電子設(shè)計大賽F題紅外通信

1、2013年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽紅外光通信裝置（F題）2013年9月7日19摘要設(shè)計紅外通信收發(fā)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由信號產(chǎn)生模塊、紅外光發(fā)送模塊和紅外光接收模塊三部分構(gòu)成，實現(xiàn)對信號的產(chǎn)生、發(fā)送、接收以及實現(xiàn)對信號的功率放大。掌握系統(tǒng)的原理，用 Altium designer軟件繪制原理圖并生成PCB板，然后實際操作搭建電路板。系統(tǒng)主要由信號產(chǎn)生電路，紅外光發(fā)射系統(tǒng)，紅外光接收系統(tǒng)三個模塊構(gòu)成，由音樂芯片構(gòu)成的信號產(chǎn)生電路發(fā)出電信號，通過發(fā)送系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為光信號發(fā)送，通過接收系統(tǒng)接受光信號并將其轉(zhuǎn)化為電信號，再通過喇叭將其重新轉(zhuǎn)化為語音信號，實現(xiàn)紅外光通信的全過程。首先主要用LM386芯片構(gòu)成音樂產(chǎn)生電

2、路，發(fā)出電信號，由于發(fā)出的信號比較微弱，所以需要再經(jīng)過一個分壓式共射電路適當(dāng)放大信號，并通過LED紅外發(fā)送管轉(zhuǎn)化為光信號發(fā)送。 信號經(jīng)接收管接收后，通過運放電路得到較高的輸出功率，驅(qū)動喇叭發(fā)出音樂芯片的音樂。利用放大器LM386、AD623、AD8608可以得到200的增益，驅(qū)動喇叭得到所需功率。AbstractDesign of infrared communication transceiver system, the system module, the infrared light generated by the signal of sending module and i

3、nfrared receiving module, realize the signal producing, sending, receiving, and realize the signal of power amplifier. The principle of control system, with Altium designer software map principle and generate the PCB, and then practical building circuit boards. System is mainly composed of signal ge

4、neration circuit, infrared launch system, the infrared receiving system three modules, which composed the music chip issue electrical signal circuit, by sending system is converted into optical signals to send, receive light signals by receiving system and convert it into electrical signals, then co

5、nvert it to speech signal over the loudspeaker, realize the whole process of infrared communication. First mainly with LM386 circuit chip music, send electrical signals, because the signals are faint, so need to pass a partial pressure type radio appropriate amplified signals, and through the LED in

6、frared transmitting tube into the light signal transmission. Signal after receiving tube, high output power is obtained by op-amp circuit, drive the horn music chip music. Using amplifier LM386, AD623, AD8608 can get the gain of 200, and drive the horn to get the required power.目 錄1系統(tǒng)方案.41.1 發(fā)射管的論證與

7、選擇.41.2 輸入端運放的論證與選擇.41.3 信號傳輸?shù)恼撟C與選擇.41.4 功率放大器的論證與選擇.61.5 溫度信號的獲取與傳輸.61.6 顯示模塊.62系統(tǒng)理論分析與計算62.1 語音信號的放大與接受.62.2 溫度信號的接受62.3 傳輸距離的測試63電路與程序設(shè)計.63.1電路的設(shè)計.63.1.1發(fā)射電路設(shè)計63.1.2接受電路設(shè)計73.1.3小燈指示電路設(shè)計.73.1.4喇叭驅(qū)動電路設(shè)計.83.1.5中繼節(jié)點電路設(shè)計83.1.6穩(wěn)壓電源電路設(shè)計83.2程序的設(shè)計.93.2.1程序功能描述與設(shè)計思路.93.2.2程序流程圖.93.2.3程序代碼.104測試方案與測試結(jié)果.104.

