基于单片机的红外开关设计论文（共62页pdf）

随着人们生活水平的不断提高，科技的不断进步。人们对生活的享受也越来越看 重了。作为家庭最不可或缺的电灯，也正在随着科技的进步改变其带给人们的舒适度。 最基本的照明已经不能满足人们在现代生活的要求了。因此一盏能遥控并且能随意改 变其亮暗程度的灯是十分重要的。本次毕业设计的就是基于单片机的红外开关控制， 能有效的便捷的通过红外线来控制家庭普通照明灯的开关和控制照明灯的亮度了，这 样一来人们就可以根据房间的亮度需求和氛围来控制灯光了。

本设计是对等的开关进行红外遥控控制，总的系统分为红外遥控发射端和接收端， 中间涉及到进行红外的编码与解码，矩阵键盘，电源电路，可控硅调光电路，过零检 测的设计，数码管显示的设计。发射端和接收端都是采用 89C51 单片机作为核心芯 片。

通过各种论证和仿真最后实现了对对 8 路小灯的开关进行控制，对其中一个小灯 进行了调光控制，可以改变 8 种亮度，方便人们的需求。遥控和接收端都设置了显示 按键值得数码管，方便人们知道当前控制的是哪个灯。

这种红外开关在人们的日常生活中使用性是比较好的，也是比较可靠的，能满足 人们对生活方便，快捷，使用性的追求。

1971 年，随之得到飞速发展，被运用在各种领域，工业、农业、国防、科研、机关、 教育、商业以及家电等。红外遥控也是 20 世纪 70年代才开始逐渐发展起来的一种远 程控制技术，原理：是利用红外线来传递信号，对控制对象进行远距离控制。经过几 十年的发展，遥控器已经出现在了我们生活中的每一个角落。我们会发现，在我们当 今的生活中已经离不开遥控器了，家用电器都配有一个遥控器。这样一来我们会发现， 我们家中随处都是遥控器，如：电视，电风扇，空调，冰箱等的遥控器。但是带有遥 控器的照明灯还没有流行起来，虽然市场上也有很多这样的照明灯。

也正是这样我触发我想对这以课题的研究，如果我们能把家用的所有遥控器都解 码出来，用一个遥控器来控制较多电器，这样我们就不需控制家用电器的时候到处找 相应的遥控器了，这个技术在目前市场上还没有流行起来，中间还存在许多技术难题， 也许在将来会进入我们的家庭生活。

本次设计主要是用遥控器来控制家庭的多路开关，能用一个遥控器来控制家中较 多的电器电源开关。主要是针对家庭照明灯来设计的，由于我们家中电灯是比较多的， 每一个灯都需要设计专门的电路开关来控制，这样以来，浪费了很多电路设计也不利 于家庭整体设计的美观。而且每一个灯的亮度都是固定死了的，我们主要是设计一个 遥控器来控制我们家中的电灯，并且可以通过可控硅调控电灯的亮度。根据市场需求， 这种设计在当今生活中需求性是很高的，其实用价值也是很高的。

第一阶段(1974 年~1976 年):为单片机初级阶段,即 SCM 单片微型计算机 (SingleChipMicrocomputer)阶段。主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系 结构。

第二阶段(1976 年~1978 年):为低性能单片机阶段,即单片机的控索阶段。以 Intel 公司的 MCS—48 为代表。MCS—48 的推出是在工控领域的控索,参与这一控索的公 司还有 Motorola、Zilog 等,都取得了满意的效果。“单片机”一次由此得来。此时的 单片机 由一块芯片构成,但性能低、品种少。

第三阶段(1978 年~1982 年):单片机的完善阶段。Intel 公司在 MCS—48 基础上推 出了完善的、典型的单片机系列 MCS—51。

第四阶段(1982 年~1990 年):8 位单片机的巩固发展及 16 位单片机的推出阶段, 是 单片机向微控制器发展的阶段。Intel 公司推出的MCS— 96 系列单片机,将一些用于 测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中,体现了单片机的 微控制器特征。

第五阶段(1990 年~):微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入 地发展和应用,出现了高速、大寻址范围、强运算能力的 8 位 16 位 32 位通用型单片 机,以及小型廉价的专用型单片机。

90 年代后期至今单片机的发展可以说是进入了一个新的阶段,单片机正朝着高性 能和多品种方向发展,发展趋势将是进一步向着CMOS 化、低功耗、小体积、大容量、 高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。其发展趋势主要有以下几个方面:

红外线又称红外光波，在电磁波谱中，光波的波长范围为 0.01um~1000um 根据 波长的不同可分为可见光和不可见光，波长为0.38um~0.76um 的光波可为可见光，依 次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。光波为 0.01um~0.38um 的光波为紫外光 (线)，波长为 0.76um~1000um 的光波为红外光(线)。红外光按波长范围分为近红外、 中红外、远红外、极红外 4 类。红外线遥控是利用近红外光传送遥控指令的，波长为

0.76um~1.5um。用近红外作为遥控光源，是因为目前红外发射器件(红外发光管)与红 外接收器件(光敏二极管、三极管及光电池)的发光与受光峰值波长一般 0.8um~0.94um， 在近红外光波段内，二者的光谱正好重合，能够很好地匹配，可以获得较高的传输效 率及较高的可靠性。

红外编码有很多种方式，下面列举两种实现方案： 方案一：脉宽调制的串行码。家用电器如电视机、VCD,DVD 等的遥控器都是用这种 编码方式。但是本次设计不采用这种编码方式，因为这种编码方式要用到专用的集成电路芯片来进行编解码，不是很方便。但是原始想法还是采用这种编码方式的，在此也简单的介绍下这种编码方式。

这种编码采用的是 0 和 1 来编码，遥控器按键按下后，便有遥控码发出，按键 不同，遥控编码也不同。 它是以脉宽 0.565ms，间隔位 0.56ms，周期为 1.125ms 来表示 0；以脉宽 0.565ms，间隔 1.685ms，周期 2.25ms 表示二进制 1。波形如图：

