红外光通信装置(F题)要点.pdf

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1、0 学校统一编号 学 院 名 称： 队 长 姓 名： 队 员 姓 名： 指导教师姓名： 1 红外光通信装置 (F 题) 摘要 由于红外载波的无线通信技术成本比较低，所以越来越多的应用于生活中， 例如常用的电视机遥控器等， 但由于红外光的特殊性， 使它的传输距离有限， 而 且传输时需要将发射端与接收端对齐。本文设计了一个利用红外光作为传输方式 的通信装置。 首先将声音信号收集到， 将其放大之后转换为数字信号，然后通过 红外光进行传输，利用另一端的红外光接收装置将发射端发射的光信号接收到， 经过解调转换成声音信号， 然后输出。在传输的过程中同时传输由发射端热敏电 阻采集到的温度信息， 并在接收端通

2、过液晶显示屏显示出来。在发射端和接收端 使用 STC12C5616AD 单片机进行控制。 关键字：单片机红外光 智能控制发射极 接收极 2 目录 一、题目分析 . 3 1.1 计划任务 3 二、 系统设计 3 2.1 方案比较 3 2.1.1方案一 . 3 2.1.2方案二 . 3 2.2 方案论证 4 2.2.1方案的优点 . 4 2.2.2方案的缺点 . 4 三、 单元模块的设计与分析 4 3.1 各个单元模块的分析 4 3.1.1.音频接收模块 . 4 3.1.2.红外发射模块 . 4 3.1.3 通信通道 5 3.1.4 红外接收装置 5 3.2 特殊元器件的介绍 5 四、 方案设计

3、8 4.1 电路仿真 8 4.2 流程图 8 五、 系统测试 9 5.1 系统功能 9 5.1.1实现功能 . 9 5.1.2与设计要求的比较 . 10 5.2 指标参数 10 六、 设计总结 10 七、 参考文献 10 八、 附录 11 附录 1：元器件列表. 11 附录 2：仪器设备. 11 附录 3：系统原理图. 12 3 一、题目分析 1.1 计划任务 设计并制作一个红外光通信装置， 利用红外发光二极管和红外接收模块作为 接收器件， 红外光信道作为通信信道， 来传输语音信号， 并且使得传输距离达到 两米。接收的声音应无明显的失真。如图1。 图 1 红外光通信装置方框图 当发射端输入语音

4、信号改为800Hz 单音信号时， 在 8电阻负载上， 接收装 置的输出电压有效值不小于0.4V 不改变电路状态，减小发射端输入信号的幅度 至 0V，采用低频毫伏表 (低频毫伏表为有效值显示，频率响应范围低端不大于 10Hz、高端不小于 1MHz 测量此时接收装置输出端噪声电压，读数不大于 0.1V。 二、系统设计 2.1 方案比较 2.1.1方案一 语音话筒，只需对着话筒喊话，话筒的输出信号经过运放加以放大，放大的语音信号 加到调制器对语音信号进行调制，再由红外线发光二极管发射已调制的语音信号。这里的调 制器是一种脉冲振荡器，产生对称的方波信号。当语音信号加到该振荡器的输入端时，使方 波信号的

5、占空比随语音信号线性变化，从而达到调制目的。 图 1（b）是光接收的解调电路，由红外接收管接收图1（a）的红外发射光信号，该接 收信号根据图1（ a）发送端的红外光强弱而变化。红外接收管的输出经两级运放放大后， 加到滤波电路对调制的光信号解调，其解调信号再放大，供后级语音处理电路工作（或用耳 机收听或放大后用功放放音）。 2.1.2方案二 通过将声音转换为电信号，经过滤波，放大，输入给单片机，如果频率大于 某一值，单片机从TX 输出为 1，则三极管导通，红外线二极管发光，红外线接 收二极管感光导通， 产生电流输入给单片机， 然后再转化为声音信号； 若频率小 于该值，单片机输出为0，三极管截止，

6、二极管不发光，红外接收模块中感光元 件不能接受光，二极管导通变亮。 4 2.2 方案论证 2.2.1方案的优点 利用光传输数据，传输速率高，取代了点对点的线缆连接，保密性强，无有 害辐射，抗干扰性强，系统安装简单，易于管理。 2.2.2方案的缺点 传输距离短，通信设备的位置固定，无法灵活的组成网络。 三、单元模块的设计与分析 3.1 各个单元模块的分析 红外语音通信系统采用红外光传输及无线工作机制，其组成结构主要包括以 下五个模块： 3.1.1.音频接收模块 主要功能是接收将要传输的音频信号，将收集到的音频信号进行去噪处理， 并且通过 AC前置放大器将收集并且初步去噪的音频信号进行放大，使得音

