红外光通信论文.doc

2013年全国大学生电子设计竞赛设计报告红外光通信装置（F题）【本科组】 目录1 系统方案比较与论证 31.1 主控器的方案设计论证 31.2 显示模块 31.3 温度传感器 31.4 数模转换器 41.5模数转换 41.6低功耗控制电路 41.6.1 掉电保护 41.6.2 低功耗设计 52 理论分析与设计 52.1 红外通信的特点 52.2 红外通信的原理 62.2.1 原理介绍 62.2.2 原理框图 62.3 红外发射装置的实现 72.3.1装置流程图 72.3.2发射机电路图 82.3.3系统硬件设计 82.4红外接收装置的实现 102.4.1装置流程图 102.4.2 接收电路图 112.4.3模块硬件设计 122.5 创新部分 132.5.1 含有中继的装置流程图 132.5.2 总流程图 133 测试方案与测试结果 143.1 声音效果的测试 143.2 传输距离的测试 143.3 数字信号和温度测试 143.3.1 温度测试 143.3.2 接收延迟的测试 143.3.3 信号电压测试 154 总结 165 参考文献 176 附件一：总电路图 187 元件清单表 19摘要系统主要由信号产生电路，红外光发射系统，红外光接收系统三个模块构成。

输入语音信号产生电路发出电信号，通过发送系统转化为光信号发送，通过接收系统接受光信号并将其转化为电信号，再通过喇叭将其重新转化为语音信号，实现红外光通信的全过程本系统核心控制器采用STC12C5A60S2单片机，通过单片机的编译码程序来实现红外信号的收发，所以需要再经过一个分压式共射电路适当放大信号，并通过红外LED发送管转化为光信号发送信号经接收管接收后，通过运放电路得到较高的输出功率，驱动喇叭发出音乐利用放大器LM386，可以得到100倍左右的增益关键字：STC12C5A60S2 编译码 LM386放大器 1 系统方案比较与论证1.1 主控器的方案设计论证方案一:采用FPGA作为系统主控器FPGA规模大，集成度高，体积小,但价格高，编程实现难度大方案二：采用现在比较通用的51系列单片机处理速度较慢，I/O资源较少，程序存储空间小方案三：采用完全兼容MCS-51的STC12C5A60S2单片机，新增两级中断优先级，多一个外中断，内置EEPROM，512B内存等速度快8-12倍, 2路PWM,抗干扰强片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件，价格便宜，应用范围广，功能强大，高速运转，低功耗，强抗静电。

片上I/O口资源丰富，拓展功能齐全结合题目的要求，STC12C5A60S2单片机的特点与实际的竞赛需求，本系统选用方案三STC12C5A60S2单片机作为主控芯片，实现整个系统的调节控制1.2 显示模块方案一：采用1602液晶屏1602是字符型液晶，显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低方案二：采用12864液晶屏其可显示汉字和字符，但是价格比较贵，且速度比1602慢方案三：采用数码管显示该方案成本低廉，显示温度明确醒目，不足的地方是电路较为复杂综合以上分析，本设计选择方案一1.3 温度传感器本系统采用的是DS18B20温度传感器其具有线路简单，体积小的特点因此用它来组成一个测温系统，只要一根通信线，就可以挂很多这样的数字温度计，十分方便，并且只要求一个端口即可实现通信，在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号在实际应用中不需要外部任何其他元器件即可实现测温1.4 数模转换器由于压力传感器输出电压信号小，所以A/D转换模块包括了前端放大电路和A/D转换器，A/D转换器我们选用16位的AD7705能够很好的达到要求的精度用π型滤波电路实现ＤＡ模拟1.5模数转换STC12C5A60S2单片机采用内部ＡＤ模块采集信号。

1.6低功耗控制电路1.6.1 掉电保护在单片机工作时，供电电源如果发生停电或瞬间停电，将会使单片机停止工作待电源恢复时，单片机重新进入复位状态，停电前RAM中的数据全部丢失，这种现象对于一些重要的单片机应用系统是不允许的在这种情况下，需要进行掉电保护处理掉电保护具体操作过程如下单片机应用系统的电压检测电路检测到电源电压下降时，触发外部中断（INT0或INT1），在中断服务子程序中将外部RAM中的有用数据送入内部RAM保存因单片机电源入口的滤波电容的储能作用，可以有足够的时间来完成中断操作备用电源自切换电路属于单片机内部电路它由两个二极管组成，当电源电压高于VPD引脚的备用电源电压时，VD1导通，VD2截止，单片机由电源供电；当电源电压降到比备用电源电压低时，二极管VD1截止，VD2导通，单片机由备用电源供电[15]备用电源只为单片机内部RAM和专用寄存器提供维持电流，这时单片机外部的全部电路因停电而停止工作，时钟电路也停止工作，CPU因无时钟也不工作当电源恢复时，备用电源还会继续供电一段时间，大约10ms，以确保外部电路达到稳定状态在结束掉电保护状态时，首要的工作是将被保护的数据从内部RAM中恢复过来。

