搜索
1红外光通信装置（F题）青岛大学薛帅殷凯李健摘要本套设计是一个红外光语音通信系统，该系统采用一对950nm波长红外光发光、接收管作为收发器件，实现了定向语音信号传输，无明显失真条件下传输距离可达2m，并可以实时传输发射端环境温度，在接收端数码管实时显示。音频传输模块设计采用TI的高性能锁相环芯片CD4046实现对声音信号的调制、解调，采用TI公司的高精度运放LM386进行放大、滤波，通过扬声器输出语音信号。温度模块采用STC89C52RC作为控制核心，利用DS18B20温度传感器采集温度信息，实现温度的实时采集。关键词：红外光语音信号调制解调无线通信温度显示21系统方案1.1方案比较与选择本系统主要需完成的任务是通过红外光传送连续的音频信号和变化的温度值。需要传送的音频信号频率范围为300HZ到8KHZ的音频信号，还原的信号无失真现象，温度数字信号传输时延不超过10S，且还要在接收端显示出当前温度值。题目中提到的两种信号分别为模拟信号和数字信号，这就要求我们选择总体方案，是选择模拟传输，还是数字传输方案。我们分析了三种方案：方案一：普通的数字传输方式，根据香农定理要还原原始信号每个周期至少要采集两个点，如果每个点以8位来计算的话，那么传输速率就要求最小为3.4K×8×2=54.4K，它远大于我们测试的最大传输速率5K。方案二：压缩数字传输，因为红外光的特性决定了其工作的特性，必须要有大于280uS的基波发送和不小于300uS的数据传输完的等待时间，其才能正常工作的特性。那么在数据传输区的信息量就很大，经过压缩后可以缓解信道的传输压力，但是时间还是不够用，增加了软件算法的难度。方案三：模拟量传输方式，通过简单的前级调制处理就可以把连续的音频信号传送过去，经过相应的硬件电路解调后就可以较完整的还原原始信号。整个过程简单，不需要控制系统处理就能实现信号传送，不需要单片机的参与且效果很好。综合以上三种方案，模拟通道设计相对简单，功耗小，没有使用单片机，信号传递速度快，抗干扰能力强，选择方案三。1.2单元电路的设计与比较1.2.1发射电路设计方案的论证与选择方案一：由555时基电路构成，电路简单，抗干扰能力强作用距离在10米以内。适合家用电器和小型仪器用途和开关。但是其电路中的原件不好匹配，电阻电容参数难设计。方案二：用三级管搭建功率放大电路，红外发射管的功率越大，发射距离越远。红外发送器大多是使用Ga、As等材料制成的红外发射二极管，其能够通过的LED电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大；发射强度越大，红外传输距离就越远，传输距离正比于发射强度的平方根，高频三极管可以放大流过红外二极管的电流。该方法简单实用。综合以上两种方案，稳定性更强的是方案二，所以选择方案二。1.2.2音频还原驱动喇叭方案的论证与选择因为还原出来的音频信号功率较小有时无法使喇叭发声，所以在后级需要加入功放电路。我们小组想到了两种方案。方案一：搭建Ｄ类功放的MOS桥来驱动喇叭发声，这种方式可以减少电路上的功耗损失，保证良好的音质，同时这种方案的硬件电路搭建比较困难。方案二：直接采用LM386集成功放对音频信号进行放大。这种方法简单易于实施，但是实际测试效果并不理想。综合以上两种方案，性价比更高的是方案二，所以选择方案二。31.3总体方案设计本方案采用CD4046的调制和解调将音频信号通过红外传输过去，实现音频和温度的无失真传输。1.3.1发射部分第一，通过3.5mm的音频接口线将MP3或者手机等音频播放器将音频信号采集出来，然后经过LM386音频放大芯片进行放大和滤波。第二，将放大后的芯片经过CD4046的调制转为35KHZ左右的方波信号。第三，将调制后的信号进行一级三极管功率放大，通过红外发射管发射出去。1.3.2发射部分第一，通过红外接收管将接收到的信号经过一级三极管放大，然后将信号进行CD4046的解调，还原为音频信号。第二，由于解调后的音频信号，全在零电平以上，因此通过一个LM358构成加法器将解调后的音频信号还原到零电平左右上下波动。第三，将音频信号经过LM386音频放大芯片进行放大和滤波，接到一个8欧的喇叭上。1.3.3温度部分第一，通过18b20温度传感器将温度信号采集出来，然后通过51单片机将采集到的温度信号在极短的中断音频信号的时间内传输出去。第二，在接收端通过51单片机接收温度信号，并通过数码管显示出来。图1红外光通信系统实现框图2理论分析与计算2.1通信原理分析本红外通信装置是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体。