紅外光通信論文.doc

2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽設(shè)計(jì)報(bào)告紅外光通信裝置（F題）【本科組】 目錄1 系統(tǒng)方案比較與論證31.1 主控器的方案設(shè)計(jì)論證31.2 顯示模塊31.3 溫度傳感器31.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換器41.5模數(shù)轉(zhuǎn)換41.6低功耗控制電路41.6.1 掉電保護(hù)41.6.2 低功耗設(shè)計(jì)52 理論分析與設(shè)計(jì)52.1 紅外通信的特點(diǎn)52.2 紅外通信的原理62.2.1 原理介紹62.2.2 原理框圖62.3 紅外發(fā)射裝置的實(shí)現(xiàn)72.3.1裝置流程圖72.3.2發(fā)射機(jī)電路圖82.3.3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)82.4紅外接收裝置的實(shí)現(xiàn)102.4.1裝置流程圖102.4.2 接收電路圖112.4.3模塊硬件設(shè)計(jì)122.5 創(chuàng)新部分132.5.1 含有中繼的裝置流程圖132.5.2 總流程圖133 測試方案與測試結(jié)果143.1 聲音效果的測試143.2 傳輸距離的測試143.3 數(shù)字信號和溫度測試143.3.1 溫度測試143.3.2接收延遲的測試143.3.3 信號電壓測試154 總結(jié)165 參考文獻(xiàn)176 附件一：總電路圖187 元件清單表19摘要系統(tǒng)主要由信號產(chǎn)生電路，紅外光發(fā)射系統(tǒng)，紅外光接收系統(tǒng)三個模塊構(gòu)成。輸入語音信號產(chǎn)生電路發(fā)出電信號，通過發(fā)送系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為光信號發(fā)送，通過接收系統(tǒng)接受光信號并將其轉(zhuǎn)化為電信號，再通過喇叭將其重新轉(zhuǎn)化為語音信號，實(shí)現(xiàn)紅外光通信的全過程。本系統(tǒng)核心控制器采用STC12C5A60S2單片機(jī)，通過單片機(jī)的編譯碼程序來實(shí)現(xiàn)紅外信號的收發(fā)，所以需要再經(jīng)過一個分壓式共射電路適當(dāng)放大信號，并通過紅外LED發(fā)送管轉(zhuǎn)化為光信號發(fā)送。信號經(jīng)接收管接收后，通過運(yùn)放電路得到較高的輸出功率，驅(qū)動喇叭發(fā)出音樂。利用放大器LM386，可以得到100倍左右的增益。關(guān)鍵字：STC12C5A60S2 編譯碼 LM386放大器 1 系統(tǒng)方案比較與論證1.1 主控器的方案設(shè)計(jì)論證方案一:采用FPGA作為系統(tǒng)主控器。FPGA規(guī)模大，集成度高，體積小,但價格高，編程實(shí)現(xiàn)難度大。方案二：采用現(xiàn)在比較通用的51系列單片機(jī)。處理速度較慢，I/O資源較少，程序存儲空間小。方案三：采用完全兼容MCS-51的STC12C5A60S2單片機(jī)，新增兩級中斷優(yōu)先級，多一個外中斷，內(nèi)置EEPROM，512B內(nèi)存等。速度快8-12倍, 2路PWM,抗干擾強(qiáng)。片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件，價格便宜，應(yīng)用范圍廣，功能強(qiáng)大，高速運(yùn)轉(zhuǎn)，低功耗，強(qiáng)抗靜電。片上I/O口資源豐富，拓展功能齊全。結(jié)合題目的要求，STC12C5A60S2單片機(jī)的特點(diǎn)與實(shí)際的競賽需求，本系統(tǒng)選用方案三STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制。1.2 顯示模塊方案一：采用1602液晶屏。1602是字符型液晶，顯示字母和數(shù)字比較方便，控制簡單，成本較低方案二：采用12864液晶屏。其可顯示漢字和字符，但是價格比較貴，且速度比1602慢方案三：采用數(shù)碼管顯示。該方案成本低廉，顯示溫度明確醒目，不足的地方是電路較為復(fù)雜綜合以上分析，本設(shè)計(jì)選擇方案一。