紅外發(fā)射接收模塊畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、摘 要紅外線是近距離，高速無線通信的一種手段，作為一種近距離，室內(nèi)通信手段，紅外線具有無線電無法比擬的優(yōu)勢(shì)。本文介紹的系統(tǒng)是利用紅外通信信道構(gòu)成紅外無線近程設(shè)備控制系統(tǒng)，可以滿足無線控制的需要。本文主要闡述了紅外線通信的工作原理與實(shí)現(xiàn)方法，紅外線無線通信過程，詳細(xì)的分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的每一個(gè)模塊，得出了這一系統(tǒng)的最佳實(shí)施方案，成功的完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)分為3個(gè)模塊：電源模塊，紅外線發(fā)射模塊，紅外線接收模塊。電源模塊采用了7805組成的5V電源。紅外線發(fā)射模塊中主要是采用三極管，LM386將接收到的信號(hào)進(jìn)行電壓放大和功率放大以及紅外線發(fā)射管。在紅外線接收模塊中主要是采用三極管，LM386將接收

2、到的信號(hào)進(jìn)行電壓放大和功率放大以及紅外線接收管。其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是利用紅外發(fā)光管和紅外光接收模塊作為收發(fā)器件，傳輸距離為2米。關(guān)鍵詞：紅外線發(fā)射管 紅外線接收管 LM386音頻集功放器 I AbstractInfrared ray is close, a means of high-speed wireless communication, as a kind of close, indoor means of communication, infrared has incomparable advantage over radio.System is introduced in this p

3、aper by using the infrared communication channel constitute the infrared wireless short-range equipment control system, can meet the needs of the wireless control. This article mainly expounds the working principle and implementation method of infrared communication, infrared wireless communication

4、process, a detailed analysis of each module of the system design, the best scheme of this system are derived, successfully completed the design of the system. This system is divided into three modules: voice module, the infrared emission module, the infrared receiving module. Power supply module ado

5、pts the 7805 of 5 v power supply. mainly used in infrared emission module triode, LM386 will receive the signal voltage amplifier and power amplifier and infrared transmitting tube. Mainly used in infrared receiving module triode, LM386 will receive the signal voltage amplifier and power amplifier a

6、nd infrared receiving tube. The function of system implementation is the use of infrared light-emitting tube as the transceiver devices and infrared receiving module, transmission distance is 2 meters.keyword: Infrared Diodes Infrared Receiving Tube Set The Audio Power Amplifier目 錄 摘 要IAbstractII第一章

7、 總體設(shè)計(jì)方案11.1 紅外通信的發(fā)展背景11.2 總體設(shè)計(jì)方案21.3 電源模塊模塊論證與選擇21.4 紅外光發(fā)射模塊論證與選擇31.6 系統(tǒng)各模塊的最終方案4第二章 電路的設(shè)計(jì)52.1 總體系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)52.2 各個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)62.2.1 電源模塊功能介紹6 2.2.2 紅外光發(fā)射模塊功能介紹6 2.2.3 紅外光接收模塊功能介紹72.3 電路參數(shù)的計(jì)算及元器件的選擇8 2.3.1 電路參數(shù)的計(jì)算8 2.3.2 元器件的選擇8 2.3.3 特殊器件的介紹92.3.4 各模塊的連接11第三章 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果133.1 測(cè)試方案133.2 測(cè)試儀器133.3 測(cè)試結(jié)果及分析13 3.

8、3.1 測(cè)試結(jié)果133.2.2 測(cè)試分析與結(jié)論14第四章 設(shè)計(jì)總結(jié)15第五章 心得體會(huì)16參考文獻(xiàn)17附錄一 系統(tǒng)實(shí)物圖18附錄二 系統(tǒng)電路圖20III第一章 總體設(shè)計(jì)方案1.1 紅外通信的發(fā)展背景20世紀(jì)80年代人類進(jìn)入信息時(shí)代以來，人們的一切社會(huì)活動(dòng)都是以信息獲取與信息交換為中心。因此，信息技術(shù)進(jìn)入新發(fā)展時(shí)期，作為信息產(chǎn)業(yè)三大支柱之一的傳感器技術(shù)也進(jìn)入迅速發(fā)展的新階段，“沒有傳感器就沒有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)”的觀點(diǎn)已被全世界所公認(rèn)。所以。從20世紀(jì)80年代以來，在世界范圍內(nèi)，利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究開發(fā)了一批新型傳感器，新型傳感器功能材料，使用傳感器技術(shù)得到飛速發(fā)展，并取得了可喜的成就。紅外線技術(shù)在傳

