2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽2

1、2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽紅外光通信裝置（F題）【本科組】設(shè)計(jì)報(bào)告2013年9月7號(hào)紅外光通信裝置（F題）摘要：紅外通信是目前比較常用的一種無線數(shù)據(jù)傳輸手段，其具有無污染、信息傳輸穩(wěn)定、信息安全性高以及安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)。紅外光通信裝置，硬件部分由STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器的單片機(jī)STC89C52作為控制核心。紅外通信裝置中模擬信號(hào)的傳輸由紅外發(fā)射器和接收器實(shí)現(xiàn)了聲音傳輸穩(wěn)定、不失真距離遠(yuǎn)的功能。在增加一路數(shù)字信道后，將DS18B20采集溫度通過單片機(jī)處理后再有紅外發(fā)射裝置和接收裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)同時(shí)傳輸。 關(guān)鍵字

2、：紅外通信裝置；語音傳輸；溫度；單片機(jī)； 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)紅外光通信裝置。1.2 設(shè)計(jì)要求1.2.1 基本要求(1)紅外光通信裝置利用紅外發(fā)光管和紅外光接收模塊作為收發(fā)器件，用來定向傳輸語音信號(hào)，傳輸距離為2m，如圖1所示。圖1 紅外光通信裝置方框圖(2)傳輸?shù)恼Z音信號(hào)可采用話筒或3.5mm的音頻插孔線路輸入，也可由低頻信號(hào)源輸入；頻率范圍為3003400Hz。(3)接收的聲音應(yīng)無明顯失真。當(dāng)發(fā)射端輸入語音信號(hào)改為800Hz 單音信號(hào)時(shí)，在 8電阻負(fù)載上，接收裝置的輸出電壓有效值不小于 0.4V。不改變電路狀態(tài)， 減小發(fā)射端輸入信號(hào)的幅度至0V， 采用低頻毫

3、伏表(低頻毫伏表為有效值顯示， 頻率響應(yīng)范圍低端不大于10Hz、高端不小于1MHz)測(cè)量此時(shí)接收裝置輸出端噪聲電壓，讀數(shù)不大于0.1V。如果接收裝置設(shè)有靜噪功能，必須關(guān)閉該功能進(jìn)行上述測(cè)試。(4)當(dāng)接收裝置不能接收發(fā)射端發(fā)射的信號(hào)時(shí)，要用發(fā)光管指示。1.2.2 發(fā)揮部分(1)增加一路數(shù)字信道，實(shí)時(shí)傳輸發(fā)射端環(huán)境溫度，并能在接收端顯示。數(shù)字信號(hào)傳輸時(shí)延不超過10s。溫度測(cè)量誤差不超過2。語音信號(hào)和數(shù)字信號(hào)能同時(shí)傳輸。(2)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)紅外光通信中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，以改變通信方向90°，延長(zhǎng)通信距離2m，如圖2所示。語音通信質(zhì)量要求同基本要求(3)。圖2 紅外光通信中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置方框圖中繼轉(zhuǎn)發(fā)

4、節(jié)點(diǎn)采用5V直流單電源供電，電路見圖3。串接的毫安表用來測(cè)量其供電直流電流。圖3 中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)供電電路 (3)在滿足發(fā)揮部分(2)要求的條件下，盡量減小中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)供電電流。(4)其他。2 總體方案設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖2.1.1 音頻傳輸流程圖圖4 音頻傳輸流程圖2.1.2 溫度傳輸流程圖圖5 溫度傳輸流程圖2.2 系統(tǒng)基本方案 根據(jù)題目要求，系統(tǒng)劃分為電源部分、控制部分、紅外發(fā)生裝置部分、中繼轉(zhuǎn)發(fā)部分、紅外接收裝置部分。 為實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別做出以下幾種不同的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行論證。2.2.1 電源模塊的論證與選擇方案一：雙電源供電。由于紅外發(fā)送部分和其他部分工作電壓不一樣，需要不同的電

5、源電壓。但如果采用雙電源供電則使用兩個(gè)不同的電池組，這樣就需要備用不同的電源，而且雙電源供電可能不穩(wěn)定。方案二：?jiǎn)坞娫垂╇?。采用三端穩(wěn)壓集成芯片LM7805。將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。LM7805具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定電壓輸出性能。綜上所述，采用方案二。2.2.2 控制器模塊的論證與選擇方案一：選用PIC、或AVR等作為控制核心，這些單片機(jī)資源豐富，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，功能強(qiáng)大，完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外通信裝置的控制。但對(duì)于本題目而言，其優(yōu)勢(shì)資源無法得以體現(xiàn)，且成本稍高。 方案二：采用STC公司的STC89C52作為系統(tǒng)控制器的方案。單片機(jī)軟件編程靈活

