全国大学生电子设计竞赛红外光通信装置.doc

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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日摘 要 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）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 pa

2、rts 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 microphone to input signal, the debugging by sending circuit and then received by the input circuits of infr

3、ared receiving tube, via (LM - 386) amplifier, filter high-pass filter, i we could heard a voice input in the horn (headphones).目 录1系统方案11.1 红外发射模块的论证与选择11.2 红外接收模块的论证与选择12系统理论分析与计算12.1 红外系统的分析12.1.1 红外发射模块的分析12.1.2 红外接收模块的分析12.1.3 功率放大电路的分析12.2 接收电路的的计算12.3 发射电路的的计算23电路与程序设计23.1电路的设计23.1.1系统总体框图23.

4、1.2红外发射子系统框图与电路原理图23.1.3红外接收子系统框图与电路原理图23.1.4电源23.2程序的设计23.2.1程序功能描述与设计思路23.2.2程序流程图34测试方案与测试结果34.1测试方案34.2 测试条件与仪器34.3 测试结果及分析34.3.1测试结果(数据)34.3.2测试分析与结论4附录1：电路原理图5红外光通信装置（F题）【XX组】1系统方案这部分内容主要介绍由话筒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。首先主要用话筒构成音乐产生电路，发出电信号，

5、由于发出的信号比较微弱，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LED红外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，驱动喇叭发出音乐芯片的音乐。利用放大器LM386，可以得到100左右的增益，驱动喇叭得到所需功率。本系统主要由红外发射模块、红外接收模块、环境温度传输模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1 红外发射模块的论证与选择方案一：基于东芝系列的TC9012 芯片设计的红外发射机 TC9012芯片它可外接32 个按键， 提供 8 种用户编码，另外还具有3 种双重按键功能，一帧数据中含有32 位码，包含两次8 位用户码，8 位数据码和8

6、位数据码的反码及最后位的同步位。利用该芯片按右边的原理图能够构成32位红外发射机。 TC9012的一帧数据中含有32位码，包含两次8位用户码，8位数据码和8位数据码的反码及最后位的同步位。引导码由4.5ms的载波和4.5ms的载波关断波形所构成，以作为用户码、数据码以及他们的反码的先导。这是我们开始选择的方案，但是后来芯片没买到，所以这个方案最后没被采用。方案二： 在该方案中，将使用一片高速CMOS型4-2输入的“与非”门74HC00集成电路，组成低频振荡器作编码信号，用555电路作载波振荡器，振荡频率为f0(38kHz)。f1对f0进行调制，该载波经红外发光二极管发送到空间。选用555电路作

7、载波振荡器，其目的是说明电路的调制工作原理，即利用大家熟悉的555产生38kHz方波信号，再利用555的复位端脚作调制端，即当脚为高电平时，555是常规的方波振荡器；当脚为低电平时，555的脚处于低电平。脚的调制信号是由74HC00的与非门的低频振荡器而获得。该方案的体积较大且成本较高，不易实现，在此次设计中没有选择该方案。 方案三： 一种红外专用接收集成电路HS0038，用它来完成红外信号的光电转换及接收。HS0038是塑封一体化红外线接收器，它是一种集红外线接收、放大、整形于一体的集成电路，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，没有红外遥控信号时为高

8、电平，收到红外信号时为低电平，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。以红外线作为通信载体，通过红外光在空中的传播来传输信号它由红外发射器和红外接收器完成。在发射端，发送的音频信号经过幅度调制后，送入电光变换电路，经红外发射管转变为红外光信号发射到空中。综合以上三种方案，方案三具有体积小、微功耗、功能强、线路简单、保密性好、成本低等特点，更加利于实现，因此我们选择方案三。1.2 红外接收模块的论证与选择 红外接收模块主要完成对接收到的红外信号进行解调的功能，一传送到的功率放大模块进行功率放大。由于信道条件恶略，接收到的信号往往十分微弱，因此需要对电路的结构考虑