8、1測試方案.104.2 測試條件與儀器.104.3 測試結(jié)果及分析.105總結(jié) .11附錄1：電路原理圖12附錄2：源程序13紅外光通信裝置（F題）1、系統(tǒng)方案論證：總體系統(tǒng)由信號產(chǎn)生電路、紅外光發(fā)射系統(tǒng)、紅外光接收系統(tǒng)三個模塊構(gòu)成，由音樂芯片構(gòu)成的信號產(chǎn)生電路發(fā)出電信號，通過發(fā)送系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為光信號發(fā)送，通過接收系統(tǒng)接收光信號并將其轉(zhuǎn)化為電信號，再通過喇叭將其重新轉(zhuǎn)化為語音信號，實現(xiàn)紅外光通信的全過程。1.1發(fā)射管的選擇我們有兩種選擇：（1） 普通紅外發(fā)射管：普通紅外發(fā)射管具有價格低，功耗小的優(yōu)點，但傳輸距離較近，只能達到幾十厘米。普通紅外發(fā)射管的改進： 磨頭：經(jīng)過我們的大量實驗發(fā)現(xiàn)，普通紅外發(fā)

9、射管的頂端具有聚光的功能，接收端不易對正，影響調(diào)試，把聚光頭磨平，使接收管容易接收； 發(fā)射管串聯(lián)：我們實驗了2個發(fā)射管串聯(lián)的方法，可擴大接收范圍，增加傳輸距離。（2） 大功率發(fā)射管：大功率管的性價比很高，具有傳輸距離遠的特點。實測傳輸3.4KHz正弦波距離能夠達到2m，幅值可達幾百毫伏。 綜上所述，我們決定選用大功率發(fā)射管。1.2.輸入端運放的選擇方面，我們有兩種選擇：（1） LM124：可以雙電源供電（±15V）或單電源供電，帶寬為1MHz，理論上滿足聲音信號的放大要求。（2） AD623：其為儀表放大器，單電源供電，軌到軌輸出，帶寬為800KHz，且其自帶參考電壓，放大倍數(shù)方便調(diào)

10、節(jié)。 考慮中繼裝置要求為5V供電，所以整個系統(tǒng)均使用5V供電，因此確定使用AD623作為放大電路。1.3.信號傳輸方法的選擇我們有兩種方案：方案1：語音信號輸入后，經(jīng)運放放大，到A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，接驅(qū)動電路將信號發(fā)出；接收端接收數(shù)字信號，進入單片機并控制D/A還原為語言信號，最后通過功放輸出。原理框圖如圖1所示。流程圖：圖1 方案一原理框圖本方案存在的缺點： 使用單片機、A/D、D/A等器件，控制復(fù)雜；數(shù)據(jù)通過標準異步串行協(xié)議傳輸，若聲音信號的頻率為3.4KHz，按最小2倍采樣率，采用異步串行傳輸?shù)淖钚☆l率為68KHz，實測傳輸頻率的增加會使信號迅速衰減，難以達到傳輸?shù)木嚯x。方案2：

11、直接傳輸模擬信號。語音信號經(jīng)過放大后驅(qū)動紅外發(fā)光管發(fā)射模擬信號，接收端接收信號并經(jīng)過功放驅(qū)動喇叭。原理框圖如圖2所示。流程圖：圖2 方案二原理框圖紅外發(fā)射管可工作在線性工作區(qū)或非線性工作區(qū)，本方案選擇直接傳輸模擬信號，因此必須工作在紅外發(fā)光二極管的線性區(qū)域，具體如圖3所示。圖3 紅外發(fā)光二極管的線性工作區(qū) 通過上述分析，本方案原理簡單，使用器件少、成本低、且實現(xiàn)容易，因此選擇方案2。1.4功率放大器的選擇對于功率放大器我們選擇了LM386，因為它是專為低損耗電源所設(shè)計的功率放大器集成電路無動作時僅消耗4mA電流，且失真低，我們用它來驅(qū)動喇叭工作。1.5溫度信號的獲取及傳輸：溫度傳感器采用目前使

12、用最多的的DS18B20溫度傳感器，該傳感器具有精度高，功耗小，采用STC89C52單片機采集溫度，將16位溫度信號轉(zhuǎn)換成10HZ的脈沖信號傳輸時采將其與20KHZ的高頻信號進行調(diào)制加載到語音信號上一起傳輸。1.6顯示模塊：本作品采用OLED屏幕進行顯示2、理論計算與分析2.1語音信號的放大及接收經(jīng)實測，語音信號的幅值為-200+200mv，根據(jù)輸入信號的具體幅值，我們選擇1020倍的放大，這樣接收端才能夠有效接收信號。由于AD623的驅(qū)動電流比較小，無法驅(qū)動發(fā)射管，所以先經(jīng)過AD623做了一級電壓跟隨，再經(jīng)過運放AD8608放大，以保證發(fā)射管能夠有效發(fā)射。2.2溫度信號的接收溫度信號為10H

