红外光通信装置设计报告分解

2013年全国大学生电子设计竞赛红外光通信装置设计报告（F题）【本科组】2013年9月7日1目录一、前言..............................................................................................1二、系统方案设计………...………………………………………….2（一）设计原理……………………..……………………………………………21、红外红外线的特点…………………………………………………….…….22、红外线发射和接收…………………………………………………………..2（二）设计方案……………………..……………………………………………3整体方案图……………………………………………………………..……3（三）单元电路设计………………..……………………………………………41、发射端………......………………………………………………..……….…4（1）音频发射端电路图………………………………………..…………4（2）数字信号发射端…………………………………………..…………4（3）发射部分用到的元器件及其相关参数……………………..………52、接收端…………….....……………………………………………………....5三、红外通信接口的硬件电路设计....................................................51、红外发送器………....………………………………………………………62、NE555时基电路芯片…....…………………………………….....................63、红外发射二极管………....…………………………………………………7四、调试与测试………………...………………………………….…81、红外发射模块通信的调试与测试………...…......…………………......….82、红外接收模块通信的调试与测试……………....……………..………..…8五、系统软件设计……………...…………………………….………8系统软件设计整体流程图…………………....………………….………...8六、测试方案与测试结果....................................................................11（一）测试方案..................................................................................................11（二）测试条件与仪器.....................................................................................11（三）测试结果..................................................................................................11七、结语………………………...……………………………………11八、参考文献……..……………...……………………………….…..11九、附录………………………...……………………………………121、程序............................................................................................................122、系统结构原理图........................................................................................132红外光通信装置设计报告（F题）一、前言本设计利用已学电路知识，将电路分成红外发射模块、红外接收模块、环境温度传输模块三个模块，完成了红外光通信收发系统设计，以话筒为输入信号，由发送电路调试后，再由输入电路的红外接收管接收，经由（LM-386）放大，高通滤波器过滤后，在喇叭（耳机）中听到输入的语音。关键词：红外通信；发射；接收；温感；Thedesignusedtheknowledgeofcircuit,andithasbeendividedintothreepartsasinfraredemissioncircuitmodule,theinfraredreceivingmodule,andtemperaturetransmissionmodule,thenwecompletedthedesignofinfraredcommunicationtransceiversystem,weusedmicrophonetoinputsignal,thedebuggingbysendingcircuitandthenreceivedbytheinputcircuitsofinfraredreceivingtube,via(LM-386)amplifier,filterhigh-passfilter,Iwecouldheardavoiceinputinthehorn(headphones).3二、系统方案设计（一）设计原理1、红外红外线的特点人的眼睛能看到的可见光，若按波长排列，依次（从长到短）为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。红光的波长范围为0.62μm～0.76μm，比红光波长还长的光叫红外线。红外线遥控器就是利用波长0.76μm～1.5μm之间的近红外线来传送控制信号的。红外线的特点是不干扰其他电器设备工作，也不会影响周边环境。电路调试简单，等优点。2、红外线发射和接收人们见到的红外遥控系统分为发射和接收两部分。发射部分的发射元件为红外发光二极管，常用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右，外形与普通φ5mm发光二极管相同，只是颜色不同。