9、感器中的應(yīng)用就是其中一例，隨著信息技術(shù)的普及和發(fā)展，尤其是跨入21世紀(jì)后，紅外線也得到了迅速發(fā)展，紅外探測(cè)和控制技術(shù)已滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各行和人民生活的方方面面。 紅外通信技術(shù)適合于低成本、跨平臺(tái)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速數(shù)據(jù)連接。其主要應(yīng)用：設(shè)備互聯(lián)、信息網(wǎng)關(guān)。設(shè)備互聯(lián)后可完成不同設(shè)備內(nèi)文件與信息的交換。信息網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)連接信息終端和互聯(lián)網(wǎng)。紅外通信技術(shù)是在世界范圍內(nèi)被廣泛使用的一種無線連接技術(shù)，被眾多的硬件和軟件平臺(tái)所支持其特點(diǎn)主要有：1.通過數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)收發(fā)。2. 主要是用來取代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的線纜連接。3. 新的通信標(biāo)準(zhǔn)兼容早期的通信標(biāo)準(zhǔn)。4.小角度（30度錐角以內(nèi)），短距離

10、，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直線數(shù)據(jù)傳輸，保密性強(qiáng)。5. 傳輸速率較高，4M速率的FIR技術(shù)已被廣泛使用，16M速率的VFIR技術(shù)已經(jīng)發(fā)布。6.不透光材料的阻隔性，可分隔性，限定物理使用性，方便集群使用：紅外線技術(shù)是限定使用空間的。在紅外不傳輸?shù)倪^程中，遇到不透光的材料，如墻面。它就會(huì)反射，這一特點(diǎn)，確定了每套設(shè)備之間，可以在不同的物理空間里使用。7.無頻道資源占用性，安全特性高：紅外線利用光傳輸數(shù)據(jù)的這一特點(diǎn)確定了它不存在無線頻道資源的占用性，且安全性特別高。在限定的空間內(nèi)使用進(jìn)行竊聽數(shù)據(jù)可不是一件容易的事。8.優(yōu)秀的互換性，通用性。因?yàn)椴捎昧斯鈧鬏?，且限定物理使用空間。紅外線發(fā)射和接收設(shè)備在同一頻率的條件下，

11、可以相互使用。9.無有害輻射的特性：科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，紅外線是一種對(duì)人體有益的光譜，所以紅外線產(chǎn)品是一種真正的綠色產(chǎn)品。此外，紅外線通信還有抗干擾性強(qiáng)，系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單，易于管理等優(yōu)點(diǎn)。 1.2 總體設(shè)計(jì)方案紅外線通信系統(tǒng)的構(gòu)成，它由3個(gè)部分組成：電源模塊，紅外線發(fā)射模塊，紅外線接收模塊。紅外通信是利用950nm近紅外波段的紅外線作為載體，來進(jìn)行通信。語音和音樂等所產(chǎn)生的電信號(hào)和其他低頻電信號(hào)一樣，一般不直接進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，而是經(jīng)過放大后對(duì)發(fā)射機(jī)的高頻振蕩進(jìn)行調(diào)制，然后將此攜帶有低頻信號(hào)的高頻已調(diào)制信號(hào)，通過一定的媒介傳輸出去。紅外線接收管接收信號(hào)后經(jīng)過三極管電壓放大，LM386電壓放大后傳輸?shù)綋P(yáng)聲器

12、。系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖如圖1.1所示。紅外線發(fā)射模塊功率放大電壓放大音頻輸入電源模塊 音頻輸出功率放大電壓放大紅外線接收模塊 圖 1.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖為了實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別做了幾種不同的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了論證。1.3 電源模塊模塊論證與選擇方案一：7805組成的5V輸出電源。內(nèi)部電路具有調(diào)節(jié)電位繼，只需要經(jīng)過調(diào)解電位繼RP即可調(diào)節(jié)輸出的電壓。IC采用集成穩(wěn)壓器，并帶有電流旁電路，是7805穩(wěn)壓器輸出級(jí)不易被損壞，能夠很好的輸出5V電壓，而且成本低，電路簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便。如圖1.2所示。 圖1.2 7805組成的5V輸出電源圖方案二:采用A723構(gòu)成的輸出20A 5V穩(wěn)壓電源。該電源電路外接晶體

