红外光通信装置

1、此处贴密封纸，然后掀起并折向报告背面，最后用胶水在后面粘牢。2013年全国大学生电子设计竞赛红外光通信装置（F题）2013年9月7日II摘 要 本系统由信号调制解调电路，红外光发射，中继转发，光信号接收，音频信号处理，温度信号处理六个部分构成。单片机通过DS18B20采集环境温度，以DDS发出的正弦波实现ASK调制，调制后的信号与音频信号通过加法器合成；利用三极管8050驱动红外二极管发射合成的信号；接收部分由光敏二极管将红外信号转化为电信号,进行滤波和放大处理；通过滤波器实现音频信号与温度调制信号的提取并进行数据处理系统性能指标达到了设计要求，工作可靠。关键字 ： 红外传输 调制解调 异步串

2、行通信The system consists of signal modulation and demodulation circuit, infrared light emitting, relaying optical signal is received, the audio signal processing, the temperature signal processing six parts. MCU through DS18B20 collecting temperature to achieve DDS sine wave emitted ASK modulation, th

3、e modulated signal with the audio signal by an adder synthesis; using infrared diode driver transistor 8050 combined signal transmitted; receiving portion of the infrared signal from the photodiode into the signals, filtering and amplification process; through the filter of audio signal and temperat

4、ure modulation signal extraction and data processing system performance indicators meet the design requirements, reliable work.Keyword：infrared light ，modulation and demodulstion，conmunication目 录1系统方案11.1 信号传输方案的论证与选择11.2 红外光发射的论证与选择11.3 传输状态指示灯的论证与选择11.4温度数字信号调制解调的论证与选择22系统理论分析与计算22.1 发射电路的分析22.1.1

5、 三极管静态工作点调节22.2 滤波器的分析和计算22.2.1低通滤波器参数选取22.2.2高通滤波器参数选取32.3温度数字信号传输的分析32.3.1ASK信号载波频率选择32.3.2 ASK信号解调出温度数字信号33电路与程序设计33.1电路的设计33.1.1系统总体框图33.1.2发射电路子系统电路原理图43.1.3接收电路子系统框图与电路原理图53.1.4电源63.2程序的设计63.2.1程序功能描述与设计思路63.2.2程序流程图74测试方案与测试结果84.1测试方案84.2 测试条件与仪器94.3 测试结果及分析94.3.1测试结果(数据)9附录1：电路原理图10附录2：源程序11

6、红外光通信装置（F题）【0118组】1系统方案本系统主要由信号传输方案，红外光发射，中继转发，光信号接收，音频信号处理，温度数字信号调制解调，电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1 信号传输方案的论证与选择方案一：数字调制。利用调制芯片或FPGA对信号进行PCM或ADPCM调制，通过二进制信号传播，在接收端利用解码芯片或FPGA解调。这种方案硬件实现简单，信号失真度较小，但异步串行通信同步信号提取复杂，误码率不易控制，所以软件方面要求非常高，并且对信道的传输速率要求较高。方案二：FM调制。利用CD4046对信号进行FM调制和解调。由于信道对传输信号的频率影响较小，利用FM调制相对于

7、幅度调制，信号的失真度较小。但系统的解调电路不易调节，系统复杂，且解调信号不理想。方案三：基带传输。将语音信号直接进行传输，并使音频信号与温度ASK调制信号相加后直接传输，相加后的信号不经过调制与解调。此方案，电路简单，易于实现，避免了调制与解调过程中引入噪声和失真。综合以上三种方案，选用方案三，音频信号与经过ASK调制后的信号相加，相加后的信号直接传输，不经过更多的调制与解调。这种方案易于实现，调试简单，经过实际测试可行。1.2 红外光发射的论证与选择方案一：LM386驱动红外二极管。LM386是一种音频集成功放，具有自身功率低、电压增益可调整、外接元件和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机

8、和收音机中。但音频信号需要对38KHz的正弦波进行调制后才能满足两米的传输要求。增加电路复杂程度。方案二：分立三极管VT8058。选用VT8050中功率管，其功率大，可直接将音频信号传输2m以上，满足题目要求，电路相对简单。综合以上两种方案，选择方案二。1.3 传输状态指示灯的论证与选择方案一：模拟电路控制。在电路中接入非门，当接收电路接收到信号，发光二极管熄灭，当没有接收信号时，发光二极管点亮。此方法原理简单，但相对电路实现困难。方案二：单片机控制。用单片机控制发光二极管的亮灭。温度数字信号与语音信号同时传输，则当单片机收到温度信号时，熄灭二极管；反之点亮。方法简单，实现容易，不需要其他外围

