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红外遥控器信号接收和显示的设计实现
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红外遥控器(原创论文,改名即可用,包君满意)
摘 要红外线遥控器是现在使用最广泛的一种通信和遥控方式。 由于其结构简单、 体积小、 功耗低、功能强、成本低等特点，因此广泛应用于彩电、空调、CD/VCD、录像机、家 用电器设备及工业控制。随着现在人们的生活中家电日益增加的需要。使用红外线遥控 器也越来越频繁。因为各种红外线遥控编码的不同。使着各种红外线遥控器不能兼容。 经常需要更换遥控器，这也给人们的生活带来不便。单片的机迅速发展，使这一问题得 到了很好的改善。 在这里设计一种以 AT89C51 单片机为核心的学习型红外线控制器。通过测量红外 一体化接收头输出信号。并原样的记录其输入脉冲宽度，保存在单片机中，使用单片机 定时器中断产生 40Khz 载波信号，以软件代替硬件，节约了资源。该学习型遥控器能够 成功的学习各种红外控制编码，并通过 40Khz 的载波发送学习到的记忆信号。实现了对 各种各样的红外遥控的学习，从而实现了真正的自学习型遥控器。关键词：红外线控制编码；AT89C51；学习型遥控器IAbstractInfrared remote control is the most widely used means of a communication and remote control, due to its simple structure, small size, low power consumption, strong function, low cost, and therefore widely used in color TV, air conditioning, CD/VCD, VCR household appliances and industrial control equipment. With people now living in the growing needfor home appliances, use infrared remote control is also increasing frequent. Because of various different encoding format infrared remote control, making all kinds of infrared remote control can not be compatible. Often need to replace the remote control, which bings inconvenience to people is lives. SCM has been dwvoloped rapidly so that this problem has been well improved. In this design a kind of learning as the core AT89C51 infrared remote, first by measuing the output signal of Integrated IR receiver head, and stood to record the output pules width, and then stored in the stored in the SCM, Finally, single-chip timer interrupt to generate 40KHz carrier signal, the software instead of hardware, saving resources. The learning IR remote control can be successful in learning a variety of infrared remote control codes and send the signals have been stored by 40KHz carrier. Achieved on a variety of learning IR remote control, Therefore, to achieve true self-leaening remote control.Key Words：remote control codes；AT89C51；learning IR remote controlII目 录1 绪论 ................................................................................................................. 11.1 1.2 1.3 课题研究背景 ........................................................................................................... 1 红外技术的研究现状 ............................................................................................... 1 课题研究内容 ........................................................................................................... 22 学习型红外线遥控器原理 ............................................................................. 32.1 2.2 2.3 2.4 红外线遥控简介 ...................................................................................................... 3 红外遥控原理 .......................................................................................................... 3 红外线遥控发射原理 .............................................................................................. 4 红外线遥控接收原理 .............................................................................................. 63 红外线遥控设计方案 ..................................................................................... 73.1 3.2 3.3 系统设计指标 .......................................................................................................... 7 硬件方案设计 ........................................................................................................... 7 软件方案设计 ........................................................................................................... 74 红外线遥控硬件设计 ..................................................................................... 94.1 硬件的选择 .............................................................................................................. 9 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.2 红外接收装置 ................................................................................................ 9 红外线发射装置 .......................................................................................... 11 单片机原理 .................................................................................................. 13红外遥控电路设计 ................................................................................................. 17 4.2.1 4.2.2 4.2.3 接收部分电路 .............................................................................................. 17 发射部分电路 .............................................................................................. 18 电源部分 ...................................................................................................... 185 系统软件的设计 .............................................................................................. 205.1 5.2 5.3 主程序设计 ............................................................................................................ 20 红外线接收程序设计 ............................................................................................ 21 红外线接发射序设计 ............................................................................................ 226 红外遥控器的调试仿真 .................................................................................. 236.1 软件部分仿真 ........................................................................................................ 23III6.2 6.3硬件电路部分仿真 ................................................................................................ 25 硬件电路调试 ........................................................................................................ 26结 论 .................................................................................................................... 32 致 谢 .................................................................................................................... 33 参考文献 .............................................................................................................. 34 附录 A 英文原文 .............................................................................................. 35 附录 B 中文译文 .............................................................................................. 48 附录 C 原理图和版图 ...................................................................................... 