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红外通信电子系统设计

设计课题题目：红​外​通​信
一、设计任务与要求
1.1设计任务 
设计并制作一个红外光通信装置。 
1.2要求 
1. 基本要求 
（1）红外光通信装置利用红外发光管和红外光接收模块作为收发器件，用来定向传输语音信号，传输距离为2m，如图1所示。 图1 红外光通信装置方框图 
（2）传输的语音信号可采用话筒或Φ3.5mm的音频插孔线路输入，也可由低频信号源输入；频率范围为300~3400Hz。 
（3）接收的声音应无明显失真。当发射端输入语音信号改为800Hz单音信号时，在8Ω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。如果接收装置设有静噪功能，必须关闭该功能进行上述测试。 
（4）当接收装置不能接收发射端发射的信号时，要用发光管指示。  
2．发挥部分 
（1）增加一路数字信道，实时传输发射端环境温度，并能在接收端显示。数字信号传输时延不超过10s。温度测量误差不超过2℃。语音信号和数字信号能同时传输。 
 （2）设计并制作一个红外光通信中继转发节点，以改变通信方向90°，延长通信距离2m，如图2所示。语音通信质量要求同基本要求（3）。 

中继转发节点采用5V直流单电源供电，电路见图3。串接的毫安表用来测量其供电直流电流。 

（3）在满足发挥部分 
（2）要求的条件下，尽量减小中继转发节点供电电流。 
（4）其它。
二、系统设计方案
方案一、音频信号红外转发器有发射和接收两部分构成，发射和接收部分均由12V稳压电源供电。 发射部分：音频信号经过鉴频后的伴音信号经过三极管VT放大后推送到红外发射管由于发射管的发射强度与经过其电流成正比，因此，红外管便收到了音频信号的调制。为了增加传输距离，使用两个红外管并设置一定的偏置。 
接收部分：红外线接收管被音频信号调制的红外光照射到时，在其两端产生一个与音频信号变化规律相同的电信号，经电容耦合至一块音频放大集成电路LM386，进行放大，并将信号传至扩音器。
音频信号输入
三极管放大电路
红外发射管
红外接受管
音频放大集成电路
音频信号输出

方案二、模拟通信，将模拟信号与载波进行调制，使其带有一定载波特性，又不失模拟信号的独特性，接收端经过低通滤波器，还原初始模拟信号。

综合分析，最终选择方案一。
三、单元电路分析与设计
（1）音频发射端电路

当信号加在图中P4端信号输入时，经耦合电容C5（10μ）的隔直作用后会在三极管的基极加上一组和音频信号一样变化的电流，在由其的放大作用，驱动两红外发光管。使其对音频信号的幅度大小同步调制，转变为红外信号发送出去。由于每只红外发光管的正向压降均为1.15V，发射功率都小于100mW，将两只红外管进行串联的目的在于提高红外线的发射功率。另外，由于红外发光管的辐射角度有限，因此在设计电路板时需将作用区有叠加地排列。
（2）发射部分用到的元器件及其相关参数 
耦合电容C1(10uF)    
电阻R1(43K) 电阻R2(13K) 电阻R3*(5K) 
三极管VT8050    发射管VD1和VD2 
注：三极管VT应选用8050中功率管， PCM=300mW,  ICM=500mA； R2的功率不小于1/4W；因为调试时是要求三极管VT的静态电流为30mA左右的，则R1应选用可调电阻；红外发射管的辐射角一般在60度左右，因此安装时要使它们的辐射有一部分重迭。因此安装时要使它们的辐射有一部分重迭
（3）、接收端 

接收器由光电转换、电源、耳机插孔及音频放大器四大部分组成，接收器电路如上图所示。经调制的红外信号首先被红外光敏管接收并转换为变化规律和音频信号相同的电信号，相当于经过耦合电容C2隔直作用后，再由LM386放大后再由路解调并还原为音频信号。
（4）红外串行通信接口
单片机本身并不具备红外通信接口，但能够利用单片机的串行接口与片外的红外发射和接收电路，组成一个应用于单片机系统的，红外发送器 如下图 所示

