(перевод с английского)
Инфракрасные лучи - самый дешевый способ для удаленного управления устройством в невидимом диапазоне света. Практически все аудио и видео устройства управляются ИК лучами. В связи с широким распространением используемых необходимых компонентов, ИК управление стало очень дешевым, что делает его идеальным у любителей использовать для собственных проектов.
Я объясню теорию работы ИК-пульта дистанционного управления, и некоторые из протоколов, которые используются в потребительской электронике.
Инфракрасный на самом деле нормальный свет с определенным цветом. Мы, люди не можем видеть этот цвет, потому что его длина волны 950нм, что ниже видимого спектра. Это одна из причин, почему ИК-свет выбран для удаленных целей управления, мы хотим использовать, но мы не заинтересованы видеть этот свет. Другая причина в том, что ИК управление довольно легко сделать, и поэтому дешевы в производстве. Хотя мы, люди не видим инфракрасный свет, излучаемый из пульта дистанционного управления не означает, что мы не можем сделать его видимым.
Видеокамера или цифровой фотоаппарат может "видеть" инфракрасный свет, как вы можете увидеть в этой картине. Если у вас есть веб-камера вам повезло, наведите пульт дистанционного управления, нажмите любую кнопку, и вы увидите мерцающий индикатор. К сожалению, вокруг нас еще очень много источников инфракрасного света. Солнце - яркий источник их всех, но есть такие как: лампы, свечи, система центрального отопления, и даже наше тело излучает инфракрасный свет. На самом деле все, что излучает тепло, также излучает инфракрасный свет. Поэтому мы должны принять некоторые меры предосторожности, чтобы гарантировать, что наши ИК сообщения приходили к получателю без ошибок.
Модуляции
Модуляция необходима для того, чтобы наш сигнал выделялся на фоне шума. С модуляцией сигнал ИК мигает с определенной частотой. ИК-приемник будет настроен на эту частоту, поэтому он может игнорировать все остальное.
На картинке вы можете видеть слева передатчик модулирующий сигнал с помощью ИК-светодиода. Сигнал регистрируется в приемнике на другой стороне. В последовательной коммуникации мы обычно говорим о "маркерах" и "пространстве". "Пространство" - период при отсутствии сигналов с передатчика. Никакой свет не излучается в это время. После простоя "маркеры" ИК импульсов идут в определенном частотном диапазоне. Частоты между 30 кГц и 60 кГц обычно используются в бытовой электронике. На выходе приемника "пространство" представлено высоким логическим уровнем. "Маркер" представляет низкий уровень. Пожалуйста, отметьте, что "маркеры" и "пространство" не 1-ы и 0-и, которые необходимо передать. Реальные отношения между "маркерами" и "пространства" и единиц и нулей зависят от используемого протокола. Больше информации об этом может быть найдено на страницах, которые описывают протоколы.
Передатчик
Передатчики это обычно пульты с батареями. Он должен потреблять мало энергии, как это возможно, и ИК-сигнал должен быть как можно более надежным, чтобы достичь приемлемой дистанцний управления. Предпочтительно она должна быть ударопрочной.
Многие чипы предназначены для использования в качестве ИК-передатчиков. Старые чипы были предназначены для лишь одного из нескольких ныне используемых протоколов. В нынешнее время очень низкое потребление у микроконтроллеров, позволяет использовать в ИК-передатчиках, а также они являются более гибкими в использовании. Если не нажата кнопка они находятся в режиме сна, в котором низкий ток потребления. Процессор "просыпается" для того чтобы передать соответствующую команду ИК только при нажатии клавиши.
Кварцевые кристаллы редко используются в таких пультах. Они очень хрупкие и, как правило, легко ломаются, когда пульт падает. Керамические резонаторы гораздо более подходящие, потому что они могут выдерживать большие физические перегрузки. Тот факт, что они менее точны, совсем не важен.
