據(jù)就會(huì)被鎖存。
1．4 液晶顯示電路
本系統(tǒng)選用LCM061A低功耗液晶顯示器來(lái)顯示鍵盤(pán)輸入的控制點(diǎn)位置代碼。該顯示器有6個(gè)LCD字符，顯示器的最大特點(diǎn)是采用串行控制方式，它共有10個(gè)引腳，簡(jiǎn)單使用時(shí)，只需單片機(jī)控制其三個(gè)引腳，因此，占用單片機(jī)的資源少。本系統(tǒng)用單片機(jī)的P1．0來(lái)形成LCM061A的片選信號(hào)，P1．2形成LCM061A的寫(xiě)信號(hào)，P1．1形成串行輸入命令與數(shù)據(jù)。
2 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)發(fā)射電路的軟件系統(tǒng)包括主程序和鍵盤(pán)處理及液晶顯示驅(qū)動(dòng)等兩個(gè)主要的子程序，其主程序流程圖如圖4所示。而鍵盤(pán)處理及液晶顯示驅(qū)動(dòng)子程序則主要解決的問(wèn)題在于如何把從鍵盤(pán)輸入的顯示控制點(diǎn)的位置代碼轉(zhuǎn)換為接收端各UM3758-108A芯片的地址碼與數(shù)據(jù)碼。由于此兩者之間無(wú)直接可描述的函數(shù)關(guān)系，故可采用構(gòu)造表格的方式，然后用查表的方法實(shí)現(xiàn)輸入代碼的轉(zhuǎn)換，從而完成對(duì)相應(yīng)點(diǎn)LED的控制。
3 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)靈活應(yīng)用了UM3758-108A具有多位地址碼的特點(diǎn)，因而整個(gè)系統(tǒng)雖然需要控制的LED顯示點(diǎn)有近200個(gè)，但只需一個(gè)紅外接收頭，即可使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)潔，易于調(diào)試，使用方便，并且在此基礎(chǔ)上易于擴(kuò)充控制點(diǎn)的數(shù)量。而紅外發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制，且采用一體化的紅外接收，則可使遙控靈敏度更高，可靠性更強(qiáng)。目前，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)試，已能正常穩(wěn)定地工作。
1 、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
該電子沙盤(pán)模型主要用于教室的教學(xué)演示，遙控距離不超過(guò)30米，故可采用紅外發(fā)射和紅外接收器來(lái)完成控制。UM3758-108A串行數(shù)據(jù)輸出端TX／RX輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)555構(gòu)成的調(diào)制電路后將產(chǎn)生38 kHz的信號(hào)，再由SE303紅外發(fā)射管發(fā)射出去，圖1所示是系統(tǒng)的硬件發(fā)射電路。
而紅外接收采用的是一體化的接收頭HS0038，其具體電路如圖2所示，該電路內(nèi)部集成有紅外接收、放大、解調(diào)、整形等電路，而且內(nèi)帶PCM頻率濾波器，中心頻率為38 kHz。為了使接收頭不受自然光等光源干擾，設(shè)計(jì)時(shí)可采用黑色環(huán)氧樹(shù)脂封裝；同時(shí)內(nèi)附磁屏蔽，以改善對(duì)電場(chǎng)干擾的防護(hù)性；本系統(tǒng)使用5 V電源電壓，功耗低；在小功率發(fā)射管發(fā)射信號(hào)的情況下，其接收距離可達(dá)35米，且靈敏度較高；該發(fā)射管的3個(gè)引出腳分別為接地端、電源端及信號(hào)輸出端；HS0038的輸出信號(hào)與TTL、CMOS電路兼容，當(dāng)接收到38 kHz紅外脈沖串時(shí)，它輸出低電平，否則輸出高電平。由于其輸出信號(hào)的極性與發(fā)送信號(hào)相反，故使用三極管來(lái)反向及放大。
1．1 系統(tǒng)發(fā)射電路
本系統(tǒng)的發(fā)射電路以AT89C5單片機(jī)為控制核心，并由其讀入鍵盤(pán)輸入的控制點(diǎn)位置代碼，以形成UM3758-108A編譯碼器的高5位地址碼A10～A6(低5位地址碼A5～A1懸空)與8位數(shù)據(jù)碼D8～D1。UM3758-108A的TX／RX端可送出相應(yīng)的串行數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)38 kHz調(diào)制電路調(diào)制后，可由SE303紅外發(fā)射管發(fā)射出去。同時(shí)，液晶顯示器LCM061A將顯示沙盤(pán)中LEDR示點(diǎn)的位置代碼。
1．2 系統(tǒng)接收電路
由于本系統(tǒng)需要控制的顯示點(diǎn)有近200個(gè)，故該電路共使用了25片UM3758-108A，每片的低5位地址碼懸空，高5位地址碼依次分別設(shè)置為“00000”～“11000”，圖2中畫(huà)出了2個(gè)UM3758-108A。一體化紅外接收頭HS0038H解調(diào)出38 kHz的紅外數(shù)據(jù)后將送入所有的UM3758-108A，只有地址設(shè)置的值與串行輸入的數(shù)據(jù)中包含的地址碼相同的UM3758-108A才能將數(shù)據(jù)碼解出形成8位的并行數(shù)據(jù)送到D8～D1以點(diǎn)亮或熄滅相應(yīng)的LED。
1．3 UM3758-108A芯片簡(jiǎn)介