9、电路。综合以上两种方案，选择方案二。1.4温度数字信号调制解调的论证与选择方案一：PSK调制。通过二进制相移键控调制，将语音信号作为载波，使语音信号随着二进制温度数字信号而变化。该方案不改变语音信号的频率和幅度，不会增大语音信号的失真度，但后期解调电路复杂，相干载波提取不易实现。方案二：ASK调制并与语音信号相加。此模块重点和难点在于，温度信号与语音信号同时在同一个信道内传输，并且采集到的温度信号为数字信号。只有成功解决温度数字信号和语音模拟信号调制、信道传输并能够解调出温度数字信号和语音模拟信号。我们采ASK和加法调制，这种双重调制的方法。首先温度数字信号对载波进行ASK调制，后将ASK信号

10、与语音信号相加，并直接在信道内传输。ASK调制信号可以通过DDS发生器AD9850直接产生，控制方便。ASK信号易于解调得到数字信号，且用小幅度ASK信号与语音信号相加可以同时传输温度和语音信号。综合考虑采用方案二。2系统理论分析与计算2.1 发射电路的分析 2.1.1 三极管静态工作点调节三极管静态工作点的高低决定了三极管最大失真电压，从而也决定了三极管的输出信号的大小。当静态工作点电压位于1/2 VCC时，三极管最大失真电压最大。在电路调试中，首先要进行静态工作点的调节。2.2 滤波器的分析和计算 接收端电路中，需要接入低通滤波器进行噪声滤除，并通过低通滤波器和高通滤波器将语音信号和温度数

11、字调制的ASK信号分别提取，对滤波器的参数分析和计算如下：2.2.1低通滤波器参数选取低通滤波器用于将红外接收管接收信号中ASK信号滤除，得到低频语音信号。根据电路实际，要求将加入到音频信号中的温度数字信号滤除干净，本系统将截止频率设定为10KHz。滤波器的归一化频率，可以计算出滤波器的最小阶数为，因此本设计的滤波器阶数定为四阶。通过查找巴特沃兹滤波器参数表，可以得到四阶低通函数归一化近似函数为：2.2.2高通滤波器参数选取高通滤波器用于将红外接收管接收信号中低频语音信号滤除，得到ASK信号。根据频率变换原理，高通滤波器可以转化为低通滤波器的设计。根据低通与高通的S域变换关系，相应的低通滤波器

12、的参数为：设衰减A=20dB, 归一化频率。此时低通滤波器的最小阶数，因此对应的高通滤波器的阶数定为四阶。四阶巴特沃兹低通滤波器的传输函数，设 ，根据低通与高通的S域变换关系：，可得四阶巴特沃兹高通滤波器的传输函数为： 2.3温度数字信号传输的分析 2.3.1ASK信号载波频率选择ASK信号载波的频率要能够在红外信道内无衰减或衰减幅度小，且要在后级电路中通过滤波将ASK信号和音频信号分离。通过对制作的发射接收装置的红外信道的频谱特性进行测量，得到电路中红外信道传输特性。本电路红外信道中116KHz信号在传输中衰减微小，波形无失真；16KHz以上的频率段内，信号开始衰减；频率大于24KHz时衰减

13、严重，波形失真。同时通过对低通滤波器的调试，当ASK信号频率大于语音信号5倍之上时，低通滤波器可以将语音信号无失真的提取。综合考虑，我们将ASK载波频率选择为20KHz，即保证传输无明显衰减，又保证音频信号无失真提取。2.3.2 ASK信号解调出温度数字信号通过包络检波电路，将ASK信号处理成矩形波，并通过电压比较器得到峰峰值5V的方波，送入单片机进行抽样提取，计算出温度。3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如图3.1.1所示，图3.1.1 系统总体框图3.1.2发射电路子系统电路原理图1、发射电路子系统电路本设计通过三极管驱动发光二极管发射信号。图3.1.2(a

14、) 发射电路子系统电路_二极管驱动电路图3.1.2(b) 发射电路子系统电路_加法器3.1.3接收电路子系统框图与电路原理图1、接收电路子系统电路将感光管接收信号进行滤波放大，输入后级电路。图3.1.3(a) 接收电路子系统框图2、ASK信号解调子系统模块图3.1.3(b) ASK解调子系统框图3.1.4电源电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或者12V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现温度测量，液晶显示，控制DDS芯片产生ASK调

15、制信号和串行通信。1）温度测量：使用单线数字温度计DS18B20进行温度测量。DS18B20反应速度快，测温精度0.1，完全可以实现题目要求。2）显示部分：显示温度值。3）ASK信号：通过控制AD9850，并根据温度数字信号直接进行ASK调制，控制简单，可以程序控制加入识别码，便于接收部分电路提取数字信号，并降低误码率。4）串行通信：红外信道相当于一根导线，所以要实现通过红外信道使两个单片机通信，可以在传输的温度数字信号前加入一段识别码，当接收端单片机识别到识别码后开始读取温度数字信息。2、程序设计思路本题目程序部分工作并不多，单片机串行读取温度信息为难点，接收数据必须要先准确提取同步信息，为