1.3 溫度傳感器本系統(tǒng)采用的是DS18B20溫度傳感器。其具有線路簡單，體積小的特點(diǎn)。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，只要一根通信線，就可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便，并且只要求一個端口即可實(shí)現(xiàn)通信，在DS18B20中的每個器件上都有獨(dú)一無二的序列號。在實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何其他元器件即可實(shí)現(xiàn)測溫。1.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換器由于壓力傳感器輸出電壓信號小，所以A/D轉(zhuǎn)換模塊包括了前端放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器我們選用16位的AD7705能夠很好的達(dá)到要求的精度。用型濾波電路實(shí)現(xiàn)模擬。1.5模數(shù)轉(zhuǎn)換STC12C5A60S2單片機(jī)采用內(nèi)部模塊采集信號。1.6低功耗控制電路1.6.1 掉電保護(hù)在單片機(jī)工作時，供電電源如果發(fā)生停電或瞬間停電，將會使單片機(jī)停止工作。待電源恢復(fù)時，單片機(jī)重新進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，停電前RAM中的數(shù)據(jù)全部丟失，這種現(xiàn)象對于一些重要的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是不允許的。在這種情況下，需要進(jìn)行掉電保護(hù)處理。掉電保護(hù)具體操作過程如下。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的電壓檢測電路檢測到電源電壓下降時，觸發(fā)外部中斷（INT0或INT1），在中斷服務(wù)子程序中將外部RAM中的有用數(shù)據(jù)送入內(nèi)部RAM保存。因單片機(jī)電源入口的濾波電容的儲能作用，可以有足夠的時間來完成中斷操作。備用電源自切換電路屬于單片機(jī)內(nèi)部電路。它由兩個二極管組成，當(dāng)電源電壓高于VPD引腳的備用電源電壓時，VD1導(dǎo)通，VD2截止，單片機(jī)由電源供電；當(dāng)電源電壓降到比備用電源電壓低時，二極管VD1截止，VD2導(dǎo)通，單片機(jī)由備用電源供電15。備用電源只為單片機(jī)內(nèi)部RAM和專用寄存器提供維持電流，這時單片機(jī)外部的全部電路因停電而停止工作，時鐘電路也停止工作，CPU因無時鐘也不工作。當(dāng)電源恢復(fù)時，備用電源還會繼續(xù)供電一段時間，大約10ms，以確保外部電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在結(jié)束掉電保護(hù)狀態(tài)時，首要的工作是將被保護(hù)的數(shù)據(jù)從內(nèi)部RAM中恢復(fù)過來。當(dāng)用戶檢測到一個掉電保護(hù)電路時，立即通過外部中斷輸入線INT0來中斷單片機(jī)現(xiàn)行操作。外部中斷0服務(wù)程序?qū)⒂嘘P(guān)數(shù)據(jù)信息送入片內(nèi)RAM保存，然后向P1.0寫入0，P1.0輸出的這個低電平觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路MC755。它輸出的脈寬取決于R、C的數(shù)值及VCC是否以掉電。如果當(dāng)單穩(wěn)態(tài)定時輸出后，若VCC仍然存在，這是一個假掉電報(bào)警，并從復(fù)位開始重新操作；若VCC已掉電，則斷電期間由單穩(wěn)態(tài)電路給RESET/VPD供電，維持片內(nèi)RAM處于“餓電流”供電狀態(tài)保存信息，一直維持到VCC恢復(fù)為止。1.6.2 低功耗設(shè)計(jì)在很多情況下，單片機(jī)要工作在供電困難的場合，如野外、井下和空中，對于便攜式儀器要求用電池供電，這時都希望單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能低供耗運(yùn)行。