畢業(yè)論文-紅外光通信裝置（F 題）

紅外光通信裝置（F題）設(shè)計(jì)報(bào)告（2013年9月4日至7日）摘要本紅外光通信裝置，分為紅外發(fā)射、中繼放大、紅外接收三個(gè)子模塊。該裝置采用駐極體傳聲器采集音頻信號(hào)（或音頻信號(hào)直接輸入），經(jīng)紅外發(fā)射電路傳至中繼裝置，二次放大處理，再由紅外接收、放大電路等，在終端無(wú)失真的播放出來(lái)；使用DS18B20測(cè)取溫度值，并用STC89C52單片機(jī)作為數(shù)字信號(hào)發(fā)送與接收的控制芯片；用LCM1602液晶作為溫度及其他信息的顯示器件。本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能上不僅能滿足大賽的基本要求，在增加一路數(shù)字信道后，可實(shí)時(shí)傳輸發(fā)射端環(huán)境溫度，并能在接收端顯示，基本上完成了所要的功能。關(guān)鍵詞：紅外發(fā)射接收DS18B20信號(hào)放大單片機(jī)1602液晶

目錄第一部分系統(tǒng)原理與組成····································11.1紅外無(wú)線通信基本原理·····································11.2裝置方框圖及三大模塊·····································21.2.1信號(hào)采集發(fā)送裝置1.2.2中繼裝置1.2.3信號(hào)接收顯示裝置第二部分方案的分析與論證··································52.1多種可行方案的比較········································52.2信號(hào)采集發(fā)送裝置··········································62.3中繼裝置··················································82.4信號(hào)接收顯示裝置··········································92.5數(shù)字信道紅外傳輸程序·····································11第三部分軟硬件聯(lián)調(diào)和結(jié)論··································15軟硬件聯(lián)調(diào)·················································15結(jié)論·······················································16參考文獻(xiàn)·····················································17

第一部分系統(tǒng)原理與組成本系統(tǒng)包括三大模塊紅外數(shù)據(jù)傳輸，使用傳輸介質(zhì)——紅外線。紅外線是可見(jiàn)光譜中位于紅色光之外的光線，是波長(zhǎng)在750nm—1mm之間的電磁波。紅外數(shù)據(jù)傳輸一般采用紅外波段內(nèi)的近紅外線，波長(zhǎng)在0.75—25um之間。盡管肉眼看不到這種光線，但利用紅外線發(fā)送和接收裝置卻可以發(fā)送和接收紅外線信號(hào)，實(shí)施紅外線通訊。紅外通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是光通信系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，紅外通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和目前世界上所采用的骨干通信網(wǎng)的光纖通信系統(tǒng)有相同之處的，唯一重要的差別就是它們二者所采用的傳輸媒質(zhì)不同，一個(gè)是大氣，一個(gè)則是光纖。利用紅外線通訊無(wú)需連線，只需將兩設(shè)備的紅外線裝置對(duì)正即可傳輸數(shù)據(jù)。紅外線通訊方向性很強(qiáng)，適用于近距離的無(wú)線傳輸。一個(gè)簡(jiǎn)單的光通信收發(fā)系統(tǒng)如圖(1.2)所示：圖1.1可見(jiàn)光頻譜圖1.2光通信收發(fā)系統(tǒng)當(dāng)然整個(gè)商用的紅外光通信系統(tǒng)是相當(dāng)復(fù)雜的，這里我們只考慮最基礎(chǔ)最必要的部分來(lái)完成紅外通信收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。圖1.3圖1.3本系統(tǒng)裝置模塊框圖1.2.1信號(hào)采集發(fā)送裝置該模塊為整個(gè)裝置的信號(hào)輸入端，包含音頻模擬量和溫度數(shù)字量。駐極體傳聲器采集音頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波放大處理，通過(guò)紅外發(fā)射管，將音頻信號(hào)直接以模擬量發(fā)射到中繼接收端。另外，使用一個(gè)DS18B20測(cè)量采集點(diǎn)溫度，經(jīng)單片機(jī)處理后發(fā)送到中繼裝置，通過(guò)接收端的一體化紅外接收頭采集處理后顯示出來(lái)。最簡(jiǎn)單的紅外發(fā)射接收電路如下。圖1.4紅外發(fā)射接收1.2.2中繼裝置為了改變通信方向90°，延長(zhǎng)通信距離2m，在保證語(yǔ)音通信質(zhì)量要求前提下，設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)紅外光通信中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置方框圖如下：圖1.5紅外光通信中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置方框圖1.2.3信號(hào)接收顯示裝置該模塊使用兩種紅外接收管，分別接收駐極體采集的音頻模擬信號(hào)以及單片機(jī)發(fā)出的溫度數(shù)字信號(hào)，電路對(duì)音頻信號(hào)處理后通過(guò)一個(gè)普通8Ω/0.5W喇叭播放，與此同時(shí)，采集點(diǎn)溫度值在接收終端的1602液晶上顯示。