全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽紅外通信裝置設(shè)計(jì)報(bào)告

1、 1 / 20摘要摘要本套設(shè)計(jì)是一個(gè)紅外光語(yǔ)音通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一對(duì) 850nm 波長(zhǎng)紅外光發(fā)光、接收管作為收發(fā)器件，實(shí)現(xiàn)了定向語(yǔ)音信號(hào)傳輸，無(wú)明顯失真條件下最大傳輸距離可達(dá) 5m，并可以實(shí)時(shí)傳輸發(fā)射端環(huán)境溫度。設(shè)計(jì)采用 STM32F10XC8T作為控制核心，通信方式選用數(shù)字通信，即將語(yǔ)音信號(hào)放大濾波后進(jìn)行 A/D 采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以串行通信形式紅外發(fā)射，接收端信號(hào)經(jīng)過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換后，放大、濾波，通過(guò)揚(yáng)聲器輸出語(yǔ)音信號(hào)。系統(tǒng)另外設(shè)計(jì)了中繼轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)，通信方向改變 90 度以后，依然可以實(shí)現(xiàn)清晰傳輸。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：紅外；語(yǔ)音信號(hào)；無(wú)線(xiàn)通信；溫度顯示 2 / 20目錄目錄1 1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

2、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 1 11.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 11.2 要求 12 2 系統(tǒng)方案系統(tǒng)方案 3 32.1 方案比較與選擇 32.2 總體方案設(shè)計(jì) 53 3 理論分析與計(jì)算理論分析與計(jì)算 5 53.1 通信原理分析 53.2 提高轉(zhuǎn)發(fā)器效率方法 74 4 電路與程序設(shè)計(jì)電路與程序設(shè)計(jì) 8 84.14.1 系統(tǒng)的硬件 842 程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) 135 5 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 1515參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1717附錄一系統(tǒng)元器件清單 18 1 / 201 1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.11.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)紅外光通信裝置。1.21.2 要求要求1. 基本要求（1）紅外光

3、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(lái)定向傳輸語(yǔ)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(yǔ)音信號(hào)可采用話(huà)筒或 3.5mm 的音頻插孔線(xiàn)路輸入，也可由低頻信號(hào)源輸入；頻率圍為 3003400Hz。（3）接收的聲音應(yīng)無(wú)明顯失真。當(dāng)發(fā)射端輸入語(yǔ)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，采用低頻毫伏表（低頻毫伏表為有效值顯示，頻率響應(yīng)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

4、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。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(guò) 10s。溫度測(cè)量誤差不超過(guò) 2。語(yǔ)音信號(hào)和數(shù)字信號(hào)能同 2 / 20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(yǔ)音通信質(zhì)量要求同基本要求（3） 。中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)采用5V直流單電源供電，電路見(jiàn)圖3。串接的毫安表用來(lái)測(cè)量其供電直流電流。圖 1 中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)供電電路（3）在滿(mǎn)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

5、流。（4）其他。 3 / 202 2 系統(tǒng)方案系統(tǒng)方案2.12.1 方案比較與選擇方案比較與選擇a. 通信方式的選擇方案一：模擬通信，將模擬信號(hào)與載波進(jìn)行調(diào)制，使其帶有一定載波特性，又不失模擬信號(hào)的獨(dú)特性，接收端通過(guò)低通濾波器，還原初始模擬信號(hào)。 疊加放大驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音信號(hào)溫度信號(hào)38K調(diào)制濾波濾波高頻載波放大紅外發(fā)射裝置濾波紅外接收裝置解調(diào)輸出信號(hào)圖 2 模擬通信結(jié)構(gòu)框圖方案二：數(shù)字通信，將語(yǔ)音信號(hào)放大濾波后進(jìn)行 A/D 采樣并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，以數(shù)字量形式輸出（串行）紅外發(fā)射。紅外接收并經(jīng)過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換輸出語(yǔ)音信號(hào)，放大后從揚(yáng)聲器輸出。 4 / 20放大濾波D/A轉(zhuǎn)換A/D采樣紅外接收紅外發(fā)射語(yǔ)