9、十分周到，才能尽量将原始信号恢复出来。方案一： 用专用调制、解调芯片组成的红外发射、接收系统的核心编码、解码电路。代码产生电路由按键与其它元器件组成。本设计通过VD5026对键盘电路产生的控制信号进行并/串转换，由17脚输出编码数据，再将编码数据通过脉调制电路调制在较高的载波上通过红外光发射。红外接收管将光信号转换为电信号，由解码器进行解调，再由VD5027对解调出来的串行数据进行解码，使其成为控制代码去控制各电路。 本方案采用专用芯片组成编码解码电路，可实现对16211路电路的控制，其电路简单，抗干扰能力强，编码调制全部用硬件实现，各分支电路相互独立，设计调试比较简单、成本低，组装方便，易于

10、推广。方案二： 代码是按键组成的键盘电路产生，然后施密特触发器对按键信号进行整形所得，编码和调制用89C2051单片机的定时器将按键信号调制在38KHz的载波信号上，然后通过功率放大后通过红外发射管发射出去。接收电路用红外线接收二极管实现光电转换，然后用高频模拟锁相环进行信号解调，解调后的串行数据送单片机进行解码，同时实现对后续电路的控制功能。 方案二利用89C2051单片机对信号进行编码、解码，同时用单片机的定时器将信号进行调制，需用软件完成，其编程工作量大，要求严格，尤其是高频信号，程序稍有差错便使接收部分不能正常工作成本高。方案三： 主要包括LM386功率放大器及其周围辅助元件，主要是在

11、9V电压的驱动下将接收到的发射信号经LM386功率放大然后驱动喇叭来发出声音，使收听者能够听到信号。LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，具有接收红外线光信号并转换为电信号、电容耦合、晶体管放大、驱动扬声器发声、音频输出电容耦合、驱动红外线发射二极管发射红外线、晶体管放大、功率放大器放大、功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机、收音机、对讲机、方波发生器和正弦波振荡器等低电压消费类产品中。LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。 综合以上三种方案，该模块需要考虑的问题主要包括对接收到的信号进行放大、滤波、整形、解调四个

12、部分，尽量达到解调的效果最好，信噪比满足要求。因此选择方案三。2系统理论分析与计算2.1 红外模块的整体分析 红外通信的基本原理是利用波长 950 nm 的 近 红外波段的红外线作为信息的载体 ，将二进制信号 调制为若干脉冲信号，最后驱动红外线发射元件（如 红外发光二极管）发射红外信号。 红外接收端收到红 外脉冲信号后，将红外信号转换为电信号，再经过放 大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，最后还原 成二进制信号输出。设计发射机和接收机组成电路，要求该电路能够实现无线通讯。2.1.1 发射模块分析 在发射部分，对静态工作点要进行调试，使红外管有合适的驱动电流。可以按照一般的三极管放大电路的调试

13、方法来调试静态工作点，保证红外管得到足够的驱动。然后进行交流调试，将信号发生器产生的正弦信号接入输入端，用示波器同时监测输入输出信号（输出信号取自发光管所在支路）。保证输出信号不失真无干扰。 2.1.2 接收模块分析该电路接收部分采用一块音频放大集成电路LM386进行功率放大。VD3为红外线接收管。当被音频信号调制的红外光照到VD3表面时，VD3将接收的经声音调制的红外线光信号转换成电信号，即在VD3两端产生一个与音频信号变化规律相同的电信号，该信号经C9耦合至LM386进行功率放大后驱动扬声器发声。由于LM386可以输出约0.5W的功率，所以该接收器可以同时供多副耳机收听。2.1.3 功率放

14、大电路分析一个实用的放大电路要求能够对所要放大的信号源信号进行不失真的放大和输出，并能向所驱动的负载提供足够大的功率。因此，它通常由输入级、中间级和输出级三部分组成。这三部分任务和作用各不相同。输入级与待放大的信号源相连，因此，要求输入电阻要大，电路噪声低，共模抑制能力强，阻抗匹配等。中间级主要完成对信号的电压放大任务。以保证有足够大的输出电压。输出级则主要负责向负载(如扬声器、电动机等)提供足够大功率，以便有效地驱动负载。一般说，输出级就是一个功率放大电路。显而易见，功率放大电路的主要任务就是放大信号功率。 功率放大电路的特点和分类：功率放大器与电压放大器相比较，电压放大器主要是放大信号电压