圖1.6圖1.6一體化紅外接收頭內(nèi)部電路第二部分方案的分析與論證2.1多種可行方案的比較第一種是將進(jìn)入發(fā)射裝置的模擬信號(hào)直接發(fā)送出去，模擬的電壓信號(hào)的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)，接收端接收到光強(qiáng)的變化，進(jìn)而將接收到的光強(qiáng)再轉(zhuǎn)化成模擬電壓或者電流，得到的信號(hào)跟發(fā)射的信號(hào)變化規(guī)律相同，這樣就實(shí)現(xiàn)了通信。另一種方式是將要發(fā)射出去的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)送給紅外發(fā)送電路，經(jīng)該電路的調(diào)制轉(zhuǎn)變成紅外光信號(hào)在空中傳輸，然后紅外接收電路收到該紅外光信號(hào)，經(jīng)過(guò)該電路的解調(diào)，將此紅外光信號(hào)還原成可被單片機(jī)或其他處理系統(tǒng)處理的信號(hào)，由單片機(jī)或其他處理系統(tǒng)內(nèi)部處理得到原來(lái)的數(shù)據(jù)編碼。圖2.1數(shù)字量傳輸方案紅外通信有自己的優(yōu)點(diǎn)，比如其安全性高，但也有一定的缺點(diǎn)，例如傳輸距離短等。由圖2.1可知，利用單片機(jī)對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，需要用到運(yùn)算能力強(qiáng)的芯片，常見(jiàn)的51單片機(jī)在這些方面略顯不足，而且還要增加專用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，然而此方案設(shè)計(jì)制作的系統(tǒng)功能雖好，效果確難以保證，不僅增加硬件制作的難度，對(duì)于軟件要求也特別高。大賽要求設(shè)計(jì)制作的紅外光通信裝置利用紅外發(fā)光管和紅外光接收模塊作為收發(fā)器件，用來(lái)定向傳輸語(yǔ)音信號(hào)，傳輸距離為2m，且接收的聲音應(yīng)無(wú)明顯失真。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8Ω電阻負(fù)載上，接收裝置的輸出電壓有效值不小于0.4V。測(cè)量此時(shí)接收裝置輸出端噪聲電壓，讀數(shù)不大于0.1V。鑒于比賽時(shí)間短暫，實(shí)驗(yàn)室元器件不足以及自身能力有限等因素，最終我們決定穩(wěn)扎穩(wěn)，打放棄高難度高挑戰(zhàn)，選擇了采用直接傳輸音頻模擬信號(hào)的方案，在此基礎(chǔ)上不斷調(diào)整電路以達(dá)到預(yù)想要求，與此同時(shí)，增加一路數(shù)字信道，實(shí)時(shí)傳輸發(fā)射端環(huán)境溫度，并在接收端顯示，最終達(dá)到語(yǔ)音信號(hào)和數(shù)字信號(hào)能同時(shí)傳輸?shù)墓δ堋?.2信號(hào)采集發(fā)送裝置考慮到本系統(tǒng)無(wú)須特殊功能模塊，且有現(xiàn)成的MCS-51系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具，我們決定使用價(jià)格便宜，供貨充足MCS-51系列單片機(jī)。由于宏晶公司生產(chǎn)的STC89C51和STC89C52在價(jià)格上沒(méi)有多少區(qū)別，且STC89C52有更大Flash程序存儲(chǔ)空間和RAM空間，外部引腳也相同。為滿足大數(shù)據(jù)，長(zhǎng)代碼的要求，我們最終決定選用STC89C52單片機(jī)做為本系統(tǒng)的核心器件，主要用于溫度的采集、數(shù)字量的傳輸接收和液晶顯示。為了測(cè)取采集點(diǎn)的溫度值，我們選用DS18B20作為傳感器，相比于熱敏電阻，DS18B20測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力；相比于PT100，器件更容易獲得。而且由于DS18B20全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)，在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。圖2.2.1DS18B20引腳及封裝圖2.2.2DS18B20簡(jiǎn)單接法使用駐極體傳聲器采集音頻信號(hào)的電路如下，由于純粹的原理計(jì)算過(guò)于繁瑣，直接整體查錯(cuò)難度大，為了解三極管、集成塊的直流工作狀態(tài)，調(diào)整各元件參數(shù)和靜態(tài)工作點(diǎn)，經(jīng)過(guò)不斷計(jì)算和實(shí)物調(diào)試，最終得到相關(guān)元件參數(shù)如下：R10約為2.2K，R8約為6.8K,其他參數(shù)與電路圖一致即可。圖2.圖2.2.3音頻采集電路本系統(tǒng)供電采用如下電路圖，其中我們使用了LM2940。常用的電源有串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源（LM2940、7805等）和開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源（LM2596、LM2575等）兩大類。前者具有紋波小、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是效率較低，功耗大；后者功耗小，效率高，但電路卻比較復(fù)雜，電路的紋波大。對(duì)于單片機(jī)，需要提供穩(wěn)定的5V電源，由于LM2940的穩(wěn)壓的線性度非常好，所以選用LM2940-5單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行供電。