紅外光通信裝置(F題)[沐風(fēng)教育]

1、學(xué)校統(tǒng)一編號 學(xué) 院 名 稱： 隊(duì) 長 姓 名： 隊(duì) 員 姓 名： 指導(dǎo)教師姓名：紅外光通信裝置(F題)摘要由于紅外載波的無線通信技術(shù)成本比較低，所以越來越多的應(yīng)用于生活中，例如常用的電視機(jī)遙控器等，但由于紅外光的特殊性，使它的傳輸距離有限，而且傳輸時(shí)需要將發(fā)射端與接收端對齊。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)利用紅外光作為傳輸方式的通信裝置。首先將聲音信號收集到，將其放大之后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過紅外光進(jìn)行傳輸，利用另一端的紅外光接收裝置將發(fā)射端發(fā)射的光信號接收到，經(jīng)過解調(diào)轉(zhuǎn)換成聲音信號，然后輸出。在傳輸?shù)倪^程中同時(shí)傳輸由發(fā)射端熱敏電阻采集到的溫度信息，并在接收端通過液晶顯示屏顯示出來。在發(fā)射端和接收端使用S

2、TC12C5616AD單片機(jī)進(jìn)行控制。關(guān)鍵字：單片機(jī) 紅外光 智能控制 發(fā)射極 接收極目錄一、題目分析31.1計(jì)劃任務(wù)3二、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)32.1方案比較32.1.1方案一32.1.2方案二32.2方案論證42.2.1方案的優(yōu)點(diǎn)42.2.2方案的缺點(diǎn)4三、 單元模塊的設(shè)計(jì)與分析43.1各個(gè)單元模塊的分析43.1.1.音頻接收模塊43.1.2.紅外發(fā)射模塊43.1.3 通信通道53.1.4 紅外接收裝置53.2特殊元器件的介紹5四、 方案設(shè)計(jì)84.1電路仿真84.2流程圖8五、 系統(tǒng)測試95.1系統(tǒng)功能95.1.1實(shí)現(xiàn)功能95.1.2與設(shè)計(jì)要求的比較105.2指標(biāo)參數(shù)10六、 設(shè)計(jì)總結(jié)10七、 參考

3、文獻(xiàn)10八、 附錄11附錄1：元器件列表11附錄2：儀器設(shè)備11附錄3：系統(tǒng)原理圖12一、題目分析1.1計(jì)劃任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)紅外光通信裝置，利用紅外發(fā)光二極管和紅外接收模塊作為接收器件，紅外光信道作為通信信道，來傳輸語音信號，并且使得傳輸距離達(dá)到兩米。接收的聲音應(yīng)無明顯的失真。如圖1。圖1 紅外光通信裝置方框圖當(dāng)發(fā)射端輸入語音信號改為800Hz單音信號時(shí)，在8電阻負(fù)載上，接收裝置的輸出電壓有效值不小于0.4V不改變電路狀態(tài)，減小發(fā)射端輸入信號的幅度至0V，采用低頻毫伏表(低頻毫伏表為有效值顯示，頻率響應(yīng)范圍低端不大于10Hz、高端不小于1MHz測量此時(shí)接收裝置輸出端噪聲電壓，讀數(shù)不大于0.1

4、V。2、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1方案比較2.1.1方案一語音話筒，只需對著話筒喊話，話筒的輸出信號經(jīng)過運(yùn)放加以放大，放大的語音信號加到調(diào)制器對語音信號進(jìn)行調(diào)制，再由紅外線發(fā)光二極管發(fā)射已調(diào)制的語音信號。這里的調(diào)制器是一種脈沖振蕩器，產(chǎn)生對稱的方波信號。當(dāng)語音信號加到該振蕩器的輸入端時(shí)，使方波信號的占空比隨語音信號線性變化，從而達(dá)到調(diào)制目的。圖1（b）是光接收的解調(diào)電路，由紅外接收管接收圖1（a）的紅外發(fā)射光信號，該接收信號根據(jù)圖1（a）發(fā)送端的紅外光強(qiáng)弱而變化。紅外接收管的輸出經(jīng)兩級運(yùn)放放大后，加到濾波電路對調(diào)制的光信號解調(diào)，其解調(diào)信號再放大，供后級語音處理電路工作（或用耳機(jī)收聽或放大后用功放放音）。

