紅外光通信裝置F題

1、學校統(tǒng)一編號學院名稱: 隊長姓名: 隊員姓名: 指導教師姓名:15紅外光通信裝置（F題）摘要由于紅外載波的無線通信技術成本比較低，所以越來越多的應用于生活中， 例如常用的電視機遙控器等，但由于紅外光的特殊性，使它的傳輸距離有限，而 且傳輸時需要將發(fā)射端與接收端對齊。本文設計了一個利用紅外光作為傳輸方式 的通信裝置。首先將聲音信號收集到，將其放大之后轉換為數(shù)字信號，然后通過 紅外光進行傳輸，利用另一端的紅外光接收裝置將發(fā)射端發(fā)射的光信號接收到， 經過解調轉換成聲音信號，然后輸出。在傳輸?shù)倪^程中同時傳輸由發(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。在發(fā)射端和接收端 使用ST

2、C12C5616AD單片機進行控制。關鍵字：單片機紅外光智能控制發(fā)射極接收極目錄一、 題目分析3.1.1計劃任務3二、系統(tǒng)設計3.2.1方案比較32.1.1 方案一3.2.1.2 方案二3.2.2方案論證42.2.1方案的優(yōu)點4.2.2.2方案的缺點4.三、單元模塊的設計與分析 43.1各個單元模塊的分析 43.1.1音頻接收模塊.4.3.1.2紅外發(fā)射模塊.4.3.1.3通信通道5.3.1.4紅外接收裝置53.2特殊元器件的介紹 5四、方案設計8.4.1電路仿真84.2流程圖8五、系統(tǒng)測試9.5.1系統(tǒng)功能95.1.1實現(xiàn)功能95.1.2與設計要求的比較 1.05.2指標參數(shù) 10六、設計總

3、結1.0七、參考文獻1.0八、附錄1.1附錄1 :元器件列表11附錄2:儀器設備11附錄3:系統(tǒng)原理圖12、題目分析1.1計劃任務設計并制作一個紅外光通信裝置，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，來傳輸語音信號，并且使得傳輸距離達到 兩米。接收的聲音應無明顯的失真。如圖 1。圖1紅外光通信裝置方框圖當發(fā)射端輸入語音信號改為800Hz單音信號時，在8Q電阻負載上，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，頻率響應范圍低端不大于 10Hz、高端不小于1MHz測量此時接收裝置輸

4、出端噪聲電壓，讀數(shù)不大于0.1V。二、系統(tǒng)設計2.1方案比較2.1.1方案一語音話筒，只需對著話筒喊話，話筒的輸出信號經過運放加以放大，放大的語音信號加到調制器對語音信號進行調制， 再由紅外線發(fā)光二極管發(fā)射已調制的語音信號。這里的調制器是一種脈沖振蕩器，產生對稱的方波信號。當語音信號加到該振蕩器的輸入端時， 使方 波信號的占空比隨語音信號線性變化，從而達到調制目的。圖1 (b)是光接收的解調電路，由紅外接收管接收圖1 (a)的紅外發(fā)射光信號，該接收信號根據(jù)圖1 ( a)發(fā)送端的紅外光強弱而變化。紅外接收管的輸出經兩級運放放大后， 加到濾波電路對調制的光信號解調，其解調信號再放大， 供后級語音處

5、理電路工作 (或用耳機收聽或放大后用功放放音)。2.1.2方案二通過將聲音轉換為電信號，經過濾波，放大，輸入給單片機，如果頻率大于 某一值，單片機從TX輸出為1,則三極管導通，紅外線二極管發(fā)光，紅外線接 收二極管感光導通，產生電流輸入給單片機，然后再轉化為聲音信號；若頻率小 于該值，單片機輸出為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，二極管導通變亮。2.2方案論證2.2.1方案的優(yōu)點利用光傳輸數(shù)據(jù)，傳輸速率高，取代了點對點的線纜連接，保密性強，無有 害輻射，抗干擾性強，系統(tǒng)安裝簡單，易于管理。2.2.2方案的缺點傳輸距離短，通信設備的位置固定，無法靈活的組成網(wǎng)絡。三、