58IV1 绪论1.1 课题研究背景上世纪八十年代初,日本率先在电视产品中使用了红外遥控技术,使用集成发射芯片 来实现遥控码的发射,如东芝 TC9012,飞利浦 SAA3010 等,它的主要特点是遥控器内预置 固定编码,一只遥控器只能控制单一型号的电器 随着电子技术的发展,家用电器越来越普遍,人们希望以一只遥控器遥控所有家用电 器,多用遥控器产生了。它的主要特点是：遥控器内预置多套编码,可供用户选择。 如今,随着嵌入式的广泛应用,部分厂商推出了具备红外学习的遥控器,它的主要特点 是：遥控器内置一个动态编码库,具备红外学习功能,可由用户自主录入编码。 通过对具备红外学习功能的遥控器进行市场调查,本文发现： 国内红外遥控编码学习 技术虽比较成熟,但产品化程度较低,市场推广不够,主要原因在于设计者对用户需求的调 查不够全面,以致产品不够实用,性价比较低。从用户操作方便实用的角度出发,本文自主 设计具备红外学习、 彩屏虚拟遥控界面的万能学习型红外遥控器,借此促进红外遥控学习 技术在国内市场的产品化推广。1.2红外技术的研究现状红外遥控具有结构简单，制作方便，成本低廉，抗干扰能力强，工作可靠性高等一系列优点。同时，由于红外遥控器件，工作电压低，功耗小，外围电路简单，因此，在 日常生活中广泛应用，如彩电，录像机，音响空调，风扇，等其它的小型电器上。遥控 距离在几米到十几米。在现代工业中已经广泛的使用，在高压，辐射，有毒气体，粉尘 等环境下才用红外线遥控不仅安全可靠还可以有效的隔离干扰。红外线遥控的特点是不 影响周围环境，不干扰其他设备。由于其无法穿越墙壁，可以使得在不同的房间可以使 用通用的红外线设备，而不至于各个设备之间产生互扰现象。红外线遥控的电路设备相 对比较简单。编码容易，可以实现多路的控制。因此，红外线遥控技术应用已经相当的 广泛。 现有自主学习型红外遥控器,核心MCU 主要有以下几种：MCS-51 系列、Microchip PIC16 系列、Winbond W741 系列、Holtek HT48 系列以及ARM系列。目前国内外比较 成熟的产品主要有： 1、上海慧居智能电子的HJ-JYWC,它的主要特点为：触屏按键组合输入。具有红外1学习功能。具有载波频率识别功能,能准确识别各种复杂的红外代码。 2、BREMAX 公司的NRC-304 网络多功能遥控器,它的主要特点为:联机自学习、脱 机自学习两种模式； 具有USB 口,通过INTERNET 登陆BREMAX 公司网站,搜寻并下载 相应型号家电的遥控器编码,兼容各种品牌和型号。 3、Sunwave 公司的SRC―1600,它的主要特点为：具有巨集设定功能,单一按键巨集 设定可记忆多达60 个指令；具备红外学习功能,具有USB 接口,可预设遥控编码和升级 系统。 4、罗技Harmony 1100,它的主要特点为:黑色铝合金外壳,3.5 英寸的触屏；用户可以 根据具体情况添加或者删除屏幕上的功能键；设备能通过USB 连机,获取罗技在线数据 库配置文件。1.3课题研究内容学习型红外遥控系统以 AT89C51 系列单片机作为主控芯片，红外线编码接收模块，红外线编码发送模块组成。利用单片机 AT89C51 对多个红外遥控编码的脉冲宽度进行 测量， 并原封不动地把发射信号中高、 低电平的时间宽度记忆至扩展存储区的指定地址。 当要发射红外信号时，从扩展存储区中还原出相应的红外遥控编码，并调制到 40KHz 的载波信号上，最后，通过三极管放大电路驱动红外发光二极管发射红外信号，达到学 习和发射的目的，从而实现一个遥控器控制多种红外遥控设备。22 学习型红外线遥控器原理2.1 红外线遥控简介在接受红外遥控之前，首先介绍一下什么是红外线。我们知道，人的眼睛能看到的 可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范 围为 0.62～0.76μ m； 紫光的波长范围为 0.38～0.46μ m； 比紫光波长还短的光叫紫外线， 比红光波长还长的光叫红外线。 红外线遥控就是利用波长为 0.76～1.5μ m 之间的近红外线来传送控制信号的。 红外 遥控系统常用的红外遥控系统一般分发射和接收两个部分。发射部分的主要元件为红外 发光二极管。它实际上是一只特殊的发光二极管；由于其内部材料不同于普通发光二极 管，因而在其两端施加一定电压时，它便发出的是红外线而不是可见光。 通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成。 应用编/解码专用集成电路芯片来进 行控制操作，如图 2.1 所示。发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED 红外发送器；接 收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。图 2.1 红外遥控系统框图2.2 红外遥控原理红外遥控发送数据时采用调制的方式，即把数据和一定的频率的载波进行“与”操 作，这不仅可以提高发射效率，还可以有效的降低电源的功耗。调制载波的频率一般在 30Khz 到 60Khz 之间。大多数产用 40Khz 左右得频率进行调制。本设计采用 40Khz 占 空比位 1:3 的方波。方波由单片机产生。向单片机定时器加载相应的数据，使其产生 40Khz 的方波。然后将将要发送的编码和载波进行与操作发送编码。32.3 红外线遥控发射原理遥控发射器专用芯片很多，根据编码格式可以分成两大类，这里我们以运用比较 广泛，解码比较容易的一类来加以说明，现以日本 NEC 的 uPD6121G 组成发射电路为 例说明编码原理（一般家庭用的 DVD、VCD、音响都使用这种编码方式） 。当发射器按 键按下后，即有遥控码发出，所按的键不同遥控编码也不同。 采用脉宽调制的串行码，以脉宽为 0.565ms、间隔 0.56ms、周期为 1.125ms 的组 合表示二进制的“0”；以脉宽为 0.565ms、间隔 1.685ms、周期为 2.25ms 的组合表示二进 制的“1”，其波形如图 2.2 所示。图 2.2 红外遥控编码波形上述“0”与“1”将组成 32 位的数据编码形成一帧的数据。该码型的一帧数据中由 启动码，八位的系统码 1，系统码 2，数据码，数据反码组成。其中启动码是由“0”向 “1”的跳变。系统码和数码都是由 8 位数据组成。用户码和数据码的发送均是低位在 前，高位在后。具体的编码格式如图 2.3。图 2.3 编码格式UPD6121G 产生的遥控编码是连续的 32 位二进制码组， 其中前 16 位为用户识别码， 能区别不同的电器设备，防止不同机种遥控码互相干扰。该芯片的用户 识别码固定为 十六进制 01H；后 16 位为 8 位操作码（功能码）及其反码。UPD6121G 最多额 128 种 不同组合的编码。4遥控器在按键按下后，周期性地发出同一种 32 位二进制码，周期约为 108ms。一 组码本身的持续时间随它包含的二进制“0”和“1”的个数不同而不同，大约在 45～63ms 之间。图 2.4 发射波形图当一个键按下超过 36ms，振荡器使芯片激活，将发射一组 108ms 的编码脉冲,这 108ms 发射代码由一个引导码 （9ms） ,一个结果码 （4.5ms） 8 位地址码 ,低 （9ms~18ms） , 高 8 位地址码 （9ms~18ms） 位数据码 ,8 （9ms~18ms） 和这 8 位数据的反码 （9ms~18ms） 组成。 如果键按下超过 108ms 仍未松开， 接下来发射的代码 （连发码） 将仅由起始码 （9ms） 和结束码（2.25ms）组成。 目前有很多种芯片可以实现红外发射，可以根据选择发出不同种类的编码。由于发 射系统一般用电池供电，这就要求芯片 的功耗要很低，芯片大多都设计成可以处于休 眠状态，当有按键按下时才工作，这样可以降低功耗芯片所用的晶振应该有 足够的耐 物理撞击能力，不能选用普通的石英晶体，一般是选用陶瓷共鸣器，陶瓷共鸣器准确性 没有石英晶体高，但通常一点误差可以忽略不计。 本设计红外线通过红外发光二极管(LED)发射出去，红外发光二极管（红外发射管） 内部构造与普通的发光二极管基本相同，材料和普通发光二极管不同，在红外发射管两 端施加一定电压时，它发出的是红外线而不是可见光。 选用元件时要注意三极管的开关速度要快，还要考虑到 LED 的正向电流和反向漏 电流，一般流过 LED 的最大正向电流为 100mA，电流越大，其发射的波形强度越大。 当电池电压下降时，流过 LED 的电流会降低，发射波形强度降低，遥控距离 就会变小。射极输出电路可以解决这个问题，两个二极管把三级管基极电压钳位 在 1.2V 左右， 因此三级管发射极电压固定在 0.6V 左右， 发射极电流 IE 基本不变， 根据 IE ≈IC ,所以流过 LED 的电流也基本不变，这样保证了当电池电压降低时还可 以保证一定的遥控距离52.4 红外线遥控接收原理红外接收电路通常被厂家集成在一个元件中，成为一体化红外接收头。 内部电路 包括红外监测二极管，放大器，限幅器，带通滤波器，积分电路，比较器等。红外监测 二极管监测到红外信号，然后把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一 定的水平，而不论红外发射器和接收器的距离远近。交流信号进入带通滤波器，带通滤 波器可以通过 30khz 到 60khz 的负载波，通过解调电路和积分电路进入比较器，比较器 输出高低电平，还原出发射端的信号波形。注意输出的高低电平和发射端是反相的，这 样的目的是为了提高接收的灵敏度。 红外接收头的种类很多，引脚定义也不相同，一般都有三个引脚，包括供电脚，接 地和信号输出脚。根据发射端调制 载波的不同应选用相应解调频率的接收头。IRM38A 为比较常用的红外线接收器。图 2.5 为 IRM38A 的引脚图。 红外接收头内部放大器的增益很大，很容易引起干扰，因此在接收头的供电脚上须 加上滤波电容， 一般在 22uf 以上。 有的厂家建议在供电脚和电源之间接入 330 欧电阻， 进一步降低电源干扰图 2.5 IRM38A 引脚63 红外线遥控设计方案3.1 系统设计指标1. 红外线发射距离：10 米-15 米。 2. 解码类型：RC-5 协议；解码准确率 85%以上。 3. 载波发射频率：40KHz±1KHz。 4. 设计学习键实现学习功能，一个发射键实现发射功能。3.2硬件方案设计本课题主要针对学习型红外遥控器的设计，基于功能，将系统分为三个单元进行操作，包括：红外学习接收模块、单片机软件处理模块、红外遥控发射模块。由红外学习 模块接收红外信号并对其进行解码，然后传输到单片机中进行储存，再通过遥控发射模 块输出信号。其硬件原理框图如图 3.1 所示：图 3.1 学习型红外遥控器硬件原理框图3.3软件方案设计学习型红外线设计的软件部分主要由:主程序、 延时程序、 初始化程序、 键功能函数、主函数、40Khz 发生器、学习函数等模块组成。 主程序主要完成的程序的初始化和按键扫描，外部中断程序主要完成控制定时器产 生 40KHz 的载波，键功能函数主要完成信号的发射，学习函数完成信号的接收与储存。 系统通过 Pl.0 口接遥控码发射按键；P1.6 口用作状态指示，绿灯亮代表学习状态；Pl.7 口用指示控制键的操作，闪烁时表示遥控码正在发射之中。处在学习状态绿灯灭表示码7已读入。P1.8 脚单片机的复位脚，采用简单的 RC 上电复位电路 P3.1 脚中断输入口，用 于工作方式的转换控制， INTO 脚位低电平时，系统进入学习状态;P3.4 脚用于红外线 当 接收头的输出信号录入；P3.5 脚作为遥控码的输出口，用于输出 40KHz 的遥控码； XTAL1、XTAL2 脚接 12M 晶振。84 红外线遥控硬件设计4.1 硬件的选择红外线遥控器硬件主要的器件有 AT89C51 单片机、红外接收装置和红外发射装置， 涉及到能否准确的传输和接收信号，以及信号的储存和调制。所以对这些主要元件的选 择也有较高要求。 4.1.1 红外接收装置 本论文是需要将接收到的红外信号，解码成单片机能够识别的信号，通过对各类红 外接收装置的了解，以及对各类装置成本方面的考虑，最后决定采用 HS0038 一体化红 外接收头。 红外接收电路一体化的红外接收装置将遥控信号的接收、放大、检波、整形集于一 身，并且输出可以让单片机识别的 TTL 信号，这样大大简化了接收电路的复杂程度和 电路的设计工作，方便使用。在本系统中我们采用红外一体化接收头 HS0038，HS0038 黑色环氧树脂封装，不受日光、荧光灯等光源干扰，内附磁屏蔽，功耗低，灵敏度高。 在用小功率发射管发射信号情况下，其接收距离可达 35m。它能与 TTL、COMS 电路 兼容。HS0038 为直立侧面收光型。它接收红外信号频率为 40 kHz,周期约 26 μs，同时 能对信号进行放大、检波、整形，得到 TTL 电平的编码信号。三个管脚分别是地、＋5 V 电源、解调信号输出端。 红外一体化接收头的测试可以利用图 4.1 所示：图 4.1 红外一体化接收头在 HS0038 的电源端与信号输出端之间接上一只二极管及一只发光二极管后， 再配 上规定的工作电源（为＋5V） ，当手拿遥控器对着接收头按任意键时，发光二极管会闪9烁，说明红外接收头和遥控器工作都正常；如果发光二极管不闪烁发光，说明红外接收 头和遥控器至少有一个损坏。 只要确保遥控器工作正常， 很容易判断红外接收头的优劣。 Hs0038 不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与 TTL 电平信号兼容的所 有工作，而体积和普通的塑封三极管大小一样，自适合于各种红外线遥控和红外线数据 传愉。起内部元件结构如图 4.2 所示：图 4.2 HS0038 内部结构因为要进行遥控操作，必须使被遥控对象能够认识遥控指令，这样才能对其进 行操作。举例说明一下：假如我只会说汉语，而 JIM 只会说英语，让我们两个独 自交流的话肯定不会有什么结果，那我们要进行交流，怎么办？这就需要一个翻 译者来做中间人了，翻译者将 JIM（我）说的话翻译给我（JIM）能够听懂、识别 的语言，这样我们交流就没问题了。同样，在红外遥控方面，要使被遥控对象能 够识别遥控指令，那就需要一个“翻译者”，我们将这作为一个过程，叫解码。 当检测到有红外中断时，进入中断服务，在该程序中调用识别程序，并注意关 闭外部中断，同时在另一定时中断中判别连续发码的间隔时间，并打开外部中断。 