图 2-1              串行码编码

遥控器发射信号由一串的 0 和 1 二进制代码组成，由于芯片的不同，对 0 和 1 的 编码也不同。TC9012 采用的是脉冲宽度调制。在编写解码程序时，通过判断脉冲的 宽度便可得到 0 和 1.UPD6121G 产生的遥控编码是连续 32 位二进制码，其中前 16 为码为用户识别码， 其特点是：能区别不同电器设备，防止不同遥控码的相互干扰。这种芯片的用户识别 码为固定的十六进制 01H；后 16 位为 8 位操作码和其反 码。当遥控器按键按下后， 周期性地发出同一种 32 位二进制码，周期约为 108ms。按键的编码 当我们按下遥控 器的按键后，遥控器发出如图 2 的一串二进制代码。根据各部分的功能。它们可分为5 部分：引导码、用户识别码、用户识别码反码、数据码、数据反码。遥控器发射代 码时．都是低位在前，高位在后。由图 3 可以得到．引导码高电平为 4.5ms，低电平 为 4.5ms，当接收到此码时，表示一帧数据的开始。单片机便可以准备接收下面的数 据了。用户识别码是由 8 位二进制组成，共 256 种．图中地址码重发了一次，主要是 为了加强遥控器的可靠性．如果两次地址码不相同，则说明本帧数据出错，应丢弃。 不同的设备可用户识别码也是不同的．由于地址码的不同，不同设备间是不会产生相 互干扰的。同一个遥控器中，所有按键发出的地址码是相同的。数据码为 8 位，可编 码 256 种状态，代表用户所按下的键。数据反码是数据码的求反，通过比较数据码与 数据反码，便可判断接收的数据是否正确。若数据码与数据反码不是相反的关系．则 本次遥控接收有错，数据应丢弃。由于其编码和解码方式很复杂，故不选用这种方案。

本设计采用方案二，码分制编码编程非常简单，在按键较少的情况下优势明显， 实用性比较强。在简单的红外遥控器设计中，用的按键并不是很多，所以没必要用串 行码来编码，虽然串行编码的稳定性和保密性比较高，但是这些要求我们并不是很需 要。我们只是做家用电灯开关的控制，如果能做到最简单，成本越低这样越实用。不 需要像专业领域那样，比如一个品牌的遥控器就必须有他们自己的编码方式。综合各 方面考虑，最终决定用码分编码来设计遥控器。

我们来设计红外遥控开关，首先得有一个遥控信号输出端，也得有一个专门的接 收端，来根据遥控信号做专业的处理。所以就必须得用到单片机，我用一个单片机片 控制发射端，另外一个单片机控制接收端。遥控器最基本的组成就得有很多按键，来 作为我们人为信号的输入，像单片机输入信号，从简单的角度出发，易操作，易实行， 我选用 4×4 矩阵键盘，这样便可以控制 16 路电器的开关，但是我实际只用到 8 个按 键开关，另外 8 个开关按键本次设计中没用到，用法其实都一样，这里暂且不用，可 以作为需要时的扩展处理。要对电灯开关控制，仅仅只有遥控器也是不行的，必须在 灯的控制端设计专门的遥控设计处理设备，这里是用单片机作为主要控制芯片，外接 单片机电源电路，灯光亮度调节电路，这样我们就能有效的来控制我们的家用电灯了。

目前市场上一般都是采用的专用的遥控编码及解码集成电路。此方案具有制作简 单易行的特点。本次设计单片机遥控应用系统采用红外线脉冲个数编码，具有编码灵 活，操作码个数可随意设定的优点实现对 8 个小灯的开关控制，其中一路为一个交流 电灯，可以进行亮度遥控。其设计原理框图如图 2.1。

图 2.1 红外开关系统组成 遥控发射端的数据输入是我们人来控制遥控器上面的按键，通过按键的电平变

脉冲信号。 接收端，首先红外接收器不停的对空间的红外信号进行检查，一旦检测到与我

们人为要求相符合的脉冲信号时，此时通知单片机，进行信号检测，如果是我们需要 的信号，此时便进行信号接收。然后单片机对接收到的信号进行处理，然后根据我们 向单片机置入的程序进行相应的子程序操作。最后便进行灯光亮灭和灯光亮度控制。

本系统设计了对小灯的亮度进行调节，使小灯能在 0—7 这 8 个亮度间随任务调 节而改变。这里我初期有两个选择：一是用PWM 调光原理来进行调光控制；二是用 物理的可控硅进行调光控制。

脉宽调制（PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非 常有效的技术。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制来对一个具体模拟 信号的电平进行编码。简单的说就是占空比越大，平均电压越大，灯也就越亮，占空 比越小， 平均电压越小，灯也就越暗。这种调光技术的优点在于应用简单、效率高、 精度高，且调光效果好，确定是由于一般 LED 驱动器都基于开关电源原理，如果 PWM 调光的频率在 200-20KHz 之间时，LED 驱动器周围的电感和输出电容容易产生人耳 听得见的噪声。

可控硅调光是目前白炽灯调光应用中最普遍的一种调光方式。其原理是将输入电 压的波形通过导通角切波之后，产生一个切向的输出波形。即是通过改变可控硅导通 角来改变灯光亮度的。

本次设计采用的便是可控硅调光技术。可控硅调光是一种物理的调光，PWM 调 光是通过脉冲调光，其原理不一样。因为我们选择家用白炽灯进行调光对象，选可控 硅调光更佳。PWM 调光技术一般是针对直流 LED 灯。而白炽灯灯是交流灯，选用 可控硅控制比较好，具体优点有如下两点：

①调节精度高、效率高 可控硅调光器电路简单，可以对白炽灯进行调光，而且 可以把电路的体积做很小，其电路中加入过滤器后可以使得通过电路的电流更加稳定， 调节的灯光柔和稳定，无频闪现象。在光的强度调节过程中，光线的强弱会平稳调节， 调节准确、效率高。

②开机亮度记忆 如今的调光器除了具有调节精度高、体积小等优点外，还具备 开机亮度记忆功能。这个功能可以记住上一次开灯时灯光的亮度，将照明亮度稳定在 一个舒适的程度，不必每次打开电灯时都重新调节。