15、，因而主要指标是电压放大倍数及输入输出阻抗、频率特性等。而功率放大器主要是不失真地放大信号的功率，即不但要向负载提供大的信号电压，而且要向负载提供大的电流。2.2 接收电路的计算接收机电路图所示。接收机电路包括：1. 红外光电二极管D1构成的红外接收电路。2. 锁相环集成电路CD4046组成的频率解调电路。3. 集成电路MAX9722 构成音频功放电路。 由上面的公式得知，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 R9，R10，耳机的音量具有从大到小的调节功能。2.3 发射电路的的计算 发射机电路图所示。发射机电路包括：1. 锁相环

16、集成电路CD4046构成的频率调制电路。2. 红外发射二极管D1构成的红外发射电路。由上面的公式，得知允许的频率偏移值。因此，功率放大器有如下特点。1.输出功率足够大输出功率是指负载得到的信号功率，与输出的交流电压和电流的乘积成正比。要得到足够大的输出功率，则输出电压和电流都要足够大，这就要求功率放大器中的功率放大管有很大的电压和电流变化范围，它们往往在接近极限状态下工作。2.效率要高大功率输出要求功率放大器的能量转换效率要高，即负载得到的信号功率与直流电源提供的功率之比要大，否则浪费电能，元件发热严重，功率管的潜力得不到充分发挥。3.非线性失真要小由于功率放大器是在大信号状态下工作，电压和电

17、流摆动的幅度很大，很容易超出功率三极管的线性范围，产生非线性失真。因此，要采取措施减少失真，使之满足负载的要求。3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图语音和音乐等所产生的电信号和其他低频电信号一样，一般不直接进行远距离传输，而是经过放大后对发射机的高频振荡进行调制，然后将此携带有低频信号的高频已调制信号，通过一定的媒介传输出去。红外数据传输，使用传输介质红外线。红外线是波长在750nm-1mm之间的电磁波，是人眼看不到的光线。红外数据传输一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75-25um之间。一个简单的光通信收发系统如图(一)所示：当然整个商用的红外光通信系统是相当复杂的，

18、这里我们只考虑最基础最必要的部分来完成红外通信收发系统的设计。首先主要用话筒输入声音产生电路，发出电信号，由于发出的信号比较微弱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LED红外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，驱动喇叭发出音乐芯片的音乐。利用放大器LM386，可以得到100左右的增益，驱动喇叭得到所需功率。系统总体框图如图（二）所示， 电源模块红外线输出信号 功率 放大输入信号红外接收模块红外发射模块 图（二）系统总体框图 3.1.3系统总体电路原理图（三） 图（三） 系统总体电路原理图3.1.2 红外发射模块子系统框图与电路原理图1、

19、 红外发射模块子系统框图设计原则主要是考虑红外发送管的工作电流，电流过小，传输距离短，电流过大容易毁坏发光管。在本系统中，红外光发送模块的系统框图 图（四）如下所示： 发出输入信号LED的输出光功率也随模拟信号而变化晶体管集电极电流随模拟信号强度而变化 话筒输入信号 上图是最简单的模拟驱动电路，这是一个共发射极的放大电路，调整基极偏置，但输入模拟信号，晶体管集电极电流随模拟信号强度的变化而变化，LED的输出光功率也随模拟信号而变化，从而可以将输入信号发送出去。 图（四） 红外发射模块子系统框图2、 红外发射模块子系统电路实际搭建的电路中输入信号为话筒输入产生的输出信号,由稳定直流电源Rb1.R

20、b2构成分压式电路,给放大电路提供稳定的直流工作点,而NPN则对输入信号实现放大，并通过发光二极管LED将电信号转化为光信号发送到接受端。 图（五） 红外发射模块子系统电路3.1.3 红外接收模块子系统框图与电路原理图1、 红外接收模块子系统框图 接收系统用光学装置和红外探测器进行接收，通过光电检测器是将光信号变换成为电信号，接收电路接收到的信号很微弱，不足以驱动1W的小喇叭，从而在小喇叭之前利用了音频功率专用放大器LM386，这样可以得到50200的增益，以便驱动小喇叭。驱动扬声器发声。晶体管放大，功率放大器放大接收红外线并转换为电信号电容耦合 图（六） 红外接收模块子系统框图2、 红外接收

