红外光通信装置(F题).doc

红外光通信装置(F题)

学校统一编号

学 院 名 称：
队 长 姓 名：
队 员 姓 名：
指导教师姓名：

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

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 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

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。

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，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。

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与无线工作机制，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：

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与后续的信号采样、滤波、判决、量化、均衡和解码等。其具体的原理框图：

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，增益高以与干扰小。
3.2特殊元器件的介绍
STC12C5616AD-28的组成与工作原理
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。

图1 操作指示器结构组成图
主控制器的选型与电路设计
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标准8051快8~12倍。
（2）宽电压：5.5V~3.3V。
（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，与时将数据保存进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：0~35MHz，相当于普通8051：0~420MHz。
（8）时钟：外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP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。
（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
四、 方案设计
4.1电路仿真

发射模块

接收模块
4.2流程图

发射装置流程图
五、 系统测试
5.1系统功能
5.1.1实现功能
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。
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(1.5V×2AAA)
　　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

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。
附录3：系统原理图

发射装置原理图

接收装置原理图
17 / 18