   发送器电路包括脉冲振荡器、驱动管 Q1和 Q2、红外发射管 D1 和 D2 等部分。其中脉冲振荡器由 NE555 定时器、电阻（R1、R2）和电容（C1、C2）组成，用以产生 38kHz 的脉冲序列作为载波信号；红外发射管 D1 和 D2 向外发射 950nm 的红外光束。 
红外发送器的工作原理为：串行数据由单片机的串行输出端 TXD 送出并驱动 T1 管，数位“0”使Q2 管导通，经过 Q1 管调制成 38kHz 的载波信号，并利用两个红外发射管D1和D2以光脉冲的形式向外发送。数位“1”使 Q1、Q2 管截止，红外发射管D1 和 D2 不发射红外光。若传送速率设为 1200b/s，则每个 数位“0”对应 32 个载波脉冲调制信号的时序
四、软件部分设计

五、安装与调试
1、红外发射模块通信的调试与测试 
发射模块通信的调试与测试主要包括各种按键控制指令的通信测试和载波输出信号的测试。
（1）按键指令测试:在实际调试中，按键指令测试能够先经过观察在控制端逐一按键时红外发射二极管发光的亮灭情况来判断，每按下一键后，发射二极管闪烁着亮，说明按键信息有用，发射管有编码信号输出。当然，我们也能够利用串口来测试，在发射板上我们已经设计安装了一个串行口通信电路，经过其接口和电脑联机，能够将按键的键值在电脑屏幕上显示出来(需要运行串口调试软件)。这样，经过检测用户的按键输入，与实际中返回的指示状态能够用来判断发射模块的通信是否成功。
（2）载波输出信号的测试:载波信号的测试能够经过边改变载波电路中精密可调变阻器RP1的阻值大小边用示波器观察电路输出端的频率来进行调试，务必要调到使输出端输出的频率为38KHz的载波信号。经过上述对按键指令和载波频率的测试进行多次，均告准确无误后，则能够认为红外发射模块通信准确，能够结束发射模块的调试与测试过程。 
2、红外接收模块通信的调试与测试    
红外接收模块的测试需要用到发射模块的支持与配合，经过发射模块发射控制按键信息，察看接收模块数码显示电路的显示与报响电路的报响，来判断验证接收模块的接收解码成功与否。在细节电路的测试方面，需要注意的是要检查一下红外接收头的三个管脚的接法是否正确，哪个是接电源的，哪个是接地的，哪个是数据输出的，一定要分清。当前市场上各种的红外接收头种类繁多，型号混杂，不同种类和型号的接收头其三个管脚的接法是不相同的，一定需要分清管脚后才能接上去。切记！否则很容易就会烧坏接收头。对于已知型号的接收头，能够在买的时候从包装袋上读得管脚的接法，而对于未知型号的接收头，则能够像测试三极管管脚一样用万用表测量三个脚之间的电压关系而判断出来。单片机红外接收模块调试确认无误后，能够确定接收模块的接收解码通信已经成功，能够完成单片机红外接收模块的通信调试与测试了。当然，这个模块的调试与测试完成，也就意味单片机红外通信整个系统调试与测试的全部完成，系统能够交付使用，形成产品，同时也能够在这个基础上进行下一步的开发与扩展了。
六、系统测试与分析
测试条件与仪器 
测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，而且检查无误，硬件电路保证无虚焊。 
测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。
分析结果：作品没能达成基本要求。
七、心得
经过这次竞赛题目的设计，基本完成焊接工作而已，没有实现任何要求，感触颇深的是解决问题的方法、技巧。在这设计中，我们遇到许许多多问题，对待问题要多方法、多角度处理。经过这几天的设计竞赛题目的制作过程， 这对我们以后的学习和工作不无裨益。当然，我们的设计还存在着一些缺陷，有待于在将来设计中进一步提高，在方案选择方面欠考虑，软件仿真方面没有做到细致，很多基本问题都没能及时解决，在制作过程中急于求成，没有很好的考虑各方面的问题。在团队协作中也没能很好配合。
八、参考文献
[1] 金永福, 王黎钦. 计算机串口红外通信接口技术 [J] . 电子技术, 
[2]汪井源, 张正线. 无线光通信中的 PPM 调制 [ J] . 电讯技术, 
[3]张培仁, 孙占辉, 等. MCS51 单片机原理与应用 [ M] . 北京: 清华大学出版社,  .
[4]W illiam Stallings.数据与计算机通信[M].第7版,北京:电子工业出版社, 
[5]阎纲,等.基于MSP430单片机的红外遥控器设计[J].微计算机信息, 
[6] 江涛. 红外数据通信 （IrDA）及其最新动向 ［J］. 红外 ，1998
[7] 文俊峰，乔晓军，王成，等. 便携式红外收发器的设计与实现 

附件

发射电路原理图

发射电路PCB图

接收电路原理图

接收电路PCB图