以CMOS工藝制造的單片機(jī)提供了空閑工作方式?？臻e工作方式（通常也指待機(jī)工作方式）是指CPU在不需要執(zhí)行程序時停止工作，以取代不停的執(zhí)行空操作或原地踏步等待操作，達(dá)到減小功耗的目的?？臻e工作方式是通過設(shè)置電源控制寄存器PCON中的IDL位來實(shí)現(xiàn)的。用軟件將IDL位置1，系統(tǒng)進(jìn)入空閑工作方式。這時，送往CPU的時鐘被封鎖，CPU停止工作，但中斷控制電路、定時/計(jì)數(shù)器和串行接口繼續(xù)工作，CPU內(nèi)部狀態(tài)如堆棧指針SP、程序計(jì)數(shù)器PC、程序狀態(tài)寄存器PSW、累加器ACC及其他寄存器的狀態(tài)被完全保留下來。在空閑工作方式下，單片機(jī)消耗的電流由正常的24mA將為3mA。單片機(jī)退出空閑狀態(tài)有如下兩種方法。第一種是中斷退出。由于空閑方式下，中斷系統(tǒng)還在工作，所以任何中斷的響應(yīng)都可以使IDL位由硬件清零，而退出空閑方式下，單片機(jī)就進(jìn)入中斷服務(wù)程序。第二種是硬件復(fù)位退出。復(fù)位時，各個專用寄存器都恢復(fù)默認(rèn)狀態(tài)，電源控制寄存器PCON也不例外，復(fù)位使IDL清零，退出空閑工作方式。單片機(jī)掉電保護(hù)也是一種節(jié)電工作方式，它和空閑工作方式一起構(gòu)成了低功耗工作方式。一旦用戶檢測到掉電發(fā)生，在VCC下降之前寫一個字節(jié)到PCON，使PD=1，單片機(jī)進(jìn)入掉電方式。在這種方式下，片內(nèi)震蕩器被封鎖，一切功能都停止，只有片內(nèi)RAM00H7FH單元的內(nèi)容被保留。在掉電方式下，Vcc可降至2V，使片內(nèi)RAM處于50微安左右的“餓電流”供電狀態(tài)，以最小的耗電保存信息，Vcc恢復(fù)正常之前，2 理論分析與設(shè)計(jì)2.1 紅外通信的特點(diǎn)（1）紅外線是人體肉眼不可見的光線，保密性強(qiáng)，選用它作為信息載體，裝置工作時不存在視覺污染，對人體沒有傷害。（2）傳播范圍不受限制，不存在頻率干擾問題，與無線電波方式相比，不必就頻率資源向有關(guān)部門進(jìn)行申請和登記，易于實(shí)施。（3）具有良好的指向性，當(dāng)傳送設(shè)備和紅外接收端口排成直線，角度不超過15度得時候，紅外裝置運(yùn)行效果最好。（4）由于紅外線波長較長所以其穿透能力較弱，不能穿過人體和和物體，在進(jìn)行傳輸時不能阻斷光路。（5）目前產(chǎn)生和接受紅外線的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，元器件體積小，成本低。（6）紅外線由于其傳輸介質(zhì)是大氣，所以其再傳播時的衰減系數(shù)較小，可以保證信號的有效傳送。（7） 紅外通信系統(tǒng)有著制作簡單，易于產(chǎn)生和調(diào)制的優(yōu)勢。2.2 紅外通信的原理2.2.1 原理介紹系統(tǒng)主要由信號產(chǎn)生電路，紅外光發(fā)射系統(tǒng)，紅外光接收系統(tǒng)三個模塊構(gòu)成，利用波長950nm的近紅外波段的紅外線作為信息的載體，由音樂芯片構(gòu)成的信號產(chǎn)生電路發(fā)出電信號，通過發(fā)送系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為光信號發(fā)送，通過接收系統(tǒng)接受光信號并將其轉(zhuǎn)化為電信號，再通過喇叭將其重新轉(zhuǎn)化為語音信號，實(shí)現(xiàn)紅外光通信的全過程。 信號經(jīng)接收管接收后，通過運(yùn)放電路得到較高的輸出功率，驅(qū)動喇叭發(fā)出音樂芯片的音樂。利用放大器LM386，可以得到100倍左右的增益，驅(qū)動喇叭得到所需功率。簡而言之，紅外通信的實(shí)質(zhì)就是對二進(jìn)制數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)，以便利用紅外信道進(jìn)行傳輸；紅外通信接口就是針對紅外信道的調(diào)制解調(diào)器。