全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽F題紅外光通信系統(tǒng)方案

1、 2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽紅外光通信系統(tǒng)（F題）本科組2013年9月7日 組員：廖偉雄 鑫淼 葉志豪17 / 17摘 要 該紅外光通信系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制核心，進(jìn)行信息的采集和處理，利用放大電路以與置A/D轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)語音信號的輸入，經(jīng)過紅外編碼將信號編碼調(diào)制到465K紅外載波上，然后經(jīng)紅外發(fā)射電路發(fā)射出去，在接收指令時通過紅外接收管接受紅外信號，經(jīng)選頻放大電路和濾波電路完成解調(diào)，通過解碼還原數(shù)據(jù)，同時利用D/A轉(zhuǎn)換和音頻放大線路完成語音信號的還原，液晶顯示器1602完成顯示任務(wù)本設(shè)計(jì)利用兩塊STC12C5A60S2單片機(jī)分別控制的紅外信號的發(fā)射與接收，硬件部分

2、包括紅外發(fā)射模塊與紅外接收模塊，其中紅外發(fā)射模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能是語音信號輸入、紅外信號編碼和紅外發(fā)射，語音輸入模塊與紅外發(fā)射電路組成，紅外接收模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能是紅外信號接為收、液晶顯示溫度，由紅外接收電路、液晶顯示電路和語音播報(bào)電路組成軟件部分根據(jù)硬件設(shè)計(jì)，把系統(tǒng)劃分成發(fā)射部分與接收部分，其中發(fā)射部分主要包括語音A/D轉(zhuǎn)換程序和紅外發(fā)射程序，接收部分主要包括紅外接收子程序、液晶顯示子程序和語音D/A程序通過控制編程與各芯片之間的協(xié)調(diào)合作，本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)紅外光通信聯(lián)絡(luò)的功能關(guān)鍵詞：紅外通信，調(diào)制解調(diào)，溫度傳感，語音傳輸，A/D、D/A轉(zhuǎn)換ABSTRACTThe voice contac

3、t system with infrared communication as the foundation, the design with STC12C5A60S2modulator as the core to control, information collection and processing, use Voice input matrix realize instructions, through infrared coding will signal coding modulation to infrared carrier, then by infrared emissi

4、on circuit launch out, receiving orders through the integration in receiving head complete demodulation, through the decoding reduction data, and to use D/A and LCD1602 type LCD display chip to complete the corresponding speech broadcast and LCD display task. This design using two pieces of STC12C5A

5、60S2 model respectively of the single chip microcomputer control of the infrared signal the emitting and receiving, hardware including infrared emission module and infrared receiving modules, which infrared emission module mainly realizes function is the Voice input, the infrared signal encoding com

6、mands and infrared emission, the Voice input module and infrared emission of circuit, infrared receiving module mainly function of the realization of the infrared signal is received, liquid crystal display and speech broadcast, by infrared to receive.Keywords: Infrared communication, modulatoranddem

7、odulator; temperature; Voice transmission; A/D; D/A目 錄1系統(tǒng)方案11.1xxxxxxxxxxxxxxxxxx11.2xxxxxxxxxxxxxxxxxx11.1 xxxxxxxxxxxxxxxxxx21.2 xxxxxxxxxxxxxxxxxx21.4xxxxxxxxxxxxxxxxxx22系統(tǒng)理論分析與計(jì)算22.2xxxxxxxxxxxxxxxxxx22.2.1xxxxxxxxxxxxxxxxxx22.2.2 xxxxxxxxxxxxxxxxxx22.3xxxxxxxxxxxxxxxxxx32.3.1 xxxxxxxxxxxxxxxxxx

8、32.3.2 xxxxxxxxxxxxxxxxxx33電路與程序設(shè)計(jì)33.1電路的設(shè)計(jì)33.1.1系統(tǒng)總體框圖33.1.1xxxxxxxxxxxxxxxxxx電路原理圖33.1.2 xxxxxxxxxxxxxxxxxx電路原理圖43.1.3 xxxxxxxxxxxxxxxxxx電路原理圖53.2程序的設(shè)計(jì)53.2.1程序設(shè)計(jì)思路53.2.2程序流程圖64測試結(jié)果84.1 測試結(jié)果(數(shù)據(jù))84.3.2測試分析與結(jié)論9參考文獻(xiàn)9附錄1：電路原理圖10附錄2：源程序111、 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與論證本系統(tǒng)主要由MCU模塊、信號輸入模塊、溫度傳感模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、紅外光發(fā)射和接收模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、