16、了方便且准确的提取到温度数字信号，首先两个单片机内都需要进行严格的定时，使发射端单片机发射数据速率与接收端单片机接收数据相同，并且在在传输温度信号前，发送一组识别码，当接收端单片机识别到识别码后开始读取数据，从而保证数据的正确传输。通过控制程序，可以做到1s时间内温度信息更新10次；远远超出题目10s延时的要求。3.2.2程序流程图本系统，需使用两个单片机，一个位于发射电路，用于控制DS18B20采集温度并控制AD9850产生ASK信号；另一个位于接收电路，用于接收温度数字信号，并将温度显示在液晶屏上。1、主程序流程图1）发射端单片机程序流程图本设计采用C8051F020单片机作为控制中心，简

17、要软件流程图如图3.2.2（a）所示，图3.2.2（a） 软件流程图11） 接收端单片机程序流程图本设计采用C8051F020单片机作为控制中心，简要软件流程图如图3.2.2（b）所示，图3.2.2（b） 软件流程图24测试方案与测试结果4.1测试方案1、硬件测试将硬件电路按模块进行测试，测试前确保连线供电正确。首先确保各模块工作正常，功能完善；其次按照信号传播方向逐个加入后续电路进行测量，确保各模块共地，并将测量参数记录成表，进行电路数据分析。2、硬件软件联调将单片机的控制引脚与相应电路连接并确保连线无误，运行程序，根据具体电路实际调整程序。4.2 测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路

18、和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表，温度计。4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果(数据)DS18B20测试结果好下表所示： （单位/摄氏度）实际温度20.022.024.026.028.030.032.034.0显示温度20.022.124.025.928.030.032.034.0实际温度36.038.040.042.044.046.048.050.0显示温度36.938.040.142.244.046.048.050.0红外信道频谱特性测试结果好下表所示： （单位/mv）频率/Hz200300

19、400500600700800900接收端幅值39003870386538603850384438293822频率/Hz10001100120013001400150016001700接收端幅值38123803379837873779377037623755频率/Hz18001900200021002200230024002500接收端幅值37403732372537113702369336813674频率/Hz26002700280029003000310032003300接收端幅值36653656364036313626362036093595频率/Hz340040005000600070

20、008000900010000接收端幅值35873497337832593112301129322799频率/Hz1200014000160001800020000220002400026000接收端幅值226717061076785409378331289注：接收端幅值为经过放大电路的信号幅值，发射端红外发射二极管幅值为3000mv负载电阻输出电压测试结果好下表所示： （单位/mv）频率/Hz3005007008001000120014001600幅度36003590358835703530352135153503频率/Hz18002000220024002600280030003400幅度

21、3496348534713452343334123396338415附录1：电路原理图发射与接收原理图附录2：源程序测量温度模块源程序/*函数功能：将DS18B20传感器初始化，读取应答信号出口参数：flag */bit Init_DS18B20(void)unsigned char i;bit RstFlag;RstFlag=1;DataPortDS1820=0;for (i=0;i<100/*40*/;i+)/480usDelay15us(); DataPortDS1820=1;for (i=0;i<4;i+)/15us-60usDelay15us();for (i=0;i&l

22、t;16;i+)/60us-240usDelay15us();if (DataPortDS1820=0) RstFlag=0;for (i=0;i<16;i+)/240usDelay15us();return RstFlag;/*函数功能：从DS18B20读取一个字节数据出口参数：dat*/ unsigned char ReadOneChar(void) unsigned char i,ch;ch=0;DataPortDS1820=1;Delay1us(1);for (i=0;i<8;i+)EA=0;DataPortDS1820=0;Delay10us();DataPortDS18

23、20=1;Delay1us(2);ch=ch>>1;if (DataPortDS1820=1)ch=ch+0x80;EA=1;Delay15us();Delay15us();Delay15us();return ch;/*函数功能：向DS18B20写入一个字节数据入口参数：dat*/ void WriteOneChar(unsigned char ch)unsigned char i;DataPortDS1820=1;Delay1us(1);for (i=0;i<8;i+)DataPortDS1820=0;Delay15us();DataPortDS1820=ch&0x1;Delay15us();Delay15us();Delay15us();DataPortDS1820=1;ch=ch>>1;Delay1us(1);/*函数功能：做好读温度的准备*/ void ReadyReadTemp(void) Init_DS18B20(); /将DS