红外光通信论文.doc

2013年全国大学生电子设计竞赛设计报告红外光通信装置（F题）【本科组】 目录1 系统方案比较与论证31.1 主控器的方案设计论证31.2 显示模块31.3 温度传感器31.4 数模转换器41.5模数转换41.6低功耗控制电路41.6.1 掉电保护41.6.2 低功耗设计52 理论分析与设计52.1 红外通信的特点52.2 红外通信的原理62.2.1 原理介绍62.2.2 原理框图62.3 红外发射装置的实现72.3.1装置流程图72.3.2发射机电路图82.3.3系统硬件设计82.4红外接收装置的实现102.4.1装置流程图102.4.2 接收电路图112.4.3模块硬件设计122.5 创新部分132.5.1 含有中继的装置流程图132.5.2 总流程图133 测试方案与测试结果143.1 声音效果的测试143.2 传输距离的测试143.3 数字信号和温度测试143.3.1 温度测试143.3.2接收延迟的测试143.3.3 信号电压测试154 总结165 参考文献176 附件一：总电路图187 元件清单表19摘要系统主要由信号产生电路，红外光发射系统，红外光接收系统三个模块构成。输入语音信号产生电路发出电信号，通过发送系统转化为光信号发送，通过接收系统接受光信号并将其转化为电信号，再通过喇叭将其重新转化为语音信号，实现红外光通信的全过程。本系统核心控制器采用STC12C5A60S2单片机，通过单片机的编译码程序来实现红外信号的收发，所以需要再经过一个分压式共射电路适当放大信号，并通过红外LED发送管转化为光信号发送。信号经接收管接收后，通过运放电路得到较高的输出功率，驱动喇叭发出音乐。利用放大器LM386，可以得到100倍左右的增益。关键字：STC12C5A60S2 编译码 LM386放大器 1 系统方案比较与论证1.1 主控器的方案设计论证方案一:采用FPGA作为系统主控器。FPGA规模大，集成度高，体积小,但价格高，编程实现难度大。方案二：采用现在比较通用的51系列单片机。处理速度较慢，I/O资源较少，程序存储空间小。方案三：采用完全兼容MCS-51的STC12C5A60S2单片机，新增两级中断优先级，多一个外中断，内置EEPROM，512B内存等。速度快8-12倍, 2路PWM,抗干扰强。片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件，价格便宜，应用范围广，功能强大，高速运转，低功耗，强抗静电。片上I/O口资源丰富，拓展功能齐全。结合题目的要求，STC12C5A60S2单片机的特点与实际的竞赛需求，本系统选用方案三STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，实现整个系统的调节控制。1.2 显示模块方案一：采用1602液晶屏。1602是字符型液晶，显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低方案二：采用12864液晶屏。其可显示汉字和字符，但是价格比较贵，且速度比1602慢方案三：采用数码管显示。该方案成本低廉，显示温度明确醒目，不足的地方是电路较为复杂综合以上分析，本设计选择方案一。1.3 温度传感器本系统采用的是DS18B20温度传感器。其具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，只要一根通信线，就可以挂很多这样的数字温度计，十分方便，并且只要求一个端口即可实现通信，在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。在实际应用中不需要外部任何其他元器件即可实现测温。