在中断服务程序中，判别系统码，系统码有效，才视为有效结果；对同一按键连 续 2 次接收的结果做比较,相同才视为有效结果。红外遥控编码正确识别以后，设 置任意键码实现存储，配以控制执行部分，比如采用继电器或者可控硅很容易实 现被控电器的电源的通断，实现节能环保和方便生活的目的。104.1.2 红外线发射装置 发射机的任务是产生一系列载有通道信息的红外线脉冲申，因此它必须对通道信息 进行编码和调制。我们用键盘扫描的方式确定需要发送的红外线脉冲个数，不同的个数 代表不同的通道，发射机工作时耗电少，静态开机几乎不消耗电，达到节能要求，该系 统遥控发射器电路把单片机 P1.0 和 P1.1 口用作键扫描端口，具有多个功能操作键，第 9 脚为单片机复位脚，采用简单的 RC 上电复位电路；巧脚作为红外线遥控码的输出口， 用于输出 40KHz 载波编码；把 XTAL1 、XTAL1 脚接 12MHz 晶振。P1 口接上拉电阻。 电源采用+5V 。 本课题的红外发射部分比较简单，由于采用的定时器 T0 的中断来产生的 40KHz 载 波，所以对红外发射装置的要求也就没有接收装置那么严格，所以本课题采用的是红外 发射二极管。下面简单介绍一下发光二极管的原理。发光元件的种类很多，依光谱大致 可分为红外线发光元件及可见光的发光元件。 在本论文中， 所要介绍的红外线发光元件， 是以砷化镓（GaAs）的红外线发光二极管(也称红外线发射二极管)为主体，分别叙述其 基本特性及应用电路。 常用的红外发光二极管（如 SE303?PH303） ，其外形和发光二极管 LED 相似，发 出红外光（近红外线约 0.93μ m ） 。管压降约 1.4V ，工作电流一般小于 20mA。为了适 应不同的工作电压，回路中常串有限流电阻。 发射红外线去控制相应的受控装置时，其控制的距离与发射功率成正比。为了增加 红外线的控制距离，红外发光二极管工作于脉冲状态，因为脉冲（调制光）的有效传送 距离与脉冲的峰值电流成正比，只需尽量提高脉冲峰值电流 Ip，就能增加红外光的发射 距离。提高 Ip 的方法，是减小脉冲占空比，即压缩脉冲的时间宽度，一些彩电红外遥 控器，其红外发光管的工作脉冲中空比约为 1/4~1/3；一些电气产品红外遥控器，其占 空比是 1/10。减小脉冲占空比还可使小功率红外发光二极管的发射距离大大增加。 常见的红外发光二极管， 其功率分为小功率 （1mW~10mW） 中功率(20mW~50mW) 、 和大功率(50mW~100mW 以上)三大类。要使红外发光二极管产生调制光，只需在驱动 管上加上一定频率的脉冲电压。用红外发光二极管发射红外线去控制受控装置时，受控 装置中均有相应的红外光一电转换元件，如红外按收二极管，光电三极管等。实用中已 有红外发射和接收配对的二极管。红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其 二是反射式。直射式指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定 距离；反射式指发光管和接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发光管发出的11红外光遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外线才工作。 双管红外发射电路，可 提高发射功率，增加红外发射的作用距离。 红外发光二极管，它发射 1～3μ m 的红外光，人眼看不到。通常单只红外发光二极 管发射功率只有数 mW，不同型号的红外 LED 发光强度角分布也不相同。红外 LED 的 正向压降一般为 1.3～2.5V，工作电流一般小于 20mA 。正是由于其发射的红外光人眼 看不见， 所以利用上述可见光 LED 的检测法只能判定其 PN 结正、 反向电学特性是否正 常，而无法判定其发光情况正常否。为此，最好准备一只光敏器件（如 2CR、2DR 型硅 光电池）作接收器。用万用表测光电池两端电压的变化情况。来判断红外 LED 加上适 当正向电流后是否发射红外光。其测量电路如图 4.3 所示。图 4.3 测试电路发光二极管所发射的光波长， 常因其所用的材料而异。 砷化嫁的红外线发光二极管， 其峰值发光波长为 940~950nm，而人不能看到的光波长，大概就在 900nm 以上，这也 就是红外线的光我们人眼所不能看到的原因。Si 质光电品体的相对分光感度，光电晶体 管的感光范围很大，其范围由 50nm 到 1100nm，而其感光峰值约在 800nm 左右，所以 光电晶体体除了平常用来做可见光线侦测外，也常用来做红外线接收器。但使用光电晶 体当红外线接收器时，须注意其光线的干扰，为排除干扰可以在接收器的放大部份加入 一带通滤波器，以让红外线发光二极管发射出来光线的频率通过，如此可以减少很多不 必要的干扰。 红外线发光二极管其电气的电路符号及特性，阳极(P 极)电压加正，阴极(N 极)电压 加负，此时二极管所加之电压为正向电压，同时亦产生正向电流，提供了红外线发光二 极管发射出光束的能量，其发光的条件与一般的发光二极管(LED)一样，只是红外线为 不可见光。一般而言砷化惊的红外线发光二极体约须 1V ，而嫁质的红色发光二极管切 入电压约须 1.8V；绿色发光二极管切入电压约须 2.0V 左右。当加入之电压超过切入电 压之后， 电流便急速上升， 而周围温度对二极管的切入电压影响亦很大， 当温度较高时，12将使其切入电压数值降低， 反之， 切入电压降低。 红外线发光二极管工作在反向电压时， 只有微小的漏电流，但反向电压超过崩溃电压时，便立即产生大量的电流，将使元件烧 毁，一般红外线二极管反向耐压之值约为 3-6V，在使用时尽量避免有此一情形发生。 4.1.3 单片机原理 （1） STC89C51 性能简介 STC89C51 是 51 系列单片机的一个型号，它是 STC 公司生产的。STC89C51 是一 个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序 存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，器件采用 STC 公司的高密度、非 易失性存储技术生产， 兼容标准 MCS-51 指令系统， 片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元， 功能强大的 STC89C1 单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合。 STC89C51 有 40 个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含 2 个外中断口，3 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，2 个读写口线，STC89C51 可以按照常规 方法进行编程,但不可以在线编程(S 系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本[7]。 STC89C51 有 PDIP、PQFP/TQFP 及 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。图 4.3 STC89C51 引脚分布图13（2） STC89C51 引脚功能说明： VCC：电源电压。 GND：地。 RST：复位输入。当振荡工作时，RST 引脚出现两个机器周期上高电平将使单片机 复位。WDT 益出将使该引脚输出高电平，设置 SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址 8EH） 可打开或关闭该功能。DISRTO 位缺省为 RESET 输出高电平打开状态。 ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出 脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目地，要注意的是：第当访 问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。 如有必要， 可通过对特殊功能寄存器 （SFR） 区中的 8EH 单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。该位禁位后，只有一条 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才会被激活。此外，该引脚伎被微弱拉高，单片机执行外部程序时， 应设置 ALE 无效。 P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址/数据总线复用口，作为 输出口用时，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据总线 复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序 校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 P1 口：P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动（吸 收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到 高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部 信号校验期间，P1 接收低 8 位地址。 P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动 4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作 输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出 一个电流 I。在访问 8 位地址的外部数据存储器时，P2 口线上的内（也即特殊功能寄存 器， 在整个访问期间不改变。 Flash 编程或校验时， 也接收高位地址和其它控制信号。 P2 P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻 拉高并可作为输入端口。作输入端口时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流 I。14P3 口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能。P3 口还有替代各种 功能，如表 4.1 所示：表 4.1 P3 口替代功能 引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 替代功能 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD 说明 串行数据接收 串行数据发射 开放中断 0 申请 开放中断 1 申请 定时器 0 外部事件计数输入 定时器 1 外部事件计数输入 外部 RAM 写选通 外部 RAM 读选通PSEN： 程序储存允许 （PSEN） 输出是外部程序存储器的读选通信号， STC89C51 当 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉 冲。当访问外部数据存储器，高有两次有效的 PSEN 信号。 EA/VPP： 外部访问允许。 欲使 CPU 公访问外部程序存储器 （地址 0000H－FFFFH） ， EA 端必须保持低电平（接地） 。需注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会 锁存 EA 端状态。如 EA 端为高电平（接 VCC 端） ，CPU 则执行内部程序存储器中的指 令。Flash 存储器编程时,该引脚加上＋12V 的编程电压 VPP。 XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端[8]。 （3）定时/计数器的控制寄存器(TCON)简介 TCON7 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 TCON0 IT0TF1：定时器 T1 溢出标志。 TR1：定时器 T1 运行控制位。 IE1(IEO):外部中断 1 跳变标志， 当检测到 INT1( INT0)负跳变且 IT1=1 时， IE1(IEO) 由硬件置位;当执行中断程序时，由硬件清 015（4）电平触发方式 在 AT89C51 单片机中有两个外部中断请求 INT0 和 INTl，分别由 P3.2 和 P3.3 口输 入。单片机在每一个机器周期的 S5P2 期间采样中断输入信号 INTX 的状态，若为低电 平就可以直接触发外部中断，这就使得 cpu 对来自外部申请能得以及时响应。在这一触 发方式中，中断源必须持续请求，一直到中断实际产生为止。所以电平触发方式适合于 外部中断输人为低电平，且在中断服务程序中能清除该中断源申请信号的情况。 （5）边沿触发方式 这种方式中，如果在 INTX 端连续采样到一个周期的高电平和紧接着一个周期的低 电平，则在 TCON 寄存器中的中断请求标志位 IEX 就被置位，由标志位请求中断。所 以该方式适合于以负脉冲形式输人的外部中断请求。 由于外中断源在每个机器周期被采样一次，所以输入的高电平或者低电平至少保持 十二个振荡周期，以保证被采样。在一个单一的中断源的情况下，中断响应时间总是在 3-8 个机器周期。单片机最小系统如图 4.4 所示：图 4.4 单片机最小系统图164.2红外遥控电路设计红外遥控电路设计分为红外接收电路和红外发射电路两个部分。发射机只要产生调制脉冲，而接收机则对调制信号进行解调并实现对模拟及开关通道的控制。可见两部 分复杂程度有很大区别。因此设计方法有所不同，接收机采用一次性结构化设计法，发 射机部分则分解为两个层次进行设计。 在实现手段方面， 红外波段的电磁波不会使人眼产生视觉感觉不能穿透墙壁而产生 相互干扰，因此本系统采用红外线作为载体媒质。