13、管使輸出電流達(dá)到20A，若輸出電壓超過6V，晶閘管VS動(dòng)作，防止輸出端短路時(shí)產(chǎn)生的過電壓，若輸出電壓低于5V時(shí)，輸入電壓約為13V，A723的工作電源由輔助電源提供，恒流保護(hù)回路的動(dòng)作電流約為30A，輸出電壓可調(diào)范圍為4.92-5.09V，電路中采用多個(gè)晶體管并聯(lián)須注意均流問題，電路復(fù)雜，操作難。綜上所述，采用方案一。1.4 紅外光發(fā)射模塊論證與選擇方案一：設(shè)計(jì)的原則是考慮紅外發(fā)射管的工作電流，電流過小，傳輸距離短，電流過大容易毀壞發(fā)光管。在本系統(tǒng)中，紅外發(fā)送模塊的電路圖如圖1.3所示。圖1.3 紅外線發(fā)射模塊電路圖這是一個(gè)共發(fā)射極的放大電路，調(diào)整基極偏置，輸入模擬信號(hào)經(jīng)過電壓與功率放大，紅外

14、發(fā)光二極管的輸出功率也隨著模擬信號(hào)而改變，從而可以將輸入信號(hào)發(fā)送出去。此操作既簡(jiǎn)單又方便。方案二：利用單片機(jī)STC89C52對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行控制，由于輸入的模擬信號(hào)很小，距離很短，要是想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，還需要通過單片機(jī)對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將輸入的模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，即可遠(yuǎn)距離傳輸，但是電路很復(fù)雜，而且需要程序，如果單片機(jī)學(xué)不好的，程序很難寫出來，操作繁瑣。綜上所述，采用方案一。1.5 紅外光接收模塊論證與選擇方案一：利用紅外發(fā)光管接收信號(hào)，將接收到的信號(hào)通過三極管將電壓放大，再通過LM386將功率放大，最后通過簡(jiǎn)單地驅(qū)動(dòng)電路，輸送到揚(yáng)聲器。成本低，操作簡(jiǎn)單，容易檢修。方案二：在

15、發(fā)光二極管接收到信號(hào)之后，直接采用光電檢測(cè)器，光電檢測(cè)器是發(fā)光接收機(jī)的第一個(gè)關(guān)鍵部件，其作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，采用的發(fā)光二極管是光電二極管302 。雖然這設(shè)計(jì)可以很好的接收到信號(hào)，而且獲得較好的語音信號(hào)，但是成本低，價(jià)格昂貴，而且不易于購買，操作不簡(jiǎn)單。綜上所述，采用方案一。1.6 系統(tǒng)各模塊的最終方案 經(jīng)過仔細(xì)分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下:（1）電源模塊：采用7805組成的5V輸出電源。（2） 紅外光發(fā)射模塊： 采用三極管與LM368放大后的發(fā)射模塊。（3） 紅外光接收模塊：采用三極管與LM368放大后的接收模塊。第二章 電路的設(shè)計(jì)2.1 總體系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)通過運(yùn)用

16、紅外發(fā)光管和紅外光接收模塊作為收發(fā)器件，用來定向傳輸語音信號(hào)，傳輸距離2米之內(nèi)，當(dāng)接收裝置不能接收發(fā)射端發(fā)射的信號(hào)時(shí)，要用發(fā)光管指示。由語音信號(hào)源提供信號(hào)，由三極管將進(jìn)行電壓放大，再經(jīng)過LM386進(jìn)行音頻功放，發(fā)射管將信號(hào)輸送出去，接收管收到信號(hào)后由三極管將進(jìn)行電壓放大，再經(jīng)過LM386進(jìn)行音頻功放，最后輸送到揚(yáng)聲器?？傮w系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1.1所示，電路圖如圖2.1.2所示。圖2.1.1 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖2.1.2 總體系統(tǒng)電路圖2.2 各個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)2.2.1 電源模塊功能介紹采用7805組成的5V輸出電源，內(nèi)部電路具有調(diào)節(jié)電位繼，只需要經(jīng)過調(diào)解電位繼RP即可調(diào)節(jié)輸出的電壓。IC