首先本次设计题目基于单片机的红外控制，核心控制芯片便是 AT89C51 单片机， 然后便是用到红外线，设计到红外线的编码解码。发射端遥控设计如图 2.2，矩阵键 盘是必须的硬件用于输入数据，+5V 电源电压是由普通电池来提高，发射端的结构 很简单。

接收端的遥控设计如图 2.3。+5V 电源是由 220V 交流电变压转换而来的，因为 单片机是需要+5V 电源电压来驱动的，而此时接收端是与电灯结合在一起的，我们 就没必要和发射端那样，用电池来驱动，直接可以用家用交流电变压而得到，这样更 方便安装和控制，所以我设计了一个专门的+5V 电源电压电路。50Hz 交流过零检测 电路也是由 220V 交流电提供的，用来控制可控硅。红外接收电路用来接收发射端发 射的脉冲信号，经单片机处理后，控制 8 个小灯的电源开关和一个交流灯的亮度，同 时对按键值进行显示。具体硬件电路和软件程序设计在后面章节进行详细叙述。

它的组成是由两个 16 位的定时器 TO 和 T1，以及他们的工作方式寄存器 TMOD 和控制寄存器 TCON 等组成。定时器/计数器 T0 和T1 都是由两个 8 位特殊功能寄存 器 THO、TLO、TH1、TL1 构成的。工作方式寄存器 TMOD 是用于设置定时器的工 作模式和工作方式；控制寄存器 TCON 是用于启动和停止定时器的计数，控制定时 器的状态。当单片机复位时，两个寄存器的所有位都被清 0。

C/T：定时器模式和计数器模式选择位。C/T=1 为计数器模式，计数脉冲为外部 引脚 T0 或 T1 的引入的外部脉冲信号；C/T=0，为定时器模式，计数脉冲由内部提供， 计数周期等于机器周期。

TR1：定时器 1 运行控制位。由软件清 0 关闭定时器 1.当 GATE=1，且 INT1 为 高电平时，TR1 置 1 启动定时器 1；当 GATE=0时，TR1 置 1 启动定时器 1.

IE1：外部中断 1 请求标志。当 IT1=0 时，为电平触发方式，每个机器周期的 S5P2 采样 INT1 引脚，若 INT1 脚为低电平，置1，否则 IE1 清 0.当 IT1=1，表示外 部中断 1 正在向 CPU 申请中断。当 CPU 响应中断，转向中断服务程序时，该位由硬 件清 0.

通过设置 TMOD 寄存器中的 M1M0 位为 00 选择定时器方式 0，方式 0 的计数位 数是 13 位，对 T0 来说，由 TL0 寄存器的低 5 位（高 3 位没用）和 TH0 的 8 位组成。 TL0 的低 5 位溢出时向 TH0 进位，TH0 溢出时，置位 TCON 中的 TF0 标志，向 CPU 发出中断请求。其逻辑结构框图如图 3.2。

由于定时器方式 0 为 13 位计数器，最多能装载的数为=8192 个，当 TL0 和 TH0 的初值为 0 时，最多经过 8192 个机器周期该计数器就会溢出一次，向 CPU 申请中断。 当用定时器的方式 0 工作时，设机器周期为，定时器产生一次中断时间为 t，那么需 要计数的个数N=t/，装入 THX 和 THX 的数分别为

计数机器周期，用 12MHz 晶振时，机器周期为 12X(1/12000000)=1us,如果 t=5ms， 那么 N=5000/1=5000。

方式 2

在定时器的方式 0 和方式 1 中，当计数溢出后，计数器变为 0，因此在循环定时 或循环计数时必须要用软件反复设置计数初值，这必然影响到定时的精度，同时也给 程序设计带来很多麻烦。定时器方式 2 变可解决软件反复装初值所带来的问题。

方式 2 被称为 8 位自动重装的 8 位定时器/计数器，THX 被作为常数缓冲器，当 TLX 计数溢出时，在溢出标志 TFX 置 1 的同时，还自动地将 THX 中的常数重装入 TLX 中，使 TLX 从初值开始重新计数，这样避免了人为软件重装初值带来的时间误 差，从而提高了定时的精度。

由于定时器方式 2 为 8 位计数器，最多可以装载的数为=256 个，当 TL0 和 TH0 的初值为 0 时，最多经过 256 个机器周期该计数器就会溢出，若使用 12MHz 晶振， 也只有 256us 的时间。当用定时器方式 2 时，设机器周期为，定时器产生一次中断的 时间为 t，那么需要计数的个数

1X256=256us。再来计算定时 1s 计数器需一次多少次，即 1000000/256≈3906。由于 定时器方式 2 能有效降低时间误差，故本次设计采用的是方式 2 的工作方式。

键盘实际上是组按键，在单片机外围电路中，通常用到的按键都是机械弹性开关， 当开关闭合时，线路导通，开关断开时，线路断开。因此键盘也能在单片机中充当数 据输入的作用。单片机按键检测的原理是：单片机的 I/O 口既可以作为输出也可以作 为输入使用，当检测按键时用的是它的输入功能，我们把按键的一端接地，另外一端 与单片机的 I/O 口相连，开始时先给 I/O 口赋一高电平，然后让单片机不断的检测该 I/O 是否变为低电平，当按键闭合时，即相当于该 I/O 口通过按键与地相连，变成低 电平，程序一旦检测到 I/O 口变为低电平则说明按键被按下，然后执行相应指令。

4 行 4 列，一行将每个按键的一端连接在一起构成行线，第一列将每个按键的另外一 端连接在一起构成列线，我们将 8 根线连接到单片机的 8 个 I/O 端口上，本设计接的 是 P3 口。检测时先送一列为低电平，其余全为高电平，然后立即轮流检测各行是否 有低电平，若检测到某一行为低电平，便可知道被按下的是哪个键了

数码管按段数可分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个 发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个（8）可分为 1 位、2 位、3 位、4 位、5 位、6 位、7 位等数码管。如图 3.5（a）所示，一位数码管的引脚是 10 个，显示 8 字需要 7 个小段，另外还有一个小数点，所以其内部一共有 8 个小的发光 二极管，最后还有一个公共端，由于其公共端，它又可以分为共阴极和共阳极，图