2.2.2 原理框圖語音信號編碼放大調(diào)制驅(qū)動紅外發(fā)射紅外接收前置放大解調(diào)解碼驅(qū)動耳機(jī)發(fā)射裝置接收裝置圖1 總原理框圖2.3 紅外發(fā)射裝置的實(shí)現(xiàn)2.3.1裝置流程圖音頻信號預(yù)放大電路調(diào)制紅外線二極管發(fā)射圖2 發(fā)射裝置流程圖2.3.2發(fā)射機(jī)電路圖圖3 發(fā)射機(jī)電路圖發(fā)射機(jī)電路包括：鎖相環(huán)集成電路CD4046構(gòu)成的頻率調(diào)制電路。 紅外發(fā)射二極管D1D3構(gòu)成的紅外發(fā)射電路。2.3.3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（1）前置放大紅外線發(fā)射器發(fā)出的紅外線指令信號，首先由紅外線接收器件構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為電信號。由于電信號非常微弱，要通過前置放大器放大到一定幅度后，才能送信號處理電路進(jìn)行處理。紅外線通信的工作頻率不高。前置放大器可以采用低頻放大器，但要求放大器要有較高的電壓增益(一般大于60dB)和良好穩(wěn)定性。（2）頻率解調(diào)器頻率解調(diào)器的作用是將調(diào)頻信號還原出音頻信號。在紅外線通信系統(tǒng)中，頻率解調(diào)器大多采用鎖相環(huán)構(gòu)成。由鎖相環(huán)路構(gòu)成約頻率解調(diào)器的原理可由圖4來說明。壓控振蕩器相位比較器 低通濾波器圖4 鎖相環(huán)頻率解調(diào)器原理框圖（3）驅(qū)動電路經(jīng)調(diào)制輸出脈沖信號，要經(jīng)過發(fā)射驅(qū)動電路來驅(qū)動紅外發(fā)光二極管，才能發(fā)出紅外線信號。對于頻率調(diào)制紅外線通信電路，其驅(qū)動信號為調(diào)頻脈沖，紅外發(fā)光二極管不需設(shè)置靜態(tài)偏置電流。在本系統(tǒng)中驅(qū)動電路非常簡單，是由一只或兩只晶體三極管構(gòu)成。（4)調(diào)制電路本方案采用數(shù)字鎖相環(huán)CD4046實(shí)現(xiàn)調(diào)制功能。CD4046是美國RCA公司產(chǎn)品，相同的產(chǎn)品有CC4046,5GI 4046、MCl4046等。圖5是CD4046的內(nèi)部框圖。它含有兩個相位比較器PCI和PC II，PCI要求輸入信號為方波，PCII則無此要求。另外還有一個壓控(頻率)振蕩器VCO。在兩個相位比較器的輸入端有一個前置放大器，可把100mv的微弱信號變?yōu)闈M電平的方波脈沖。A2是低通濾波器輸出緩沖放大器。圖5 CD4046內(nèi)部框圖CD4046的詳細(xì)工作原理：當(dāng)輸入端14腳輸入信號的頻率與CD4046的VCO的中心頻率人相同(有一定帶寬)時，相位比較器PCII的鎖定指示輸11端1腳內(nèi)低電平變?yōu)楦唠娖?，輸出一個正脈沖。在本設(shè)計(jì)中，由于輸入信號為音頻信號，故使用相位比較器PC II。設(shè)計(jì)參數(shù)時，只需根據(jù)中心頻率，結(jié)合附錄一求出C1和R1，R2開路即可CD4046用與頻率調(diào)制的電路如圖5所示。由于調(diào)頻時要求VCO有一定頻率范圍(頻偏)，故不用R2收縮頻帶，即R2為無窮大，僅R1和C1確定。圖6 CD4046的 調(diào)制電路其工作原理如圖7所示圖7 工作原理圖2.4紅外接收裝置的實(shí)現(xiàn)2.4.1裝置流程圖光敏二極管接收信號耳機(jī)音頻放大電路解調(diào)圖8 接受裝置流程圖2.4.2 接收電路圖音頻信號， 在“IN”端輸入發(fā)射機(jī)電路。調(diào)節(jié) R1，使 Q1的Vce的電壓接近 1 V。提高三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)，對音頻信號不失真地放大 ，接著進(jìn)入由CD4046構(gòu)成的頻率調(diào)制電路。根據(jù)圖3，VDD為5V，R3為2M，CD4046的第12腳懸空即其接入電阻阻值為無窮，C3為20p，根據(jù)他們之間的特性曲線圖可知 VCO的中心頻率大約為 60kHz。因?yàn)槿硕牭降囊纛l信號在2020kHz之間，所以選擇的調(diào)制頻率 f040kHz即可。音頻信號經(jīng)頻率調(diào)制后，進(jìn)入由紅外發(fā)射二極管D1D3構(gòu)成的紅外發(fā)射電路，將信號發(fā)出。