17、采用集成穩(wěn)壓器，并帶有電流旁電路，是7805穩(wěn)壓器輸出級(jí)不易被損壞，能夠很好的輸出5V電壓提供給紅外線發(fā)光模塊與紅外線接收模塊中電路使用。2.2.2 紅外光發(fā)射模塊功能介紹這是一個(gè)共發(fā)射極的放大電路，調(diào)整基極偏置，輸入模擬信號(hào)經(jīng)過電壓與功率放大，紅外發(fā)光二極管的輸出功率也隨著模擬信號(hào)而改變，從而可以將輸入信號(hào)發(fā)送出去。紅外發(fā)射模塊框圖如圖2.2.1所示與電路圖如圖2.2.2 所示： 圖2.2.1 紅外線發(fā)射模塊框圖 圖2.2.2 紅外線發(fā)射電路圖2.2.3 紅外光接收模塊功能介紹利用紅外發(fā)光管接收信號(hào)，將接收到的信號(hào)通過三極管將電壓放大，再通過LM386將功率放大，必須進(jìn)行增益調(diào)節(jié)，就要用到可

18、變電阻，本設(shè)計(jì)中要調(diào)試使其能達(dá)到較大的增益，最后通過簡(jiǎn)單地驅(qū)動(dòng)電路，輸送到揚(yáng)聲器。紅外線接收模塊的框圖如圖2.2.3所示與電路如圖2.2.4所示： 圖2.2.3 紅外線接收模塊框圖圖2.2.4 紅外線接收電路圖2.3 電路參數(shù)的計(jì)算及元器件的選擇2.3.1 電路參數(shù)的計(jì)算LM386放大電路增益的計(jì)算：增益= 30000/(150+(1350*R)/(1350+R)，R為1,8引腳之間串聯(lián)的電阻。因此，增益=30000/(150+(1350*0)/(1350+0)=200；2.3.2 元器件的選擇一、元器件類型1、發(fā)射部分：電容：（C1）0.1(C2)10 (C3)10 (C4)33 (C5)0

19、.1電阻：（R1）10K (R2)10K (R3)100K (R4)100K (R5)1K (R6)100三極管：9014 小功率放大管，9015小功率放大管發(fā)射管：VD1音頻集成功放：LM3862、接收部分：電容：（C6）0.1 (C7)10 (C8)250 (C9)10,電阻：（R7）10K (R8)100K (R9)1K (R10)10K三極管：9014 電壓放大管音頻集成功放： LM386接收管：VD2二、器件選擇注意事項(xiàng)VT1選用9013NPN小功率三極管，要求電流放大系數(shù)大于220，=0.625W，=0.5A 。VD1，VD2選擇SE303型紅外線發(fā)光二極管，VD選用PH302型紅

20、外線接收管（不要選用光電二極管，以免干擾，影響接收效果）。選用CD11- 16V型CD11- 16V型電解電容器采用5V穩(wěn)壓電源（電池盒）2.3.3 特殊器件的介紹音頻集成功放LM386的介紹LM386內(nèi)部電路 LM386內(nèi)部電路原理圖如圖所示。 圖2.3.1-LM386內(nèi)部原理圖與通用型集成運(yùn)放相類似，它是一個(gè)三級(jí)放大電路。 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

21、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的引腳圖 LM386的外形和引腳的排列如右圖所示。引腳2為反相輸入端，3為同相輸入端；

22、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；使用時(shí)在引腳7和地之間接旁路電容，通常取10。 圖2.3.2-LM386引腳圖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。 LM386的電源電壓4-12V或5-18V(LM386N-4)；靜態(tài)消耗 電流為4mA；電壓增益為20-200dB；在1、8腳開路時(shí)，帶寬為300KHz； 輸入阻抗為50K；音頻功率0.5W。盡管LM386的應(yīng)用非常簡(jiǎn)單，但稍不注意，特別是器件上電、斷電瞬間，甚至工作穩(wěn)定后，一些操作（如插拔音頻插頭、旋音量調(diào)