3.5（b）为共阴极内部结构原理图，图 3.5（c）为共阳极内部结构原理图。我选用的 是共阴极的。对于共阴极，8 个发光二极管的阴极在数码管内部全部链接在一起，他 们的阳极是相互独立的，通常把阴极接地。当我们把阳极加高电平时，此时数码管就 亮了。如果要让数码管按我们的想法去实现相应的显示，我们就得编写程序来控制数 码管使它的 8 个发光二极管按要求来点亮，显示我们需要的数字。如果我们用到比较 多的数码管，而单片机又没有这么多 I/O 接口时，就会用到锁存器来控制数码管，进 行短选和位选，控制相应的数码管显示我们需要的数值。要控制数码管就必须涉及到

（a）引脚              （b）共阴极              （c）共阳极
图 3.5 数码管内部原理图

共阳极的编码方式也是不一样的，这里我们简单的了解下共阴极的编码方式。表 2.1 中就是不同的字符对应一个编码值，要想显示出准确的数值，就要用单片机向数码管 输出其对应的编码值。

LT：3 脚是测试输入端，当 BI=1，LT=0 时，译码输出全为 1，不管输入 DCBA状 态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当 LE=0 时，允许译码输出。 LE=1 时译码器是锁定保持状态， 译码器输出被保持在 LE=0 时的数值。CD4511 的内部有上拉电阻，在输入端与数码 管笔段端接上限流电阻

可控硅，是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个 PN 结的四层结构的大功率 半导体器件，亦称为晶闸管。具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常 用的半导体器件之一。该器件被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可 控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。家用电器中的调光灯、调速风扇、空调 机、电视机、电冰箱、洗衣机、照相机、组合音响、声光电路、定时控制器、玩具装 置、无线电遥控、摄像机及工业控制等都大量使用了可控硅器件。本次设计正是用它

来控制交流电灯的亮度的。

+5V 电源电路，4X4 矩阵键盘，数码管显示端和红外发射电路。其中红外发射电路如 图 。其工作原理是单片机的定时器 1 中断产生40Khz 红外方波信号，再由单片机的 P3.4 口输出，由三极管放大后向接收端发射。数码管显示的值是矩阵键盘的按键值， 以让我们使用时能清楚的知道当前按下的是那个键。数码管是与单片机的 P0 口相接 的，由于单片机 P0 口是没有拉高电阻的，不能正常地输出高低电平，所以此端要外

图 3.10 中是本次设计用到的电源电路图。220V 交流电经过变压器变压后，再经 过由 4 个二极管组成的桥式电路整流成直流电压，再由一个极性电容来滤波。如果要 想得到一个稳定的电压，需要用到比较常用的 LM7805 三端稳压器来稳压后再经过电 容滤波和阻尼作用后才可以输出 5V 电源电压，用来驱动我们的单片机。

要想实现用单片机控制家用照明灯，就必须还得有外围电路来控制家用电灯的亮 度调节。具体的电路是用可控硅来控制的，图3.13 就是控制电路图,前面已经提到， 本次设计是用可控硅来控制的。

由图可知，其主要组成部分是光电耦合器，可控硅，PNP 三极管。由于单片机 端电流是比较低的，而控制电路是 220V 交流市电，因此需要用到光电耦合器来来起 隔离作用，防止外部电路故障影响到单片机芯片；单片机有多个输入口，都在接收来 自外来设备的信号，如果环境比较差时，会存在较大的噪声干扰，导致准确性降低， 产生误差，因此要用到光电耦合器对信号和噪声进行隔离。

P2.0 口可以控制电灯的开关，可控硅的导通角来控制电灯的亮度。具体的工作 原理是：单片机产生控制可控硅的移相脉冲，通过移相角的改变来改变导通角，当移 相角大时，可控硅导通角小，输出的电压较低，电灯比较暗；当移相角小时，可控硅 导通角大，输出电压高，电灯比较亮。 具体的实现方式是：在过零点后一段时间才触发可控硅导通，这段时间称为延时时间， 延时时间越长，可控硅的导通时间就越长，灯的亮度就越亮；反之，灯就越暗。

当单片机的 P2-7 口为低电平时，9012 三极管导通。此时集电极电流驱动光电耦 合器导通，使可控硅 G 极产生脉冲信号来触发可控硅导通。当单片机的 P2.7 口为高 电平时，三极管，光电耦合器还有可控硅都是截止状态。可控硅导通角控制的电路中 的波形如图3.14。但是实际仿真波形图与理论的波形图有区别，可能是硬件接线，或 者软件问题，在脉冲到达时会出现跳变现象。具体波形如图3.15，3.16，,3.17。

图 3.15 是亮度为 7 时的波形图，图 3.16 为 4 时的波形图，图 3.17 为亮度为 1 时 的波形图。图中黄色波形是单片机输出脉冲，蓝色波形是可控硅的触发脉冲，紫色波 形是 220V 交流波形。两个触发脉冲间对应的部分为可控硅导通区域，从图 3.14 可以 清楚看出。从图中可以看出亮度为 7 时导通区域大于亮度为 4 大于亮度为 1 时的导通 区域，因此亮度为 7 是最亮，依次是亮度为 6，依次类推，亮度为 0 最暗，这个具体的延时，在软件部分介绍。

发射系统开始运行时，单片机首先调用程序里面的按键扫描子程序，按键扫描子 程序不停的扫描 16 个按键，检测是否有按键按下，无按键按下时，系统处于等待状 态；一旦有按键按下时，单片机根据按键值，然后转入发射子程序，发射子程序根据 预定的要求装入不同的脉冲个数，然后调制成 40KHz 的载波信号，通过单片机的 P3.5 口发出，为了提高抗干扰和降低能耗，经过三极管放大后然后由红外发射管想空中发 射。

编码方式是采用码分编码，通过不同的脉冲个数来编码的。不同的脉冲个数代表 不同的编码，按键 0 的编码的脉冲个数是 2，按键1 是 3 个脉冲，依次类推，按键 15 是 17 个脉冲。为了接收可靠，第一位码的码宽我们设计成 3ms，其余的为 1ms，遥 控的数据帧间大于 10ms。

