2023全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽無(wú)線紅外語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)解析

紅外光通信裝置〔F題〕【本科組】20摘要：隨著科技的進(jìn)步，無(wú)線電通信技術(shù)得到了前所未有的開(kāi)展，而紅外無(wú)線數(shù)據(jù)通信相對(duì)于無(wú)線電數(shù)據(jù)通信具有低功耗、低價(jià)格、低電磁干擾、高保密性等優(yōu)點(diǎn)，目前開(kāi)展迅猛，尤其在近距離無(wú)線數(shù)據(jù)通信中得到了廣泛的應(yīng)用．尤其是隨著編碼調(diào)制技術(shù)的開(kāi)展，紅外無(wú)線數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)速率越來(lái)越高，成為許多移動(dòng)設(shè)備、室內(nèi)辦公設(shè)備以及手持設(shè)備無(wú)線數(shù)據(jù)通信的一個(gè)重要途徑。本系統(tǒng)通過(guò)紅外光通信裝置將語(yǔ)音信號(hào)和環(huán)境溫度無(wú)線傳輸出來(lái)，接收端口顯示溫度并將語(yǔ)音信號(hào)從耳機(jī)傳出。環(huán)境溫度由STM32單片機(jī)檢測(cè)，語(yǔ)音信號(hào)和數(shù)字信號(hào)能同時(shí)傳輸。關(guān)鍵詞：紅外光通信，無(wú)線傳輸，STM32單片機(jī)Abstract:Withtheadvancementoftechnology,wirelesscommunicationtechnologyhasbeenanunprecedenteddevelopment,andinfraredwirelessdatacommunicationsrelativetotheradiodatacommunicationwithlowpowerconsumption,lowprice,lowelectromagneticinterference,highsecurity,etc.,iscurrentlydevelopingrapidly,especiallyinintheshort-rangewirelessdatacommunicationhasbeenwidelyused.Especiallywiththecodingandmodulationtechnology,infraredwirelessdatacommunicationsincreasinglyhighdatarates,asmanymobiledevices,officeequipment,andhandhelddevicesindoorwirelessdatacommunicationisanimportantway.Thesystemcommunicationdeviceviainfraredlightandambienttemperaturevoicesignalwirelesstransmissionout,thereceivingportdisplaytemperatureandoutgoingvoicesignalfromtheheadphones.TheambienttemperaturedetectedbytheSTM32MCU,voicesignalsanddigitalsignalscanbetransmittedsimultaneously.Keywords:infraredopticalcommunications,wirelesstransmission,STM32microcontroller2023年四川省電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告目錄一、方案比較及論證紅外光通信裝置〔F題〕【本科組】一、方案比較及論證1.1控制器的選擇與論證方案一：采用STM32F103，STM32F103價(jià)格廉價(jià)，應(yīng)用范圍廣，功能強(qiáng)大，處理速度快，抗靜電抗干擾強(qiáng)，低功耗，內(nèi)部集成7個(gè)定時(shí)器，2個(gè)12位ADC,9個(gè)通信接口。方案二：采用LM3S8962，LM3S8962價(jià)格較廉價(jià)，應(yīng)用范圍廣，功能強(qiáng)大，處理速度快，抗靜電抗干擾強(qiáng)，低功耗，內(nèi)部集成8個(gè)定時(shí)器，1個(gè)10位ADC，3個(gè)通信接口。方案三：采用STC89C51，STC89C51價(jià)格廉價(jià)，應(yīng)用范圍廣，功能較強(qiáng)大，處理速度慢，抗靜電抗干擾弱，內(nèi)部無(wú)ADC。方案比較：鑒于設(shè)計(jì)要求，需要工作速度快，功能強(qiáng)大，低功耗，ADC采樣精度高，以及本錢(qián)綜合考慮。應(yīng)選方案一。1.2功率放大器的選擇與論證方案一：采用晶體管別離元件組合成多級(jí)放大電路，本錢(qián)低，但難于調(diào)試。方案二：采用NE5532，它具有很好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動(dòng)能力及相當(dāng)高的小信號(hào)帶寬，電源電壓范圍大，但必須要雙電源供電，不利于電路的設(shè)計(jì)以及功耗的降低。