Ток через светодиод (или светодиодов) может варьироваться от 100 мА и до более 1А! Для того чтобы получить приемлемую дистанцию управления светодиодный ток должен быть как можно выше. Тут выбирается компромисс между параметром светодиода, срок службы батареи и максимальной дистанции. Светодиодные токи могут быть высокими, потому что управляющие импульсы светодиодов очень короткие. Средняя мощность излучения светодиода не должна превышать максимального значения. Вы также должны добиться того, чтобы максимально быстрый взгляд тока для светодиодных не был превышен. Все эти параметры можно найти в спецификации светодиодов.
Простая транзисторная схема, которая может быть использована для светодиодов. Транзистор с подходящим hFE и скорость переключения должны быть подобраны для этой схемы.
Значение резистора может быть рассчитана с использованием закона Ома. Помните, что номинальное падение напряжения на ИК-светодиод около 1,1В.
Стандартный драйвер, описанный выше, имеет один недостаток. Утечка напряжения батареи, при котором ток через светодиод будет уменьшаться, а это приведет к сокращению дистанции управления.
Чтобы избежать этого в цепи эмиттера последовательно ставят 2 диода. При серии импульсов на базе транзистора напряжение будет ограничено до 1,2В. База-эмиттер транзистора вычитает 0,6В, что, в результате амплитуда составит 0,6В на эмиттере. Расчет тока через светодиод прост - снова применяя закона Ома.
Приемник
Сейчас много разных приемников существует на рынке. Наиболее важные критерии выбора частоты модуляции используется и наличие в продаже.
На картинке выше вы можете видеть типичный блок-схема такого ИК-приемник. Не беспокойтесь, если вы не понимаете частей, все построено в одном электронном компоненте. Полученный ИК-сигнал с фотодиода обнаружения (на левой стороне диаграммы). Этот сигнал усиливается и ограничивается в первых 2-х этапах. Ограничителем выступает АРУ, чтобы получить постоянный уровень импульса, независимо от расстояния до пульта. Далее с AРУ сигнал поступает на полосовой фильтр (BPF). Полосовой фильтр настроен на частоту модуляции пульта. Общий диапазон частот от 30 кГц до 60 кГц для потребительской электроники. Следующий этап: детектор, интегратор и компаратор. Цель этих трех блоков для обнаружения присутствия частоты модуляции. Эта частота модуляции представляет выход компаратора как низкий сигнал.
Как я уже говорил ранее, все эти блоки интегрированы в единый электронный компонент. Есть много различных производителей этих компонентов на рынке. Устройства доступны в нескольких версиях, каждая из которых настроены на определенную частоту модуляции.
Обратите внимание, что усилитель установлен на очень высокий коэффициент усиления. Поэтому система считывает очень легко. Подключение большого конденсатора, по крайней мере 22мФ, к питанию приемника является обязательным. Некоторые даташиты рекомендуют ставить сопротивление 330 Ом последовательно с источником питания для дальнейшего отделить питания от остальной части схемы.
Есть несколько производителей ИК-приемников на рынке. Siemens, Vishay Telefunken и являются основными поставщиками в Европе. Siemens имеет свой SFH506-хх серии, где хх обозначает частоту модуляции 30, 33, 36, 38, 40 или 56кГц. Telefunken производили свои TFMS5xx0 и TK18xx серии, где хх еще раз указывает на частоту модуляции устройства. Похоже, что эти компаненты уже устарели. Они заменяются Vishay TSOP12xx, TSOP48xx и TSOP62xx.
Sharp, Xiamen Hualian и Japanese Electric - 3 ведущих азиатских компаний в сфере ИК устройств. Sharp производит устройства с очень загадочными именами, как: GP1UD26xK, GP1UD27xK и GP1UD28xK, где х, связанные с частотной модуляцией. Hualian имеет свои HRMxx00 серии, как и HRM3700 HRM3800. Japanese Electric имеет ряд устройств, которые не включают частоту модуляции в наименовании детали. PIC12043LM настроен на 36.7kHz, и PIC12043LM настроен на 37.9kHz.