另外由于此系统传送的是简单的通道 控制信息，对通信的有效性要求不高，即脉冲个数调制用脉冲的个数来区别不同的通道 其中第一个脉冲即为同步脉冲，简单地实现了同步信息传送，此外电路实现尽量达到集 成化和数字化，使系统更加简洁可靠。 4.2.1 接收部分电路 红外遥控接收电路主要用用于接收红外信号，并且将其转换为单片机可识别的信号 编码。由 P1.6 口用作状态指示，灯亮时表示处在学习状态，灯灭表示停止学习。而通 过按键来控制困 T0 口的高低电平，当取 T0 为低电平的时候，系统进入学习状态；P3.4 脚则用于接收一体化红外接收头 HSO038 的信号。接收部分的电路图如图 4.5 所示：图 4.5 红外接收图174.2.2 发射部分电路 发射电路时由 P1.1 口接遥控控码的发射键；由 P1.7 口接发射状态指示灯，用于示 控制键的操作，闪烁时就表示遥控码正处在发射状态，灯灭表示信号以发送完毕，可以 松开发射键了，发射部分的电路图，P3.5 脚作为遥控码的输出端用于输出 40KHz 的遥 控码。如图 4.6 所示：图 4.6 发射电路图4.2.3 电源部分 本设计采用常见的三端稳压集成电路有正电压输出的 7805 系列。三端 IC 是指这种 稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。用 7805 系 列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整 管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压 IC 型号中的 78 或 79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如 7806 表示输出电压为 6V， 7909 表示输出电压为负 9V。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常 采用。 在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件 下不用） 。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。 当制作中需要一个能输出 1.5A 以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路18并联起来，使其最大输出电流为 N 个 1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电 路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定 的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。 在 7805 系列三端稳压器中最常应用的是 TO-220 和 TO-202 两种封装。这两种封 装的图形以及引脚序号、引脚功能如附图 4.7 所示。图 4.7 7805从正面看①②③引脚从左向右按顺序标注，接入电路时①脚电压高于②脚，③脚为 输出位。如对于 7805 正压系列，①脚高电位，②脚接地， ；此外，还应注意，散热片总 是和接地脚相连。 这样在 7805 系列中， 散热片和②脚连接。 电源设计图， 如图 4.8 所示：图 4.8 电源设计图195 系统软件的设计学习型红外遥控器是通过一体化红外接收头 HSO038 接收红外信号 HSOO38 将红外 信号解码并放大，信号由 OUT 口输出到单片机的 TO 口，然后通过学习函数储存于单 片机中，由顶 TO 口接学习键进行学习的控制，而由 P1.1 的发射按键控制信号的发射。 软件的编写主要由：主程序、遥控码读入处理程序、遥控码处理发射程序、初始化 程序和延时程序组成。本章就各个程序进行介绍。5.1 主程序设计上电复位后，主程序扫描按键，当确认有按键按下时，若是学习键，则进入学习状 态；若是发射键，则将己学习的遥控编码脉冲发射出去。如图 5.1 所示：图 5.1 主程序流程图205.2 红外线接收程序设计该程序流程图实现遥控前导码的识别、遥控编码高低电平宽度计时和结束位识别功 能，程序流程如图 5.2 所示：图 5.2 流程图在设计中采用了计数器对信号高低电平计时的方法来采集数据并保存。前导码由一 个 9ms 左右的高电平和一个低电平组成的，判断是否是前导码的方法是：判断开始的高 电平是否大于 5ms，如果大于 5ms 的话，就认为是前导码，并保存前导码的低电平。然 后依次保存采集到的编码信号，如果采集到编码信号的高电平大于 5ms 的话，就认为是 编码己经结束，置 0 作为标志，学习子程序结束。 寻找起始位的方法：用 16 为 DPTR 计数器对高电平进行宽度计数，计数采样周期 为 21us，当高电平结束时，如高 8 位计数器为非 0，则说明高电平宽度超过 5ms，接下 来的低电平码就是起始位;否则重新开始。 读起始位的方法：采用 16 为 DPTR 对低电平进行宽度计数，当高电平跳变时结束 计数，并将 DPTR 的高 8 位，低 8 位分别存入 R4，R5 寄存器。 读遥控编码的方法：采用 DPTR 低 8 位计数器对码高电平或低电平进行宽度计数， 电平跳变时结束计数，井将值存入规定的地址；在高电平码计数时，如果 DPTR 高 8 位21计数器为非 0，则判定为结束帧间隔位，在相应存储单元写入数据#00H 作为结束标志。5.3 红外线接发射序设计由软件实现遥控信号的载波合成，用定时中断 1 产生 40kHz 的载波信号，用定时中 断 0 控制定时中断 1 的开关， 定时器 0 定时长短由相应的遥控信号电平宽度计数值确定。 如果需发射的遥控信号为高电平时，关定时中断 1；如果为低电平，则开定时中断 1， 输出 40kHz 载波信号到红外发射控制脚 P3.5， 从而实现遥控信号的脉宽调制发射。 遥控 编码学习了程序。该程序实现遥控前导码的识别、遥控编码高低电平宽度计时和结束位 识别功能，其流程图如图 5.3 所示：图 5.3 流程图226 红外遥控器的调试仿真本论文设计的调试与仿真分为三个步骤进行，首先是软件部分的仿真，根据设计思 路编写软件程序并在 Keil 进行仿真， 接下来把软件一导入到单片机中， 对硬件电路部分 进行 Proteus 电路仿真，最后进行硬件电路的调试，三个步骤紧密相连，缺一不可。接 下来就各个部分的仿真做详细的叙述。6.1 软件部分仿真本课题设计软件部分采用 C 语言进行编写，完成后的代码通过 Keil-C 进行调试与 检查，首先将单片机的晶振时钟进行设置，调到 12MHz，保证它与需求的始终频率相 吻合。设置如图 6. 1 所示：图 6.1 Keil 中单片机时钟设定23经过多次的调试与修改，程序在 Keil 中的编译和创建 HEX 文件调试如图 6 .2 和图 6.3 所示：图 6.2 Keil-C 编译调试部分图 6.3 Keil-C 创建 Hex 调试部分24到此软件部分的调试结果证明程序是没有问题的，能正确的生成 11.hex 的文件，紧 接着就要把软件加到单片机中，在 Proteus 软件的辅助下对硬件电路进行仿真了。6.2 硬件电路部分仿真首先，根据原理图在 Proteus 软件里画好仿真电路图，电路图如图 6.4 所示：图 6.4 Proteus 中的仿真电路图在图 6.4 中，我们可以看到一体化红外接收头被一个时钟波形发生器替换了，而在 T1 输出口接了一个示波器。由于在 Proteus 当中没有一体化红外接收头的模型，所以在 这里就采用另一种方法进行仿真，由于 HS0038 在接收红外编码过后，OUT 脚输出的是 一段高电平与低电平想交替的方波， 所以我们用波形发生器模拟 HS0038 所输出的信号， 其时钟信号输出设置如图 6.5 所示：图 6.5 模拟时钟信号设置25图 6.6 Proteus 发送端的波形图:6.3 硬件电路调试本课题设计的硬件电路调试时分步进行的，首先调试的是接收电路，先对 HS0038 一体化红外接收头进行检测，正式起 OUT 脚能正常愉出接收到的信号，如图 6 .7 所示：图 6.7 HS0038 的 OUT 脚输出的波形26在验证了 HS0038 输出正常后，现在对示波器所接受到的信号进行解释，本次调试 用的是常见的家电遥控器，测试过遥控各个按键的波形，由于遥控器发射的信号长度比 较长，而示波器不能完整的显示整段波形，所以出现了同一按键不同时刻在示波器显示 的波形不同。在示波器上显示的波形如图 6.8 所示：图 6.8 示波器接收到的遥控信号27通过上面两个图的比较，可以发现红外发射的波形是由不规则的高低电平组成的， 波形长度较长，所以示波器才无法完整显示其整段波形。 红外接收部分的调试：首先按学习键，根据程序的设定，这时单片机就会对 TO 口 偷入的信号进行循环扫描， 主要是对红外遥控码的起始位进行识别， 此时学习指示灯(绿 灯)亮，其效果如图 6.9 所示：6.9 学习键按下单片机进入学习状态28证实单片机进入学习状态后，用遥控器的发射头对准 HS0038 红外线接收头，按下 任意键，等待单片机学习编码信号，如图 6.10 所示：图 6.10 遥控器对 HS0038 发射信号此时单片机开始对 TO 口的输入信号进行读码，首先寻找起始位，然后是读起始位， 最后是读遥控编码位;读码结束之后把遥控编码信号储存在单片机中， 这时绿灯就会熄灭 代表遥控码已经储存完毕，进入发射等待状态，此时发射指示灯闪烁，效果如图 6.11：图 6.11 学习完毕并进入发射等待状态29到此接收部分的调试已经完成，接下来就是发射部分的调试了。 红外发射部分的调试：调试的过程和红外接收部分的过程大同小异，主要就是检测 发射键按下后在单片机输出端的信号，在理论上来说，输出端的信号应该也是一段高低 电平交替的波形，这是因为红外的信号是有逻辑 0 和逻辑 1 的间隔来实现的，逻辑 0 是 由 0.56ms 的 38KHz 载波和 0.56rns 的无载波间隔组成； 逻辑 1 是由 0.56ms 的 40KHz 载 波和 1.68ms 的无载波间隔组成， 结束位是 0.56ms 的 38KHz 载波。 所以这部分的调试主 要就是把输出端口接到示波器上，检测在按下发射键的同时，示波器上显示的波形是否 为高低电平交替的方波。 在简单的解释了发射部分的调试原理后，就进入红外遥控发射的调试与验证，首先 将 T1 口接到示波器，然后按下发射键，单片机就对已存的遥控信号进行发射，在示波 器上显示的波形如图 6.12 所示：图 6.12 发射键按下后 T1 口输出的波形30从图中我们可以看出，示波器接收到的只是遥控信号的一部分，可能是逻辑 0，也 可能是逻辑 1，总体波形和顶期的波形相吻合，证明发射端能正常进行红外遥控编码的 发射。发射完信号之后，遥控的发射指示灯熄灭，如图 6.13 所示:图 6.13 发射完信号后指示灯熄灭本章主要是进行系统的仿真与调试，首先是对软件进行仿真，在软件 keil 的仿真和 硬件电路的 Proteus 的仿真方面，虽然在调试的过程中遇到了较多的问题，但在反复的 调试后能够得到解决，到最后这两个步骤的仿真都很好的完成了，而硬件电路方面的调 试是一个比较复杂的过程，需要分为接收和发射两个部分进行分步调试。在接收模块的 调试过程中，首先对遥控编码信号的形式进行取样，然后在对单片机接收到的信号与该 信号进行对比，由于示波器不能完整的显示接收到的红外遥控波形，所以只能对波形的 频率和类型进行比较，在发射部分的调试中，也是通过示波器对输出信号进行检测，确 定其接收到的信号为高低电平交替的方波信号，与遥控编码的信号相同。结果显示电路 板能较为完整的完成课题设计的要求，能够较好的接收和发送红外遥控编码信号。在设 计和调试的过程中，软件和硬件应该结合在一起调试，硬件的调试是软件的基础，软件 是硬件的前提，二者缺一不可。31结 论本系统主要用到了 ATS9C51 单片机的定时计数器 T1 和外中断 INT0 的功能，具有 设计新颖，电路简单，抗干扰能力强的许多优点，在经过汇编、连接与仿真操作以后， 能够恰到好处的产生红外线控制脉冲，实现对多路开关的控制。 本课题设计通过红外一体化接受头接受遥控编码信号，井将其解调成为单片机可识 别的 TTL 编码，储存在单片机中，再通过计数器的计数中断来产生 40KHz 的载波将编 码遥控信号发送出去。由于硬件部分基本为成熟的模块，本课题设计的最大亮点是通过 软件处理信号的储存、载波、发送，其功能在于能够学习任意类型的红外遥控编码，从 而实现一个按键控制多种家电设备，随时随地都能够学习遥控编码，并且方便的控制相 应的设备，而且学习时间较短，效率和准确率都比较理想，具有很高的实用价值。 但由于经验不足，电路硬件、软件部分都有不够完善的地方，在今后的学习中会进 一步改进。32致 谢本论文是在***老师亲自指导下完成的。导师在学业上给了我很大的帮助，使我在 实验过程中避免了许多无谓的工作。导师一丝不苟、严谨认真的治学态度，精益求精、 诲人不倦的学者风范，以及正直无私、磊落大度的高尚品格，更让我明白许多做人的道 理，在此我对詹老师表示衷心的感谢！ 感谢老师帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励，当遇到难题的时候，她甚至 会一整天和我一起想办法解决问题，令我避免了很多设计中的错误，使我十分感动，也 使我更一步巩固了我学的知识。 还要感谢的是我们各课任课老师， 没有你们的谆谆教诲， 就没有我们学有所长的今天。当然，还要感谢寝室的兄弟们在我完成论文的过程中给予 我的帮助和鼓励，也是他们陪我度过这三年的生活。感谢沈阳理工大学图书馆，图书馆 收藏丰富的专业知识书籍让我的毕业设计有充足的参考资料。还要感谢我所参考书籍的 作者们，还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下专业知识的基础；同时还要感谢 所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。 最后感谢****大学四年来对我的栽培。33参考文献[1] 姜艳波. Altium Designer 6 电路图设计. 北京：化学工业出版社，2008. [2] 于正林, 苏志成.AVR 单片机原理及应用. 北京：国防工业出版社，2009. [3] 吴双力等. AVR-GCC 与 AVR 单片机 C 语言开发. 北京：北京航空航 天大学出版社，2004. [4] 叶启明. 