紅外光通信裝置-2013全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽

2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽論文課題:紅外光通信裝置（F題）11摘要：紅外技術(shù)是無線通訊的鼻祖，是先進科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用在遙控和傳輸方面。紅外通信是一種以紅外光為載體，通過其在空中的傳輸來語音和數(shù)據(jù)的傳輸方式。紅外通信裝置一般由紅外發(fā)射和紅外接收兩個過程組成。為了滿足紅外通信裝置的設(shè)計要求，設(shè)計了純電路為核心的控制系統(tǒng)和算法。首先進行了各單元電路方案的比較論證，確定了硬件設(shè)計方案。采用紅外收發(fā)管作為發(fā)射和接收的器件，系統(tǒng)所用的基本技術(shù)是光電和電光轉(zhuǎn)換，其中光源受到點信號的調(diào)制。紅外通信保密性好，不受無線頻率使用管制，具有傳輸距離長的特點，使其可以較好的進行遠距離傳輸。實際測試表明，所采用的設(shè)計方案先進有效，基本達到了設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：紅外光通信；光電轉(zhuǎn)換；電光轉(zhuǎn)換1、 系統(tǒng)方案的設(shè)計與論證1.1 系統(tǒng)總體框架整個系統(tǒng)在大的方向由發(fā)射模塊和接收模塊組成。兩個模塊的具體實現(xiàn)如下。1.1.1 其中發(fā)射模塊的系統(tǒng)框圖如下：1.2 理論分析1.2.1 聲音經(jīng)過拾音器（即話筒）的微弱電壓信號輸入需進行放大和濾波，實現(xiàn)電壓放大可以考慮使用運放，接成同相放大器或者反相放大器都可以實現(xiàn)要求，但是注意的是，從拾音器過來的電壓信號非 常微弱，極易被噪聲淹沒，以此輸入放大之前要接差分放大電路以減小噪聲干擾，經(jīng)過差分放大電路之后的信號在接入放大器，實現(xiàn)電壓信號的放大。1.2.2 為了保證信號的質(zhì)量，必須對放大的電壓信號進行濾波，考慮到人說話的頻率范圍有限，也即達到設(shè)計要求時的帶寬，應(yīng)該做一個帶通濾波電路，為了濾波的效果更好，設(shè)計雙電源供電的有源濾波器，使用的芯片可以使NE5532或者LM324，經(jīng)過計算得出相應(yīng)的元器件參數(shù)，使用仿真軟件進行一下仿真之后再搭電路進行調(diào)試。1.2.3 通過濾波器之后的模擬信號進入到紅外發(fā)射裝置，驅(qū)動紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光，通過光強的強弱變化來實現(xiàn)通信，在接收端收到光強的變化，經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到的是按照相同規(guī)律變化的模擬信號。1.2.4 將模擬信號進行多級的放大和濾波，以彌補傳輸過程帶來的信號的損傷，然后將會輸出和原始信號相一致的電信號。1.2.5 本題中要從揚聲器獲得到聲音的重現(xiàn)，那么就必須進行功率放大，所以需做功率放大電路，將經(jīng)過濾波后的模擬信號放大之后，就可以就聲音信號放出來。1.3 方案論證與比較1.3.1 控制模塊傳統(tǒng)的51單片機廣為應(yīng)用，具有使用簡便、便宜價格等優(yōu)點，但是其運算能力較低，速度較慢，功能相對單一，難以實現(xiàn)較復(fù)雜的任務(wù)要求。而Atmega16是一款功能強大的16位微控制器，具有非常豐富的片上資源，如：8路10位精度的ADC，節(jié)省了片外AD；強大的定時功能，可以進行較精確的定時；另外還有精密的比較器，大容量的RAM和ROM，可存儲大容量的程序。所以選擇Atmega16為控制模塊。1.3.2 紅外收發(fā)裝置方案一：采用紅外發(fā)射管+紅外接收管 即紅外收發(fā)對管。此方法簡單快捷。但是其解調(diào)電路比較繁瑣。方案二：采用紅外發(fā)射管+HS0038紅外一體化接收頭。本次設(shè)計中的紅外接收電路主要是將發(fā)射管發(fā)過來的無信信號進行放大，整形，解碼，再放大后驅(qū)動喇叭發(fā)聲。所以選著了集成的紅外接收器HS0038。