6、、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 綜上所述，采用方案二。2.2.3 音頻信號(hào)傳輸方案的論證與選擇 方案一：將輸入的音頻信號(hào)經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)送到紅外發(fā)射電路，經(jīng)過電路的調(diào)制轉(zhuǎn)換成紅外信號(hào)在空中傳輸，然后紅外接收電路將收到數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，信號(hào)傳給單片機(jī)處理。這類傳輸方式需要增加AD和DA轉(zhuǎn)換模塊以致電路復(fù)雜可用性不高。方案二：音頻信號(hào)直接由紅外發(fā)射管直接發(fā)送模擬信號(hào)，紅外接收管直接接受模擬信號(hào)，這類傳輸方式可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效傳輸且傳輸效率高，實(shí)用性好，適合紅外通信裝置的音頻

7、傳輸。從接收到音頻信號(hào)的效率和失真程度的要求來考慮，我們選擇方案二。2.2.4 紅外接收裝置的方案的論證與選擇方案一：采用自己設(shè)計(jì)的紅外接收裝置，在控制電路的控制下由光敏二極管接收信號(hào)，信號(hào)通過自動(dòng)增益控制電路后，經(jīng)過帶通濾波器濾波后在有解調(diào)電路輸處理后的信號(hào)。如果自己設(shè)計(jì)可能會(huì)達(dá)不到要求且容易出現(xiàn)問題。方案二：直接選用TR1308接收集成裝置，集成的裝置穩(wěn)定性好接收效率高，轉(zhuǎn)換速度快。綜合考慮，為了達(dá)到理想的要求，我們選用方案二。 3 理論分析與計(jì)算3.1 紅外通信原理分析紅外通信有發(fā)送和接收兩個(gè)組成部分。發(fā)送端采用單片機(jī)將待發(fā)送的二進(jìn)制信號(hào)編碼調(diào)制為一系列的脈沖串信號(hào)，通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅

8、外信號(hào)。紅外接收完成對(duì)紅外信號(hào)的接收、放大、檢波、整形，并解調(diào)出溫度編碼脈沖。為了減少干擾，采用的集成的TR1308直接解碼出溫度信號(hào)送給單片機(jī)，然后由單片機(jī)將接收的溫度信號(hào)通過顯示器顯示出來。如圖1所示 圖6結(jié)構(gòu)框圖3.2 提高轉(zhuǎn)發(fā)器效率的方法中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)裝置中增加放大器可以有效的提高轉(zhuǎn)發(fā)器的效率。4 電路與程序設(shè)計(jì)4.1 單元電路設(shè)計(jì)4.1.1 音頻紅外發(fā)射電路圖7音頻紅外發(fā)射電路4.1.2 音頻紅外接收電路圖8 音頻紅外接收電路4.1.3 中繼轉(zhuǎn)發(fā)電路圖9中繼轉(zhuǎn)發(fā)電路4.1.4 數(shù)字信號(hào)發(fā)射電路圖10數(shù)字信號(hào)發(fā)射電路4.1.3數(shù)字信號(hào)接收電路圖11數(shù)字信號(hào)接收電路4.2程序流程圖4.2.

9、1系統(tǒng)溫度采集與發(fā)送系統(tǒng)采用51單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集與首次發(fā)送，由于在發(fā)送的過程中需要采用38KHz載波，這里選用的是用STC89S52單片機(jī)的定時(shí)器2產(chǎn)生38KHz方波，不占用系統(tǒng)資源。系統(tǒng)的流程圖如圖所示：圖12 系統(tǒng)溫度采集與發(fā)送4.2.2中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)處理流程中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)采STC89C52單片機(jī)解碼和發(fā)送。在解碼還原溫度數(shù)據(jù)時(shí)利用單片機(jī)的捕獲模式進(jìn)行解碼，這樣的好處是不占用系統(tǒng)資源，正確率高，數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤的概率大大降低。系統(tǒng)的流程圖如圖所示： 圖13中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)處理流程4.2.3紅外接收處理流程最后的接收部分時(shí)采用STC89C52單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收處理，捕獲的正確性高，顯示用的LCD160