系统上电初始化后，对单片机的 P3-1 口进行检测，当红外线接收管输出脉冲数 据帧时，第一位码是低电平时，单片机将启动中断程序，实时的接收数据帧，同时对 第一位码的码宽进行验证，如果第一位码的低电码宽小于 2ms 时，单片机将作为错

冲个数，来执行相应的程序，操作单片机的各个输出口，来控制小灯的亮灭和显示发 射端的按键值和队可控亮度小灯进行亮度控制和亮度值显示。遥控系统的编码及解码

图 4.3，左边是发射部分的主程序，先进行初始化，然后执行键盘扫描。右边是 按键扫描程序，先是程序不断扫描键盘是否有按键按下，如果有按键按下，便调用发 射子程序和显示子程序。

图 4.4 是发射过程，首先按照我们自己定义的协议，装入脉冲个数，第一个脉冲 发送的是 3ms 的脉冲，方便接收端识别，然后发1ms 脉冲，停发是 1ms 脉冲，直到 发完所有的脉冲便结束这个过程。发射程序如下：

ET1=1;TR1=1; delayms(1); ET1=0;TR1=0;

这是我们用 protues 进行仿真，用示波器观察到的我们码分编码的脉冲波形，从 波形中我们能观察到是按照我们要求来发射脉冲的，首先先是发射的 3ms 脉冲，然

图 4.6 是遥控接收端的主程序，首先还是要进行初始化，然后依据设定的显示亮 度数据设定调光脉冲延时值。P3.0 是来自过零检测电路提供的 50hz 过零检测脉冲波 形。如果 P3.0 为 1 则调用延时程序，P0.7 口输出调光脉冲。

这里设置的灯光亮度总共有 8 个档位，分别是 0~7。在前面硬件部分已经介绍了， 控制小灯亮度是通过控制可控硅的导通角来控制的，控制可控硅的导通角又是由软件 延时来控制触发脉冲，达到控制可控硅的。在软件部分就必须设置触发脉冲的延时值， 具体的程序如下：

while(sin==0); delay1ms(s); K8=0;delay1ms(1);K8=1;

case 0:{s=1;break;} case 1:{s=2;break;} case 2:{s=3;break;} case 3:{s=4;break;} case 4:{s=5;break;} case 5:{s=6;break;} case 6:{s=7;break;}case 7:{s=8;break;} default:break;}

图 4.7 遥控接收中断流程图

若不是，直接中断返回；若低电平大于 2ms 了，则接收并计数器对低电平脉冲进行 计数。然后判断高电平脉冲宽度是否大于 3ms，若不是，则返回计数过程；若高电平 脉宽大于 3ms 了，则按照所得脉冲个数进入相应的功能程序。此时中断返回。程序 编写如下：

{ EX0=0;keyvol=0; if(remotein==0)

同样我们能用示波器观察到接收端的脉冲波形。波形如下：

高电平大于 3ms 时，我们可以判断此时接收脉冲发射已经结束。通知单片机做相应 的处理，按脉冲个数做相应的操作。此处我们先进行等的开关控制，控制程序如下：

case 2:{K1=~K1;break;} case 3:{K2=~K2;break;} case 4:{K3=~K3;break;} case 5:{K4=~K4;break;} case 6:{K5=~K5;break;} case 7:{K6=~K6;break;} case 8:{K7=~K7;break;}

由程序可知，我们可以根据不同的脉冲个数来控制不同的电器开关。遥控端第一 次按下按键，发送脉冲，接收端接收脉冲，根据脉冲个数进行开关控制，此时开关打 开，仿真我们用 LED 显示，此时 LED 亮，如图 4.9。当遥控端再次按下同一个按键 时，接收端便关闭了电器开关，仿真中此时 LED 灭如图 4.10。

本次设计中用到了两个数码管进行按键值和调光灯亮度的显示。流程图如图 4.11。 当接收到的低电平脉冲值是 9 的时候，显示按键值得那个数码管继续显示当前的脉冲 值，另外一个数码管对调光灯的当前亮度值进行显示，随按键按下进行改变，仿真图 如图 4.12 和图4.13。如果不等于 9，数码管显示按键值，显示亮度值得数码管显示当

本次系统设计是基于单片机的红外遥控家用电器，主要针对的是照明灯。首先是 对家用电器的开关进行遥控控制。其次是对家用照明灯进行灯光亮度调节。具有控制 简单、实施方便、成本低廉、实用性强等特点。有效的解决了家用照明灯开关等麻烦， 开关控制电路多，亮度不能调节，室内装修不美观等问题。本单片机遥控设计方案符 合绝大多数要应用到遥控的电器系统，是自行设计遥控器的理想方案。这是本次设计 解决的问题，但是由于个人能力有限，还没有完全实现全部的设计思路。

1、还没有完全实现用一个遥控器来控制家庭全部的电器，包括电视机，电冰箱， 空调等各功能控制。

2、编码方式没有用市场遥控器所采用的串行码编码，而是采用更简单的码分编 码方式，这种方式编码方式简单，可行性强，但是在实际运用中存在误差，只适用于 遥控按键比较少的遥控器编码。

3、该系统只能适用于短距离的遥控控制（10m 以内），而且红外线不能穿透墙， 门等，故遥控范围受到打得限制。如果是采用调频或调幅等发射和接收编码，可大大 提高遥控距离，并且不受角度影响。

由于本人水平有限上述这些问题还没有得到有效解决，只有在不断学习和探索中 再进行解决。

历时将近三个月毕业设计和毕业论文终于完成了，首先在此感谢我的指导老师朱 治国老师在整个毕业设计和毕业论文的完成中给予我很大的帮助。在毕业设计初期研 究方向，研究过程中遇到的各种问题，朱老师都对我提出了很多宝贵的意见，细心为 我讲解遇到的各种问题。在后期论文制作中，更是严格把关，认真审查，给我指出了 论文中存在不足的地方，提出了很多建设性的指导意见。我能顺利完成本论文和朱老 师的认真指导，辛苦批阅是离不开的。

Abstract—We evaluate  the packet delivery performance of low complex cooperative relaying in car-to-car communications by real-world measurements.The ratio and temporal correlation of packet delivery are evaluated for suburban and highway environments using three cars equipped with programmableradios and serving as sender, relay, and destination. We compare the relaying performance  to that of pure time diversity and show how temporalautocorrelation of packet delivery is a key factor in whether or not relaying exhibits benefits. Results are relevant in the design of relay selectionprotocols, as they give guidelines for the affordable selection delay.Index   Terms—Cooperative   relaying, vehicular  communica-tions, time diversity,measurements, testbed, VANET.