Конец?
На этом мы завершаем теории операции для ИК систем дистанционного управления, предназначенный для использования в бытовой электронике. Я понимаю, что существуют другие способы для реализации ИК-контроля, но я ограничусь лишь описанием выше. Один из вопросов, не освещенных здесь является безопасность. Безопасность не имеет никакого значения, если мне надо управлять только своими видеомагнитофоном или телевизором. Но когда дело доходит до открытия двери или автомобиля, то ключевой сигнал должен быть уникальным! Может быть, я расскажу этому вопросу позже, но не сейчас.
Я также понимаю, что мой небольшой перечень производителей далек от завершения. Вряд ли возможно перечислить всех производителей здесь. Вы можете отправить мне по электронной почте, если у вас есть сведения о других протоколов, которые вы считаете необходимо добавить на страницы.
Эта страница только описание основных теории работы ИК-пультов дистанционного управления. Он не описывает протоколы, которые участвуют в общении между передатчиком и приемником. Существуют разные протоколы, разработаные разными производителями.
История дистанционного управления
Один из самых ранних образцов устройств для дистанционного управления придумал и запатентовал Никола Тесла в 1893 году .
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.
Пульт ДУ Zenith Space Commander 600
Универсальный пульт Harmony 670
Военное дело
- В Первой мировой войне немецкий флот применял специальные лодки для борьбы с прибрежным флотом. Они приводились в движение двигателями внутреннего сгорания и управлялись дистанционно с береговой станции
по кабелю длиной несколько миль, привязанному к катушке на корабле. Самолёт использовался для их точного наведения. Эти лодки несли большой заряд взрывчатки в носу и ходили на скорости 30 узлов .
- Рабоче-крестьянская Красная армия использовала дистанционно-управляемые танки в Советско-финской войне 1939-1940 годов и в начале Великой Отечественной войны . Телетанк управлялся по радиосвязи из управляющего танка на расстоянии 500-1500 м, таким образом, получалась телемеханическая группа. Красная армия выставила по меньшей мере два телетанковых батальона в начале ВОВ. Также у Красной армии были дистанционно-управляемые катера и экспериментальные самолёты. Между тем, немецкие танковые батальоны были полностью радиофицированы, каждый танк имел на своем борту рацию, что говорит об огромном превосходстве немецкой техники и промышленности к началу войны.
- Подробная информация о применении ПДУ для средств спецназначения в наше время носит преимущественно закрытый характер
Авиация
Практически все средства авионики и другое бортовое оборудование ЛА управляются с помощью пультов ДУ в кабине пилотов, ДУ имеется также в наземном оборудовании
Водный транспорт
Значительная часть судового оборудования управляется с помощью ПДУ
Железная дорога и метро
ПДУ применяются для управления оборудованием поездов, путевым оборудованием, оборудованием станций (эскалатор, освещение и т. д.)
Промышленное производство и строительство
Некоторые виды производственного и строительного оборудования могут управляться с помощью ПДУ
Научно-исследовательские и производственно технические лаборатории
Некоторые виды лабораторного оборудования управляются с помощью ПДУ
Космос
- Технология дистанционного управления также использовалась в исследованиях космоса. Советский Луноход дистанционно управлялся с Земли. Прямое дистанционное управление космическими аппаратами на бо́льших расстояниях непрактично из-за возрастающей задержки сигнала.
