红外光通信装置设计报告分解

1、2013年全国大学生电子设计竞赛红外光通信装置设计报告F 题）本科组】2013 年 9 月 7 日目录一、前言 1. .二、系统方案设计 . .2（一）设计原理 . 21、红外红外线的特点 . .22 、红外线发射和接收 .2（二）设计方案 . 3 整体方案图 . 3（三）单元电路设计 . 41、发射端 . .4（1）音频发射端电路图 . 4（2）数字信号发射端 . 4（3）发射部分用到的元器件及其相关参数 . 52、接收端 5三、红外通信接口的硬件电路设计 51、红外发送器 62、 NE555时基电路芯片 63、红外发射二极管 7四、调试与测试 . . 81、红外发射模块通信的调试与测试 .

2、 .82、红外接收模块通信的调试与测试 . .8五、系统软件设计 . . 8系统软件设计整体流程图 . .8六、测试方案与测试结果 11（一）测试方案 11（二）测试条件与仪器 11（三）测试结果 11七、结语 . 11八、参考文献 . . .11九、附录 . 121、程序 122 、系统结构原理图 13红外光通信装置设计报告 （F 题）前言本设计利用已学电路知识， 将电路分成红外发射模块、 红外接收模块、 环境 温度传输模块三个模块，完成了红外光通信收发系统设计，以话筒为输入信号， 由发送电路调试后，再由输入电路的红外接收管接收，经由（ LM-386）放大，高 通滤波器过滤后，在喇叭（耳机）

3、中听到输入的语音。关键词：红外通信；发射；接收；温感；The design used the knowledge of circuit , and it has been divided into three parts as infrared emission circuit module, the infrared receiving module, and temperature transmission module , then we completed the design of infrared communication transceiver system, we used

4、microphone to input signal, the debugging by sending circuit and then received by the input circuits of infrared receiving tube, via (LM - 386) amplifier, filter high-pass filter,I we could heard a voice input in the horn (headphones).系统方案设计一）设计原理1、红外红外线的特点 人的眼睛能看到的可见光， 若按波长排列， 依次（从长到短） 为红、橙、黄、 绿、青、

5、蓝、紫。红光的波长范围为 0.62 m0.76 m，比红光波长还长的光 叫红外线。红外线遥控器就是利用波长 0.76 m1.5 m之间的近红外线来传送 控制信号的。 红外线的特点是不干扰其他电器设备工作， 也不会影响周边环境。 电路调试简单，等优点。2、红外线发射和接收 人们见到的红外遥控系统分为发射和接收两部分。 发射部分的发射元件为红 外发光二极管， 常用的红外发光二极管发出的红外线波长为 940nm左右，外形 与普通 5mm发光二极管相同， 只是颜色不同。 一般有透明、 黑色和深蓝色等三 种。接收电路的红外接收管是一种光敏二极管， 使用时要给红外接收二极管加反 向偏压，它才能正常工作而获

6、得高的灵敏度。 由于红外发光二极管的发射功率较 小，红外接收二极管收到的信号较弱，所以接收端要增加高增益放大电路。（二）设计方案整体方案图音频信 号输入三极管放大电路音频放大集 成电路红外发 射管图 1 总体框图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通过其电流成正比， 所以，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

7、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。三）单元电路设计1、发射端（1）音频发射端电路图图 2 发射端电路图当信号加在图 2 中的信号输入时，经耦合电容 C1（ 10）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。 此外，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）数

8、字信号发射端发射机部分主要是 NE555与外围元件构成频率为 38K，占空比约为 30%的振 荡器，振荡信号经 3 脚输出加载至 q1 基极，由 q1驱动红外线发光二极管 LED1。(3) 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=500m；A 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，所

9、以安装时要使它 们的辐射有一部分重迭。所以安装时要使它们的辐射有一部分重迭2、接收端(1)接收电路图图 3 最佳接收区示意图图 4 接收端电路图接收器由光电转换、 电源、 耳机插孔及音频放大器四大部分组成， 接收器 电路如图 4 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。三、红外通信接口的硬件电路设计 单片机本身并不具备红外通信接口， 但可以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串行通信接口， 如图 3 所示图3 红外串

10、行通信接口原理图1、红外发送器红外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，通过 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

11、 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，如图 4 所示。线路接收图4 红外发射器原理框图2、NE555时基电路芯片NE555时基电路封形式有两种， 一是 DIP 双列直插 8 脚封装，另一种是 SOP-8 小型（ SMD）封装形式。其他 HA17555、LM555、CA555分属不同的公司生产的产 品。内部结构和工作原理都相同。 NE555属于 CMOS工艺制造，下面我们将对其 进行介绍。图 2.8 是它的内部等效电路。 NE555的内部中心电路是三极管 Q15和 Q17加正反馈组成的 RS触发器。输入控制端有直接复位