LM2940/2940C的基本應(yīng)用與常見(jiàn)的三端穩(wěn)壓器78**系列相同，但是帶負(fù)載能力更強(qiáng)。由于LM2940獲取容易，最終我們選擇圖2.2.4的電路。為確保電路工作時(shí)的穩(wěn)定性，Cout至少應(yīng)>22uF。圖2.2.4+5V采集端供電電源圖2.2.5溫度測(cè)量及數(shù)字量發(fā)射電路溫度采集發(fā)送控制電路如下圖2.2.5，和數(shù)碼管相比，數(shù)碼管雖然說(shuō)成本低，原理簡(jiǎn)單，但是接口電路相當(dāng)復(fù)雜，控制煩瑣，功耗大，不利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制及布局；而1602液晶模塊體積小、重量輕，顯示質(zhì)量高且不會(huì)閃爍，與單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單可靠，操作更加方便。相對(duì)而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng)IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多?？紤]到數(shù)碼管顯示電路焊接麻煩，程序相對(duì)復(fù)雜，最終我們選擇了在發(fā)射端和接收終端使用1602字符型液晶。2.3中繼裝置電路如下圖2.3.1，因采集端紅外發(fā)射信號(hào)弱，且在空中傳播后有一定損失，中繼裝置不僅要接收來(lái)自發(fā)射端的音頻（模擬信號(hào)）和溫度（數(shù)字信號(hào)），也要對(duì)其進(jìn)行濾波和放大，之后將兩種信號(hào)傳輸至接收終端。圖2.3.1中繼裝置大賽要求中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)采用5V直流單電源供電（示意圖如圖2.3.2）。串接的毫安表用來(lái)測(cè)量其供電直流電流。本裝置使用的中繼裝置供電電路如圖2.3.3和圖2.3.4，通過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓環(huán)節(jié)將220v交流電轉(zhuǎn)化為+5v直流電。圖2.3.3LM317可調(diào)直流穩(wěn)壓電路（一級(jí)）圖2.3.25V直流單電源供電圖2.3.55V直流穩(wěn)壓電源（二級(jí)）2.4信號(hào)接收顯示裝置紅外接收的二極管是光敏二極管，普通燈光也對(duì)其有一定程度的影響，為了獲得更好的效果，在輸出端加了一個(gè)HPF，消除恒定的外接低頻信號(hào)的干擾，這樣接收效果和靈敏度都得到了顯著的提高。另外，接收電路接收到的信號(hào)很微弱，不足以驅(qū)動(dòng)1W的小喇叭，從而在小喇叭之前利用了音頻功率專用放大器LM386，這樣可以得到50~200的增益，以便驅(qū)動(dòng)小喇叭。這部分電路相對(duì)簡(jiǎn)單，具體參數(shù)見(jiàn)下圖圖2.4.1信號(hào)接收與音頻放大裝置LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中。圖中引腳2為反相輸入端，3為同相輸入端，引腳5為輸出端；引腳6和4分別為電源和地；引腳1和8為電壓增益設(shè)定端。如果在對(duì)增益要求不高時(shí)它可直接去掉，此時(shí)的增益內(nèi)置為20。LM386電源電壓4—12V，音頻功率0.5W，LM386音響功放是由NSC制造的，它的電源電壓范圍非常寬，最高可使用到15V，消耗靜態(tài)電流為4mV，當(dāng)電源電壓為12V時(shí)，在8歐姆的負(fù)載情況下，可提供幾百mW的功率。它的典型輸入阻抗為50K。LM386內(nèi)部電路原理圖如上圖所示。與通用型集成運(yùn)放相類似，它是一個(gè)三級(jí)放大電路。圖3LM386的引腳圖圖4LM386內(nèi)部電路原理圖第一級(jí)為差分放大電路，T1和T3、T2和T4分別構(gòu)成復(fù)合管，作為差分放大電路的放大管；T5和T6組成鏡像電流源作為T1和T2的有源負(fù)載；T3和T4信號(hào)從管的基極輸入，從T2管的集電極輸出，為雙端輸入單端輸出差分電路。使用鏡像電流源作為差分放大電路有源負(fù)載，可使單端輸出電路的增益近似等于雙端輸出電容的增益。第二級(jí)為共射放大電路，T7為放大管，恒流源作有源負(fù)載，以增大放大倍數(shù)。第三級(jí)中的T8和T9管復(fù)合成PNP型管，與NPN型管T10構(gòu)成準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)。二極管D1和D2為輸出級(jí)提供合適的偏置電壓，可以消除交越失真。引腳2為反相輸入端，引腳3為同相輸入端。電路由單電源供電，故為OTL電路。輸出端（引腳5）應(yīng)外接輸出電容后再接負(fù)載。電阻R7從輸出端連接到T2的發(fā)射極，形成反饋通路，并與R5和R6構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，從而引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使整個(gè)電路具有穩(wěn)定的電壓增益。LM386小功率音頻放大器是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品。為使外圍元件最少,電壓增益內(nèi)置為20，但在1腳和8腳之間增加一個(gè)外界電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至200。輸入端以地位為參考，同時(shí)輸出端被自動(dòng)偏置到電源電壓的一半，在6V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24mW，使得LM386特別適用于電池供電的場(chǎng)合。