- Для управления оборудованием и двигателями космического корабля в кабине космонавтов имеются пульты ДУ
Связь и другие системы информационных технологий
Дистанционное управление могут иметь ретрансляторы, радиомаяки, а также связные радиостанции, радиолокаторы и другие системы
Электроэнергетика
В электроэнергетике ПДУ используются для управления объектами энергосистемы и управления энергопотреблением
В июньском номере Railway Modeller за 2007г. была статья про 0-масштабный макет Бодмина (Bodmin), сделанный Рэем Грином (Ray Green) с использованием инфракрасного пульта управления поездами. Неужели мои молитвы были услышаны? Я занялся поисками и спустя несколько дней навестил Стива Лейланда (Steve Leyland) из компании MicroMotive, которая расположена в Клэй-Кросс, Дербишир (Clay Cross Derbyshire), чтобы увидеть их инфракрасную систему “ Красная Стрела” (“Red Arrow”). Естественно, домой я вернулся с инфракрасной системой: пультом управления и сумкой деталей, необходимых для оснастки двух локомотивов.
Пульт управления
Детали - (слева направо)
- Блок управления
- Геркон
- ИК-приёмник
- Резисторы ограничительного выключателя
(внимание : аккумулятор и соединитель к нему в комплект не входят.)
Испытательная установка
Прочитав несколько раз инструкцию, я собрал испытательную установку, чтобы проверить детали, перед тем как оснащать ими локомотив.
Для испытаний я использовал всего один 3х-вольтовый моторчик, но всё отлично заработало.
Настал черёд разделывания локомотива и тендера - самый кощунственный процесс, где приходится фактически разрушать то, что годами хранилось как сокровище. Я назвал это хирургической операцией и постарался причинить модели как можно меньше вреда.
На фото показан блок управления, помещённый сверху тендера Jubilee Bachmann , для того, чтобы наглядно увидеть соотношение размеров.
Блок управления на тендере
Первое, что я сделал, было удаление из локомотива токосъёмников, так как я оснащал его новым источником питания (позже я понял, что это следовало сделать в конце, т.к. ели бы мне не удалось установить блок управления и аккумулятор в тендер - это действие оказалось бы напрасным. Это урок на будущее).
Что же, для меня это оказалось непростой задачей. Разбирая Jubilee, я вскоре понял, что в нём нет как таковых токосъёмников, вместо них использовались два разделённых металлических шасси с двумя пружинами, прижимающими контакты мотора. Уфф.
Разделённые шасси
Как показано на снимке, две маленькие пружинки располагались в отверстиях. Они прижимались к контактам, расположенным на корпусе мотора. Я решил удалить пружинки (сохранив их на будущее), заизолировать контакты и вывести два провода из локомотива к тендеру.
Заизолированные контакты
Показанные на фото резиновые изоляторы не подошли, так как они оказались слишком громоздкими и мешали поставить шасси на своё место. Я заменил их на два кусочка изоляции, снятой с сетевого кабеля.
Питание мотора в сборе
Я собрал локомотив и просто подключил его к 9-вольтовому аккумулятору. Первое, что я заметил (я использовал новый стандартный PP3 аккумулятор), была явная потеря мощности, и локомотив ехал медленнее, чем обычно. Я снова разобрал и собрал локомотив - результат был прежним, тогда я поставил его на рельсы, и он поехал со своей обычной скоростью, возможно проблема была в том, что я подключил 9- вместо 12- вольтового аккумулятора. Это может стать проблемой для длинного состава, но, так как у меня оставалось ещё много работы, поверку мощности я отложил на потом.
Теперь разделывание, простите, оперирование тендера.
Внутри тендера распложены три металлические пластины, используемые в качестве балласта. Первым этапом была замена средней пластины на пластиковую, разделённую посредине, что образовало отверстие, через которое можно было провести кабельную стяжку, чтобы закрепить ярусное расположение всех компонентов.
Отверстие для кабельной стяжки
На пластины я положил батарейку и блок управления, поместив их друг на друга. Похоже на это:
Ярусное расположение (обратите внимание на маленькую деталь, приклеенную к концу связки - это монтажная пластина - см. дальше)
Кроме этих деталей мне ещё нужно было установить ИК-приёмник, геркон, резисторы ограничительного выключателя, выпрямительный мост, соединители и пр. - хватит ли у меня места?