13、z的低頻信號，語音信號頻率范圍300Hz3.4KHz，為了將溫度信號發(fā)送過去并且和語音信號分離開，先將溫度信號與20KHz的脈沖波進行調(diào)制，再用與門電路將其與語音信號混合，一起傳到發(fā)射端。2.3傳輸距離的測試方案一：采用單個普通紅外發(fā)射管傳輸，實驗時很難達到對齊，最好測試距離30cm.方案二：將一個普通二極管聚光頭磨平，降低了對正的要求，但傳輸距離下降到20cm.；方案三：一個大功率紅外發(fā)射管，傳輸距離達到3m，波形無明顯失真。3、電路與程序設(shè)計3.1電路設(shè)計：3.1.1發(fā)射電路設(shè)計圖4 發(fā)射電路圖設(shè)計3.1.2接收電路設(shè)計圖5 接收電路設(shè)計3.1.3小燈指示電路設(shè)計 圖6 小燈指示電路設(shè)計圖

14、 單閾值電壓比較器：Vs>0,Vo=-Vom；Vs<0,Vo=Vom。3.1.4喇叭驅(qū)動電路設(shè)計下面是LM386的原理圖：R1=0放大倍數(shù)為200倍圖7 LM386原理圖3.1.5中繼節(jié)點電路設(shè)計圖8 中繼節(jié)點電路設(shè)計圖3.1.6 5V穩(wěn)壓電路設(shè)計圖圖9 5V穩(wěn)壓電路設(shè)計圖3.2程序的設(shè)計 3.2.1程序功能描述與設(shè)計思路 測量距離使用STC89C52作為主控簡單，易實現(xiàn)；超聲波模塊使用HC-SR04探測距離范圍：4毫米4米，誤差4%，足夠?qū)崿F(xiàn)本題目中的測量要求。 3.2.2程序流程圖3.2.3程序代碼：附錄二4、測試方案與測試結(jié)果 4.1 測試方案 4.1.1發(fā)送端測試。給發(fā)送端

15、輸入加峰峰值為100mV，頻率為3.4kHz的正弦波，測試其輸出端的放大倍數(shù)及偏置電壓（也即確定發(fā)光二極管線性區(qū)的基準點）。4.1.2接收端測試測試接收端的輸入，觀察示波器的波形是否有明顯失真，如有失真，調(diào)整發(fā)射端的偏置電壓及放大倍數(shù)至波形正常；測試接收端輸出的正弦波的波形是否正常。4.1.3傳輸距離測試發(fā)送模塊和接收模塊距離保持2m，給發(fā)送端接入正弦波信號，給發(fā)送端、接收端加電，測試接收端輸出正弦波的幅值及失真情況。4.1.4語音傳輸測試發(fā)送模塊和接收模塊距離保持1m，給發(fā)送端接入語言信號（MP3音樂），給發(fā)送端、接收端加電，聽揚聲器音樂是否正常；逐漸增加傳輸距離至2m，聽揚聲器音樂是否正常

16、。 4.1.5中繼裝置測試 發(fā)送模塊和中繼模塊距離保持0.5m，中繼改變90度后與接收端保持0.5m,輸入音頻信號，給發(fā)射端、中繼節(jié)點、接收端供電，聽揚聲器音樂是否正常；逐漸增加中繼節(jié)點與接收端距離至兩米，聽揚聲器音樂是否正常；逐漸增加發(fā)射端與中繼節(jié)點距離至2m，聽揚聲器音樂是否正常。4.2所用元器件與測試元件清單電路元器件測試儀器集成運算放大器LM386AD623AD8606發(fā)光管、接收管可變電阻電阻電容若干大功率管二極管若干直流穩(wěn)壓電源函數(shù)發(fā)生器萬用表示波器4.3測試結(jié)果及分析 4.3.1可以定向語音信號2m無明顯失真 4.3.2 輸入 340-3.4kHz的信號 結(jié)果：2m之內(nèi)無明顯失真