7、频信 号的干扰减少以免在传输的过程中信号的失真。 3.1.2.红外发射模块 通过音频收集模块收集并且初步放大处理得到的模拟信号是双极信号，因为 信号还需要通过单片机， 所以我们将声音信号的双极性模拟信号经过一个加法器 转换为单极信号。之后再通过AD 转换器转换为数字信号，以减少在传输过程中 声音信号的失真。 红外发射器的主要功能是完成信号的转换并通过向空间发射红外脉冲将所 需要传输的数据进行发射。 其关键部分是红外发光二极管和相应的驱动电路。红 外 LED器件首先要满足其调制带宽大于信号的频谱宽度，保证通信线路畅通. 此 外 LED的发射波长应与接收器端的光电探测器(一般选用硅光二极管 ) 的

8、峰值响 应率相匹配， 最大程度地抑制背景杂散光千扰，现阶段一般选用780-950nm的红 外波段进行数字信号传输收集并且经初步处理的音频信号需要经过红外线发射 装置进行发射。需要传输的信号经过处理后，要进行基带调制和传输调制， 红外发射器的原理图如图： 5 3.1.3 通信通道 在红外光通信过程中，存在的光噪声主要包括自然噪声和人为干扰等。这时 需要尽可能的减少这些光噪声对传输信号的影响，首先要尽量减少周围环境中的 光干扰，还可以在信息传输通道中加入光学滤光片、聚光镜等加以解决。 3.1.4 红外接收装置 红外接收器部分包括红外光接收部分以及后续的信号采样、滤波、判决、量 化、均衡和解码等。其

9、具体的原理框图： 在红外无线通信系统中，由于红外发射器的发射功率较小，而且信号采用红 外线进行传输， 易受外界环境的影响， 这些因素导致了红外接收器接收到的信号 很弱，并且电平变化范围较大。因此，低噪声的前置放大器设计是必需的。 低噪声的前置放大器必须要求带宽大，噪声小，增益高以及干扰小。 3.2 特殊元器件的介绍 STC12C5616AD-28的组成及工作原理 操作指示器结构组成如图1所示，由主控制器、无线数传模块和液晶显示屏等组成。其 工作原理：操作指示器通过无线数传模块接收到从倾斜检测仪输出的纵向和横向倾斜角度数 据，并对数据进行处理和运算，然后通过液晶屏幕显示出车体的纵横向倾斜角度，并

10、根据数 据的运算结果， 指示出左右两个千斤顶需要进一步调整的方向。倾斜检测仪放置于回转盘水 准仪检查座上， 两个操作指示器分别吸附于两个千斤顶旁或戴在操作人员手臂上，两名操作 手观察各自的指示器即可调平车体。液晶显示采用的是COG 封装的 12864 液晶屏，采用串 行 SPI 总线驱动，这种液晶屏幕驱动芯片直接集成到玻璃基板上，体积小、省电，背光电 路设计灵活。 6 图1 操作指示器结构组成图 主控制器的选型及电路设计 主控制器的选型 操作指示器的控制核心选用STC12C5616AD单片机。该芯片具有如下特点： （1） 高速：1个时钟 /机器周期， 增强型 8051 内核，平均指令运算速度比

11、标准8051 快812 倍。 （2）宽电压： 5.5V3.3V 。 （3）增加第二复位功能脚（高可靠复位，可调整复位门槛电压，频率12MHz 时，无 需此功能）。 （4）增加外部掉电检测电路，可在掉电时，及时将数据保存进EEPROM ，正常工作 时无需 EEP。 （5）低功耗设计： 掉电模式 （可由外部中断唤醒），可支持下降沿/上升沿和远程唤醒。 （6）低功耗设计：空闲模式（可由任意一个中断唤醒）；掉电模式（可由外部中断唤 醒），可支持下降沿/上升沿和远程唤醒。 （7）工作频率： 035MHz ，相当于普通 8051 ：0420MHz 。 （8）时钟：外部晶体或内部RC 振荡器可选，在ISP

12、下载编程用户程序时设置。 （9）8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字节片内 Flash 程序存储器，擦写次数10万次以 上。 （10）1280 字节片内RAM 数据存储器 （11）ISP/IAP ，在系统可编程/在应用可编程，无需编程器/仿真器。 （12）8通道， 10 位高速 ADC ，速度可达 25万次 /秒， 2路 PWM 还可当 2路 D/A 使用。 （13）2通道捕获 /比较单元（ PWM/PCA/CCP），也可用来再实现2个定时器或 2个外 部中断（支持上升沿/下降沿中断）。 （14）4个16位定时器，兼容普通8051 的定时器T0/T1 ，2路 PCA 实