С герконом проблем не возникло. В моём комплекте оказался бесконтактный герконовый мангнитоуправляемый переключатель. В нормальном положении контакты замкнуты, что замыкает всю цепь. Кладём на него магнит - контакты размыкаются, что, в свою очередь, размыкает всю цепь. Проверка показала, что магнит достаточно мощный, чтобы работать через стенки корпуса тендера.
Герконовый переключатель
При помощи двустороннего скотча переключатель был прикреплён к задней стенке нижней части корпуса тендера.
Чтобы отключить питание, мне нужно всего лишь положить магнит сверху тендера, как показано ниже.
После этого мне нужно было смонтировать выпрямительный мост и резисторы (по-моему, на 120Ом) Большой необходимости в этом нет, но это избавляет от разборки тендера каждый раз, когда аккумулятор разряжается. Я хотел иметь возможность заряжать аккумулятор, не снимая локомотив с рельсов.
Поэтому чуть позже я собрал этот элемент (на монтажной пластине veroboard, показанной выше), установил все детали на шасси тендера и попытался надеть верхнюю часть.... Ничего не вышло - детали не вмещались.
Я перебирал разные варианты.
И тут я вспомнил любимый совет своего папы, который он мне всегда давал, когда я что-нибудь чинил: “Если деталь не становится на своё место - переверни её другой стороной и попробуй снова.”
Точно, папа, спасибо. Я пытался установить все детали на шасси в надежде, что верхняя часть станет на место. Теперь же я все детали разместил в обратном порядке в корпусе тендера, что оказалось гораздо проще.
Но места всё равно не хватало, поэтому я убрал балластные пластины и их держатели, а также расположил ИК-приёмник на крыше, но с краю от центра.
Детали, заключённые в корпус тендера
На этом фото видно, что ИК-приёмник приклеен (эпоксидным клеем) к крыше тендера, но смещён в сторону, чтобы оставалось достаточно места для аккумулятора.
Внутренний вид
и ещё одно изображение сверху - мне ещё нужно почистить верх, так как клей выступил через зазоры.
Вид сверху
Ура Всё подошло - но будет ли это работать?
Испытания в работе
На снимке показано испытание паровоза, к которому ещё не присоединён тендер. ЗАРАБОТАЛО С ПЕРВОГО РАЗА. Фотоаппарат не смог передать быстрое вращение колёс.
(обратите внимание: Зелёные провода нужны для системы подзарядки аккумулятора).
В процессе работы я столкнулся с парой проблем. Но я вполне доволен, потому что, кроме опыта сборки нескольких цепей с диодами, у меня нет никаких знаний в электронике.
Проблемы, возникшие в процессе работы и требующие решения:
1)
Явная нехватка напряжения (9В вместо 12В) - хватит ли его, чтобы тянуть состав?
2)
Система позволяет запрограммировать 99 локомотивов. По умолчанию в заводских настройках запрограммировано 27, и я не смог их перепрограммировать.
Больше 27 не получилось.
3)
Прочитав инструкцию, я узнал, что мне нужен ещё и радиатор для транзистора. У меня очень смутное представление как о том, что это такое и для чего он нужен, так и какого он размера, где его устанавливать и где его взять.
4)
Ещё нужно установить токосъемные контакты для подзарядки аккумулятора. Сделать их на колёсах тендера (что проще), или же прикрепить к разделённым шасси локомотива (что эффективнее)?
5)
У паровоза Jubilee закрытый корпус тендера формируется за счёт формованной крышки, создающей эффект наполненности углём. А как быть с паровозами, тендеры которых пустые или в них мало угля?
6)
Плохо ли скажется на аккумуляторе постоянная подзарядка?
7)
После присоединения, паровоз и тендер будут связаны навсегда проводами. Найду ли я для этого подходящий микроконнектор?