6、單元模塊的設計與分析3.1各個單元模塊的分析紅外語音通信系統(tǒng)采用紅外光傳輸及無線工作機制，其組成結構主要包括以 下五個模塊：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，將收集到的音頻信號進行去噪處理， 并且通過AC前置放大器將收集并且初步去噪的音頻信號進行放大，使得音頻信 號的干擾減少以免在傳輸?shù)倪^程中信號的失真。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是雙極信號，因為信號還需要通過單片機，所以我們將聲音信號的雙極性模擬信號經過一個加法器 轉換為單極信號。之后再通過 AD轉換器轉換為數(shù)字信號，以減少在傳輸過程中 聲音信號的失真。紅外發(fā)射器的主要功能

7、是完成信號的轉換并通過向空間發(fā)射紅外脈沖將所 需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行發(fā)射。其關鍵部分是紅外發(fā)光二極管和相應的驅動電路。紅 外LED器件首先要滿足其調制帶寬大于信號的頻譜寬度，保證通信線路暢通.此外LED的發(fā)射波長應與接收器端的光電探測器（一般選用硅光二極管）的峰值響 應率相匹配，最大程度地抑制背景雜散光千擾，現(xiàn)階段一般選用780-95Onm的紅 外波段進行數(shù)字信號傳輸收集并且經初步處理的音頻信號需要經過紅外線發(fā)射 裝置進行發(fā)射。需要傳輸?shù)男盘柦涍^處理后，要進行基帶調制和傳輸調制，紅外發(fā)射器的原理圖如圖：雙極模擬信號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

8、 需要盡可能的減少這些光噪聲對傳輸信號的影響，首先要盡量減少周圍環(huán)境中的 光干擾，還可以在信息傳輸通道中加入光學濾光片、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)的信號采樣、濾波、判決、量 化、均衡和解碼等。其具體的原理框圖：差分信號紅外M沖在紅外無線通信系統(tǒng)中，由于紅外發(fā)射器的發(fā)射功率較小，而且信號采用紅 外線進行傳輸，易受外界環(huán)境的影響，這些因素導致了紅外接收器接收到的信號 很弱，并且電平變化范圍較大。因此，低噪聲的前置放大器設計是必需的。 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

9、 的組成及工作原理操作指示器結構組成如圖1所示，由主控制器、無線數(shù)傳模塊和液晶顯示屏等組成。其 工作原理：操作指示器通過無線數(shù)傳模塊接收到從傾斜檢測儀輸出的縱向和橫向傾斜角度數(shù) 據(jù),并對數(shù)據(jù)進行處理和運算，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)的運算結果，指示出左右兩個千斤頂需要進一步調整的方向。傾斜檢測儀放置于回轉盤水準儀檢查座上，兩個操作指示器分別吸附于兩個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總線驅動，這種液晶屏幕驅動芯片直接集成到玻璃基板上，體積小、省電，背光電 路設計靈活。電廉

10、If41*1If一亍4并斛就4J1 龜樣55圖i操作指示器結構組成圖主控制器的選型及電路設計主控制器的選型操作指示器的控制核心選用STC12C5616AD 單片機。該芯片具有如下特點：（1） 高速：1個時鐘/機器周期，增強型8051內核，平均指令運算速度比標準 8051快812 倍。（2）寬電壓：5.5V3.3V。（3） 增加第二復位功能腳（高可靠復位，可調整復位門檻電壓，頻率<12MHz時，無 需此功能）。（4） 增加外部掉電檢測電路，可在掉電時，及時將數(shù)據(jù)保存進EEPROM，正常工作 時無需EEP。（5） 低功耗設計：掉電模式（可由外部中斷喚醒），可支持下降沿/上升沿和遠程喚醒。（6

11、 ）低功耗設計：空閑模式（可由任意一個中斷喚醒）；掉電模式（可由外部中斷喚 醒），可支持下降沿/上升沿和遠程喚醒。（7）工作頻率：035MHz，相當于普通8051 : 0420MHz。（8） 時鐘：外部晶體或內部RC振蕩器可選，在ISP下載編程用戶程序時設置。（9） 8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K字節(jié)片內Flash程序存儲器，擦寫次數(shù) 10萬次以 上。（10）1280字節(jié)片內RAM數(shù)據(jù)存儲器（11）ISP/IAP，在系統(tǒng)可編程/在應用可編程，無需編程器 /仿真器。（12）8通道，10位高速ADC，速度可達25萬次/秒, 2路PWM還可當2路D/A使用。（13 ） 2