一般有透明、黑色和深蓝色等三种。接收电路的红外接收管是一种光敏二极管，使用时要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作而获得高的灵敏度。由于红外发光二极管的发射功率较小，红外接收二极管收到的信号较弱，所以接收端要增加高增益放大电路。（二）设计方案整体方案图音频信号红外转发器有发射和接收两部分构成，发射和接收部分均由12V稳压电源供电。发射部分：音频信号经过鉴频后的伴音信号经过三极管VT放大后推送到红外发射管由于发射管的发射强度与通过其电流成正比，所以，红外管便收到了音频信号的调制。为了增加传输距离，使用两个红外管并设置一定的偏置。接收部分：红外线接收管被音频信号调制的红外光照射到时，在其两端产生音频信号输入三极管放大电路红外发射管红外接受管音频放大集成电路音频信号输出图1总体框图4一个与音频信号变化规律相同的电信号，经电容耦合至一块音频放大集成电路LM386，进行放大，并将信号传至扩音器。（三）单元电路设计1、发射端（1）音频发射端电路图当信号加在图2中的信号输入时，经耦合电容C1（10μ）的隔直作用后会在三极管的基极加上一组和音频信号一样变化的电流，在由其的放大作用，驱动两红外发光管。使其对音频信号的幅度大小同步调制，转变为红外信号发送出去。由于每只红外发光管的正向压降均为1.15V，发射功率都小于100mW，将两只红外管进行串联的目的在于提高红外线的发射功率。此外，由于红外发光管的辐射角度有限，因此在设计电路板时需将作用区有叠加地排列。（2）数字信号发射端图2发射端电路图5发射机部分主要是NE555与外围元件构成频率为38K，占空比约为30%的振荡器，振荡信号经3脚输出加载至q1基极，由q1驱动红外线发光二极管LED1。（3）发射部分用到的元器件及其相关参数耦合电容C1(10uF)电阻R1(43K)电阻R2(13K)电阻R3*(5K)三极管VT8050发射管VD1和VD2注：三极管VT应选用8050中功率管，PCM=300mW,ICM=500mA；R2的功率不小于1/4W；因为调试时是要求三极管VT的静态电流为30mA左右的，则R1应选用可调电阻；红外发射管的辐射角一般在60度左右，所以安装时要使它们的辐射有一部分重迭。所以安装时要使它们的辐射有一部分重迭2、接收端（1）接收电路图图3最佳接收区示意图6接收器由光电转换、电源、耳机插孔及音频放大器四大部分组成，接收器电路如图4所示。经调制的红外信号首先被红外光敏管接收并转换为变化规律和音频信号相同的电信号，相当于经过耦合电容C2隔直作用后，再由LM386放大后再由路解调并还原为音频信号。三、红外通信接口的硬件电路设计单片机本身并不具备红外通信接口，但可以利用单片机的串行接口与片外的红外发射和接收电路，组成一个应用于单片机系统的红外串行通信接口，如图3所示图4接收端电路图7图3红外串行通信接口原理图1、红外发送器红外发送器电路包括脉冲振荡器、驱动管Q1和Q2、红外发射管D1和D2等部分。其中脉冲振荡器由NE555定时器、电阻（R1、R2）和电容（C1、C2）组成，用以产生38kHz的脉冲序列作为载波信号；红外发射管D1和D2向外发射950nm的红外光束。红外发送器的工作原理为：串行数据由单片机的串行输出端TXD送出并驱动T1管，数位“0”使Q2管导通，通过Q1管调制成38kHz的载波信号，并利用两个红外发射管D1和D2以光脉冲的形式向外发送。数位“1”使Q1、Q2管截止，红外发射管D1和D2不发射红外光。若传送速率设为1200b/s，则每个数位“0”对应32个载波脉冲调制信号的时序，如图4所示。差分信号输入线路接收编码调制差分驱动红外脉冲输出图4红外发射器原理框图2、NE555时基电路芯片NE555时基电路封形式有两种，一是DIP双列直插8脚封装，另一种是SOP-8小型（SMD）封装形式。其他HA17555、LM555、CA555分属不同的公司生产的产8品。内部结构和工作原理都相同。NE555属于CMOS工艺制造，下面我们将对其进行介绍。图2.8是它的内部等效电路。NE555的内部中心电路是三极管Q15和Q17加正反馈组成的RS触发器。输入控制端有直接复位Reset端，通过比较器A1，复位控制端的TH、比较器A2置位控制的T。输出端为F，另外还有集电极开路的放电管DIS。它们控制的优先权是R、T、TH。利用NE555可以组成相当多的应用电路，甚至多达数百种应用电路，在各类书刊中均有介绍，例如家用电器控制装置、门铃、报警器、信号发生器、电路检测仪器、元器件测量仪、定时器、压频转换电路、电源应用电路、自动控制装置及其它应用电路都有着广泛的应用，这是因为NE555巧妙地将模拟电路和数字电路结合在一起的缘故。图6NE555内部方框图3、红外发射二极管红外发射二极管是红外通信系统中用来发射信号的一个非常重要的元件，虽然它看起来比较小，不太显眼，但是没有它，红外通信就只能是一句空话。它是实现红外通信的桥梁，其重要性就好像灯泡在照明系统中的重要性一样，是整个红外通信系统的焦点。常用的红外发光二极管（如SE303·PH303），其外形和发光二极管LED相似，发出红外光（近红外线约0.93μm）。管压降约1.4V，工作电流一般小于20mA。为了适应不同的工作电压，回路中常串有限流电阻。发射红外线去控制相应的受控装置时，其控制的距离与发射功率成正比。为了增加红外线的控制距离，红外发光二极管工作于脉冲状态，因为脉动光（调制光）的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，只需尽量提高峰值IP，就能增加红外光的发射距离。提高IP的方法，是减小脉冲占空比，即压缩脉冲的宽度T，一些彩电红外遥控器，其红外发光管的工作脉冲占空比约为1/4~1/3；一些电气产品红外遥控器，其占空比是1/10。减小冲占空比还可使小功率红外发光二极管的发射距离大大增加。常见的红外发光二极管，其功率分为小功率（1mW~10mW）、中功率(20mW~50m