1.4 数模转换器由于压力传感器输出电压信号小，所以A/D转换模块包括了前端放大电路和A/D转换器，A/D转换器我们选用16位的AD7705能够很好的达到要求的精度。用型滤波电路实现模拟。1.5模数转换STC12C5A60S2单片机采用内部模块采集信号。1.6低功耗控制电路1.6.1 掉电保护在单片机工作时，供电电源如果发生停电或瞬间停电，将会使单片机停止工作。待电源恢复时，单片机重新进入复位状态，停电前RAM中的数据全部丢失，这种现象对于一些重要的单片机应用系统是不允许的。在这种情况下，需要进行掉电保护处理。掉电保护具体操作过程如下。单片机应用系统的电压检测电路检测到电源电压下降时，触发外部中断（INT0或INT1），在中断服务子程序中将外部RAM中的有用数据送入内部RAM保存。因单片机电源入口的滤波电容的储能作用，可以有足够的时间来完成中断操作。备用电源自切换电路属于单片机内部电路。它由两个二极管组成，当电源电压高于VPD引脚的备用电源电压时，VD1导通，VD2截止，单片机由电源供电；当电源电压降到比备用电源电压低时，二极管VD1截止，VD2导通，单片机由备用电源供电15。备用电源只为单片机内部RAM和专用寄存器提供维持电流，这时单片机外部的全部电路因停电而停止工作，时钟电路也停止工作，CPU因无时钟也不工作。当电源恢复时，备用电源还会继续供电一段时间，大约10ms，以确保外部电路达到稳定状态。在结束掉电保护状态时，首要的工作是将被保护的数据从内部RAM中恢复过来。当用户检测到一个掉电保护电路时，立即通过外部中断输入线INT0来中断单片机现行操作。外部中断0服务程序将有关数据信息送入片内RAM保存，然后向P1.0写入0，P1.0输出的这个低电平触发单稳态电路MC755。它输出的脉宽取决于R、C的数值及VCC是否以掉电。如果当单稳态定时输出后，若VCC仍然存在，这是一个假掉电报警，并从复位开始重新操作；若VCC已掉电，则断电期间由单稳态电路给RESET/VPD供电，维持片内RAM处于“饿电流”供电状态保存信息，一直维持到VCC恢复为止。1.6.2 低功耗设计在很多情况下，单片机要工作在供电困难的场合，如野外、井下和空中，对于便携式仪器要求用电池供电，这时都希望单片机应用系统能低供耗运行。以CMOS工艺制造的单片机提供了空闲工作方式。空闲工作方式（通常也指待机工作方式）是指CPU在不需要执行程序时停止工作，以取代不停的执行空操作或原地踏步等待操作，达到减小功耗的目的。空闲工作方式是通过设置电源控制寄存器PCON中的IDL位来实现的。用软件将IDL位置1，系统进入空闲工作方式。这时，送往CPU的时钟被封锁，CPU停止工作，但中断控制电路、定时/计数器和串行接口继续工作，CPU内部状态如堆栈指针SP、程序计数器PC、程序状态寄存器PSW、累加器ACC及其他寄存器的状态被完全保留下来。在空闲工作方式下，单片机消耗的电流由正常的24mA将为3mA。单片机退出空闲状态有如下两种方法。第一种是中断退出。由于空闲方式下，中断系统还在工作，所以任何中断的响应都可以使IDL位由硬件清零，而退出空闲方式下，单片机就进入中断服务程序。第二种是硬件复位退出。复位时，各个专用寄存器都恢复默认状态，电源控制寄存器PCON也不例外，复位使IDL清零，退出空闲工作方式。单片机掉电保护也是一种节电工作方式，它和空闲工作方式一起构成了低功耗工作方式。一旦用户检测到掉电发生，在VCC下降之前写一个字节到PCON，使PD=1，单片机进入掉电方式。在这种方式下，片内震荡器被封锁，一切功能都停止，只有片内RAM00H7FH单元的内容被保留。在掉电方式下，Vcc可降至2V，使片内RAM处于50微安左右的“饿电流”供电状态，以最小的耗电保存信息，Vcc恢复正常之前，2 理论分析与设计2.1 红外通信的特点（1）红外线是人体肉眼不可见的光线，保密性强，选用它作为信息载体，装置工作时不存在视觉污染，对人体没有伤害。