23、節(jié)鈕）都會(huì)帶來的瞬態(tài)沖擊，在輸出喇叭上會(huì)產(chǎn)生非常討厭的噪聲。 三極管的介紹三級(jí)管是電流放大器件，有三個(gè)級(jí)，分別叫集電極C，基極B,發(fā)射極E。NPN三極管放大電路的基本原理。 圖2.3.3-三極管引腳圖及基本原理圖我們把基極B流至發(fā)射極E的電流叫做基極電流；把從集電極C流至發(fā)射極E的電流叫做集電極電流，這兩個(gè)電流的方向都是流向發(fā)射極的，所以發(fā)射極E上就用了一個(gè)箭頭來表示電流的方向。三極管的放大作用：集電極電流受到基極電流的控制，并且基極電流很小的變化，會(huì)引起集電極電流的變化，且變化滿足一定的比例關(guān)系：集電極電流的變化量是基電極變化量的倍，所以我們把叫做三極管的放大倍數(shù)。如果我們將一個(gè)變化小的信號(hào)

24、加到基極跟發(fā)射極之間，這就會(huì)引起基極電流的變化，的變化被放大后，導(dǎo)致了很大的變化。如果基電極電流是流過一個(gè)電阻R的，那么根據(jù)電壓計(jì)算公式U=R*I可以算的，這電阻上電壓就會(huì)發(fā)生很大的變化。我們將這個(gè)電阻的電壓取出來，就得到了放大后的電壓信號(hào)。2.3.4 各模塊的連接 電源模塊紅外線接收模塊紅外線發(fā)射模塊 圖2.3.4 各模塊連接圖220V電壓經(jīng)過音頻信號(hào)紅外轉(zhuǎn)發(fā)器有發(fā)射器和接收器兩部分組成。C1是發(fā)射器的核心，經(jīng)耦合電容的C1的隔離作用后會(huì)在9013的基極上加一組和音頻信號(hào)一樣變化的電流，再由9013的放大作用驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光管。由LM386將功率放大使其接收到的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為紅外信號(hào)發(fā)送出去。紅

25、外接收管接收到信號(hào)后，由三極管將進(jìn)行電壓放大，再經(jīng)過LM386進(jìn)行音頻功放，最后輸送到揚(yáng)聲器。 第三章 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果3.1 測(cè)試方案將發(fā)射器與接收器的電子元器件放在涼快電路板上，安裝時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)射部分三極管VD的靜態(tài)電流在3mA左右，接收部分只要安裝無誤，不需要調(diào)節(jié)即可工作。 紅外線發(fā)光二極管在安裝時(shí)，要考慮其輻射區(qū)范圍，由于紅外發(fā)射管的輻射角一般在60度左右，所以安裝時(shí)要使它們的輻射空間范圍有一部分重疊，如圖3.1所示： 圖3.1 發(fā)射管的排列圖發(fā)射部分，接收部分經(jīng)調(diào)試后，都沒有出現(xiàn)什么錯(cuò)誤，即可發(fā)射音頻信號(hào)并在2米遠(yuǎn)處接收到信號(hào)，只是接收到的信號(hào)聲中有一些雜聲。3.2 測(cè)試儀器表3.2-

26、1-測(cè)試儀器元器件 序號(hào)名稱型號(hào)規(guī)格 數(shù)量備注 1數(shù)字萬用表 1DT-9205A 2示波器 1HG2063A 3.3 測(cè)試結(jié)果及分析3.3.1 測(cè)試結(jié)果將發(fā)射部分和接收部分分別接上5V電源，再接上音頻信號(hào)，其發(fā)射管和接收管距離2米，通過揚(yáng)聲器聽到音質(zhì)較好的音頻信號(hào)。采用了萬用表測(cè)試了5V的電壓，以及各部分電路的電壓，電流以及電阻值。但實(shí)際上是4.9V。用示波器測(cè)試了發(fā)射端發(fā)射信號(hào)的波形，看到了發(fā)射信號(hào)呈現(xiàn)正弦波。調(diào)試發(fā)送電路。通過測(cè)試，紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路中紅外管的電流為30-40mA之間。調(diào)試接收電路。去掉紅外管，在輸入端加一個(gè)正弦小信號(hào)，用示波器同時(shí)觀測(cè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，在信號(hào)不失真的前提下，可以測(cè)試得到放大增益為50-200倍。3.2.2 測(cè)試分析與結(jié)論采用了萬用表測(cè)試了5V的電壓，以及各部分電路的電壓，電流以及電阻值。由于電壓值沒有達(dá)到5V，不能實(shí)現(xiàn)控制紅外發(fā)射管與接收管的發(fā)射與接收的要求，所以運(yùn)用了變壓器穩(wěn)壓取出5V的電壓接入電路，實(shí)現(xiàn)了紅外線發(fā)射，接收管的發(fā)射與接