方案三：采用TDA2822，具有電路簡(jiǎn)單、音質(zhì)好、電壓范圍寬等特點(diǎn)，可工作于立體聲以及橋式放大(BTL)的電路形式下。而且僅需5V單電源供電，功耗更低。方案比較：根據(jù)要求，需功耗低，電源要求不高的功放。應(yīng)選方案三。1.3顯示模塊的選擇與論證方案一：采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有接線簡(jiǎn)單，本錢(qián)低廉，配置簡(jiǎn)單靈活，編程容易，對(duì)外界環(huán)境要求較低，易于維護(hù)等特點(diǎn)。但是，考慮到普通數(shù)碼管能夠顯示的信息量有限，并且一般情況下要顯示較多的信息所占用的系統(tǒng)I/O資源較多。方案二：用12864LCD顯示，LCD是點(diǎn)陣式的顯示，可以有漢字、數(shù)字、波形等多種方式顯示，靈活性大，顯示信息量大，字跡美觀，視覺(jué)舒適，且同一界面可以同時(shí)顯示電壓、電流、功率等多種參數(shù)。經(jīng)比較，應(yīng)選用方案二進(jìn)行設(shè)計(jì)。二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)電源供電5V電源供電5V紅外發(fā)射模塊STM32單片機(jī)語(yǔ)音信號(hào)紅外發(fā)射模塊STM32單片機(jī)語(yǔ)音信號(hào)溫度傳感器溫度傳感器中繼轉(zhuǎn)發(fā)模塊中繼轉(zhuǎn)發(fā)模塊功放耳機(jī)溫度顯示STM32單片機(jī)紅外接收模塊功放耳機(jī)溫度顯示STM32單片機(jī)紅外接收模塊電源供電5V電源供電5V圖1系統(tǒng)整體框圖2.2系統(tǒng)工作原理紅外通信是利用950nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體，即通信信道。發(fā)送端將基帶二進(jìn)制信號(hào)調(diào)制為一系列的脈沖串信號(hào)，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號(hào)。接收端將接收到的光脈轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大、濾波等處理后送給解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，復(fù)原為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)后輸出。語(yǔ)音和音樂(lè)等所產(chǎn)生的電信號(hào)和其他低頻電信號(hào)一樣，一般不直接進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，而是經(jīng)過(guò)放大后對(duì)發(fā)射機(jī)的高頻振蕩進(jìn)行調(diào)制，然后將此攜帶有低頻信號(hào)的高頻已調(diào)制信號(hào)，通過(guò)一定的媒介傳輸出去。本系統(tǒng)利用語(yǔ)音信號(hào)模擬實(shí)現(xiàn)最根本的紅外收發(fā)通信系統(tǒng)由音樂(lè)集成電路，發(fā)射系統(tǒng)，接收系統(tǒng)三局部構(gòu)成。音樂(lè)集成電路發(fā)出電信號(hào)，通過(guò)發(fā)射系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)發(fā)送，通過(guò)接收系統(tǒng)接受光信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再通過(guò)喇叭將其重新轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音信號(hào)。由于要同時(shí)發(fā)送語(yǔ)音信號(hào)和溫度數(shù)字信號(hào)。接受端接收的信號(hào)不能很好的被識(shí)別。所以這里我們將數(shù)字信號(hào)局部采用NEC傳輸協(xié)議，一幀數(shù)據(jù)由引導(dǎo)碼、地址碼+地址碼的反碼、命令碼+命令碼的反碼組成。其特點(diǎn)有完整發(fā)射兩次地址碼和命令碼，以提高可靠性；脈沖時(shí)間長(zhǎng)短調(diào)制方式；38KHz載波頻率；地址碼是8位，命令碼是8位；引導(dǎo)碼是9ms高電平+4.5ms低電平長(zhǎng)度的38K載波；邏輯位1是0.56ms高電平+1.68ms低電平長(zhǎng)度的38K載波；邏輯位0是0.56ms高電平+0.56ms低電平長(zhǎng)度的38K載波。三、電路設(shè)計(jì)3.1紅外發(fā)射電路圖2紅外發(fā)射及語(yǔ)音編碼原理圖該電路圖可通過(guò)編碼器把語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)紅外發(fā)射口發(fā)射出去。3.2紅外接收電路圖3數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)模擬信號(hào)及紅外接收原理圖該電路可以把紅外接收到的數(shù)字信號(hào)復(fù)原成語(yǔ)音信號(hào)。