当用户检测到一个掉电保护电路时，立即通过外部中断输入线INT0来中断单片机现行操作外部中断0服务程序将有关数据信息送入片内RAM保存，然后向P1.0写入0，P1.0输出的这个低电平触发单稳态电路MC755它输出的脉宽取决于R、C的数值及VCC是否以掉电如果当单稳态定时输出后，若VCC仍然存在，这是一个假掉电报警，并从复位开始重新操作；若VCC已掉电，则断电期间由单稳态电路给RESET/VPD供电，维持片内RAM处于“饿电流”供电状态保存信息，一直维持到VCC恢复为止1.6.2 低功耗设计在很多情况下，单片机要工作在供电困难的场合，如野外、井下和空中，对于便携式仪器要求用电池供电，这时都希望单片机应用系统能低供耗运行以CMOS工艺制造的单片机提供了空闲工作方式空闲工作方式（通常也指待机工作方式）是指CPU在不需要执行程序时停止工作，以取代不停的执行空操作或原地踏步等待操作，达到减小功耗的目的空闲工作方式是通过设置电源控制寄存器PCON中的IDL位来实现的用软件将IDL位置1，系统进入空闲工作方式这时，送往CPU的时钟被封锁，CPU停止工作，但中断控制电路、定时/计数器和串行接口继续工作，CPU内部状态如堆栈指针SP、程序计数器PC、程序状态寄存器PSW、累加器ACC及其他寄存器的状态被完全保留下来。

在空闲工作方式下，单片机消耗的电流由正常的24mA将为3mA单片机退出空闲状态有如下两种方法第一种是中断退出由于空闲方式下，中断系统还在工作，所以任何中断的响应都可以使IDL位由硬件清零，而退出空闲方式下，单片机就进入中断服务程序第二种是硬件复位退出复位时，各个专用寄存器都恢复默认状态，电源控制寄存器PCON也不例外，复位使IDL清零，退出空闲工作方式单片机掉电保护也是一种节电工作方式，它和空闲工作方式一起构成了低功耗工作方式一旦用户检测到掉电发生，在VCC下降之前写一个字节到PCON，使 PD=1，单片机进入掉电方式在这种方式下，片内震荡器被封锁，一切功能都停止，只有片内RAM00H—7FH单元的内容被保留在掉电方式下，Vcc可降至2V，使片内RAM处于50微安左右的“饿电流”供电状态，以最小的耗电保存信息，Vcc恢复正常之前，2 理论分析与设计2.1 红外通信的特点（1）红外线是人体肉眼不可见的光线，保密性强，选用它作为信息载体，装置工作时不存在视觉污染，对人体没有伤害2）传播范围不受限制，不存在频率干扰问题，与无线电波方式相比，不必就频率资源向有关部门进行申请和登记，易于实施3）具有良好的指向性，当传送设备和红外接收端口排成直线，角度不超过15度得时候，红外装置运行效果最好。

4）由于红外线波长较长所以其穿透能力较弱，不能穿过人体和和物体，在进行传输时不能阻断光路5）目前产生和接受红外线的技术已经比较成熟，元器件体积小，成本低6）红外线由于其传输介质是大气，所以其再传播时的衰减系数较小，可以保证信号的有效传送7） 红外通信系统有着制作简单，易于产生和调制的优势2.2 红外通信的原理2.2.1 原理介绍系统主要由信号产生电路，红外光发射系统，红外光接收系统三个模块构成，利用波长950nm的近红外波段的红外线作为信息的载体，由音乐芯片构成的信号产生电路发出电信号，通过发送系统转化为光信号发送，通过接收系统接受光信号并将其转化为电信号，再通过喇叭将其重新转化为语音信号，实现红外光通信的全过程 信号经接收管接收后，通过运放电路得到较高的输出功率，驱动喇叭发出音乐芯片的音乐利用放大器LM386，可以得到100倍左右的增益，驱动喇叭得到所需功率简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器2.2.2 原理框图语音信号编码放大调制驱动红外发射红外接收前置放大解调解码驱动耳机发射装置接收装置图1 总原理框图2.3 红外发射装置的实现2.3.1装置流程图音频信号预放大电路调制红外线二极管发射图2 发射装置流程图2.3.2发射机电路图图3 发射机电路图发射机电路包括：①锁相环集成电路CD4046构成的频率调制电路。

②红外发射二极管D1～D3构成的红外发射电路2.3.3系统硬件设计（1）前置放大红外线发射器发出的红外线指令信号，首先由红外线接收器件构成的光电转换器，转换为电信号由于电信号非常微弱，要通过前置放大器放大到一定幅度后，才能送信号处理电路进行处理红外线通信的工作频率不高前置放大器可以采用低频放大器，但要求放大器要有较高的电压增益(一般大于60dB)和良好稳定性2）频率解调器频率解调器的作用是将调频信号还原出音频信号在红外线通信系统中，频率解调器大多采用锁相环构成由锁相环路构成约频率解调器的原理可由图4来说明压控振荡器相位比较器 低通滤波器图4 锁相环频率解调器原理框图（3）驱动电路经调制输出脉冲信号，要经过发射驱动电路来驱动红外发光二极管，才能发出红外线信号对于频率调制红外线通信电路，其驱动信号为调频脉冲，红外发光二极管不需设置静态偏置电流在本系统中驱动电路非常简单，是由一只或两只晶体三极管构成4)调制电路本方案采用数字锁相环CD4046实现调制功能CD4046是美国RCA公司产品，相同的产品有CC4046,5GI 4046、MCl4046等图5是CD4046的内部框图它含有两个相位比较器PCI和PC II，PCI要求输入信号为方波，PCII则无此要求。

另外．还有一个压控(频率)振荡器VCO在两个相位比较器的输入端有一个前置放大器，可把100mv的微弱信号变为满电平的方波脉冲A2是低通滤波器输出缓冲放大器图5 CD4046内部框图CD4046的详细工作原理：当输入端14脚输入信号的频率与CD4046的VCO的中心。