单片机制作的新型安全密码锁[J]. 家庭电子，2005. [5] 康华光. 电子技术基础（第四版）[M]. 北京:高等教育出版社，2004. [6] 彭为. 单片机典型系统设计实例精讲[M]. 北京：电子工业出版社，2006. [7] 李瀚荪. 电路分析基础[M]. 北京：高等教育出版社，2002. [8] 董继成. 一种新型安全的单片机密码锁[J]. 电子技术，2004. [9] 阎石主. 数字电子技术基础[M]. 北京：高等教育出版社，1998.34附录 A英文原文A Pyroelectric Infrared Sensor-based Indoor Location-Aware System for the Smart HomeAbstract ― Smart home is expected to offer various intelligent services by recognizing residents along with their life style and feelings. One of the key issues for realizing the smart home is how to detect the locations of residents. Currently, the research effort is focused on two approaches: terminal-based and non-terminal-based methods. The terminal -based method employs a type of device that should be carried by the resident while the non-terminal-based method requires no such device. This paper presents a novel non-terminal-based approach using an array of pyroelectric infrared sensors (PIR sensors) that can detect residents. The feasibility of the system is evaluated experimentally on a test bed.A.1 INTRODUCTIONThere is a growing interest in smart home as a way to offer a convenient, comfortable, and safe residential environment [1], [2]. In general, the smart home aims to offer appropriate intelligent services to actively assist in the resident?s life such as housework, amusement, rest, and sleep. Hence, in order to enhance the resident?s convenience and safety, devices such as home appliances, multimedia appliances, and internet appliances should be connected via a home network system, as shown in FigA1, and they should be controlled or monitored remotely using a television (TV) or personal digital assistant (PDA) [3], [4].35Fig A.1 Architecture of the home network system for smart homeEspecially, attention has been focused on location-based services as a way to offer high-quality intelligent services, while considering human factors such as pattern of living, health, and feelings of a resident [5]-[7]. That is, if the smart home can recognize the resident?s pattern of living or health, then home appliances should be able to anticipate the resident?s needs and offer appropriate intelligent service more actively. For example, in a passive service environment, the resident controls the operation of the HVAC (heating, ventilating, and air conditioning) system, while the smart home would control the temperature and humidity of a room according to the resident?s condition. Various indoor location-aware systems have been developed to recognize the resident?s location in the smart home or smart office. In general, indoor location-aware systems have been classified into three types according to the measurement technology: triangulation, scene analysis, and proximity methods [8]. The triangulation method uses multiple distances from multiple known points. Examples include Active Badges [9], Active Bats [10], and Easy Living [11], which use infrared sensors, ultrasonic sensors, and vision sensors, respectively. The scene analysis method examines a view from a particular vantage point. Representative examples of the scene analysis method are MotionStar [12], which uses a DC magnetic tracker, and RADAR36[13], which uses IEEE 802.11 wireless local area network (LAN). Finally, the proximity method measures nearness to a known set of points. An example of the proximity method is Smart Floor [14], which uses pressure sensors. Alternatively, indoor location-aware systems can be classified according to the need for a terminal that should be carried by the resident. Terminal-based methods, such as Active Bats, do not recognize the resident?s location directly, but perceive the location of a device carried by the resident, such as an infrared transceiver or radio frequency identification (RFID) tag. Therefore, it is impossible to recognize the resident?s location if he or she is not carrying the device. In contrast, non-terminal methods such as Easy Living and Smart Floor can find the resident?s location without such devices. However, Easy Living can be regarded to invade the resident?s privacy while the Smart Floor has difficulty with extendibility and maintenance. This paper presents a non-terminal based location-aware system that uses an array of pyroelectric infrared (PIR) sensors [15], [16]. The PIR sensors on the ceiling detect the presence of a resident and are laid out so that detection areas of adjacent sensors overlap. By combining the outputs of multiple PIR sensors, the system is able to locate a resident with a reasonable degree of accuracy. This system has inherent advantage of non-terminal based methods while avoiding privacy and extendibility, maintenance issues. In order to demonstrate its efficacy, an experimental test bed has been constructed, and the proposed system has been evaluated experimentally under various experimental conditions. This paper is organized into four sections, including this introduction. Section II presents the architecture of the PIR sensor-based indoor location-aware system (PILAS), and the location-recognition algorithm. Section III describes a resident-detection method using PIR sensors, and evaluates the performance of the system under various conditions using an experimental test bed. Finally, a summary and the conclusions are presented in Section IV.37A.2 ARCHITECTURE OF THE PIR SENSOR-BASED INDOOR LOCATION-AWARE SYSTEMA.A.2.1 Framework of the smart home Given the indoor environment of the smart home, an indoor location-aware system must satisfy the following requirements. First, the location-aware system should be implemented at arelatively low cost because many sensors have to be installed in rooms of different sizes to detect the resident in the smart home. Second, sensor installation must be flexible because the shape of each room is different and there are obstacles such as home appliances and furniture, which prevent the normal operation of sensors. The third requirement is that the sensors for the location-aware system have to be robust to noise, and should not be affected by their surroundings. This is because the smart home can make use of various wireless