9、電源模塊組成、顯示模塊，下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1系統(tǒng)總體框架圖1-1系統(tǒng)總體框圖1.2 方案論證與比較（1）控制模塊方案一：選用STC89C52單片機(jī)作為控制，是目前使用較為廣泛的8位單片機(jī)。具有8位CPU·8kbytes 程序存儲器(ROM)，384bytes的數(shù)據(jù)存儲器(RAM) ，32條I/O口線、11條指令，大部分為單字節(jié)指令，編寫程序較為簡單。但是它的計(jì)算速度不高，精度較低，程序儲存空間與數(shù)據(jù)儲存空間不夠大。方案二：選用STC12C5A60S2為控制核心，此單片機(jī)資源豐富，置AD模塊，相對于STC12C5A60S2單片機(jī)處理速度更快，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，功能

10、強(qiáng)大，完全可實(shí)現(xiàn)對紅外光通信系統(tǒng)的控制。其次，瑞薩編程軟件自帶代碼生成工具，編程更為方便，且基本兼容51程序，移植較為簡單。綜合以上方案，選用方案二（2）溫度傳感模塊方案一：選用熱敏電阻電路，此方法精準(zhǔn)度較差，且需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。 方案二：選用溫度傳感器DS18B20，此傳感器采用單線接口雙向通信，可測溫度圍大，可在傳感器部將溫度模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，且誤差小。綜合以上方案，選用方案二。（3）信號輸入模塊語音信號輸入選用MP3，單音信號采用MCU產(chǎn)生的PWM波輸入。（4） 紅外光發(fā)射和接受模塊采用紅外發(fā)射管TSAL6200和紅外接收管HS0038。德國VISHAY公司的TSAL6200紅外發(fā)射

11、器和TSOP1838紅外接收器具有功能強(qiáng)、電壓低、功耗小等特點(diǎn),應(yīng)用廣泛.（5） A/D轉(zhuǎn)換模塊方案一：采用瑞薩RL78/G13十六位單片機(jī)置的兩路A/D轉(zhuǎn)換。電路簡答，可借由代碼生成工具生成AD代碼基本框架，編程簡單。方案二：使用外置A/D轉(zhuǎn)換芯片，較之方案一需另外搭建電路。綜合以上方案，選用方案一。（6） D/A轉(zhuǎn)換模塊方案一：采用DAC0832芯片，DAC0832是采樣頻率為八位的D/A轉(zhuǎn)換芯片，集成電路有兩級輸入寄存器，使芯片具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要。但是為并行輸入，轉(zhuǎn)換方便簡單，通過外圍運(yùn)放電路可產(chǎn)生模擬電壓。方案二：采用PCF8951芯片，PCF

12、8951是串行輸入的八位D/A轉(zhuǎn)換芯片。電路簡單，占用IO口較少，單轉(zhuǎn)換需要IIC協(xié)議，較麻煩綜合以上方案，選用方案二。（7） 顯示模塊方案一：采用LED數(shù)碼管顯示器。LED 數(shù)碼管亮度高，醒目，但是其電路復(fù)雜，占用資源較多，顯示信息量較小。方案二：采用1602液晶顯示器。LCD有明顯的優(yōu)點(diǎn)：微功耗、尺寸小，超薄輕巧、顯示信息量大、字跡清晰、美觀、視覺舒適，使整個控制系統(tǒng)更加人性化。綜合以上方案，選用方案二。2、 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1紅外光通信的分析(1) 紅外通信原理在紅外數(shù)據(jù)發(fā)射過程中，首先將得到的二進(jìn)制脈沖碼調(diào)制到465Khz載波上，經(jīng)緩沖放大后送至紅外發(fā)光二極管，轉(zhuǎn)化為紅外信號發(fā)射

13、出去。對于465Khz載波的實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)采用自激震蕩電路產(chǎn)生465KHz正弦波，再將正弦波經(jīng)過一個與非門，產(chǎn)生一個465Khz的脈沖信號。 紅外編碼的形式有多種，其中最為常用的是PWM碼(脈沖寬度調(diào)制碼)和PPM碼(脈沖位置調(diào)制碼）。前者以寬脈沖表示1，窄脈沖表示0。后者脈沖寬度一樣，但是碼位的寬度不一樣，碼位寬的代表1，碼位窄的代表0。脈寬為0.56ms、間隔0.565ms、周期為1.125ms的組合表示二進(jìn)制的“0”；以脈寬為0.56ms、間隔1.69ms、周期為2.25ms的組合表示二進(jìn)制的“1”。如圖2-1所示本設(shè)計(jì)是以PPM碼對紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。 圖2-1 指令脈沖圖紅外激光編碼脈沖

14、信號由引導(dǎo)碼、系統(tǒng)碼、系統(tǒng)反碼、功能碼、功能反碼等信號組成。引導(dǎo)碼也叫起始碼，由寬度為9ms的高電平和寬度為4.5ms的低電平組成，用來標(biāo)志紅外激光編碼脈沖信號的開始。如圖2-2所示圖2-2 信號引導(dǎo)碼圖系統(tǒng)碼也叫識別碼，它用來指示紅外通信系統(tǒng)的種類，以區(qū)別其它通訊系統(tǒng)，防止各紅外通訊系統(tǒng)的誤動作。功能碼也叫指令碼，它代表了相應(yīng)的控制功能，接收機(jī)中的可根據(jù)功能碼的數(shù)值完成各種功能操作。系統(tǒng)反碼與功能反碼分別是系統(tǒng)碼與功能碼的反碼，反碼的加入是為了能在接收端校對傳輸過程中數(shù)據(jù)是否產(chǎn)生差錯。脈沖位置表示的“0”和“1”組成的32位二進(jìn)制碼，前16位是控制指令，控制不同的紅外通訊設(shè)備。而不同的紅外紅