UM3758-108A是一種編碼發(fā)送與接收譯碼合一的多路編譯碼器，具有10位三態(tài)地址輸入端，可形成310=59049種地址，其8位兩態(tài)鎖存式數(shù)據(jù)輸入或輸出端能方便地實(shí)現(xiàn)多址多路數(shù)字信號(hào)的傳遞與控制，并可與有線載波及無(wú)線、超聲波、紅外等接口配用，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸控制。
UM3758-108A芯片的工作電壓范圍為3～12V，UM3758-108A采用24腳標(biāo)準(zhǔn)雙列直插式封裝。其中21(T／R)腳接高電平時(shí)，芯片處于編碼發(fā)送工作方式，接低電平時(shí)，芯片處于接收譯碼工作方式；當(dāng)芯片處于編碼發(fā)送時(shí)，23(TX／RX)腳為串行數(shù)據(jù)輸出端，當(dāng)芯片處于接收譯碼時(shí)，該端為譯碼接收正確標(biāo)志顯示，低電平有效；22(IN)腳為芯片處于接收譯碼時(shí)的串行數(shù)據(jù)輸入端；11(D1)到18(D8)腳為8位并行數(shù)據(jù)線，本系統(tǒng)的發(fā)射電路由單片機(jī)的P3口來(lái)控制D1～D8，接收電路則由D1～D8控制8個(gè)LED顯示器；1(A1)～10(A10)腳為10根三態(tài)地址端，發(fā)送與接收芯片必須地址編碼一致才能配對(duì)工作。本系統(tǒng)由于控制的LED點(diǎn)有近200個(gè)，因此，接收電路共需25塊UM3758-108A芯片，若控制點(diǎn)增多，只需相應(yīng)增加接收電路的UM3758-108A芯片便可，故其擴(kuò)展簡(jiǎn)單。發(fā)射電路中，UM3758-108A的A6～A10由單片機(jī)的P2．3～P2．7控制。由于UM37 58-108A片內(nèi)具有數(shù)據(jù)鎖存器，因此，不同的UM3758-108A上控制的LED要同時(shí)點(diǎn)亮，可通過(guò)軟件分兩次送數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)；19(OSC)腳外接振蕩電阻和電容可構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)鐘，電阻和電容的典型值如圖1所示，同樣，發(fā)送與接收芯片的該值也必須相同。
當(dāng)OSC腳外接R1為100 kΩ、C1為120 pF時(shí)，UM3758-108A芯片的工作時(shí)鐘頻率fosc為160 kHz，發(fā)射編碼頻率為1／16fosc，且每18位(前10位為地址，后8位為數(shù)據(jù))數(shù)據(jù)為一幀。通常的邏輯“1”用兩個(gè)占空比為1／3的連續(xù)脈沖表示，邏輯“0”用兩個(gè)占空比為2／3的連續(xù)脈沖表示， “懸空”用一個(gè)占空比為2／3的脈沖和一個(gè)占空比為1／3的脈沖表示，發(fā)送一位編碼的周期為6x16／fosc，圖3所示是UM3758-108A的工作時(shí)序波形。
一般情況下，電源接通后，處于發(fā)送狀態(tài)的UM3758-108A就開(kāi)始工作，直到切斷電源為止。而處于接收狀態(tài)的UM3758-108A將進(jìn)行兩次譯碼檢驗(yàn)，如果發(fā)送地址與接收地址碼一致，則TX／RX端就輸出低電平以指示接收成功，同時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)鎖存并從D1～D8輸出。每當(dāng)進(jìn)行一次有效的接收后，新的數(shù)據(jù)就會(huì)被鎖存。
1．4 液晶顯示電路
本系統(tǒng)選用LCM061A低功耗液晶顯示器來(lái)顯示鍵盤(pán)輸入的控制點(diǎn)位置代碼。該顯示器有6個(gè)LCD字符，顯示器的最大特點(diǎn)是采用串行控制方式，它共有10個(gè)引腳，簡(jiǎn)單使用時(shí)，只需單片機(jī)控制其三個(gè)引腳，因此，占用單片機(jī)的資源少。本系統(tǒng)用單片機(jī)的P1．0來(lái)形成LCM061A的片選信號(hào)，P1．2形成LCM061A的寫(xiě)信號(hào)，P1．1形成串行輸入命令與數(shù)據(jù)。
2 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)發(fā)射電路的軟件系統(tǒng)包括主程序和鍵盤(pán)處理及液晶顯示驅(qū)動(dòng)等兩個(gè)主要的子程序，其主程序流程圖如圖4所示。而鍵盤(pán)處理及液晶顯示驅(qū)動(dòng)子程序則主要解決的問(wèn)題在于如何把從鍵盤(pán)輸入的顯示控制點(diǎn)的位置代碼轉(zhuǎn)換為接收端各UM3758-108A芯片的地址碼與數(shù)據(jù)碼。由于此兩者之間無(wú)直接可描述的函數(shù)關(guān)系，故可采用構(gòu)造表格的方式，然后用查表的方法實(shí)現(xiàn)輸入代碼的轉(zhuǎn)換，從而完成對(duì)相應(yīng)點(diǎn)LED的控制。
3 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)靈活應(yīng)用了UM3758-108A具有多位地址碼的特點(diǎn)，因而整個(gè)系統(tǒng)雖然需要控制的LED顯示點(diǎn)有近200個(gè)，但只需一個(gè)紅外接收頭，即可使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)潔，易于調(diào)試，使用方便，并且在此基礎(chǔ)上易于擴(kuò)充控制點(diǎn)的數(shù)量。而紅外發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制，且采用一體化的紅外接收，則可使遙控靈敏度更高，可靠性更強(qiáng)。目前，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)試，已能正常穩(wěn)定地工作。