communication methods such as wireless LAN or radio-frequency (RF) systems, which produce electromagnetic noise, or there may be significant changes in light or temperature that can affect sensor performance. Finally, it is desirable that the system?s accuracy is adjustable according to room types. Among many systems that satisfy the requirement, the PIR sensor-based system has not attracted much attention even though the system has several advantages. The PIR sensors,which have been used to turn on a light when it detects human movement, are less expensive than many other sensors. In addition, because PIR sensors detect the infrared wavelengthemitted from humans between 9.4~10.4 μm, they are reasonably robust to their surroundings, in terms of temperature, humidity, and electromagnetic noise. Moreover, it ispossible to control the location accuracy of the system by adjusting the sensing radius of a PIR sensor, and PIR sensors are easily installed on the ceiling, where they are not affected by the structure of a room or any obstacles. Figure 2 shows the framework for the PILAS in a smart home that offers location-based intelligent services to a resident. Within this framework, various devices are connected via a home network system, including PIR sensors, room terminals, a smart home server, and home appliances. Here, each room is regarded as a cell, and the appropriate number of PIR sensors is installed on the ceiling of each cell to provide sufficient location accuracy for the location-based services. Each PIR sensor attempts to detect the resident at a constant period,38and transmits its sensing information to a room terminal via the home network system.Fig A.2Framework of smart home for the PILAS.Consequently, the room terminal recognizes the resident?s location by integrating the sensor information received from all of the sensors belonging to one cell, and transmits the resident?s location to the smart home server that controls the home appliances to offer location-based intelligent services to the resident. Within this framework, the smart home server has the following functions. 1) The virtual map generator makes a virtual map of the smart home (generating a virtual map), and writes the location information of the resident, which is received from a room terminal, on the virtual map (writing the resident?s location). Then, it makes a moving trajectory of the resident by connecting the successive locations of the resident (tracking the resident?s movement). 2) The home appliance controller transmits control commands to home appliances via the home network system to provide intelligent services to the resident. 3) The moving pattern predictor saves the current movement trajectory of the resident, the current action of home appliances, and parameters reflecting the current home environment such as the time, temperature,39humidity, and illumination. After storing sufficient information, it may be possible to offer human-oriented intelligent services in which the home appliances spontaneously provide services to satisfy human needs. For example, if the smart home server “knows” that the resident normally wakes up at 7:00 A.M. and takes a shower, it may be possible to turn on the lamps and some music. In addition, the temperature of the shower water can be set automatically for the resident. A.2.2 Location-recognition algorithmIn order to determine the location of a resident within a room, an array of PIR sensors are used as shown in Fig. 3. In the figure, the sensing area of each PIR sensor is shown as a circle, and the sensing areas of two or more sensors overlap. Consequently, when a resident enters one of the sensing areas, the system decides whether he/she belongs to any sensing area by integrating the sensing information collected from all of the PIR sensors in the room. For example, when a resident enters the sensing area B, sensors a and b output ?ON? signals, while sensor c outputs ?OFF? signal. After collecting outputs, the algorithm can infer that the resident belongs to the sensing area B. According to the number of sensors and the arrangement of the sensors signaling ?ON?, the resident?s location is deter-mined in the following manner. First, if only one sensor outputs ?ON? signal, the resident is regarded to be at the center of the sensing area of the corresponding sensor. If the outputs of two adjacent sensors are ?ON?, the resident?s location is assumed to be at the point midway between the two sensors. Finally, if three or more sensors signal ?ON?, the resident is located at the centroid of the centers of the corresponding sensors. For example, it is assumed that the resident is located at point 1 in the figure when only sensor a signals ?ON?, while the resident is located at point 2 when sensors a and b both output ?ON? signals. The location accuracy of this system can be defined the maximum distance between the estimated points and the resident. For example, when a resident enters sensing area A, the resident is assumed to be at point 1. On the assumption that a resident can be represented by a point and the radius of the sensing area of a PIR sensor is 1 m, we know that the location accuracy is 1 m because the maximum error occurs when the resident is on the boundary of sensing area A. Alternatively, when the resident is in sensing area B, the resident is assumed40to be at point 2, and the maximum location error occurs when the resident is actually at point 3. In this case, the error is 3 / 2 m which is the distance between points 2 and 3. Therefore, the location accuracy of the total system shown in FigA.3 can be regarded as 1 m, which is the maximum value of the location accuracy of each area. Since the number of sensors and the size of their sensing areas determine the location accuracy of the PILAS, it is necessary to arrange the PIR sensors properly to guarantee the specified system accuracy.Fig A.3 The location-recognition algorithm for PIR sensors.In order to determine the resident?s location precisely and increase the accuracy of the system, it is desirable to have more sensing areas with given number of sensors and to have sensing areas of similar size. Fig. 4 shows some examples of sensor arrangements and sensing areas. FigA.4(a) and 4(b) show the arrangements with nine sensors that produce 40 and 21 sensing areas, respectively. The arrangement in FigA.4(a) is better than FigA.4(b) in terms if the number of sensing areas. However, the arrangement in FigA.4(a) has some areas where a resident can not be detected and lower location accuracy than that in FigA.4(b). FigA.4(c) shows an arrangement with twelve sensors that five 28 sensing areas without any blind spots.41Fig A.4Location accuracy according to the sensor arrangement of PIR sensors.