6、音信號(hào)放大濾波拾音器揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào) 圖 3 數(shù)字通信結(jié)構(gòu)框圖由于模擬信號(hào)傳輸過(guò)程中易受到噪聲干擾，而且噪聲不斷積累，通信質(zhì)量較差，而數(shù)字通信抗干擾能力強(qiáng)且噪聲不積累，便于對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行處理、變換、存儲(chǔ)，因此本系統(tǒng)最終選用方案二。b.控制器的選擇方案一：采用美國(guó)儀器（TI）公司生產(chǎn)的 MS430 系列單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器。MS430 是 16 位單片機(jī)。其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片”解決方案。片上資源較豐富，功能強(qiáng)大，速度快，且低功耗。方案二：采用 ARM 公司的 STM32F103 系列單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器。STM32F103

7、 是基于 Cortex- M3 核的是新型的 32 位嵌入式微處理器，它是不需操作系統(tǒng)的 ARM，部自帶 AD 轉(zhuǎn)換，無(wú)需外加芯片,經(jīng)常用于高速信號(hào)采集系統(tǒng)。綜合比較 STM32F103 系列單片機(jī)性能更高，因此本套系統(tǒng)最終選用方案二。 5 / 202.22.2 總體方案設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì)本套系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用 STM32F10XC8T 作為控制核心，通信方式選用數(shù)字通信，即將語(yǔ)音信號(hào)放大濾波后進(jìn)行 A/D 采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以串行通信形式紅外發(fā)射，接收端信號(hào)經(jīng)過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換后，放大、濾波，通過(guò)揚(yáng)聲器輸出語(yǔ)音信號(hào)。系統(tǒng)另外設(shè)計(jì)了中繼轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)，通信方向改變 90 度以后，依然可以實(shí)現(xiàn)清晰傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

8、框圖如圖所示：數(shù)字輸出數(shù)字輸入放大濾波D/A轉(zhuǎn)換A/D采樣紅外接收紅外發(fā)射語(yǔ)音信號(hào)放大濾波拾音器揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào)溫度顯示溫度采集 圖4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 6 / 203 3 理論分析與計(jì)算理論分析與計(jì)算3.13.1 通信原理分析通信原理分析本套通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用串口通信方式，利用 UART 實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，軟件程序過(guò)串口的中斷函數(shù)判斷一幀的數(shù)據(jù)是否完成的傳送。串口通信的概念非常簡(jiǎn)單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線(xiàn)接收數(shù)據(jù)。它很簡(jiǎn)單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線(xiàn)上發(fā)

9、送數(shù)據(jù)同時(shí)在另一根線(xiàn)上接收數(shù)據(jù)。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。UART 作為異步串口通信協(xié)議的一種，工作原理是將傳輸數(shù)據(jù)的每個(gè)字符一位接一位地傳輸。其中各位的意義如下：起始位：先發(fā)出一個(gè)邏輯”0”的信號(hào)，表示傳輸字符的開(kāi)始。資料位：緊接著起始位之后。資料位的個(gè)數(shù)可以是 4、5、6、7、8 等，構(gòu)成一個(gè)字符。通常采用 ASCII 碼。從最低位開(kāi)始傳送，靠時(shí)鐘定位。奇偶校驗(yàn)位：資料位加上這一位后，使得“1”的位數(shù)應(yīng)為偶數(shù)(偶校驗(yàn))或奇數(shù)(奇校驗(yàn))，以此來(lái)校驗(yàn)資料傳送的正確性。停止位：它是一個(gè)字符數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志?？梢允?1 位、1.5 位、2 位的高電平。 由于數(shù)據(jù)是在傳輸

10、線(xiàn)上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺(tái)設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時(shí)鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時(shí)也越慢?？臻e位：處于邏輯“1”狀態(tài)，表示當(dāng)前線(xiàn)路上沒(méi)有資料傳送。通信傳輸示意圖如圖所示： 7 / 20 圖 5 串口通信示意圖其中使用 RS-232 接口可增加串口的驅(qū)動(dòng)能力、信號(hào)幅度與傳輸距離。系統(tǒng)主要參數(shù)（1）語(yǔ)音信號(hào)頻率圍為：3003400Hz，（2）采樣頻率：系統(tǒng)采樣頻率取 10KHZ。信號(hào)采樣時(shí)要符合抽樣定理：當(dāng)時(shí)間信號(hào)函數(shù) f(t)的最高頻率分量為 fM 時(shí),f

