紅外光通信裝置(F題)

1、學(xué)校統(tǒng)一編號(hào) 學(xué) 院 名 稱： 隊(duì) 長(zhǎng) 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(wú)線通信技術(shù)成本比較低，所以越來(lái)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(duì)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(hào)收集到，將其放大之后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，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(hào)接收到，經(jīng)過解調(diào)轉(zhuǎn)換成聲音信號(hào)，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(lái)。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：?jiǎn)纹瑱C(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(cè)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(lái)傳輸語(yǔ)音信號(hào)，并且使得傳輸距離達(dá)到兩米。接收的聲音應(yīng)無(wú)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(yǔ)音信號(hào)改為800Hz單音信號(hào)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(hào)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(cè)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(yǔ)音話筒，只需對(duì)著話筒喊話，話筒的輸出信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放加以放大，放大的語(yǔ)音信號(hào)加到調(diào)制器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)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(yǔ)音信號(hào)。這里的調(diào)制器是一種脈沖振蕩器，產(chǎn)生對(duì)稱的方波信號(hào)。當(dāng)語(yǔ)音信號(hào)加到該振蕩器的輸入端時(shí)，使方波信號(hào)的占空比隨語(yǔ)音信號(hào)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?qǐng)D1（a）的紅外發(fā)射光信號(hào)，該接收信號(hào)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(jí)運(yùn)放放大后，加到濾波電路對(duì)調(diào)制的光信號(hào)解調(diào)，其解調(diào)信號(hào)再放大，供后級(jí)語(yǔ)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(hào)，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(hào)；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(duì)點(diǎn)的線纜連接，保密性強(qiáng)，無(wú)有害輻射，抗干擾性強(qiáng)，系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)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(wú)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(yǔ)音通信

6、系統(tǒng)采用紅外光傳輸及無(wú)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(hào)，將收集到的音頻信號(hào)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(hào)進(jìn)行放大，使得音頻信號(hào)的干擾減少以免在傳輸?shù)倪^程中信號(hào)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(hào)是雙極信號(hào)，因?yàn)樾盘?hào)還需要通過單片機(jī)，所以我們將聲音信號(hào)的雙極性模擬信號(hào)經(jīng)過一個(gè)加法器轉(zhuǎn)換為單極信號(hào)。之后再通過AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以減少在傳輸過程中聲音信號(hào)的失真。紅外發(fā)射器的主要功能是完成信號(hào)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(hào)的頻譜寬度，保證通信線路暢通.此外LED的發(fā)射波長(zhǎng)應(yīng)與接收器端的光電探測(cè)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(hào)傳輸收集并且經(jīng)初步處理的音頻信號(hào)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?hào)經(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(duì)傳輸信號(hào)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(hào)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(wú)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(hào)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(hào)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(wú)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(wú)線數(shù)傳模塊接收到從傾斜檢測(cè)儀輸出的縱向和橫向傾斜角度數(shù)據(jù)，并對(duì)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(cè)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(wú)需此功能）。（4）增加外部掉電檢測(cè)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(wú)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(wàn)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(wú)需編程器/仿真器。（12）8通道，10位高速ADC，速度可達(dá)25萬(wàn)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(lái)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(wú)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(wú)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(cè)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(hào)，如果收集到的音頻信號(hào)微弱，則需要將其先進(jìn)行放大，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。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(hào)

14、收集，并且再次轉(zhuǎn)換成聲音信號(hào)。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(hào)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(lái)。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(lái)增大傳輸距離。其次，我們?cè)诎l(fā)射端增加了一個(gè)聚光裝置，使得發(fā)出的紅外光信號(hào)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(hào))：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(zhǎng)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(qǐng)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(duì)于信號(hào)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(lái)的方案紅外光信號(hào)清晰傳輸?shù)木嚯x僅僅為20厘米，再向老師請(qǐng)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(lái)提高發(fā)射信號(hào)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(shí)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(shí)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(shí)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