发送端将声音信号经过CD4046调制产生的35khz载波信号调制为一系列的方波信4号，通过红外发射管发射红外信号。接收端将接收到的光脉信号转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为音频信号输出。常用的有通过频率来实现信号FM调制和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制（PPM）两种方法，本装置使用的就是FM调制的方法。简而言之，红外通信的实质是对音频信号进行调制和解调，以便利用红外信道进行传输，红外通信接口是针对红外信道的调制解调器。发射系统将信号转变为信道信号并发射，包括调制、放大、滤波等。接收系统是将信息从接收到的信号中还原出来，主要包括解调、滤波等。无线通信原理就是利用无线信道进行信号的传送。载波的基波频率越高，传输的信息就越快越多，所以现在很多高速率的通信地方都会首选高频，本装置采用CD4046进制信号调制和解调，所以本装置主要是CD4046的中心频率的选择。2.2CD4046调制和解调电路的中心频率VCO的中心频率fo由图2中的VDD、R1、R2和C1的关系曲线图决定。当CD4046的供电电压为5V，R2为0时，fo与R1、C1的曲线关系如图2所示。fmin表示输入信号的最小频率，fmax表示输入信号的最大频率。当R2为∞时，锁定频率范围2fc由如下公式决定：2fc=（1/π)√2π|fmax-fmin|/(R1C1)图2f0与R1、C1的曲线关系图3电路与程序设计3.1系统的硬件图3红外发射电路5图4红外接收电路3.2程序结构与设计图5温度采集发送流程图图6温度接收显示流程图否是64测试方案与测试结果4.1语音信号测试方案及结果用MP3或者手机输入音频信号，看扬声器时都能发出声音。测试结果：出声，有微弱失真，但是仍可以清楚的辨别出原音乐。当发射端输入语音信号改为800Hz单音信号时，在8Ω电阻负载上，接收装置的输出电压有效值约为0.8V。不改变电路状态，减小发射端输入信号的幅度至0V，采用低频毫伏表（低频毫伏表为有效值显示，频率响应范围低端设置为8Hz、高端约为50KHz）测量此时接收装置输出端噪声电压，读数约为0.05V。当接收装置不能接收发射端发射的信号时，发光管闪烁指示。4.2放大器的测试方案及结果将放大器的输入端接入0.05V（最大值），1KHz的电压（使用信号源），用示波器测量输出，记录幅值。测试结果：输出峰峰值10V左右，并可调，说明放大了100倍，增益可调功能实现。4.3滤波器的测试方案及结果用信号源产生1V的不同频率的信号加到滤波器的输入端，用示波器测输出，观察幅值。测试结果：频率为200Hz及其以下时候发生较为明显的衰减，幅值约为300mv，频率大于4KHz的时候幅值降到400mv左右，中间频率的幅值没有衰减，因此带宽约为200HZ到4KHz，与要求的带快有一定的差异，但仍然可以使用。4.4红外发射和接受装置的测试及结果用信号发生器给红外发射装置输入数字信号，在接收端接受，检测接收到的信号，并与发射信号进行比较，进而验证发射和接收装置能否工作。测试结果：在保证两个发射与接收装置对准的情况下能够检测到跟输入信号几乎一致的信号，如果两个元件出现一定的角度误差，接受的信号会出现偏差。功率放大器的测试及结果：用MP3或者手机输入音频信号，看扬声器时都能发出声音。测试结果：声音信号完美传出，并且无明显失真。5设计总结本电路结构清晰，实用性强，充分利用了LM386音频放大功能和CD4046的调制和解调，把微弱的数字信号和模拟信号以红外线为载体．通过l数码管显示器，转化为人们较为直观的数字量，同时通过放音设备对传输的语音信号进行播放：该通信系统以传输速度快，干扰小，可靠性高的优势，适用多种近距离无线通信场合使用，必将有广阔的应用前景和开发市场。76参考文献[1]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京:电子工业出版社.2005[2]黄根春，周立青，张望先.全国大学生电子设计竞赛教程——基于TI器件设计方法[M].北京:电子工业出版社，2011.[3]全国大学生电子设计竞赛组委会.2011年全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京:北京理工大学出版社，2012.[4]张培仁等.十六位单片机微处理器以案例及应用[M].清华大学出版社.2003[5]李洋.现代电子设计与创新[M].中国电力出版社.2005[5]刘正.瑞萨R8C/1A.1B单片机原理和应用[M].北京：清华大学出版社，2007