单片机的红外通信系统设计

科研训练题目单片机的红外通信系统设计指导教师学生姓名班级学号评语和成绩摘要本文索要介绍的内容就是如何利用单片机，结合红外线器件设计构建出一套简易的红外通信系统，以实现在中短距离内的红外无线通信的功能。与一般红外遥控器不同的是本文通过单片机的编、解码程序来实现红外信号的发收，从而实现红外遥控通信功能。此通信系统经过一定的拓展，完全可以实现通信和各种红外遥控器的功能。关键字单片机；红外通信；发射；接收；遥控；接口ABSTRACTTHISPAPERINTRODUCEDTHECONTENTOFTHATHOWTOUSEFORSCM,COMBINEDWITHTHEINFRAREDDEVICEDESIGNTOCONSTRUCTASIMPLEINFRAREDCOMMUNICATIONSYSTEM,INORDERTOREALIZETHEINFRAREDWIRELESSCOMMUNICATIONINSHORTDISTANCEWITHINTHEFUNCTIONUNLIKETHEGENERALINFRAREDREMOTECONTROLISBASEDONSINGLECHIPENCODING,DECODINGPROCESSTOACHIEVETHEINFRAREDSIGNALSENDINGANDRECEIVING,SOASTOREALIZETHEINFRAREDREMOTECONTROLFUNCTIONTHISCOMMUNICATIONSYSTEMAFTERACERTAINDEVELOPMENT,CANACHIEVECOMMUNICATIONANDVARIOUSKINDSOFINFRAREDREMOTECONTROLFUNCTIONKEYWORDSSINGLECHIPINFRAREDCOMMUNICATIONEMISSIONRECEPTIONREMOTECONTROLINTERFACE1红外线通信原理红外数据通信指的是两台设备之间通过红外线进行无线数据传输的一种数据传输方式，一般采用红外波段内的近红外线，波长在075M至25M之间。红外数据协会（IRDA）成立后，为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通信效果，将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850NM至900NM之间。红外通信的最大特点在于它替代了设备与设备之间传统的线缆连接，进而摆脱了不同平台设备连接时对于特制接口的要求，使得跨平台设备间的数据交换简单到只需彼此相对。11红外通信技术的特点它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持；通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线数据收发；主要用来取代点对点的线缆连接；新的通讯标准兼容早期的通讯标准；小角度（30以内）、短距离、点对点直线数据传输，保密性强；传输速率较高，目前4M速率的FIR技术已被广泛使用，16M速率的VFIR技术已经发布。12红外通信技术的缺点通信距离短，通讯过程中不能移动，遇障碍物通信中断；目前广泛使用的SIR标准通信速率较低（1152KBIT/S）；主要用于取代线缆连接进行无线数据传输，功能单一，扩展性差2系统的总体构成系统整体结构如图1所示21红外发射器的结构红外发射器的关键是红外发光二极管和响应的驱动电路。红外发光耳机光首先要满足其调制带宽大于信号的频谱宽度,保证通信线路畅通。此外发光二极管的发射波长应与接收端的光电探测器选用硅光二极管的峰值响应相匹配,最大程度地抑制背景杂散光干扰,现阶段一般选用780NM950NM的红外波段进行数字信号传输。由于红外无线通信系统的信噪比与发射功率的平方成正比,所以适当提高红外发射器的发射功率,并采用空间分集、全息漫射片等可使发射端的光功率在空间均匀分布的措施来降低误码率,提高通信质量。其原理图如图2所示。图21红外发射器原理框图22红外接收器的结构红外接收器先进行光电转换,将红外脉冲信号变为电信号,经过适当的频域均衡后进行码元判决,码元判决电路是接收器设计的核心部分。由于信号采用红外无线进行穿社,其电平变化范围较大,所以码元判决电路必须是自适应的。