17、 4.3.3 輸入語音信號改為800Hz單音信號時：發(fā)射語音信號頻率（Hz）接受裝置的輸出電壓8002V 4.3.4 射端輸入信號的幅度至0V，此時接收裝置輸出端噪聲電壓為 25mv 。 4.3.5 收裝置不能接收發(fā)射端信號時有燈閃爍。 4.3.6 紅外光通信中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，可以改變通信方向 90° 并且延長通信距離2 m； 最小電流為 20m A。 4.3.7 測距我們采用超聲波模塊和STC89C52測距5、 總結(jié)通過這次實驗，實現(xiàn)了一個簡單的紅外通信的發(fā)送和接收裝置。按題目要求測試數(shù)據(jù)：實現(xiàn)傳輸距離為：2m內(nèi)無明顯失真當(dāng)輸入頻率為800Hz時，電壓為：2v噪聲電壓：20mV當(dāng)方向改

18、變90°時，通信距離為：2m內(nèi)無明顯失真中繼節(jié)點電流20mA超聲波測距附錄1：電路原理圖1.1發(fā)射電路：1.2接收電路：1.3中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點附錄2：源程序超聲波測距源程序：#include <AT89x51.H>#include <intrins.h>#define RX P1_1#define TX P1_0#define LCM_RS P2_0#define LCM_RW P2_1 #define LCM_E P2_2#define LCM_Data P0#define Busy 0x80 void LCMInit(void);void DisplayOne

19、Char(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char DData);void DisplayListChar(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char code *DData);void Delay5Ms(void);void Delay400Ms(void);void Decode(unsigned char ScanCode);void WriteDataLCM(unsigned char WDLCM);void WriteCommandLCM(unsigned char WCLCM,

20、BuysC);unsigned char ReadDataLCM(void);unsigned char ReadStatusLCM(void);unsigned char code yz =" "unsigned char code tel = "telquot;unsigned char code Cls = " "unsigned char code ASCII15 = '0','1','2','3','4','5'

21、,'6','7','8','9','.','-','M'static unsigned char DisNum = 0; unsigned int time=0; unsigned long S=0; bit flag =0; unsigned char disbuff4 = 0,0,0,0,;void WriteDataLCM(unsigned char WDLCM) ReadStatusLCM(); LCM_Data = WDLCM;LCM_RS = 1;LCM_RW = 0;L

22、CM_E = 0; LCM_E = 0; LCM_E = 1;void WriteCommandLCM(unsigned char WCLCM,BuysC) if (BuysC) ReadStatusLCM(); LCM_Data = WCLCM;LCM_RS = 0;LCM_RW = 0;LCM_E = 0;LCM_E = 0;LCM_E = 1;unsigned char ReadDataLCM(void)LCM_RS = 1; LCM_RW = 1;LCM_E = 0;LCM_E = 0;LCM_E = 1;return(LCM_Data);unsigned char ReadStatu

23、sLCM(void)LCM_Data = 0xFF; LCM_RS = 0;LCM_RW = 1;LCM_E = 0;LCM_E = 0;LCM_E = 1;while (LCM_Data & Busy); return(LCM_Data);void LCMInit(void) LCM_Data = 0;WriteCommandLCM(0x38,0); Delay5Ms(); WriteCommandLCM(0x38,1); WriteCommandLCM(0x08,1); WriteCommandLCM(0x01,1);WriteCommandLCM(0x06,1); WriteCo

24、mmandLCM(0x0C,1); void DisplayOneChar(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char DData)Y &= 0x1;X &= 0xF; if (Y) X |= 0x40; X |= 0x80; WriteCommandLCM(X, 1); WriteDataLCM(DData);void DisplayListChar(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char code *DData)unsigned char ListLength; Li

25、stLength = 0;Y &= 0x1;X &= 0xF; while (DDataListLength>0x19) if (X <= 0xF) DisplayOneChar(X, Y, DDataListLength); ListLength+;X+;void Delay5Ms(void)unsigned int TempCyc = 5552;while(TempCyc-);void Delay400Ms(void)unsigned char TempCycA = 10;unsigned int TempCycB;while(TempCycA-)TempCyc

26、B=7269;while(TempCycB-);*/ void Conut(void) time=TH0*256+TL0; TH0=0; TL0=0; S=(time*1.87)/100; if(S>=700)|flag=1) flag=0; DisplayOneChar(0, 1, ASCII11); DisplayOneChar(1, 1, ASCII10); DisplayOneChar(2, 1, ASCII11); DisplayOneChar(3, 1, ASCII11); DisplayOneChar(4, 1, ASCII12); else disbuff0=S%1000/