12、通道捕獲/比較單元（PWM/PCA/CCP ），也可用來再實現(xiàn) 2個定時器或2個外 部中斷（支持上升沿/下降沿中斷）。（14） 4個16位定時器，兼容普通 8051的定時器T0/T1，2路PCA實現(xiàn)2個定時器。（15 ）可編程時鐘輸出功能，T0在P3.4輸出時鐘，T1在P3.5輸出時鐘，BRT在P1.0輸出時鐘。（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） 先進的指令集結構，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），復位后為：準雙向口 /弱上拉（普通80

13、51傳統(tǒng)I/O 口）可設置成四種模式：準雙向口 /弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個I/O 口 驅動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不超過 100mA。主控制器電路設計操作指示器的主控制器采用的芯片是STC12C5616AD 單片機，具備一個串口UART0和一個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。 由于ZigBee 無線數(shù)傳模塊和 LCM屏都采用TTL電平驅動。因此，控制器通過UART0直接接到無線數(shù)傳模塊上；通過 SPI總線相關端口，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。r(R1 SF I)圖2操作指示器主控制器電路原

14、理圖4.1電路仿真四、方案設計¥LM35/lewLED12hJ1711R14 辿g 1kQRB-IkO發(fā)射模塊vccR11LM358TJR12-AAAr1k£>Wii30kHiokn;U1A5VC3*r IkR2-WvJAioknR6 1kfl12FI1711R3 20k£!C4SO-OlpF接收模塊4.2流程圖發(fā)射裝置流程圖五、系統(tǒng)測試5.1系統(tǒng)功能5.1.1實現(xiàn)功能使用音頻接收模塊接收音頻信號，如果收集到的音頻信號微弱，則需要 將其先進行放大，然后轉換成數(shù)字信號。并通過紅外光進行傳輸，通過紅外接收 裝置將發(fā)射端發(fā)射出的光信號收集， 并且再次轉換成聲音信號

15、。通過設置在發(fā)射 裝置上的熱敏電阻，收集發(fā)射端的實時溫度，并且能夠通過紅外光信號傳送到接 收端，然后通過數(shù)字顯示器將發(fā)射端的實時溫度顯示出來。5.1.2與設計要求的比較與設計要求相比，我們的設計傳輸距離達不到 2m,只能達到20cm左右， 傳輸距離遠遠不夠。我們首先思考用多個二極管并聯(lián)代替一個二極管， 增大光源, 來增大傳輸距離。其次，我們在發(fā)射端增加了一個聚光裝置， 使得發(fā)出的紅外光 信號丟失的比較少。以增加傳輸距離。5.2指標參數(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(1.5VX 2AAA)電流消耗量：800Ma電流消耗量(最大訊號)：25

16、mA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：最低50Hz最高12KHz六、設計總結在長達四天的比賽過程中，我們?yōu)樵O計出更加合理的方案，不斷的互相商量， 向老師請教，并且查閱了相當多的資料。但遇到的困難任然很多，比如對于信號 傳輸距離的改良，由于缺乏相應的經驗，開始的時候設計出來的方案紅外光信號 清晰傳輸?shù)木嚯x僅僅為20厘米，再向老師請教之后，改變了原方案中的一些電 路圖的設計，使得傳輸距離有了明顯的提高，但任然達不到兩米的要求。最終選 擇增加發(fā)射管的數(shù)量來提高發(fā)射信號的強度。比賽時間比較緊，隊友們都熬夜趕工，通力合作，每個人的能力都是有限的， 即使再聰明，學識再高，缺少了隊友之間的合作，想要成功也是不可能的。所以 這次參賽更加讓我認識到合作的重要性。這次紅外通信裝置的設計中，由于硬件和軟件知識的能力限制，最終的 到的結果不是令人很滿意，沒有達到題目中要求的兩米的傳輸距離。七、參考文獻123紅外通信技術淺析，張健紅外線、熱釋電與超聲波遙控電路肖景和，趙健著紅外通信模塊的設計與實現(xiàn)，鄢盟八、附錄附錄1:元器件列表STC12C5616AD-282個LM3386N3個紅外二極管13個紅外接收器1個反相器1個10K電阻10個30K電阻1個5K電阻4個