紅外光通信裝置

1、摘要本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的M430F169作為控制芯片,設(shè)計并制作了一套紅外通信裝置，具有低功耗，性能優(yōu)的特點。其中硬件電路由紅外發(fā)射模塊，中轉(zhuǎn)模塊，及紅外接收模塊構(gòu)成，紅外發(fā)射及接收模塊按照題目要求采用普通的紅外發(fā)射管和紅外接收裝置，用自身功耗低，更新內(nèi)鏈增益可調(diào)整，電源電壓范圍大的音頻集成功放LM386實現(xiàn)音頻信號的放大,通過在發(fā)射端前加一個凸透鏡，實現(xiàn)紅外光在接收端的匯聚，達(dá)到了聲音模擬信號可以在4米范圍內(nèi)傳輸，而無明顯失真的目的。軟件部分用M430F169作為主控部分設(shè)計了一套程序，在發(fā)射端用溫度傳感器DS18B20接收溫度信號，經(jīng)單片機(jī)將溫度信號處理后發(fā)給接收端，并在接收部分用LC

2、D1602在顯示當(dāng)前溫度，延時很短，基本達(dá)到了題目的全部要求。關(guān)鍵詞：M430F169 紅外發(fā)射 紅外接收 LM386 LCD16028一：系統(tǒng)方案設(shè)計本著題目要求設(shè)計，系統(tǒng)可由五個部分組成：紅外傳輸模塊、中繼轉(zhuǎn)發(fā)模塊、紅外接收模塊、控制系統(tǒng)模塊、顯示模塊。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示：圖1：系統(tǒng)設(shè)計框圖傳輸?shù)恼Z音信號用直徑為3.5mm的音頻插孔線路輸入，經(jīng)集成運放LM386將音頻信號放大后以模擬信號的形式傳到中轉(zhuǎn)部分，再傳達(dá)接收端。同樣，在接收端也用集成運放LM386將音頻信號放大后由揚聲器傳出。控制系統(tǒng)模塊用M430F169單片機(jī)作為主控芯片，顯示模塊采用LCD1602液晶屏在接收端顯示溫度，使

3、用發(fā)光二極管提示接收端接收信號狀態(tài)。二：方案的比較與論證2.1紅外光通信方式選擇方案一：先將音頻模擬信號調(diào)制為數(shù)字信號，通過紅外發(fā)射管將數(shù)字信號發(fā)出，接收端通過紅外光接收模塊接收信號，經(jīng)過解調(diào)電路解調(diào)，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，最后將得到的音頻模擬信號通過揚聲器播放。方案二：將音頻模擬信號經(jīng)過功率放大后直接通過紅外發(fā)射管發(fā)射，紅外接收管接收到信號后，再經(jīng)過功率放大直接將信號傳給揚聲器，將聲音播放。考慮到將聲音模擬信號調(diào)制成數(shù)字信號，再解調(diào)成模擬信號存在失真問題，并且調(diào)制解調(diào)的過程復(fù)雜，不易操作，因此選擇方案二。2.2音頻放大器選擇方案一：使用OP07作為音頻放大器。OP07同時具有輸入偏置電流

4、低和開環(huán)增益高的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。但是，它的缺點是線性區(qū)間太小，單電源供電。方案二：使用LM386作為音頻放大器。LM386是專為低功耗電源所設(shè)計的功率放大器集成電路，內(nèi)建增益20倍。通過引腳間電容的搭配，增益可達(dá)200倍。LM386可用電池供電，它具有靜態(tài)功耗小、外圍元件少、失真低、工作電壓范圍寬（4V-12V）、具有電壓增益可調(diào)等優(yōu)點。由于本設(shè)計中要用到音頻專用放大器，并且要求減少失真，同時足以驅(qū)動小喇叭，采用LM368就可以實現(xiàn)，所以選擇方案二。2.3單片機(jī)控制方案選擇方案一：采用STC89C52單片機(jī)，

5、STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16 位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，價格低廉，資料齊全。方案二：采用M430F169單片機(jī)。M430F169單片機(jī)是16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器 。自帶12位A/D，有5種省電模式，且有51系列單片機(jī)不具有的片內(nèi)比較器。具有低功耗，運行速度快的優(yōu)點。在實際測試中發(fā)現(xiàn)，用M430F169更容易實現(xiàn)溫度信號的實時傳輸，因此選擇方案二。三：理論分析與設(shè)計實現(xiàn)3.1紅外發(fā)射模塊前端采用音頻插孔線路輸

6、入音頻信號，經(jīng)過LM386實現(xiàn)功率放大。如果不進(jìn)行功率放大，模擬信號強度太弱將無法驅(qū)動紅外管，LM386內(nèi)置的增益為20，如果在芯片1腳和8腳增加適當(dāng)?shù)碾娮韬碗娙荩鲆婵蛇_(dá)到200。輸入的音頻信號，在經(jīng)過電容濾波之后，將直流信號濾去，輸入LM386將功率放大可以驅(qū)動紅外管向外發(fā)射紅外光。原理如圖2：圖2：紅外光發(fā)射模塊電路圖3.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)模塊中繼轉(zhuǎn)發(fā)的作用是通過改變光路，達(dá)到使通信方向改變90°的效果。這一模塊需要既能接受從紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外信號，又能向紅外接收模塊發(fā)射紅外信號，在這個模塊中，紅外發(fā)射管和紅外接收管要呈90°的位置關(guān)系，才可以實現(xiàn)通信方向的改變。設(shè)計中采用