(a) 40 sensing areas. (b) 21 sensing areas. (c) 28 sensing areas with twelve sensors.When PIR sensors are installed around the edge of a room, as shown in Fig. 4(c), it sometimes may give awkward results. One example is shown in Fig. 5. Fig. 5(a) shows the path of a resident. If we mark the estimated points by using the sensor location or the midpoint of adjacent sensors, it will be a zigzagging patterns as shown in Fig. 5(b). In order to alleviate this, we may regard the sensors on the edges to be located a little inwards, which give the result shown in FigA.5(c).42FigA.5The effect of compensating for the center point of the outer sensors.(a) Resident?s movement. (b) Before compensating for the outer sensors. (c) After compensating for the outer sensors.A.3 PERFORMANCE EVALUATION OF THE PILASA.3.1 Resident-detection method using PIR sensors Since the PILAS recognizes the resident?s location by combining outputs from all the sensors belonging to one cell, determining whether a single sensor is ?ON? or ?OFF? directly influences location accuracy. In general, because the ?ON/OFF? values can be determined by comparing a predefined threshold and the digitized sensor output acquired by sampling the analog signal from a PIR sensor, it is necessary to choose an appropriate signal level for the threshold. For example, Smart Floor, which is another non-terminal method, can recognize a resident?s location exactly by comparing the appropriate threshold and a sensor value, because a pressure sensor outputs a constant voltage based on the resident?s weight when he remains at a specific point. However, because a PIR sensor measures the variation in the infrared43signal produced by a moving human body, its output is in analog form, as shown in FigA.6. That is, as the variation in the infrared radiation from a resident increases when a resident enters a sensing area, the PIR sensor outputs an increasing voltage. Conversely, the voltage decreases as the resident leave the sensing area. If the resident does not move within the sensing area, the variation in the infrared radiation does not exist and the PIR sensor outputs zero voltage. Therefore, it is very difficult to deter-mine when a resident is staying resident within a specific sensing area using only the voltage or current threshold of a PIR sensor.FigA.6Signal output of PIR sensor.In order to guarantee the location accuracy of the system, the resident-detection method must meet several requirements. First, if no resident is present within a sensing area, the PIR sensor should not output ?ON? signal. That is, the PIR sensor must not malfunction by other disturbances such as a moving pet, temperature change and sunlight. Second, it should be possible to precisely determine the point in time when a resident enters and leaves a sensing area. That is, in spite of variations in sensor characteristics, resident?s speed and height, it should be possible to determine the time point exactly. Finally, because the output voltage of a PIR sensor does not exceed the threshold voltage when the resident does not move within a sensing area, it is necessary to know if a resident stays within the sensing area. In order to satisfy these requirements, this paper introduces the following implementation method for the resident detection method for PIR sensors. First, in order to eliminate PIR sensor malfunctioning due to pets or temperature changes, a Fresnel lens, which allows human infrared waveforms to pass through it while rejecting other waveforms, is installed in front of the PIR sensors. Second, when the output of a PIR sensor exceeds the positive threshold voltage, and this state is maintained for several predefined sampling44intervals, that the resident has entered a sensing area. Here, the threshold must be sufficient for the method to distinguish variation in the resident?s infrared from an environmental infrared signal caused by pets or temperature change. Moreover, when the sensor?s output falls below a negative threshold voltage and this status is maintained for several sampling intervals, it is assumed that the resident has left the sensing area. Finally, when the output voltage remains between the two threshold voltages, for example when the resident is not moving inside the sensing area, the output of the corresponding PIR sensor is changed from ?ON? to ?OFF?. At this time, if other sensors installed near this sensor do not output ?ON? signal, the method regards the resident as remaining within the corresponding sensing area.A.3.2 Performance evaluation using an experimental test bed In order to verify the feasibility of the PILAS, an experimental test bed was implemented. Since the intelligent location-based service in the smart home does not require very high location accuracy, we designed the system to have a location accuracy of 0.5 m. FigA.7 shows the experimental test bed in a room measuring 4 × 4 × 2.5 m (width × length × height). In the experiment, twelve PIR sensors were fixed on the ceiling, using the arrangement shown in FigA.4(c). An Atmel AT89C51CC001 microcontroller [17] was used for signal processing and judging ?ON/OFF?, and a Nippon Ceramic RE431B PIR sensor [18] and NL-11 Fresnel lens were used. Especially, a horn was installed on each PIR sensor to limit the sensing area to the circle with 2 m diameter. FigA.8 shows the experimental results with the horn. In the figure, the RE431B sensor outputs the signal shown in (a) when a resident passes through