5、2.1.2方案二通過將聲音轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過濾波，放大，輸入給單片機(jī)，如果頻率大于某一值，單片機(jī)從TX輸出為1，則三極管導(dǎo)通，紅外線二極管發(fā)光，紅外線接收二極管感光導(dǎo)通，產(chǎn)生電流輸入給單片機(jī)，然后再轉(zhuǎn)化為聲音信號；若頻率小于該值，單片機(jī)輸出為0，三極管截止，二極管不發(fā)光，紅外接收模塊中感光元件不能接受光，二極管導(dǎo)通變亮。2.2方案論證2.2.1方案的優(yōu)點(diǎn)利用光傳輸數(shù)據(jù)，傳輸速率高，取代了點(diǎn)對點(diǎn)的線纜連接，保密性強(qiáng)，無有害輻射，抗干擾性強(qiáng)，系統(tǒng)安裝簡單，易于管理。2.2.2方案的缺點(diǎn)傳輸距離短，通信設(shè)備的位置固定，無法靈活的組成網(wǎng)絡(luò)。3、 單元模塊的設(shè)計(jì)與分析3.1各個(gè)單元模塊的分析紅外語音通信

6、系統(tǒng)采用紅外光傳輸及無線工作機(jī)制，其組成結(jié)構(gòu)主要包括以下五個(gè)模塊：3.1.1.音頻接收模塊主要功能是接收將要傳輸?shù)囊纛l信號，將收集到的音頻信號進(jìn)行去噪處理，并且通過AC前置放大器將收集并且初步去噪的音頻信號進(jìn)行放大，使得音頻信號的干擾減少以免在傳輸?shù)倪^程中信號的失真。 3.1.2.紅外發(fā)射模塊通過音頻收集模塊收集并且初步放大處理得到的模擬信號是雙極信號，因?yàn)樾盘栠€需要通過單片機(jī)，所以我們將聲音信號的雙極性模擬信號經(jīng)過一個(gè)加法器轉(zhuǎn)換為單極信號。之后再通過AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以減少在傳輸過程中聲音信號的失真。紅外發(fā)射器的主要功能是完成信號的轉(zhuǎn)換并通過向空間發(fā)射紅外脈沖將所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行

7、發(fā)射。其關(guān)鍵部分是紅外發(fā)光二極管和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路。紅外LED器件首先要滿足其調(diào)制帶寬大于信號的頻譜寬度，保證通信線路暢通.此外LED的發(fā)射波長應(yīng)與接收器端的光電探測器(一般選用硅光二極管)的峰值響應(yīng)率相匹配，最大程度地抑制背景雜散光千擾，現(xiàn)階段一般選用780-950nm的紅外波段進(jìn)行數(shù)字信號傳輸收集并且經(jīng)初步處理的音頻信號需要經(jīng)過紅外線發(fā)射裝置進(jìn)行發(fā)射。需要傳輸?shù)男盘柦?jīng)過處理后，要進(jìn)行基帶調(diào)制和傳輸調(diào)制，紅外發(fā)射器的原理圖如圖：3.1.3 通信通道在紅外光通信過程中，存在的光噪聲主要包括自然噪聲和人為干擾等。這時(shí)需要盡可能的減少這些光噪聲對傳輸信號的影響，首先要盡量減少周圍環(huán)境中的光干擾，還可

8、以在信息傳輸通道中加入光學(xué)濾光片、聚光鏡等加以解決。3.1.4 紅外接收裝置紅外接收器部分包括紅外光接收部分以及后續(xù)的信號采樣、濾波、判決、量化、均衡和解碼等。其具體的原理框圖：在紅外無線通信系統(tǒng)中，由于紅外發(fā)射器的發(fā)射功率較小，而且信號采用紅外線進(jìn)行傳輸，易受外界環(huán)境的影響，這些因素導(dǎo)致了紅外接收器接收到的信號很弱，并且電平變化范圍較大。因此，低噪聲的前置放大器設(shè)計(jì)是必需的。低噪聲的前置放大器必須要求帶寬大，噪聲小，增益高以及干擾小。3.2特殊元器件的介紹STC12C5616AD-28的組成及工作原理操作指示器結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，由主控制器、無線數(shù)傳模塊和液晶顯示屏等組成。其工作原理：操作指