接收的信号经自适应码元判决后变成数字信号,再进行适当的解码转换为差分信号进入计算机网卡的信号输入端。红外接收器包括红外接收部分以及后续的信号采滤波、判决、量化、均衡和解码等其原理框图如图3所示。图22红外接收器原理框图3红外系统硬件电路部分的设计红外线通信主从模块所使用的单片机为C8501F350该单片机是SILICONLAB公司生产的增强型51系列单片机速度可以达到50MIPS集成有UARTIICSPIADCDAC和TIMER等功能单元电路带有PGA的8路24位ADC能够完成高精度模拟量采集路电流输出DAC用于模拟量输出异步串行接口UART用于主节点与上位机通信具有4个定时器和PCA电路用定时器产生UART时钟信号定时器4产生红外线发射的38KHZ调制脉冲信号定时器3用于红外线接收定时红外线发送通过P14引脚驱动晶体管9013实现晶体管连接的电阻R1为510R2为10红外线发射管市售的大多数产品都可以红外线接收器采用一体化接收头TOP8138只要将它的信号输出端接到单片机的P15即可红外线发射与接收电路的连接如图31所示图31C8051F350单片机的红外线发射与接收电路31红外发射电路的设计单片机通过I/O端口控制整个发射过程。其中，红外载波信号采用频率为38KHZ的方波，由PIC18F248的CCP模块的PWM功能实现，并由CCP1端口传输到三极管T2的基极。待发送到数据由单片机的TX端口以串行方式送出并驱动三极管Q1，当TX为“0”时使Q1管导通，通过Q2管采用脉宽调制PWM方式调制成38KHZ的载波信号，并由红外发射管D1以光脉冲的形式向外发送。当TX为“1”时使Q1管截止，Q2管也截止，连接Q1和Q2的两个上拉电阻R1和R3把三极管的基极拉成高电平，分别保证两个三极管可靠截止，红外发射管D1不发射红外光。因此通过待发送数据的“0”或“1”就可控制调制后两个脉冲串之间的时间间隔，即调制PWM的占空比。比如若传送数据的波特率为1200BPS，则每个数位“0”就对应32个载波脉冲调制信号。红外发射管D1采用TSAL6200红外发射二极管，其实现将电信号转变成一定频率的红外光信号，它发射一种时断时续的高频红外脉冲信号，由于脉冲串时间长度是恒定的，根据脉冲串之间的间隔大小就可以确定传输的数据是“0”还是“1”。图32红外发射电路32红外接收电路设计当接收到载波频率为38KHZ的脉冲调制信号时，首先，HS0038B内的红外敏感元件将脉冲调制红外光信号转换成电信号，再由前置放大器和自动增益控制电路进行放大处理，然后通过带通滤波器进行滤波，滤波后的信号由解调电路进行解调，最后由输出电路进行反向放大并输出低电平未接收到载波信号时，电路则输出高电平。这样就可以将断断续续的红外光信号解调成一定周期的连续方波信号，并通过单片机的串口输入单片机，由单片机处理后便可以恢复出原始数据信号。红外接收电路主要采用VISHAY公司的专用红外接收模块HS0038B。接收电路及HS0038B内部结构如下图33红外接收电路33用户接口电路的设计用户接口包括用户的输入和系统的可观察输出。在本系统中，主要指用户键盘输入与系统相关指示显示即串口通信。这是遥控控制及人机交互的平台，在通信系统里特别的重要。（1）按键输入电路；（2）考虑到用户的需要，同时考虑系统的体积限制，我们设计了关闭、编号09的数字键，共计11个控制按键。按键电路设计如图36所示。图34按键输入电路若要使用户在需要的时候能够给予及时的反馈信息，出于同样的考虑，我们还可以在每个按键的旁边设置一个指示灯，以便用户能够正确的识别按键信息。电路设计如图35所示图35指示显示电路4红外通信系统的软件设计软件的设计，要求准确无误的实现红外遥控器的控制功能，并要求系统具有高的可靠性、快的反应速度、以及低的系统功耗。本系统的控制功能主要包括发射端的键盘按键输入，按键信息的编码输出，接收端的译码显示以及报响控制等功能。下面是对红外发射与红外接收软件程序设计的具体阐述。41红外遥控发射程序该红外遥控反射器的编码原理设定为（以接收端为准）以9000US的L加4500US的H位码头（起始信号）紧接着从低到高的顺序发出8位的识别码（01001011B）,然后是4位的数据码和4位的数据反码（先低后高），最后以2000US的L结束一串编码信号；其中以565US的L加560US的H表示0，以565US的L加1685US的H表示1；注意发射与接收的电平恰好相反，即要使接收端接到L则发送H，反之亦然。