該集成的紅外接收器內(nèi)部具有放大，濾波，解調(diào)的功能，直接輸出的是數(shù)字信號，方便進行處理。所以選擇方案二。1.3.4 放大電路方案一：使用的一次性放大到所需要的倍數(shù)的電路。比如要放大1000倍，那么就是用一個放大電路一次性使信號放大1000倍！這樣子電路比較易于構(gòu)建，但是信號波形容易缺失，甚至得不出預(yù)想的處理信號。方案二：使用多級放大，不宜一次性放大太高的倍數(shù)。比如要放大1000倍，先是放大10倍，再放大100倍。如此這般，信號的波形，不易缺失，容易彌補傳輸過程帶來的信號的損傷。所以選擇方案二。1.3.5 紅外發(fā)射管驅(qū)動電路通過運算放大器可以設(shè)計出把電壓信號轉(zhuǎn)換成電流的電路。方案一：使用一個紅外發(fā)射管來發(fā)射信號。此辦法雖然直接簡單，但是其發(fā)射距離有限，達不到2m,與題目要求不符。方案二：把3個紅外發(fā)射管并聯(lián)接到驅(qū)動三極管的集電極，減小發(fā)射極的電阻，使通過每一個紅外led的電流與只有一個紅外led時的電流一樣。此辦法大大的提高了紅外led的發(fā)射功率，其接收效果更好。所以選擇方案二。1.3.6 電源電路方案一：使用鋰電池供電。該方法安全，簡易。但是本題中，有的芯片供電的電壓為正負12V，不適合用鋰電池供電。方案二：通過變壓器利用220v供電。雙電源模式，發(fā)射和接收模塊各自獨立電源供電。如此可以避免長到線消耗電能，節(jié)約資源；同時，可以使兩端的接收信號獨立穩(wěn)定?；ハ嘀g無電磁的干擾。所以選擇方案二。2、 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)2.1單元電路設(shè)計及參數(shù)計算2.1.1 聲音轉(zhuǎn)換為電壓信號電路當使用駐極體話筒或音頻信號作為音頻發(fā)聲器時，接線方法如下：2.1.2 濾波電路設(shè)計為帶通濾波器，要求帶寬為300Hz到3.4KHz，其由兩部分構(gòu)成，一部分是低通濾波器，一部分是高通濾波器，都用NE5532實現(xiàn)。低通濾波器電路原理圖如下：注：元件參數(shù)計算方法如下：上限截止頻率：fH=1/(2Pi R C)=3.4K Hz令R=22k 則C=4.7nf 選增益Au=f/R1+1=1.2取Rf=10K 則R1=62K高通濾波器的電路如下：元件參數(shù)計算方式大致如下：下限截止頻率：fH=1/(2Pi R C)=300Hz 令R2=R3=22K 則C1=C2=22nf 取增益為Au=f/R1+1=1.8取Rf=48K 則R1=62K2.1.3 放大電路本設(shè)計中采用多級放大，每一級放大均為10倍增益。2.1.4 紅外管發(fā)射驅(qū)動電路 共有左右兩種電路圖。我們采用左圖的方式，其中使用3個紅外發(fā)射管并聯(lián)的方法，相比于右圖這樣發(fā)射的明顯功率提高（其中電壓不變，電流變?yōu)?倍，所以發(fā)射功率提高）。2.1.5 喇叭驅(qū)動電路功率放大器的具體電路如下所示：這樣就可以把前面電路傳送的聲音信號復(fù)述出來了3、 軟件設(shè)計上圖是運用DS18B20測量測量環(huán)境溫度。在利用一路數(shù)字信號，來實現(xiàn)溫度信號的紅外傳遞。4、 系統(tǒng)實測4.1 在發(fā)送部分使用音頻線接入聲音信號。2米之外可以通過喇叭發(fā)出聲音。5、注意事項1、芯片需要雙電源供電，電源不能接反，否則會燒壞芯片。2、部分引腳或接線裸露，測試時注意不可短路。3、部分導(dǎo)線極細，焊接不是特別結(jié)實，取放時注意不要拽斷。4、紅外的發(fā)射和接收裝置必須較為準確的相對，否則接收到的信號出現(xiàn)失真。5、電源的提供：實現(xiàn)該系統(tǒng)的功能需要正負12V、5V的直流穩(wěn)壓電源。本次實驗中的正負12V及正負5的電源使用自制變壓器得到，其能將220的交流電變成正負V、正負5直流電源輸出。6、因為會使用220v交流電，謹防觸電。6. 總結(jié)1、要想實現(xiàn)一個系統(tǒng)，那必須對整個系統(tǒng)的設(shè)計有整體的思路2、設(shè)計電路是系統(tǒng)功能實現(xiàn)的前提，合理的選用芯片十分關(guān)鍵，合理設(shè)置元器件參數(shù)更是一個難點。3、焊接電路路需要扎實的基礎(chǔ)功及較強的耐心，調(diào)