3.3功率放大器電路圖4功率放大器電路原理圖通過(guò)該放大器將接收到的信號(hào)放大后通過(guò)耳機(jī)傳出。該放大器主要用于袖珍式盒式放音機(jī)〔WALKMAN〕、收錄機(jī)和多媒體有源音箱中作音頻放大器。3.4電源模塊電路圖5電源模塊原理圖該電源提供了直流可調(diào)+1.25V~+28V。能給核心板STM32、紅外通信裝置、顯示電路供電。四、系統(tǒng)測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試方案通過(guò)信號(hào)發(fā)生器輸出正弦波，通過(guò)紅外通信后，檢測(cè)接收端輸出波形，看是否失真。發(fā)送溫度數(shù)據(jù)后，在接收端LCD12864上面看是否有溫度的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)來(lái)。4.2測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：檢查屢次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。測(cè)試儀器：數(shù)字萬(wàn)用表，示波器，信號(hào)發(fā)生器，卷尺，溫度計(jì)。4.3測(cè)試結(jié)果及分析接收裝置能否接收發(fā)送的信號(hào)第一次第二次第三次第四次第五次第六次測(cè)量距離0.6m0.9m1.2m1.5m1.8m2.1m測(cè)試情況能能能能能能表1距離測(cè)試檢測(cè)環(huán)境溫度能否傳送第一次第二次第三次第四次第五次第六次延時(shí)情況1s1s2s2s2s2s溫度誤差1℃1℃1℃1℃1℃1℃同步測(cè)試同步同步同步同步同步同步表2環(huán)境溫度測(cè)試紅外光通信中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)測(cè)試〔發(fā)射與中繼節(jié)點(diǎn)距離2m〕第一次第二次第三次第四次第五次第六次測(cè)量距離0.6m0.9m1.2m1.5m1.8m2.1m測(cè)試情況能能能能能能表3中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)測(cè)試五、設(shè)計(jì)總結(jié)在設(shè)計(jì)制作紅外光通信裝置的過(guò)程中，我們深切體會(huì)到，實(shí)踐是理論運(yùn)用的最好檢驗(yàn)。本次設(shè)計(jì)是對(duì)我們所學(xué)知識(shí)的一次綜合性檢測(cè)和考驗(yàn)，無(wú)論是動(dòng)手能力還是理論知識(shí)運(yùn)用能力都得到了提高，同時(shí)加深了我們對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源認(rèn)識(shí)，大大提高了查閱資料的能力和效率，使我們有充足的時(shí)間投入到電路設(shè)計(jì)當(dāng)中。紅外通信是利用紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)間的近距離保密通信和信息轉(zhuǎn)發(fā)。它一般由紅外發(fā)射和接收系統(tǒng)兩局部組成。發(fā)射系統(tǒng)對(duì)一個(gè)紅外輻射源進(jìn)行調(diào)制后發(fā)射紅外信號(hào)，而接收系統(tǒng)用光學(xué)裝置和紅外探測(cè)器進(jìn)行接收，就構(gòu)成紅外通信系統(tǒng)。本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)測(cè)試和調(diào)試方面，由于電路設(shè)計(jì)，電路連接等方面有一定的缺點(diǎn)，使得測(cè)試結(jié)果不是特別準(zhǔn)確。我們會(huì)通過(guò)優(yōu)化電路，軟件修正，做到最小誤差。附錄附錄一：STM32核心板原理圖附錄二：局部程序unsignedshortds18b20_read(void){unsignedcharTemperatureL,TemperatureH;unsignedintTemperature;DisableINT();ResetDS18B20();DS18B20WriteByte(SkipROM);DS18B20WriteByte(ReadScratchpad);TemperatureL=DS18B20ReadByte();TemperatureH=DS18B20ReadByte();ResetDS18B20();EnableINT();if(TemperatureH&0x80){TemperatureH=(~TemperatureH)|0x08;TemperatureL=~TemperatureL+1;if(TemperatureL==0)TemperatureH+=1;}TemperatureH=(TemperatureH<<4)+((TemperatureL&0xf0)>>4);TemperatureL=TempX_TAB[TemperatureL&0x0f];//bit0-bit7為小數(shù)位，bit8-bit14為整數(shù)位，bit15為正負(fù)位Temperature=TemperatureH;Temperature=(T