9、示器通過無線數(shù)傳模塊接收到從傾斜檢測儀輸出的縱向和橫向傾斜角度數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算，然后通過液晶屏幕顯示出車體的縱橫向傾斜角度，并根據(jù)數(shù)據(jù)的運(yùn)算結(jié)果，指示出左右兩個(gè)千斤頂需要進(jìn)一步調(diào)整的方向。傾斜檢測儀放置于回轉(zhuǎn)盤水準(zhǔn)儀檢查座上，兩個(gè)操作指示器分別吸附于兩個(gè)千斤頂旁或戴在操作人員手臂上，兩名操作手觀察各自的指示器即可調(diào)平車體。液晶顯示采用的是COG封裝的12864液晶屏，采用串行SPI總線驅(qū)動(dòng)，這種液晶屏幕驅(qū)動(dòng)芯片直接集成到玻璃基板上，體積小、省電，背光電路設(shè)計(jì)靈活。圖1 操作指示器結(jié)構(gòu)組成圖主控制器的選型及電路設(shè)計(jì)主控制器的選型操作指示器的控制核心選用STC12C5616AD單片機(jī)。

10、該芯片具有如下特點(diǎn)：（1）高速：1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期，增強(qiáng)型8051內(nèi)核，平均指令運(yùn)算速度比標(biāo)準(zhǔn)8051快812倍。（2）寬電壓：5.5V3.3V。（3）增加第二復(fù)位功能腳（高可靠復(fù)位，可調(diào)整復(fù)位門檻電壓，頻率12MHz時(shí)，無需此功能）。（4）增加外部掉電檢測電路，可在掉電時(shí)，及時(shí)將數(shù)據(jù)保存進(jìn)EEPROM，正常工作時(shí)無需EEP。（5）低功耗設(shè)計(jì)：掉電模式（可由外部中斷喚醒），可支持下降沿/上升沿和遠(yuǎn)程喚醒。（6）低功耗設(shè)計(jì)：空閑模式（可由任意一個(gè)中斷喚醒）；掉電模式（可由外部中斷喚醒），可支持下降沿/上升沿和遠(yuǎn)程喚醒。（7）工作頻率：035MHz，相當(dāng)于普通8051：0420MHz。（8）時(shí)鐘：

11、外部晶體或內(nèi)部RC振蕩器可選，在ISP下載編程用戶程序時(shí)設(shè)置。（9）8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字節(jié)片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，擦寫次數(shù)10萬次以上。（10）1280字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（11）ISP/IAP，在系統(tǒng)可編程/在應(yīng)用可編程，無需編程器/仿真器。（12）8通道，10位高速ADC，速度可達(dá)25萬次/秒，2路PWM還可當(dāng)2路D/A使用。（13）2通道捕獲/比較單元（PWM/PCA/CCP），也可用來再實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器或2個(gè)外部中斷（支持上升沿/下降沿中斷）。（14）4個(gè)16位定時(shí)器，兼容普通8051的定時(shí)器T0/T1，2路PCA實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器。（15）可編

12、程時(shí)鐘輸出功能，T0在P3.4輸出時(shí)鐘，T1在P3.5輸出時(shí)鐘，BRT在P1.0輸出時(shí)鐘。（16）硬件看門狗（WDT）.（17）高速SPI串行通信端口。（18）全雙工異步串行（UART），兼容普通8051的串口。（19）先進(jìn)的指令集結(jié)構(gòu)，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令。（20）通用I/O口（36/40/44個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不超過100mA。主控制器電路設(shè)計(jì)操作指示器的主控制器采用的芯片是STC12C5616AD單片機(jī)