OOPERATIVE diversity techniques have been developedto    mitigate    the negative effects   of   small-scale   fading caused by multipath propagation[1]. They apply relay nodes that overhear transmissions from a sender to a destination and forward the overheard data to the destination. Such cooperativerelaying   exploits   the   broadcast   nature   of the   channel   and employs the concept of space-time diversity.

A huge amount of research has been done in the past ten years    to    assess    the benefits   and   drawbacks   of   cooperative relaying bysimulations and analytical mea- ns (see [2]-[5] and    references therein). Given the great body of publications in this domain, it is surprising that only fewstudies assessing cooperative relaying with real world measurements in realistic environments were published so far [6]-[9]. In particular, the au- thors of thisletter are not aware of any publication investi-gating cooperative relaying in a real environment for vehicular ad hoc networks. This lack of practical results ispartly due to the fact that implementations of cooperative relaying require changes in the data link la- yer and/or physical layer of the protocol   stack.  Programmable hardware platforms ena- bling such implementations have been commercially available for reasonable prices for just a few years.

The goal of our work is to contribute toward closing this research gap. Based on an implementation of a low-complex cooperative relaying protocol onthe programmablepl- atform  WARP [10], we measure and evaluate the packetdelivery  performance in an outdoor car-to-car communications scenario.Measurements are made for suburban and highway   environments with  three cars serving  as sender, relay,  and  destination,

respectively. In particular, we analyze the dynamics of packet reception in terms of its temporal correlation and show the impact of these dynamics on whetheror not relaying is beneficial compared to time diversity with respect to packet delivery success. We also determine the practically important maximum relayingdelay that still leads to gains compared to time diversity. To the best of our knowledge, such experiments have not been published beforehand by otherauthors. This letter extends our preliminary work in [11].

There     are     few     papers     on     measurement-based assessment  of cooperative relaying schemes. Bradford et al. [6] measure and evaluatedecode-and-forward relaying schemes in the lab. Measurements   are   performed   with   fixed   distances   between nodes   with   very    low   mobility  and   RF   shields   influencing radio   channels. Kyritsi   et   al. [7]   measure   the   performance of cooperative relaying in an indoor office scenario with twoaccess points and two devices moving on predefined paths. Valentin et al.    [8] propose and implement a medium access control (MAC)   protocol for  mobile   cooperative   WLANs.Measurements are carried out in a railroad scenario, where devices move on an oval shaped railroad with low mobility.Gonzales   et   al.   [9] compare    the    achievable    data    ratios    of relaying schemes in a scenario, where indoor mobile stations communicate to anoutdoor base station. In summary, none of these papers analyzes cooperative relaying in   a realistic outdoor scenario with high speed vehicles.

Measurements are performed in a car-to-car communica-tions scenario, where three cars are equipped with WARPboards serving as sender S, destinationD,andrelay R,respectively. The antennas are placed on the roofs of the cars. Each board is connected via Ethernet to a notebook to collect status packets andto track the positions of the cars with GPS sensors. Wireless communications is performed using the WARP orthogonal frequency-divisionmultiplexing(OFDM)  reference design (version 12). A relaying protocoland a retransmission protocol are implemented by the authors at the MAC layer.Table I shows the transmission parameters.Three scenarios for the positions of S, D, R are studied:

We assess the packet delivery from S to D with help of a relay R and compare this performance to that of a single direct transmission from S to D andto that of a time dive- r sity scheme in which S sends the same packet twice to D.For a fair comparison, the single transmission scheme uses a full-powerpacket; the other two schemes employ half-power packets (see Table I). As shown in Fig. 1, the MAC layer has been programmed to subsequently transmit

In each environment about 100 000 packets are transmitted.To assess the statistical significance of the measurements,

we uniformly and randomly select 2 000 transmission cycles from the data set into a subset B and evaluate this set. This procedure is repeated tentimes. We show the mean of these ten values and the 10% and 90%-quantiles.

The temporal correlation of packet reception of a given link is a key factor for the performance of both time diversity and cooperative relaying (whichis space-time diversity). The idea behind time diversity is that a retransmission may be successful if a first transmission failed due to changes of he channel.Informally speaking, a large positive correlation means that little changes of the channel can be expected, which in turn makes it unlikely that the secondtransmission succeeds if the first one failed. High correlation will lower the performance of time diversity. Therefore, temporal correlation can be used as an

indicator for the probability of successful transmission in time diversity and enables us to choose a suitable interval Δ between the diversity packets.

Fig. 3 shows correlations for both suburban and highway environments. The auto- correlation ρ(   D, D,Δ) shown in (a) is highly positive if the time spanΔ between packets is short; it attenuates for increasing Δ. A highway exhibits a significantly higher correlation for small Δ;for Δ ≥ 0.15 s,the correlations ofhighway and suburban environments are similar. For both environments, such positive correlation will reduce the performance of time diversity.

Fig. 3: Temporal correlation. Results are for the RD case, but the correlations are similar for the RM and RL cases.

Fig. 3 (b) shows the correlation  between the linksS−DandS−R. The correlation between these links is small, even for very small values ofΔ. In particular,for Δ=0(not shown) the mean correlation is 0.31(suburban) and 0.21(highway),compared to1.0for the autocorrelation of half-power packets.