the sensing circle, while it outputs the irregular signal shown in (b) when the resident moves within the circle. Finally, no signal is detected when the resident moves outside the circle, as shown in (c). From these experimental results, we verified that the PIR sensor detects residents within the sensing area only. In addition, in order to judge whether the signal is ?ON? or ?OFF?, it is necessary to choose a threshold for the RE431B sensor that considers external environmental disturbance. Initially, several experiments were performed to determine the threshold with respect to the internal temperature change caused by a air conditioner or heater and other disturbances, such as wind or sunshine. Based on these experimental results, when the threshold of the RE431B sensor was ± 0.4 V, external45environmental temperature change did not affect its performance at detecting the resident. In addition, we verified that pets did not affect the sensing performance with the same threshold.FigA.7Experimental test bed for the PILAS.FigA.8Ensuring the exact sensing range with a horn.A.4 SUMMARY AND CONCLUSIONSThis paper presents a PIR sensor-based indoor location aware system that estimates the resident?s location for location-based intelligent services in the smart home. This paper introduces the framework of smart home for the location-aware system, and a location-recognition algorithm that integrates the information collected from PIR sensors. In addition, this paper presents a resident-detection method. Finally, an experiment is implemented to evaluate the efficacy of the PILAS. Based on several experiments conducted under various conditions, we verified that the46PILAS can estimates resident?s location sufficiently well. Moreover, because the location accuracy of the system is less than 0.5 m without any terminal for location recognition, the system can be very practical. Furthermore, it should be possible to enhance the location accuracy of the system by increasing the number of sensing areas, by equalizing the sensing areas based on the sensor arrangement, or by compensating for the centers of outer sensors. Since the location accuracy of this system differs according to the sensor arrangement, it is necessary to determine the optimal sensor arrangement that offers the greatest location accuracy. In order to enhance the location accuracy, it is also necessary to enhance the method of processing the PIR sensors using more advanced techniques such as probabilistic theories and soft computing. Finally, the proposed PILA system should be extended to deal with a room occupied by more than one residents.47附录 B中文译文基于热释电红外传感器的智能家居室内感应定位系统摘要――智能家居， 是一种可以通过识别具有不同生活习惯和感觉的住户来提供各 种不同的智能服务。而实现这样的功能其中最关键的问题之一就是如何确定住户的位 置。目前，研究工作只要集中于两种方法：终端方式和非终端方式。终端方式需要一种 住户随身携带的设备，而非终端方式则不需要这样的设备。本文提出一种使用可以探测 到住户的热释电红外传感器（红外传感器）的新的非终端方式。该系统的可行性已经通 过了测试平台的实验性评估。B.1 简介现在由于人人都想有一个方便，舒适，安全的居住环境，因此大家对于智能家居表 现的越来越感兴趣[1] [2]。一般来说，智能家居旨在提供合适的智能服务来积极促进住户 更好的生活，比如家务劳动，娱乐，休息和睡眠。因此，为了提高住户的便捷和安全， 像家用电器， 多媒体设备和互联网设备应通过家庭网络系统连接在一起， 如图 B.1 所示。 并且它们应通过电视或个人数字助理（PDA）来控制或远程监控[3] [4]。图 B.1 智能家居的家庭网络体系结构48尤其要注意的是，作为一种提供高质量的智能服务，目标应集中于定位服务，同时 考虑人为因素，比如住户的生活方式，健康状况和居住感受[5]―[7]。也就是说，如果智能 家居能识别住户的生活方式或健康状况，那么家用电器应该能预见住户的需要，并能更 主动的提供适合的智能服务。例如，在一个被动的服务环境下，需要住户控制供热通风 与空气调节系统（供暖，通风和空调） ，而智能家居将根据住户情况自动调节房间的温 湿度。 智能家居或智能办公室的各种室内感应定位系统的已经研发到能够识别住户的位 置。一般来说，室内定位感应系统根据测量技术分为三种类型：三角测量，场景分析和 接近方法[8]。三角测量法是通过多个已知点来计算位置距离。运用三角测量法的例子包 括 Active Badges[9]，Active Bats[10]和 Easy Living[11]，它们分别运用了红外传感器，超声 波传感器和视觉传感器来实现的。场景解析法是检测一个场景内的特定着眼点。场景解 析法的典型例子是使用直流磁力跟踪器的 MotiveStar[12]，和使用无线局域网络[LAN]标 准 IEEE 802,11 的 RADAR[13]。接近法则是以一组已知点中最接近的点近似作为定位点。 接近法的例子有使用压力传感器的 Smart Floor[14]。 另外，室内感应定位系统可以根据是否需要住户随身携带一种设备来分类。终端方 式，例如 Active Bats，不需要直接找到住户位置，但是可以感应到住户随身携带的设备 位置，例如红外收发器或者射频识别技术（RFID）标签。因此，如果住户没有随声携带 终端设备，那就不可能找到他。相反的，非终端方式如 Easy Living 和 Smart Floor 则不 需要这种设备就能找到住户位置。然而，人们认为 Easy Living 侵犯了住户隐私，Smart Floor 则是扩展和维护都比较困难。 本文提出一种使用阵列热释电红外（PIR）传感器实现的基于非终端方式的室内感 应定位系统[15] [16]。红外传感器固定在天花板上，并使相邻的传感器的感应范围有重叠。 当它感应到一名住户时， 通过多个红外传感器的综合， 能够比较准确的确定住户的位置。 该系统不仅具有非终端方式的特有优点，还避免了侵犯隐私，扩展性不佳和维护困难的 问题。 为了证明其有效性， 已经在实验平台上通过了各种不同测试环境下的实验性评估。 包括此简介，本文共分为四个部分，第二部分介绍基于红外传感器的室内定位感应 系统架构（PILAS）以及定位识别算法。第三部分介绍了基于红外传感器的住户检测法 和在实验测试平台上的不同环境下评估系统的表现。最后一部分为总结和结论。49B.2基于热释电红外传感器的室内感应定位系统架构B.2.1 智能家居的结构 鉴于智能家居的室内环境，室内感应定位系统必须满足一下条件。第一，由于需要 在各种大小不同的房间里安装大量传感器来感知智能家居中的住户，因此定位感应系统 需保持较低的成本。第二，传感器的安装必须是灵活可变的，因为各个房间的形状结构 不同，并且还有各样阻碍传感器正常工作的家电和家具。第三，要求定位感应系统使用 的传感器能够抵御很强的噪声，这是因为智能家居能利用各种无线传输技术，比如无线 局域网，射频系统，它们都会产生电磁噪声，并且光或温度的巨大变化也会影响传感器 的正常工作。最后该系统的精度可以，根据房间类型作出最合适的调节。 尽管基于热释电红外传感器的这个系统有诸多的优点，但在众多满足要求的产品中 并不能吸引人们更多的关注。它已应用于感应灯（当它感应到人体移动时使灯自动打 开），并且成本低于许多其他种类的感应器。另外，由于热释电红外传感器感应的是人 体发出的 9.4～10.4 微米波长的红外线，从温度、湿度和电磁噪声来说，这种波长相对 周围环境较为明显。而且，它可以通过调整感应半径来控制定位精度，并容易安装在天 花板上，这样就不会受到房间结构和障碍物的影响。 图 B.2 显示的是为住户提供基于位置的智能服务的 PILAS 智能家居框架。 在这个框 架下，包括热释电红外传感器、房屋终端、智能家居服务器和家用电器在内的各种设备 通过家庭网络系统连接在一起。每个房间被视为一个单元，并在每个单元的天花板上安 装适当数量的传感器，为定位服务提供足够的定位精度。每个红外传感器周期性的感应 住户位置，然后将感应信息通过家庭网络系统传输到房屋终端。因此，房屋终端通过集 合来自同一个单元的传感器信息来确定住户的位置，再将住户位置传输到智能家居服务 器，服务器就会控制家用电器为住户提供基于位置的定位服务。50图 B.2 PILAS 智能家居框架在这个框架内，智能家居服务器具有以下功能： （1）虚拟地图发生器为智能家居提供虚拟地图（生成虚拟地图） ，并在虚拟地图中 标出由房屋终端提供的住户位置信息（标注住户位置） 。然后，它通过连接住户的连续 定位点来绘制住户的运动轨迹（追踪住户运动） 。 （2） 家电控制器通过家庭网络系统发送控制命令给家用电器为住户提供智能服务。 （3）运动模式预测器保存当前的住户运动轨迹、家电的动作和反映居家环境的参 数，比如时间、温度、湿度、光照度。储存足够的信息后，它可能会使家电主动提供满 足人们需要的人性化的智能服务。例如，如果智能家居服务器“知道”住户通常在早上 7 点醒来，之后要淋浴，它也许就会在那一时间打开灯并播放音乐。另外，住户的淋浴 水温也会被自动记录。B.1.2 定位识别算法 为了确定住户在房间里的位置，要使用一组热释电红外传感器，如图 B.3 所示。在 此图中，每个传感器的感应面呈圆形并且相邻的几个传感器有重叠的感应范围。因此，51当住户进入某一感应区域后， 系统根据从房间内的所有传感器收集到的感应信息判断他 /她是否属于这一感应区。例如，当一位住户进入 B 感应区，a，b 传感器输出“ON”信 号，而 c 传感器输出“OFF”信号。收集输出信号后，该算法可以推断出住户属于 B 感 应区。根据传感器的数量和传感信号“ON”的排列，住户的位置通常有以下几种情况。 首先，如果只有一个传感器输出“ON”信号，那么认为住户处于该传感器感应区域的 中心位置。其次，如果有两个相邻的传感器输出“ON”信号，那么认为住户位于两传 感器的连线中心点处。最后，如果有三个或者更多的传感器输出“ON”信号，则认为 住户位于所有这些传感器的面心处。比如，假设住户位于图中的点 1 处，只有一个传感 器 a 输出“ON”信号，而当住户位于点 2 处，传感器 a 和 b 都输出“ON”信号。图 B.3 热释电红外传感器的定位识别算法这个系统的定位精度定义为假设点和住户之间的最大距离。 例如当住户进入 A 感应 区，住户被假设在点 1 处。在此假设中，住户可以代表一个点，热释电红外传感器的感 应半径为 1 米，故定位精确度是 1 米。因此，当住户位于 A 感应区的边缘时最有可能发 生判断错误。另外，当住户位于 B 感应区时，他被假设为在点 2 处，定位误差最大时就 是实际上住户位于点 3 处。在这种情况下，定位误差达 1.5 米，即在点 2 和点 3 之间距 离是 1.5 米。因此，图 3 显示的这个系统定位精度被视为 1 米，这是每个区域定位精度 的最大有效值。 传感器的数量和它们}