11、(t)的值可由一系列采樣間隔小于或等于 1/2fM 的采樣值來(lái)確定,即采樣點(diǎn)的重復(fù)頻率 f2fM。（3）D/A 轉(zhuǎn)換位數(shù):8 位（4）波特率：80KHZ （ 10*8） ，收發(fā)兩端波特率一樣。（5）傳輸距離：2 米（6）語(yǔ)音信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)帶寬為 300HZ3400HZ，此處我們假定中心頻率為 500HZ，帶寬f=3000HZ。假設(shè)信噪比 SNR=10db，由香農(nóng)公式：算出信道容量 C=10.38Kb/s 8 / 203.23.2 提高轉(zhuǎn)發(fā)器效率方法提高轉(zhuǎn)發(fā)器效率方法轉(zhuǎn)換速率是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的 AD 轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間的倒數(shù),為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率(Sample Rate)必須小于

12、或等于轉(zhuǎn)換速率。因此將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等同于采樣速率。而采樣頻率每秒鐘取得聲音樣本的次數(shù)，根據(jù)抽樣定理應(yīng)大于等于 6.8KHZ,為提高轉(zhuǎn)發(fā)器效率，可采取以下方法：a、串口通信，提高單片機(jī)串口通訊響應(yīng)效率，可以盡量縮短 UART 的中斷服務(wù)子程序響應(yīng)時(shí)間 ISR，并單獨(dú)分配一組寄存器。b、 接收和發(fā)送都開(kāi)雙緩沖區(qū)。 c、利用透鏡，在發(fā)射管和接收管前加一凸透鏡，利用凸透鏡物理原理增加其采集光線(xiàn)的能力。 4 4 電路與程序設(shè)計(jì)電路與程序設(shè)計(jì)4.14.1 系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)圖如圖所示： 9 / 20圖 6 系統(tǒng)的硬件電路圖（2） 電源模塊電源模塊為中繼節(jié)點(diǎn)提供5V電源，接入220V交流電壓經(jīng)過(guò)電

13、源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路最終得到+5V電壓輸出，其中穩(wěn)壓部分由7805三端穩(wěn)壓集成電路實(shí)現(xiàn)，電路原理圖如圖3.3所示：T120:1V1220V50HzBR1DF005MVI3VO1GND2U278L05C34.7uFC20.33uFC11mF 圖 8 電源模塊電路圖（3） 數(shù)碼顯示模塊 10 / 20顯示模塊采用 LCD1602 進(jìn)行顯示。LCD1602 是點(diǎn)陣字符型液晶顯示模塊，專(zhuān)門(mén)用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等。LCD1602 的屏幕為 2 行，每行顯示 16 個(gè)字符。1602LCD 主要技術(shù)參數(shù)：顯示容量:162 個(gè)字符芯片工作電壓:4.55.5V工作電流:2.0mA(5.0V

14、)模塊最佳工作電壓:5.0V引腳功能說(shuō)明：1602LCD 采用標(biāo)準(zhǔn)的 14 腳（無(wú)背光）或 16 腳（帶背光）接口，各引腳接口說(shuō)明如表 10-13 所示:編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫(xiě)選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極 11 / 20P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7P0.7P0.6P0.5D714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1

15、VDD2VEE3LCD1LM016LVCC56%RV110k圖 9 顯示模塊電路圖（3）音頻發(fā)射電路ULN2803 芯片介紹:ULN2803，采用 AP=DIP18,AFW=SOL18 封裝方式。八路NPN 達(dá)林頓連接晶體管陣系列特別適用于低邏輯電平數(shù)字電路（諸如 TTL, CMOS或 PMOS/NMOS）和較高的電流/電壓要求之間的接口，所有器件具有集電極開(kāi)路輸出和續(xù)流箱位二極管，用于抑制躍變。引腳圖如下;圖 10 ULN2803 芯片引腳圖信號(hào)經(jīng) ULN2803 驅(qū)動(dòng)放大后輸出，電路圖如下： 12 / 20POWPOWPOWPOW1B12B23B34B45B56B67B78B81C182C