Fig. 4 shows the percentage of packets delivered successfully from Sto Das a function of Δfor all transmissionschemes, environments, and relay positions.The delivery ratio of direct transmission is not a function ofΔ. As expected,the delivery ratio of time diversity improves for increasing Δ due to decreasingcorrelation. For all environments and relay positions the packet delivery ratios of time diversity and cooperative relaying are higher than that of directtransmission.For RM, cooperative relaying outperforms time diversity for both environments (a) and (b), mainly due to the multihop gain. For RL,cooperative relaying is worse than time diversity for the suburban environment (c) and for medium to

IfΔis very small, both packets of time diversity are highly correlated. In the extreme caseΔ=0, the correlation between these packets is one. Forcooperative relaying, however, the correlation between the linksS−DandR−Dis around 0.2 to 0.3. The packet delivery ratios for time diversity (Δ=0,RD)are89 %(highway) and93 %(suburban); for cooperative relaying they are96 %(highway) and95 %(suburban). Thus,for smallΔ, cooperative relayingoutperforms re-transmission in both environments in terms of packet delivery ratio.

Measurements conducted for vehicular communications analyzed the packet delivery performance of a simple protocol for cooperative relaying incomparison to conventional transmission schemes. Results show that cooperative relaying without diversity combining can outperform conventional schemeswith respect to packet error rate if the relay is locat- ed between sender and destination and/or the time elapsed between the two diversity packets isshort. If relaying does not benefit from a multihop gain and the delay is larger than about 150ms, pure time diversity outperforms relaying in the observedscenarios in terms of packet delivery ratio. This behavior can be explained by the temporal correlation of packet reception, which decreases for increasingdelay and thus improves packet deliv- ery for time diversity. These insights are useful for the design of relaying protocols. They indicate how fast relay selectionhas to become to yield benefits.

Note that we studied reliability gains of cooperative relaying using the packet delivery ratio. Clearly, other performance metrics must be considered aswell, such as data rate and energy consumption. They have been studied theoretically, but experiments for vehicular networks are subject to future work.

The authors thank M. Lienbacher and D. Egarter for helping   with the measurements and K. Lienbacher for proofreading.

[2] J. N. Laneman, D. N. C. Tse, and G. W. Wornell, “Cooperative diversity in wireless networks: efficient protocols and outage behavior,”IEEE Trans. Inf. Theory, vol.

[3] E. Zimmermann, P. Herhold, and G. Fettweis, “On the performance of cooperative relaying protocols in wireless networks,” Eur.Trans.Telecommun., vol. 16, pp. 5–16,

[4] A. Bletsas, A. Khisti, D. P. Reed, and A. Lippman,  “A simple cooperative diversity method based on network path selection,” IEEE J. Sel.AreasCommun., vol. 24, pp. 659–672, Mar. 2006.

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[6] G. J. Bradford and J. N. Laneman,“An experimental framework for theevaluation of cooperative diversity,” inProc. 2009 Conf. on InformationSciences and Systems, pp.

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[8] S. Valentin, H. S. Lichte, D. Warneke, T. Biermann, R. Funke, and[9] F.S.Gonz′ alez, B. Bandemer, G. Matz, C. Oestges, F. Kaltenberger,and N.Czink, “Performance of transmission-time optimized relaying schemes in real-world channels,” inProc. 2010 Conf. on Antennas andPropagation.

[11] G. Brandner, U. Schilcher, and C. Bettstetter, “Cooperative relaying in car-to-car communications: initial results from an experimental study,”inProc. 2010 IEEE Intern. Symp. Commun., Control and Sign. Proc..H. Karl, “Mobile cooperative WLANs - MAC and transceiver design,prototyping,and field measurements,” inProc. 2008 IEEE VTC – Fall.

摘要：我们通过真实环境的测量评估了网咯传输特性在车对车通讯中的低复杂性。分 组交换的比率和时间相关性评估了郊区和高速公路的环境通过用三辆车配备可编程 的收音机和作为发件人，继电器和目标。我们比较中继器与纯时间分集的性能和显示 对于中继展品好处分组交换的时间自相关性是否是一个关键因素。结果与中继选择协 议的设计相关，因为他们提供指引选择延迟的实惠。

一、简介及动机 协作分集技术已被开发为了减轻多径衰落的由多径传播引起的负面影响。它们适

用于无意中偷听到从发送者传输到一个目的地的中继节点，并且转发了偷听到的数据 复制到目标。这种协作中继利用广播通道的性质和采用空间时间分集的概念。在过去 十年中通过模拟和分析手段做了大量的研究来评估合作中继的优缺点（见[2] - [5] 和参考文献）。鉴于在这一领域的广大出版物，令人惊讶的是到目前为止，只有少数 研究，评估合作中继和现实世界中的测量在现实环境中的的读物被出版[6] - [9]。 尤其是，这封信的作者是没有意识到任何发布的调查协作中继对于特点工作的车辆的 真实工作环境。这种缺乏实际结果的部分原因是由于事实上，合作中继的实现需要在 数据链路层和/或物理层的变化协议栈。可编程的硬件平台，使这种方法已经用于商 业合理的价格几年了。我们的工作目标是关闭这项研究的差距作出贡献。基于低复杂 可编程平台 WARP 协作中继协议的实现[10]，我们衡量和评价的分组交换在室外的车 对车通信的交付性能脚本。测量三辆车分别作为发件人，继电器和目标，郊区和高速 公路的环境。具体而言，我们分析其时间相关的动态数据包接收和显示这些动态的影 响与否，就分组成功传输相比，时间分集，中继是有益的。我们也决定了几乎最重要 的中继延迟时间分集相比，仍然会导致收益。据我们所知，这些实验在以前都还没被 其他作者出版过。这封信延伸我们的前期工作[11]。

有几篇基于测量的评估合作中继方案的论文，布拉德福德等人[ 6 ]在实验室测量 评估解码和转发中继方案。之间具有固定的距离进行测量具有非常低的流动性和 RF 屏蔽影响的节点广播频道。 kyritsi 等。 [7]测量性能室内办公场景有两个协作中 继接入点和两个预定义的路径移动设备。瓦伦丁等。 [8]提出并实施媒体访问控制