2.5數(shù)字信道紅外傳輸程序18b20驅(qū)動(dòng)程序：/*------------------------------------------------18b20初始化------------------------------------------------*/bitInit_DS18B20(void){bitdat=0;DQ=1;DelayUs2x(5);DQ=0;DelayUs2x(200);DelayUs2x(200);DQ=1;DelayUs2x(50);dat=DQ;DelayUs2x(25);returndat;}/*------------------------------------------------讀取一個(gè)字節(jié)------------------------------------------------*/unsignedcharReadOneChar(void){unsignedchari=0;unsignedchardat=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;dat>>=1;DQ=1;if(DQ)dat|=0x80;DelayUs2x(25);}return(dat);}/*------------------------------------------------寫入一個(gè)字節(jié)------------------------------------------------*/voidWriteOneChar(unsignedchardat){unsignedchari=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;DQ=dat&0x01;DelayUs2x(25);DQ=1;dat>>=1;}DelayUs2x(25);}/*------------------------------------------------讀取溫度------------------------------------------------*/unsignedintReadTemperature(void){unsignedchara=0;unsignedintb=0;unsignedintt=0;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC);WriteOneChar(0x44);DelayMs(10);Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC);WriteOneChar(0xBE);a=ReadOneChar();b=ReadOneChar();b<<=8;t=a+b;return(t);}發(fā)射端主程序：主函數(shù)/*------------------------------------------------*/voidmain(void){inttemp;floattemperature;chardisplaytemp[16];LCD_Init();DelayMs(20);LCD_Clear();Init_Timer0();Lcd_User_Chr();LCD_Write_String(0,0,"justtodoit!");LCD_Write_Char(13,1,0x01);LCD_Write_Char(14,1,'C');while(1){if(ReadTempFlag==1){ReadTempFlag=0;temp=ReadTemperature();temperature=(float)temp*0.0625;sprintf(displaytemp,"Temp%7.3f",temperature);LCD_Write_String(0,1,displaytemp);}if(key==0){ SCON=0x50; TMOD|=0x20;TH1=0xFD;11.0592MHzTR1=1;SBUF=temp;while(!TI);TI=0; }}}/*------------------------------------------------定時(shí)器初始化子程序------------------------------------------------*/voidInit_Timer0(void){TMOD|=0x01; EA=1;ET0=1;TR0=1;}/*------------------------------------------------定時(shí)器中斷子程序------------------------------------------------*/voidTimer0_isr(void)interrupt1{staticunsignedintnum;TH0=(65536-2000)/256; TL0=(65536-2000)%256;num++;if(num==300){num=0;ReadTempFlag=1; }}接收端主程序：/*------------------------------------------------主函數(shù)------------------------------------------------*/voidmain(void){inttemp;floattemperature;chardisplaytemp[16];LCD_Init();DelayMs(20);LCD_Clear();Init_Timer0();Lcd_User_Chr();LCD_Write_String(0,0,"justtodoit!");LCD_Write_Char(13,1,0x01);LCD_Write_Char(14,1,'C');while(1){SCON=0x50; TMOD|=0x20;TH1=0xFD;11.0592MHzTR1=1;while(RI){temp=SBUF;RI=0;} temperature=(float)temp*0.0625;sprintf(displaytemp,"Temp%7.3f",temperature);LCD_Write_String(0,1,displaytemp);}}/*------------------------------------------------定時(shí)器初始化子程序------------------------------------------------*/voidInit_Timer0(void){TMOD|=0x01