16、173C164C155C146C137C128C11COM10U1ULN2803R120R220R320R420R520R620R71kR810kR91k圖 11 音頻發(fā)射部分電路圖（5）紅外接收電路OPA2340 介紹：集成電路 OPA2340 其功能有驅(qū)動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集放大、工程控制、音頻處理，引腳圖如下：圖 12 OPA2340 引腳圖接收部分電路（含濾波放大）如圖所示： 13 / 20POWPOWPOWPOWPOWGNDPOWGNDGNDGNDGNDGNDGNDPOWPOWGNDPOW32184U1:AOPA2340PAINPUTR110kC10.1uFR2200kR320

17、0k50%RV11kR410kR5100k32184U1:AOPA2340PAC10.1uFR2200kR3200k50%RV11kR410kR5100kR61kQ1MPSA06R710kINPUTOUTPUTOUTPUT 圖 13 接收部分電路圖（6）音頻放大器經(jīng)過(guò)放大濾波的信號(hào)要想從揚(yáng)聲器輸出，必須進(jìn)行功率放大，因此要進(jìn)行功率放大器實(shí)現(xiàn)。用到的主要芯片是 LM386，它是專(zhuān)門(mén)為低損耗電源設(shè)計(jì)的功率放大器集成電路，它的建增益為 20，通過(guò)腳和腳位間電容的搭配，增益最高可達(dá) 200。GNDGNDPOWGNDGNDGNDINPUT50%RV11k53264718U1LM386C110uC2250

18、uC40.05uFR110LS1SPEAKERC310u 14 / 20圖 14 音頻放大電路圖4 42 2 程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)（1 1）發(fā)射端程序）發(fā)射端程序發(fā)射端程序流程圖如下：發(fā)射端程序流程圖如下： 15 / 20初始化設(shè)定AD采樣速率是否收到聲音AD信號(hào)串口發(fā)送聲音數(shù)據(jù)是否收到溫度AD信號(hào)串口發(fā)送溫度數(shù)據(jù)否是否開(kāi)始是結(jié)束圖 13 紅外發(fā)送流程圖 16 / 20（1） 接收并顯示溫度部分流程圖接收并顯示溫度部分流程圖初始化（定義串口接收中斷）顯示溫度聲音DA輸出開(kāi)始結(jié)束聲音變量賦值是否為聲音數(shù)據(jù)是否為溫度數(shù)據(jù)溫度變臉賦值是是否否結(jié)束開(kāi)始圖 14溫度顯示部分流程圖 圖 15 接收

19、部分流程圖5 5 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果（1）語(yǔ)音信號(hào)測(cè)試方案與結(jié)果：用 MP3 或者手機(jī)輸入音頻信號(hào)，看揚(yáng)聲器時(shí)都能發(fā)出聲音。測(cè)試結(jié)果：出聲，有微弱失真，但是仍可以清楚的辨別出原音樂(lè)。當(dāng)發(fā)射端輸入語(yǔ)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約為 0.8V。 17 / 20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（低頻毫伏表為有效值顯示，頻率響應(yīng)圍低端設(shè)置為 8Hz、高端約為 50KHz）測(cè)量此時(shí)接收裝置輸出端噪聲電壓，讀數(shù)約為 0.05V。當(dāng)接收裝置不能接收發(fā)射端發(fā)射的信號(hào)時(shí)，發(fā)光管閃爍指示。（1）放大器的測(cè)試方案與結(jié)果：將放大器的輸入端接入 0.05V（最大值） ，1KHz 的電壓（使用信號(hào)源） ，用示波器測(cè)量輸出，記錄幅值。測(cè)試結(jié)果：輸出峰峰值 10V 左右，并可調(diào)，說(shuō)明放大了 100 倍，增益可調(diào)功能實(shí)現(xiàn)。（1）濾波器的測(cè)試方案與結(jié)果：用信號(hào)源產(chǎn)生 1V 的不同頻率的信號(hào)加到濾波器的輸入端，用示波器測(cè)輸出，觀察幅值。 測(cè)試結(jié)果：頻率為 200Hz 與其以下時(shí)候發(fā)生較為明顯的衰減，幅值約為300mv，頻率大于 4KHz 的時(shí)候幅值降到 400mv 左右，中間頻率的幅值沒(méi)有衰減，因此帶寬約為