7、紅外接收管接收紅外發(fā)射裝置發(fā)來的音頻信號，經(jīng)過LM386進(jìn)行功率放大驅(qū)動紅外發(fā)光管發(fā)射，傳給90°方向2m之后的紅外接收裝置。這樣就能實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)發(fā)。 3.3紅外接收模塊采用紅外接收裝置接收傳來的音頻模擬信號，由于凸透鏡的作用，基本可以保證傳來的信號不失真。在紅外接收裝置接收到音頻信號后，將信號通過集成功率放大器LM386進(jìn)行功率放大，最后傳給揚聲器進(jìn)行音頻信號的輸出。原理圖如圖3：圖3： 紅外光接受模塊電路圖3.4溫度傳感器模塊 溫度傳感器模塊采用DS18B20溫度傳感器。DS18B20溫度傳感器是常用的溫度傳感器，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。用它來組成一個測

8、溫系統(tǒng)，具有線路簡單，分辨率高等特點。設(shè)計中將DS18B20安裝在發(fā)射端上，來檢測發(fā)射端的溫度，發(fā)射端單片機(jī)將溫度信號進(jìn)行處理后，以數(shù)字通信的方式傳給接收端單片機(jī)處理，最終在接收端LCD1602顯示屏上實時顯示當(dāng)前溫度。四：程序設(shè)計見附二五：測試方案與測試結(jié)果5.1測試儀器(1)直流穩(wěn)壓電源(2)Agilent MSO-X200A示波器(3)FLUKE 手持萬用表(4)溫度計5.2 測試方案開始測試時 ，先用5V穩(wěn)壓電源給單片機(jī)和裝置供電，將MP3插入裝置的音頻插孔線路，輸入音頻信號，測試其輸出口喇叭處音頻信號音質(zhì)情況，用示波器將發(fā)射端和接收端的語音信號顯示出來，觀察失真情況。最后通過改變環(huán)境

9、溫度，測試接收端顯示的溫度值，數(shù)字信號傳輸時延，將測量值通過LCD1602顯示出來，并保留最近三次數(shù)據(jù)。5.3測試結(jié)果表1發(fā)射端溫度測量表環(huán)境溫度測量值1測量值2測量值3誤差傳輸時延26°26°27°27°<2°6s29°30°28°29°<2°5s27°26°26°27°<2°7s表2 接收裝置輸出電壓有效值測量表環(huán)境溫度800Hz信號輸出電壓(V)800Hz信號輸出電壓(V)800Hz信號輸出電壓(V)誤差是否失真26

10、76;0.50.50.6>0.4V否29°0.40.50.5>0.4V否27°0.60.80.5>0.4V否表3 中繼轉(zhuǎn)發(fā)輸出電壓有效值測量表環(huán)境溫度800Hz信號輸出電壓(V)800Hz信號輸出電壓(V)800Hz信號輸出電壓(V)誤差是否失真28°0.50.60.5>0.4V否29°0.70.60.4>0.4V否六：誤差分析由于紅外發(fā)射裝置與紅外接收裝置無法精確對準(zhǔn)，并且受傳輸距離與功率放大的影響，音頻信號無法在傳輸過程中不衰減，因此接收裝置在接收信號時，會存在一些失真問題。同時儀表也存在誤差，但只要注意，實驗結(jié)果跟預(yù)想

11、的一樣，指標(biāo)都達(dá)到要求，誤差都在允許范圍內(nèi)。七實驗結(jié)論采用M430F169單片機(jī)為主控芯片，語音信號采用音頻插孔線路輸入，實現(xiàn)了音頻信號紅外光通信，通信方向的改變，溫度傳輸，并且測量數(shù)據(jù)可以在LCD1602顯示屏上實時顯示。1、基本部分傳輸?shù)恼Z音信號采用音頻插孔線路輸入，頻率范圍可達(dá)到3003400Hz。接受的聲音無明顯失真，當(dāng)發(fā)射端輸入語音信號改為800Hz單音信號時，在8歐電阻負(fù)載上，接收裝置的輸出電壓有效值大于0.4V,減小發(fā)射端輸入信號的幅值至0V，采用低頻毫伏表，測量接收裝置輸出端噪聲電壓小于0.1V。當(dāng)接收裝置不能接收發(fā)射端發(fā)射的信號時，接收端的發(fā)光管點亮指示沒有接收到信號。2、發(fā)

12、揮部分中繼轉(zhuǎn)發(fā)部分：中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置由5V直流電源供電，能改變傳輸方向90°，紅外接收裝置能接收到音頻信號，沒有明顯失真，且達(dá)到了基本要求的音頻要求，噪聲電壓小于0.1V,當(dāng)輸入信號改為800Hz單音信號時，在8的電阻負(fù)載上，接收裝置的輸出電壓有效值小于0.4V達(dá)到要求。溫度傳輸：能實時測量出傳輸發(fā)射端環(huán)境溫度。當(dāng)發(fā)射端溫度發(fā)生改變，接收端能實時監(jiān)測到并在LCCD1602液晶屏上面顯示，且語音信號能和溫度信號同時傳輸，不需要獨立，傳輸時延小于10s。測量溫度誤差小于2攝氏度，滿足要求。八：參考文獻(xiàn)1 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 高等教育出版社, 2006.2 童詩白. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 高等教育出版社, 2001. 3 吳炳勝.80C51 單片機(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)M. 冶金工業(yè)出版社, 2003. 4 張迎新. 單片