其接收電路如圖9圖9 接收裝置 接收機(jī)電路包括：紅外光電二極管D4D7構(gòu)成的紅外接收電路；鎖相環(huán)集成電路CD4046組成的頻率解調(diào)電路；集成電路MAX9722構(gòu)成音頻功放電路。信號發(fā)出后，由光電二極管接收信號，將紅外信號轉(zhuǎn)化為電信號。然后進(jìn)入由CD4046組成的解調(diào)電路。接收機(jī)CD4046的VCO中心頻率和發(fā)射機(jī)CD4046的VCO中心頻率一樣。輸入接收機(jī)的載頻信號頻率為2060kHz，則最大最小信號頻率相差40kHz 。當(dāng)VDD為 5V，R8為1Ok，C5為10uF，PLL的捕捉范圍有公式?jīng)Q定。公式如下：由上面的結(jié)果得知，允許的頻率偏移為250Hz 。由解調(diào)出來的信號進(jìn)入由集成電路 MAX9722構(gòu)成音頻功放電路。通過調(diào)節(jié)R10喇叭的音量具有從大到小的調(diào)節(jié)功能2.4.3模塊硬件設(shè)計(jì)（1）紅外接收本方案中用紅外光敏二極管來實(shí)現(xiàn)紅外信號的接收。圖6 光電轉(zhuǎn)換電路(2)LM386LM386專為低功耗電源設(shè)計(jì)的功率放大器，它內(nèi)建增益為20。通過1，8腳之間的阻容搭配，增益最高可達(dá)200。輸入電壓范圍為412V。無動作時僅消耗4mA的電流，且失真小。圖7 增益2.5 創(chuàng)新部分2.5.1 含有中繼的裝置流程圖解調(diào)AD單片 機(jī)DA放大調(diào)制2.5.2 總流程圖語音信號溫度傳感器紅外發(fā)射裝置中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)紅外接收裝置溫度顯示耳機(jī)中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)采用5V直流單電源供電，電路如圖8，串接的毫安表用來測量其供電直流電流。圖8 中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)供電電路測試方案與測試結(jié)果.1 聲音效果的測試接收的聲音頻率波形是否正常有無失真500Hz正弦波是無1000Hz正弦波是無1500Hz正弦波是無3000Hz正弦波是無4000Hz正弦波是無5000Hz正弦波是無.2 傳輸距離的測試傳輸?shù)恼Z音信號頻率距離接收情況語音說話2.0m聲音清晰且無雜音歌曲2.0m聲音清晰且無雜音2000Hz2.0m無失真.數(shù)字信號和溫度測試3.3.1 溫度測試用標(biāo)準(zhǔn)的溫度計(jì)測量的溫度值（）152024313539系統(tǒng)測試的溫度值（）1520243135393.3.2 接收延遲的測試測試距離（米）延時時間（秒）111.51222.332.543.3.3 信號電壓測試單音信號輸出電壓有效值800Hz0.450V0.054 總結(jié)在平時的學(xué)習(xí)中我們大都是以學(xué)習(xí)課本的理論知識為主，而這次紅外光通信裝置是實(shí)踐與理論的結(jié)合，我們在復(fù)習(xí)以前學(xué)過的知識的同時還要自學(xué)很多沒有接觸過的知識，為我們的模塊設(shè)計(jì)打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時培養(yǎng)了自學(xué)能力。三個小組成員的協(xié)作與分工，很好的發(fā)揮了各自的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了各自的不足，使我更加明白了團(tuán)結(jié)與合作的重要性。設(shè)計(jì)和制作的任務(wù)由我們?nèi)齻€人完成，我們得自選方案，畫好設(shè)計(jì)所需的電路圖，還要從硬件和軟件兩個方面著手開展我們的設(shè)計(jì)與制作。這和我們以前做的課程設(shè)計(jì)有很大的不同，一是沒有現(xiàn)成的方案供選擇，二是沒有現(xiàn)成的電路圖供參考，三是沒有類似的算法和程序供使用。我們?nèi)齻€人初期復(fù)習(xí)了單片機(jī)的基礎(chǔ)知識，因?yàn)樗暮诵牟考菃纹瑱C(jī)，然后我們根據(jù)各自不同的任務(wù)著手查閱了大量的資料，確定所需要的控制模塊。確定好控制模塊后，我們開始動手制作各個相關(guān)的模塊，同時還要把控制各個模塊的程序?qū)懞?