（2）传播范围不受限制，不存在频率干扰问题，与无线电波方式相比，不必就频率资源向有关部门进行申请和登记，易于实施。（3）具有良好的指向性，当传送设备和红外接收端口排成直线，角度不超过15度得时候，红外装置运行效果最好。（4）由于红外线波长较长所以其穿透能力较弱，不能穿过人体和和物体，在进行传输时不能阻断光路。（5）目前产生和接受红外线的技术已经比较成熟，元器件体积小，成本低。（6）红外线由于其传输介质是大气，所以其再传播时的衰减系数较小，可以保证信号的有效传送。（7） 红外通信系统有着制作简单，易于产生和调制的优势。2.2 红外通信的原理2.2.1 原理介绍系统主要由信号产生电路，红外光发射系统，红外光接收系统三个模块构成，利用波长950nm的近红外波段的红外线作为信息的载体，由音乐芯片构成的信号产生电路发出电信号，通过发送系统转化为光信号发送，通过接收系统接受光信号并将其转化为电信号，再通过喇叭将其重新转化为语音信号，实现红外光通信的全过程。 信号经接收管接收后，通过运放电路得到较高的输出功率，驱动喇叭发出音乐芯片的音乐。利用放大器LM386，可以得到100倍左右的增益，驱动喇叭得到所需功率。简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。2.2.2 原理框图语音信号编码放大调制驱动红外发射红外接收前置放大解调解码驱动耳机发射装置接收装置图1 总原理框图2.3 红外发射装置的实现2.3.1装置流程图音频信号预放大电路调制红外线二极管发射图2 发射装置流程图2.3.2发射机电路图图3 发射机电路图发射机电路包括：锁相环集成电路CD4046构成的频率调制电路。 红外发射二极管D1D3构成的红外发射电路。2.3.3系统硬件设计（1）前置放大红外线发射器发出的红外线指令信号，首先由红外线接收器件构成的光电转换器，转换为电信号。由于电信号非常微弱，要通过前置放大器放大到一定幅度后，才能送信号处理电路进行处理。红外线通信的工作频率不高。前置放大器可以采用低频放大器，但要求放大器要有较高的电压增益(一般大于60dB)和良好稳定性。（2）频率解调器频率解调器的作用是将调频信号还原出音频信号。在红外线通信系统中，频率解调器大多采用锁相环构成。由锁相环路构成约频率解调器的原理可由图4来说明。压控振荡器相位比较器 低通滤波器图4 锁相环频率解调器原理框图（3）驱动电路经调制输出脉冲信号，要经过发射驱动电路来驱动红外发光二极管，才能发出红外线信号。对于频率调制红外线通信电路，其驱动信号为调频脉冲，红外发光二极管不需设置静态偏置电流。在本系统中驱动电路非常简单，是由一只或两只晶体三极管构成。（4)调制电路本方案采用数字锁相环CD4046实现调制功能。CD4046是美国RCA公司产品，相同的产品有CC4046,5GI 4046、MCl4046等。图5是CD4046的内部框图。它含有两个相位比较器PCI和PC II，PCI要求输入信号为方波，PCII则无此要求。另外还有一个压控(频率)振荡器VCO。在两个相位比较器的输入端有一个前置放大器，可把100mv的微弱信号变为满电平的方波脉冲。A2是低通滤波器输出缓冲放大器。图5 CD4046内部框图CD4046的详细工作原理：当输入端14脚输入信号的频率与CD4046的VCO的中心频率人相同(有一定带宽)时，相位比较器PCII的锁定指示输11端1脚内低电平变为高电平，输出一个正脉冲。在本设计中，由于输入信号为音频信号，故使用相位比较器PC II。设计参数时，只需根据中心频率，结合附录一求出C1和R1，R2开路即可CD4046用与频率调制的电路如图5所示。由于调频时要求VCO有一定频率范围(频偏)，故不用R2收缩频带，即R2为无穷大，仅R1和C1确定。