10、2，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。流程如圖所示：圖14 紅外接收處理流程5 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果5.1 測(cè)試所需儀器 低頻毫伏表，自備MP3或錄音機(jī)及音頻線，低頻毫伏表，耳機(jī)5.2 測(cè)試方案及測(cè)試結(jié)果5.2.1 基本要求（1） 測(cè)試方案：將自備的MP3的音頻輸出線及耳機(jī)分別接入紅外發(fā)射裝置和紅外接收裝置，在不同的傳輸距離下測(cè)試音頻輸出信號(hào)。 測(cè)試結(jié)果：表1：傳輸距離1.25m1.5m1.75m2.0m2.25m2.5m2.75m3.0m能否接收能能能能能能能能是否失真否否否否否否否否5.2.2 基本要求（2） 測(cè)試方案：傳輸?shù)恼Z音信號(hào)采用話筒或3.5mm的音頻插孔線路輸入，檢查頻率范圍是否滿足要求。 測(cè)試結(jié)果：

11、采用3.5mm的音頻插孔線路輸入，頻率輸出范圍在3003400Hz。5.2.3基本要求（3） 測(cè)試方案：當(dāng)發(fā)射端輸入語音信號(hào)改為800Hz 單音信號(hào)時(shí)，在 8電阻負(fù)載上，測(cè)出接收裝置的輸出電壓有效值。在不改變電路狀態(tài)， 減小發(fā)射端輸入信號(hào)的幅度至0V， 采用低頻毫伏表測(cè)量此時(shí)接收裝置輸出端噪聲電壓。 測(cè)試結(jié)果：表2：次數(shù)12345輸出電壓0.40.50.60.50.6表3：次數(shù)12345噪聲電壓0.120.090.110.100.085.2.4基本要求（4）測(cè)試方案：遮擋發(fā)射信號(hào)，檢查發(fā)光管的狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果：表4：信號(hào)是否被遮擋是否發(fā)光管是否點(diǎn)亮亮滅5.2.5發(fā)揮部分（1） 測(cè)試方案：將紅外接

12、收裝置先至于中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)出查看溫度值和信號(hào)是否能被檢測(cè)出來。測(cè)試結(jié)果：表4:延長(zhǎng)距離0m0.5m1.0m1.5m2.0m溫度2525262526溫度差10100能否檢測(cè)信號(hào)是是是是是5.2.6發(fā)揮部分（2）測(cè)試方案：串聯(lián)的毫安表測(cè)試中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)電流。測(cè)試結(jié)果：表5：測(cè)試次數(shù)12345電流6總結(jié)經(jīng)過四天三夜的鏖戰(zhàn)終于完成了設(shè)計(jì)。我們做了最后一次全面的測(cè)試，可以說很好的完成了賽題的要求。基于STC89C52單片機(jī)的紅外通信裝置能實(shí)現(xiàn)2m范圍內(nèi)的紅外傳輸，效果良好。在中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)裝置傳輸?shù)臅r(shí)候，我們組遇到了很大的問題，就是傳送給接收裝置的數(shù)字信號(hào)不能正確的接收，經(jīng)過團(tuán)隊(duì)仔細(xì)的分析討論后成功的解決了問

13、題并完成了賽題。在本次競(jìng)賽中我組隊(duì)員收獲了很多，更是鍛煉了我們學(xué)習(xí)新知識(shí)的能力。由于理論到實(shí)際的往往存在很大距離，往往理論上認(rèn)為正確的事，在實(shí)踐中存在許多意想不到的問題和突發(fā)的狀況，這就考驗(yàn)了我們的心理素質(zhì)和團(tuán)隊(duì)合作能力以及面對(duì)突發(fā)情況的應(yīng)變能力，在大賽中，我們學(xué)習(xí)到了許多在課堂上無法學(xué)到的東西，感謝本次大賽的指導(dǎo)老師不分晝夜耐心的陪伴指導(dǎo)我們，讓我們順利完成比賽，并收獲良多。參考文獻(xiàn)：1鄒衛(wèi)強(qiáng)，黎熤. 紅外線室內(nèi)無線通信原理 A.電力系統(tǒng)通信.1996.6. 2童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)M.高等教育出版社，2006.3馬忠梅，籍順心，張凱等.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)M.北京航空航天大學(xué)出版社，2006.4楊松華，馮毛管等.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M.西安電子科技大學(xué)出版社，20095裴彥純，陳志超.基于單片機(jī)系統(tǒng)的紅外遙控器應(yīng)用J,現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，4藍(lán)海青,沈振宇. 便攜式智能紅外數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J. 數(shù)據(jù)采集與處理, 1998,13(2):178-1815周錦榮,張恒