Я также пришёл к выводу, что:
1)
Данная конструкция не подойдёт для паровозов без тендера.
2)
Данная конструкция не подойдёт для паровозов, мотор которых установлен в тендере.
Рассмотренные схемы предназначены для дистанционного управления нагрузками по телефонной проводной линии, по каналам мобильной и радиосвязи, а также управления различными устройствами с помощью инфракрасного канала.
Устройство инфракрасного управления состоит из двух блоков - передатчика и приемника в возможной дальностью действия до семи метров. Схема дистанционного управления построена с использованием микроконтроллера PIC12F629, прошивку которого вы можете скачать по зеленой стрелочке чуть выше.
Основа схемы ИК передатчика микроконтроллер PIC12F629 для его правильной работы по протоколу RC5 нужна стабильная несущая частота 36 кГц, поэтому в конструкции используется внешний генератор на радиокомпонентах Q1,C1,C2.
Модулированный ИК сигнал от передатчика поступается на приемный модуль TSOP4836 и обрабатывается PIC12F629 в соответствии с прошивкой. В зависимости, от нажатой кнопки в схеме передатчика, осуществляется срабатывание нужного канала в приемнике. Реле осуществляют коммутацию нагрузки на каждом из каналов. Для прошивки микроконтроллеров используйте .
К почти любому радиозвонку достаточно легко изготовить приставку для управления любой бытовой техникой. Доработка позволяет дистанционно включать и выключать бытовой прибор, в цепь питания которого введены контакты реле
На этой странице я собрал простые и доступные для повторения схемы дистанционного управления нагрузкой на микроконтроллерах, например освещением или любыми бытовыми приборами. Прошивки и прочие дополнительные файлы к проектам вы можете найти тут-же.
Рассмотренные схемы осуществляют дистанционное управление нагрузкой. В обоих конструкциях присутствует функция программирования, дающая возможность нажатием на запрограммированную кнопку включать или выключать различную нагрузку на растоянии
Принципиальная схема передатчика показана на рисунке 1. SW1 - это модуль из восьми DIP-переклю-чателей. Он устанавливается на плату и позволяет задать индивидуальный код -восьмиразрядное двоичное число. На приемнике должен быть задан точно такой же код, иначе он не будет реагировать на команды этого передатчика. Вместо блока DIP-переключателей можно распаять обычные проволочные перемычки, но, опять же х распайка должна совпадать с распайкой перемычек на приемном блоке
Схема питается от 5 В источника питания. Цифровая микросборка CD4017 это типовой счетчик делитель на 10. Полученный сигнал с датчика следует на микросхему, в соответствии от сигнала на выходах Q0-Q9 задается высокое состояние, в нашем схемотехническом примере к выходу Q1 подсоединено реле через биполярный транзистор T2. В высоковольтную цепь которой можно подключить почти любую нагрузку - от обычного утюга или микроволновки и заканчивая холодильником или кондиционером
Загоревшийся световой индикатор Status LED говорит о том что сигнал принят и реле сработало. В качестве пульта может применить даже любой ПДУ от от телевизора. Внешний вид собранного устройства на макетной плате:
В этой статье поговорим о том, как собрать ИК управление нагрузкой своими руками. Схема управления может управлять различными подключенными к ней нагрузками: светом, вентилятором, бытовой техникой. ИК управление осуществляется с помощью любого ПДУ, в.т.ч и телевизионного.
В первой рассмотренной схеме управление вентилятором или кулером осуществляется по сигналу термистора в течении заданного временного интервала. Радиолюбительская конструкция очень проста, т.к собрана всего на трех биполярных транзисторах. Такие системы управления можно применить в самых разных областях, где требуется охлаждение с помощью вентилятора, допустим, охлаждения системной платы компьютера, в мощных звуковых усилителях и источниках питания и подобным устройствах, которые могут перегреваться в процессе своей работы.