21、模块子系统电路 图（七） 红外接收模块子系统电路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9V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。4测试方案与测试结果4.1测试方案系统调制原则：根据电路原理先调制各单元电路，然后再整机调试。（1）测量出输入调制信号的波形；（2）测量出红外发射驱动电路的输出波形和红外管中的电流；（3）测试解调电路的输出波形；（4）整机调试。1、 硬件测试 我们设计的红外通信系统分为发射和接收两部分。红外发射器； 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，

22、只是颜色不同。一般有透明、黑色和深蓝色等三种。为了方便观察，我们这里选用了颜色透明的红外发光二极管。经测试良好。电阻；按照实验原理图，采购了阻值不同的电阻若干，用万用电表分写测出其阻值，确保完好后分装备用。电阻（k）10.3470100105.1个数（个）411211电容； 万用表检测电容器的充电原理来判断。方法是：将万用表转换开关拨到电阻档的R1000档上，表笔接电容器，这时表针产生左右摆动，摆动越大，说明电容量越大。有时会摆动到接近零值，又慢慢退回停留在某一位置上，停留点的电阻量就是电容器的漏电电阻。判断电容的好坏，就是看这个电阻值的大小，这个电阻值越大越好，最好是无限大。如果接上电容器表

23、针不动，说明电容器内断开。如果接上电容器表针摆动到零不再退回，说明电容器已击穿。当电容器在0.011微法时，需将万用表转换开关拨向R10K档，重复以上测试。电容100F10F2.2mF22mF个数（个）2311三极管； 三极管分NPN型和PNP型，两者的检测方法略有不同。这里我们选用的是NPN型的三极管器件。1）对三极管的三个电极任意两个电极与指针式万用表的红、黑表笔均有两种连接顺序（即两次测量），总共进行六次测量，六次测量中若只有两次测量指针发生偏转（电阻读数在几K几十K之间），则该管完好，否则该三极管是坏的。2）基极（B）和三极管极性的确定：在指针偏转的两次测量中，始终与黑表笔相连的电极为

24、B极。3）C、E两个电极的确定：将指针式万用表的红、黑表笔分别于剩下的两个电极相连，左手食指始终搭接在黑表笔所接的电极和B极之间，记录下两次测试中万用表的阻值读数分别为R1和R2，若R1R2，则在读得R1的该次测量中，黑表笔所接电极为C极，另一个电极为E极。LM386功率放大器；LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机之中。 M386的外形和引脚的排列如右图所示。引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地

25、之间接旁路电容，通常取10F。 LM386管脚图红外光接收器；导线若干。2、 软件仿真测试3、硬件软件联调 发射部分的发射元件为红外发光二极管，它发出的是红外线而不是可见光，但可在手机的照射模式下微微可见，红外发光二极管的发光效率需用专用仪器测定，而业余条件下，只能凭经验用拉距法进行粗略判定。4.2 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。4.3 测试结果及分析4.3.1测试结果(数据) 红外无线耳机的发射器不需要调整即可正常工作。 在对接收器

26、进行调节时，我们可先监聴耳机中是否有响亮的“嘟嘟”声；然后再把接收器对准发射器，用无感螺丝刀反复调节电感L10中磁帽的位置，直到伴音信号清晰宏亮而噪声最小时用高频蜡将磁帽固定，调试即告完成。如果感觉耳机中的伴音干涩、音质不佳时，可适当调整阻尼电阻R16的阻值；如果接收器的频带过窄，可以将R7与R17分别开路试试。2V档信号测试结果好下表所示： （单位/V）信号值0.20500.21000.20450.40261.0071.5421.6691.999显示0.20510.21000.20440.40261.0061.5421.6691.9994.3.2测试分析与结论根据上述测试数据，由此可以得出以下结论：1、红外发射端可发出信号；2、红外接收端可接到信号，且放大发出声音。综上所述，本设计达到设计要求。附录1：电路原理图 1.1红外发射电路图与PCB图1.2 红外接收电路与PCB图