13、现 2个定时器。 （15）可编程时钟输出功能，T0在 P3.4 输出时钟， T1 在 P3.5 输出时钟， BRT 在 P1.0 输出时钟。 （16）硬件看门狗（WDT ）. （17）高速 SPI 串行通信端口。 （18）全双工异步串行（UART ），兼容普通8051 的串口。 （19）先进的指令集结构，兼容普通8051 指令集，有硬件乘法/除法指令。 7 （20）通用I/O 口（ 36/40/44 个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051 传统I/O 口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽 /强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O 口 驱动能力均可达到20mA ，但整个芯片最大不

14、超过100mA 。 主控制器电路设计 操作指示器的主控制器采用的芯片是STC12C5616AD单片机，具备一个串口UART0 和一个 SPI 总线接口， 采用的 3.3V 供电，具有低功耗， 指令执行效率高的特点。由于 ZigBee 无线数传模块和LCM 屏都采用TTL 电平驱动。因此，控制器通过UART0 直接接到无线数 传模块上；通过SPI 总线相关端口，直接接到LCM 模块的数据传输端。具体的电路原理如 图2所示。 图2 操作指示器主控制器电路原理图 8 四、方案设计 4.1 电路仿真 发射模块 接收模块 4.2 流程图 9 发射装置流程图 五、系统测试 5.1 系统功能 5.1.1实现

15、功能 使用音频接收模块接收音频信号，如果收集到的音频信号微弱，则需要 将其先进行放大， 然后转换成数字信号。 并通过红外光进行传输， 通过红外接收 装置将发射端发射出的光信号收集，并且再次转换成声音信号。 通过设置在发射 装置上的热敏电阻， 收集发射端的实时温度， 并且能够通过红外光信号传送到接 收端，然后通过数字显示器将发射端的实时温度显示出来。 10 5.1.2与设计要求的比较 与设计要求相比，我们的设计传输距离达不到2m，只能达到 20cm左右， 传输距离远远不够。我们首先思考用多个二极管并联代替一个二极管，增大光源， 来增大传输距离。 其次，我们在发射端增加了一个聚光装置，使得发出的红

16、外光 信号丢失的比较少。以增加传输距离。 5.2 指标参数 发射范围： 200平方米 接收范围： 200 平方米 工作电压： 28V DC 工作电压： 3V DC(1.5V2AAA) 电流消耗量： 800Ma 电流消耗量 ( 最大讯号 ) ：25mA 载波频率： 2.8MHz 最大功率输出： 6Mw 总谐波失真： 1.5% 讯噪比： 54Db 音频响应：最低 50Hz 最高 12KHz 六、设计总结 在长达四天的比赛过程中， 我们为设计出更加合理的方案， 不断的互相商量， 向老师请教， 并且查阅了相当多的资料。 但遇到的困难任然很多， 比如对于信号 传输距离的改良， 由于缺乏相应的经验， 开始

17、的时候设计出来的方案红外光信号 清晰传输的距离仅仅为20 厘米，再向老师请教之后，改变了原方案中的一些电 路图的设计， 使得传输距离有了明显的提高，但任然达不到两米的要求。 最终选 择增加发射管的数量来提高发射信号的强度。 比赛时间比较紧， 队友们都熬夜赶工， 通力合作，每个人的能力都是有限的， 即使再聪明，学识再高，缺少了队友之间的合作，想要成功也是不可能的。所以 这次参赛更加让我认识到合作的重要性。 这次红外通信装置的设计中，由于硬件和软件知识的能力限制，最终的 到的结果不是令人很满意，没有达到题目中要求的两米的传输距离。 七、参考文献 1 红外通信技术浅析 ,张健 2 红外通信模块的设计

18、与实现 ，鄢盟 3 红外线、热释电与超声波遥控电路肖景和，赵健著 11 八、附录 附录 1：元器件列表 STC12C5616AD-28 2 个 LM3386N 3 个 红外二极管13个 红外接收器1 个 反相器1 个 10K 电阻10 个 30K 电阻1 个 5K 电阻4 个 1K 电阻3 个 0.1K 电阻3 个 10uf 电容5 个 22pf 电容6 个 附录 2：仪器设备 1：数字频率计； 2：标准电容箱（电阻1 5M ） ； 3：标准电感组（电感10 100mH） ； 4：万用电桥； 5：数字存储示波器； 6：普通频率计； 7：频谱分析仪 RIGOL DSA1030； 8：可编程线形直流电源RIGOL DP1308； 9：数字示波器 RIGOL DS6102； 10:三相高精度电压电流信号源（10A、精度： 0.5 级） ； 11:三相电能表（ 10A、精度： 0.5 级） ； 12:双通道数字示波器。 12 附录 3：系统原理图 发射装置原理图 接收装置原理图