景中比较实现的数据，那里室内移动站和室外基站通信。总之，没有论文分析在室内 具有高速车辆的协作中继。

测量是在一辆车车通信的情况下，三辆车都分别配备了 WARP 板作为发件人目 的地 D，S，和中继节点 R，这天线放在汽车的顶部，每块板都通过以太网连接到一 台笔记本收集状态数据包，并跟踪汽车的位置通过 GPS 传感器。无线通信使用 WARP 正交频分复用的（OFDM）的参考设计（第 12 版）。一个中继协议和重传协议，作者 在 MAC 层实施。表 I 显示了传输参数，三种方案 S，D，R 的位置被研究：

•继电器和目的地在同一辆车（RD）：两车，一辆汽车作为 S，另外一辆作为 R 和 D， 一辆车配备了2 WARP 板;距离天线1.8米。

郊区：车速度50-70公里/小时，中等流量密度，汽车平均距离是30M。 公路：车速度130公里/小时，低流量的密度，汽车之间平均距离是60m。 我们在继电器 R 的帮助下评估分组交换传送从 S 到 D 的帮助下，和比较了从 S 到 D 的单方向传送的性能和还比较了时间分集在 S 两次发送相同的数据包到 D.为了一个 公平的比较，单传输方案使用全功率包，其他两个方案采用半功率数据包（见表 I）。 如该图所示。如图1所示，在 MAC 层被编程后发射。

合作伙伴和循环冗余码校验（CRC）的两个报头和有效负载是有效的。如该图所示。 如图2所示，一个数据包是（a）将直接传送交付，当 SF 被传递到 D，（b）在时间分 集，如果至少有一个半功率包或被传递到 D，以及（c）使用合作中继，如果被传递 到 D 或被交付到 R 和是交付 D.无包结合。

时间分集和协作中继的性能依赖于时间段之间的第一和第二给定的方案包。这 个时间在下面是由Δ表示。为了评估时间的多样性，我们考虑两种包和              被Δ分离。 对于协作中继，我们认为秒和被Δ分离。包交付被评价为取值范围从30毫秒到30秒的Δ函数，这表示Δ∈T，T：={（5i 的+1）δ|我= 0，1… 199}。需要注意的是由于 汽车运动的多样性时间的多样性计划也有利于从空间。

在每个环境中，约100万个数据包被传输。为了评估测量的统计学意义，我们 从数据集的子集 B 均匀随机地选择2 000个传输周期以及评价此集。这过程重复十次。 我们表明这些10值的10％和90％分位数的平均值。

四、接收数据包的时间相关性 一个给定的链路的数据包的接收的时间相关性对于两个时间分集的性能是一

个关键因素和协作中继（这是空间时间分集）。该时间分集的背后的想法是，重传可 能成功，如果第一个发送失败因变更信道。非正式地说，一个大的正相关性意味着可 以预期变化不大的通道，这反过来又使所述第二发送成功不太可能如果是在第一个失 败。高相关性将降低时间分集的性能。因此， 时间相关性可以用作成功概率的指标 对于传输时间的多样性和让我们在多样的数据包之间选择一个适合的间隔Δ。

κ的时刻，当 S 半功率包发送。我们引入二进制变量。 类似地我们定义DTI。我们评估的样本相关系数ρ( D, R,Δ)=其中R和ˉD是算术平均值，

图3所示为郊区和高速公路的相关性环境。自相关ρ（D，D，Δ）在图（a） 如果Δ数据包之间的时间跨度是非常积极的是短;他增加Δ衰减。一条公路呈现出显 着的相关性较高的对于小Δ，对于Δ≥0.15s，公路和郊区环境的相关性相似。对于 这两种环境中，这样的正相关减少时间分集的性能。

图3：时间相关。结果为RD的情况下，但相关与RM和RL的情况下相似。

图3（b）表示了在链接S-D和S - R之间的相关性，在这些链接之间相关性小，甚至Δ 值非常小。特别是，对于Δ=0（未示出）的平均相关性为0.31（郊区）和0.21（高速 公路），1.0对于半功率报文的自相关。

五、终端到终端的分组投递率 图4示出了从S到D成功传递的数据包的百分比作为函数Δ的所有传输方案，环境和

电器的位置。直接传输的投递率不是函数Δ。正如预期的那样，由于相关性下降，时 间分集的投递率提高增加Δ。对于所有的环境和继电器位置，时间多样性与协作中继 分组交换比高于直接传输。

对于RM中，对于这两种环境中（a）和（b）中合作中继的优于时间分集，主要是 由于多跳收获。对于RL，在的郊区的的环境中（c）和中型到大型Δ在高速公路上（D）。， 合作中继比时间分集更差。然而，这会更好，对于小的Δ中的公路上Δ<（0.1 s）。为 这种研究结原因自相关示于图3（a）。在高速公路上的自相关名显高于在郊区上的， 因此，合作中继提高了分组交换的比例是由于在S - D和S - R之间的较低的的相关性

（图3（b）），。最后，对于RD，在Δ<为0.1 s的高速公路上协作中继优于时间分集。 然而，在郊区的环境（E），时间分集 更好地尊重分组交换当Δ≥30毫秒。这中行为可以再次由相关性来说明。

是0.2～0.3左右。分组交换的比率对于时间分集当（Δ= 0，RD）为89％（高速公路） 和93％（郊区）;对于协作中继他们是96％（高速公路）和95％（郊区）。因此，对于 小Δ，在这两种环境，协作中继的分组投递率优于再传。

六、结论和进一步的工作 车辆通信进行测量分析出一个简单的协议的对于协作中集的网络传输性能对照

常规传输方案。结果表明，没有分集组合的协作中继可以超越传统的带有尊重封包错 误率方案，如果继电器位于发送方和目的地和/或所经过的时间的两个分集的数据包 之间是短的。如果中继没有受益于多跳增益和延迟大于约150毫秒，在分组投递率方 面，纯时间分集优于所观察的继电器。这种行为可以解释为时间相关数据包的接收， 从而降低增加延迟提高了数据包传输时间的多样性。这些见解对于中继协议的设计是 有用的。他们表示如何快速的中继选择已经成为发挥效益。