12、Reset 端，通过比较器 A1，复位控制端的 TH、比较器 A2 置位控制的 T。输出端为 F，另外还有集电极 开路的放电管 DIS。它们控制的优先权是 R、T、TH。利用 NE555可以组成相当多的应用电路， 甚至多达数百种应用电路， 在各类 书刊中均有介绍，例如家用电器控制装置、门铃、报警器、信号发生器、电路检 测仪器、元器件测量仪、定时器、压频转换电路、电源应用电路、自动控制装置 及其它应用电路都有着广泛的应用， 这是因为 NE555巧妙地将模拟电路和数字电 路结合在一起的缘故。图 6 NE555 内部方框图3、红外发射二极管 红外发射二极管是红外通信系统中用来发射信号的一个非常重要的

13、元件， 虽 然它看起来比较小，不太显眼，但是没有它，红外通信就只能是一句空话。它是 实现红外通信的桥梁， 其重要性就好像灯泡在照明系统中的重要性一样， 是整个 红外通信系统的焦点。常用的红外发光二极管 （如 SE303·PH303），其外形和发光二极管 LED相似， 发出红外光（近红外线约 0.93 m ）。管压降约 1.4V ，工作电流一般小于 20mA。 为了适应不同的工作电压， 回路中常串有限流电阻。 发射红外线去控制相应的 受控装置时， 其控制的距离与发射功率成正比。 为了增加红外线的控制距离， 红 外发光二极管工作于脉冲状态， 因为脉动光 （调制光）的有效传送距离与脉冲的

14、峰值电流成正比，只需尽量提高峰值 IP ，就能增加红外光的发射距离。 提高 IP 的 方法，是减小脉冲占空比，即压缩脉冲的宽度 T，一些彩电红外遥控器，其红外 发光管的工作脉冲占空比约为 1/41/3 ；一些电气产品红外遥控器，其占空比是 1/10 。减小冲占空比还可使小功率红外发光二极管的发射距离大大增加。 常见的 红外发光二极管， 其功率分为小功率 （1mW10m）、W中功率 （20mW50mW和）大功率 （50mW100m以W上） 三大类。要使红外发光二极管产生调制光，只需在驱动管上加上一定频率的脉冲电 压。用红外发光二极管发射红外线去控制受控装置时， 受控装置中均有相应的红 外光电转换

15、元件， 如红外按收二极管， 光电三极管等。 实用中已有红外发射和 接收配对的二极管。 红外线发射与接收的方式有两种， 其一是直射式， 其二是 反射式。直射式指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端， 中间相距一 定距离；反射式指发光管和接收管并列一起， 平时接收管始终无光照， 只在发光 管发出的红外光遇到反射物时， 接收管收到反射回来的红外线才工作。 本课题设 计中采用的红外发射管为 TLN107， 红外线发射与接收的方式采取直射工作方 式。四、调试与测试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

16、: 在实际调试中，按键指令测试可以先通过 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， 我们也可以利用串口来测试， 在发射板上我们已经设计安装了一个串行口通信电 路，通过其接口和电脑联机，可以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，通过检测用户的按键输入，与实际中返回的指示状态 可以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 测试可以通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

17、使输出端输出的频率为 38KHz的载 波信号。通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 可以认为红外发射模块通信准确，可以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， 通过发射模块发射控 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。 目前市场上各种的红外接收头种类繁多， 型号混 杂，不同种

18、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，可 以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， 则可以像 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， 可以确定接收模块的接收解码通信已经成功， 可以 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， 系统可以交付使 用，形成产品，同时也可以在这个基础上进行下一步的开发与扩展了。五、系统软件设计1、系统软件

19、设计整体流程图如下图所示：等待数据采集设备响应转到按键扫描过程红外接受部分程序流程图红外发射部分程序流程图六、测试方案与测试结果一）测试方案二）测试条件与仪器三）测试结果 1、硬件测试 2、软件仿真测试 3、硬件软件联调（二）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， 并且检查无误，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。（三）测试结果1、测试结果 （数据 ）2V 档信号测试结果好下表所示： （单位 /V）信号值0.20500.21000.20450.40261.0071.5421.6691.9

20、99显示0.20510.21000.20440.40261.0061.5421.6691.9992 、本实验完成了音乐芯片的烙接， 距离 2 米左右不失真， 超过 2 米后信号有 所减弱并伴随微弱杂音，调节发送管和接收管的方向可以稍微改善 （验收时表现 失常）。主要测试数据为： f=1000hz UR2=1.4V ICQ=IEQ= UR2/R2=27mAICQ 的测量方法：用电压表测量射极电阻两端的电压，然后求出 IEQ 的值。 IEQ 约等于 ICQ。LM386 的增益测量： Ui=20mVUo=4.5V Au=Uo/Ui=225LM386 的增益测量方法：将接收管与 LM386 连接的电路

21、断开，用函数信号发生 器产生的信号代替接收管接收到的信号， 分别测出输入和输出信号的幅度， 计算 出 LM386 的增益。七、结语 经过几天的设计，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 。通过这几天的设计竞赛， 我们不但增强了实践能力和协作精神，而且懂得了联系实际的重要性，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，在此恳请各位老师批评指正。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 , 2004, （7） : 45- 47. 2

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