15、外通訊體系又有不同的脈沖調(diào)控方式，后16位分別是8位的功能碼和8位的功能反碼。串行數(shù)據(jù)碼時序圖如2-3所示。圖2-3 串行數(shù)據(jù)碼時序圖將要發(fā)送的指令脈沖編碼信號調(diào)制在465KHZ的載波上，可以增加信號的抗干擾能力，提高信號傳輸效率信號調(diào)制時序如2-4所示。圖2-4 信號調(diào)制圖（2） A/D、D/A轉(zhuǎn)化分析 輸入的語音信號通過運(yùn)算放大器放大語音信號之后接到瑞薩RL78/G13單片機(jī)，利用單片機(jī)置兩路A/D，把語音信號模擬量轉(zhuǎn)化為八位數(shù)字量，把數(shù)字量調(diào)制到465Khz載波上，便于紅外光傳輸。 紅外接收管接收到信號經(jīng)過選頻放大和濾波之后，并經(jīng)過單片機(jī)譯碼，得到一串?dāng)?shù)字量，將數(shù)字量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換芯片D

16、AC0832轉(zhuǎn)換為模擬量，恢復(fù)為語音信號，語音信號經(jīng)過功率放大器播放出來。3電路與程序設(shè)計(jì)3.1電路的設(shè)計(jì)（1）系統(tǒng)總體框圖根據(jù)前面的分析，設(shè)計(jì)出本系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)總體框圖（2）紅外發(fā)射電路的設(shè)計(jì)在紅外數(shù)據(jù)發(fā)射的過程中，由于發(fā)送信號時的最大平均電流需幾十mA（對應(yīng)mW級發(fā)射功率），所以需要三極管放大后去驅(qū)動紅外光發(fā)射二極管（又稱電光二極管）。紅外發(fā)射電路以與載波發(fā)生電路原理圖如3-2所示。 圖3-2 紅外發(fā)射與載波發(fā)生電路（3） 紅外接收電路的設(shè)計(jì)在紅外接收電路中，由于接受到紅外光后產(chǎn)生的信號較小，故需要用三極管進(jìn)行偏置放大，再通過465Khz的選放大電路，濾去雜波。

17、紅外接受電路以與選頻放大原理圖如3-3所示。圖3-3 紅外接受電路以與選頻放大電路（4） 音頻輸出電路的設(shè)計(jì)在紅外接收管接受后的數(shù)字信號經(jīng)過單片機(jī)解碼，通過D/A芯片還原為 模擬音頻信號，但由于音頻信號功率太小，無法驅(qū)動喇叭，故將音頻信號經(jīng) 過一個3860音頻功率放大器再驅(qū)動喇叭。音頻輸出電路的原理圖如圖3-4 所示。圖3-4 音頻輸出電路3.2程序的設(shè)計(jì)（1） 程序設(shè)計(jì)思路程序設(shè)計(jì)思路主要由發(fā)射電路主程序，紅外發(fā)射子程序，接收電路主程序，紅外接收子程序組成。（2） 程序流程圖1、 發(fā)射電路主程序流程圖2、 紅外發(fā)射子程序流程圖3、 接收電路主程序流程圖4、 紅外接收子程序流程圖4、測試方案與

18、測試結(jié)果4.1測試方案1、硬件測試 紅外發(fā)射接收部分，紅外接收部分，語音A/D轉(zhuǎn)化，D/A轉(zhuǎn)化能正常工作。2、軟件仿真測試串口傳輸由于傳輸時序問題，傳輸語音信號不夠穩(wěn)定。3、硬件軟件聯(lián)調(diào)系統(tǒng)能傳輸800HZ單音信號，但由于程序限制，傳輸距離有所限制，傳輸語音信號的過程不穩(wěn)定。4.2 測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全一樣，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：溫度計(jì)，信號發(fā)生器，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。4.3 測試結(jié)果與分析（1）測試結(jié)果(數(shù)據(jù))在1.5米圍能正常進(jìn)行紅外光通信，語音信號的傳輸不穩(wěn)定，雜波比較大，分辨不了原來的聲音（2）測試分析與結(jié)論本設(shè)計(jì)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。5、 結(jié)論由于時間和思路的原因，結(jié)果沒有做得盡如人意，但這次比賽的經(jīng)歷讓我們收獲了很多，不僅是在個人體會，更在團(tuán)隊(duì)合作。在這里感各位老師的指導(dǎo)和組委會的組