图6 CD4046的 调制电路其工作原理如图7所示图7 工作原理图2.4红外接收装置的实现2.4.1装置流程图光敏二极管接收信号耳机音频放大电路解调图8 接受装置流程图2.4.2 接收电路图音频信号， 在“IN”端输入发射机电路。调节 R1，使 Q1的Vce的电压接近 1 V。提高三极管的静态工作点，对音频信号不失真地放大 ，接着进入由CD4046构成的频率调制电路。根据图3，VDD为5V，R3为2M，CD4046的第12脚悬空即其接入电阻阻值为无穷，C3为20p，根据他们之间的特性曲线图可知 VCO的中心频率大约为 60kHz。因为人耳听到的音频信号在2020kHz之间，所以选择的调制频率 f040kHz即可。音频信号经频率调制后，进入由红外发射二极管D1D3构成的红外发射电路，将信号发出。其接收电路如图9图9 接收装置 接收机电路包括：红外光电二极管D4D7构成的红外接收电路；锁相环集成电路CD4046组成的频率解调电路；集成电路MAX9722构成音频功放电路。信号发出后，由光电二极管接收信号，将红外信号转化为电信号。然后进入由CD4046组成的解调电路。接收机CD4046的VCO中心频率和发射机CD4046的VCO中心频率一样。输入接收机的载频信号频率为2060kHz，则最大最小信号频率相差40kHz 。当VDD为 5V，R8为1Ok，C5为10uF，PLL的捕捉范围有公式决定。公式如下：由上面的结果得知，允许的频率偏移为250Hz 。由解调出来的信号进入由集成电路 MAX9722构成音频功放电路。通过调节R10喇叭的音量具有从大到小的调节功能2.4.3模块硬件设计（1）红外接收本方案中用红外光敏二极管来实现红外信号的接收。图6 光电转换电路(2)LM386LM386专为低功耗电源设计的功率放大器，它内建增益为20。通过1，8脚之间的阻容搭配，增益最高可达200。输入电压范围为412V。无动作时仅消耗4mA的电流，且失真小。图7 增益2.5 创新部分2.5.1 含有中继的装置流程图解调AD单片 机DA放大调制2.5.2 总流程图语音信号温度传感器红外发射装置中继转发节点红外接收装置温度显示耳机中继转发节点采用5V直流单电源供电，电路如图8，串接的毫安表用来测量其供电直流电流。图8 中继转发节点供电电路测试方案与测试结果.1 声音效果的测试接收的声音频率波形是否正常有无失真500Hz正弦波是无1000Hz正弦波是无1500Hz正弦波是无3000Hz正弦波是无4000Hz正弦波是无5000Hz正弦波是无.2 传输距离的测试传输的语音信号频率距离接收情况语音说话2.0m声音清晰且无杂音歌曲2.0m声音清晰且无杂音2000Hz2.0m无失真.数字信号和温度测试3.3.1 温度测试用标准的温度计测量的温度值（）152024313539系统测试的温度值（）1520243135393.3.2 接收延迟的测试测试距离（米）延时时间（秒）111.51222.332.543.3.3 信号电压测试单音信号输出电压有效值800Hz0.450V0.054 总结在平时的学习中我们大都是以学习课本的理论知识为主，而这次红外光通信装置是实践与理论的结合，我们在复习以前学过的知识的同时还要自学很多没有接触过的知识，为我们的模块设计打好坚实的基础，同时培养了自学能力。三个小组成员的协作与分工，很好的发挥了各自的优点，弥补了各自的不足，使我更加明白了团结与合作的重要性。设计和制作的任务由我们三个人完成，我们得自选方案，画好设计所需的电路图，还要从硬件和软件两个方面着手开展我们的设计与制作。这和我们以前做的课程设计有很大的不同，一是没有现成的方案供选择，二是没有现成的电路图供参考，三是没有类似的算法和程序供使用。我们三个人初期复习了单片机的基础知识，因为它的核心部件是单片机，然后我们根据各自不同的任务着手查阅了大量的资料，确定所需要的控制模块。确定好控制模块后，我们开始动手制作各个相关的模块，同时还要把控制各个模块的程序写好