13、，具備一個(gè)串口UART0和一個(gè)SPI總線接口，采用的3.3V供電，具有低功耗，指令執(zhí)行效率高的特點(diǎn)。由于ZigBee無線數(shù)傳模塊和LCM屏都采用TTL電平驅(qū)動(dòng)。因此，控制器通過UART0直接接到無線數(shù)傳模塊上；通過SPI總線相關(guān)端口，直接接到LCM模塊的數(shù)據(jù)傳輸端。具體的電路原理如圖2所示。圖2 操作指示器主控制器電路原理圖4、 方案設(shè)計(jì)4.1電路仿真發(fā)射模塊接收模塊4.2流程圖發(fā)射裝置流程圖5、 系統(tǒng)測試5.1系統(tǒng)功能5.1.1實(shí)現(xiàn)功能使用音頻接收模塊接收音頻信號，如果收集到的音頻信號微弱，則需要將其先進(jìn)行放大，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。并通過紅外光進(jìn)行傳輸，通過紅外接收裝置將發(fā)射端發(fā)射出的光信號

14、收集，并且再次轉(zhuǎn)換成聲音信號。通過設(shè)置在發(fā)射裝置上的熱敏電阻，收集發(fā)射端的實(shí)時(shí)溫度，并且能夠通過紅外光信號傳送到接收端，然后通過數(shù)字顯示器將發(fā)射端的實(shí)時(shí)溫度顯示出來。5.1.2與設(shè)計(jì)要求的比較與設(shè)計(jì)要求相比，我們的設(shè)計(jì)傳輸距離達(dá)不到2m，只能達(dá)到20cm左右，傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。我們首先思考用多個(gè)二極管并聯(lián)代替一個(gè)二極管，增大光源，來增大傳輸距離。其次，我們在發(fā)射端增加了一個(gè)聚光裝置，使得發(fā)出的紅外光信號丟失的比較少。以增加傳輸距離。5.2指標(biāo)參數(shù) 發(fā)射范圍：200平方米 接收范圍：200平方米工作電壓：28V DC 工作電壓：3V DC(1.5V2AAA)電流消耗量：800Ma 電流消耗量(最

15、大訊號)：25mA載波頻率：2.8MHz 最大功率輸出：6Mw總諧波失真：1.5% 訊噪比：54Db音頻響應(yīng)：最低 50Hz最高12KHz6、 設(shè)計(jì)總結(jié)在長達(dá)四天的比賽過程中，我們?yōu)樵O(shè)計(jì)出更加合理的方案，不斷的互相商量，向老師請教，并且查閱了相當(dāng)多的資料。但遇到的困難任然很多，比如對于信號傳輸距離的改良，由于缺乏相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)，開始的時(shí)候設(shè)計(jì)出來的方案紅外光信號清晰傳輸?shù)木嚯x僅僅為20厘米，再向老師請教之后，改變了原方案中的一些電路圖的設(shè)計(jì)，使得傳輸距離有了明顯的提高，但任然達(dá)不到兩米的要求。最終選擇增加發(fā)射管的數(shù)量來提高發(fā)射信號的強(qiáng)度。比賽時(shí)間比較緊，隊(duì)友們都熬夜趕工，通力合作，每個(gè)人的能力都是有限的，即使再聰明，學(xué)識再高，缺少了隊(duì)友之間的合作，想要成功也是不可能的。所以這次參賽更加讓我認(rèn)識到合作的重要性。這次紅外通信裝置的設(shè)計(jì)中，由于硬件和軟件知識的能力限制，最終的到的結(jié)果不是令人很滿意，沒有達(dá)到題目中要求的兩米的傳輸距離。7、 參考文獻(xiàn)1 紅外通信技術(shù)淺析,張健2 紅外通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，鄢盟3紅外線、熱釋電與超聲波遙控電路肖景和，趙健著 8、 附錄附錄1：元器件列表STC12C5616AD-28 2個(gè)LM3386N 3個(gè)紅外二極管 13個(gè)紅外接收器 1個(gè)反相器 1個(gè)10K電阻 10個(gè)30K電阻 1個(gè)5K電阻 4個(gè)1K電阻 3個(gè)0.1K電阻 3個(gè)1