这种遥控码具有以下特征采用脉宽的串行码，以脉宽位0565MS、间隔056MS、周期为1125MS的组合表示二进制的“0”；以脉宽位0565MS、间隔1685MS、周期225MS的组合表示二进制的“1”。见图41。上述“0”和“1”组成的16位二进制码经38KHZ的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射。本课题设计的遥控器产生的遥控编码是连续的16位二进制码组，其中前8位为用户识别码，能区别不同的红外遥控设备，防止不同机种遥控码互相干扰，本处采用的8位识别码设定为01001011B。后8位为4位的操作码和4位的操作反码用于核对数据是否接收准确。当遥控器上任意一个按键按下超过18MS时，单片机的振荡器使芯片激活，将发射一个特定的同步码头，对于接收端而言就是一个9MS的低电平，和一个45MS的高电平，这个同步码头可以使程序知道从这个同步码头以后可以开始接收数据。红外遥控发射程序流程图如下图43所示图43红外遥控发射程序流程图42接口驱动接口驱动程序是整个系统的关键部分,本文设计的接口电路主要功能是由单片机通过软件控制来实现,设计要达到的目标是异步半双工8位数据格式,MAX3100接口速率达到62500BPS,红外载波速率为38KHZ31，串口功能设置AT89S52内部集成了一个UART模块,支持4种工作方式,如表14所示,工作方式由位寻址寄存器SCON的SM0和SM1设定由于MAX3100的支持速率为241152KB/S,为了设定可变的波特率,我们采用工作方式1并针对T1产生的波特率,其波特率计算公式为波特率SMOD1FOSC321228X1式中,SMOD是串行通信波特率倍增位,X为TH1和TL1预置的初值,比如要得到波特率为62500BPS。单片机时钟频率为12MHZ,SMOD1,T1的初值为0FFH。代入公式1中得到的波特率为62500BPS,串口功能设置完成。AT89S52单片机内置3个16位定时器/计数器,其中,T2是一个16位的具有重载和捕获能力的定时/计数器,它的操作类型由特殊功能寄存器T2CON的C/T2位决定,C/T20时,选择T2为定时器方式,C/T21时,选择T2为计数器方式T2有3种操作方式,捕获、重载、波特率产生器,由特殊功能寄存器T2CON位决定如表2所示。43载波发生器的设置T2CON的首地址为0C8H,捕捉比较寄存器改变PWM输出信号的占空比,为了获得可变的输出频率,采用定时器2工作在16位自动重载方式,重载值为0FEBDH,由于系统时钟设为12MHZ,根据公式2,求出输出载波频率为3804KHZ输出频率系统频率/65536重载值2当PWM使能后,计数器T2载入计数初值为M开始计数计数值不断地和占空比值进行比较,经过216M个机器周期,T2溢出一次,PWM引脚输出电平翻转。计数器继续计数,直到再次溢出,此时一个周期的方波输出完成。PWM的占空比计算公式为占空比65536初值/655363本设计是占空比为50的方波,初值为8000H。44红外通信流程考虑到红外光反射的因素,在全双工方式下发送的信号可能会被本身接收,因此红外通信需采用异步半双工方式,保证发送时不接受,接收时不发送5程序流程如图44所示。图44红外通信流程图5电路的调试与测试系统的调试与测试是系统设计的必须过程，是其中一个重要的组成部分。一个稳定可靠的系统，必然是能经受系列严格的测试与考验的。对于单片机红外遥控器，为简单起见，在实际测试过程中，我们其实只需要测试硬件部分电路的收发就可以达到测试的目的了，因为在单片机应用系统中，硬件部分电路和软件控制是紧密相连的，对系统硬件电路的测试，就已经包含了对软件控制功能的测试。如果硬件尚未测试，就将软件移置到系统中进行综合测试，那将是难以想象的。因为这样，一旦出了问题，将难以判断问题究竟出在硬件系统上，还是出在软件系统上，或是两者都有问题。单片机红外遥控器硬件系统的测试可以分为目测，电气检查，简单程序的试用等三个组成部分。拿到单片机红外遥控器硬件电路板之后，首先应该目测其焊接是否规范无误，是否有余锡粘在连接线上，电路板是否严格按照设计板图进行生产。在这里，应该根据具体的问题情况给予必要的补救措施。如果检查无误，可以结束目测过程。接着应该进行电气检查。电气检查中，可以检测电路原理图中相同网络的连接点是否具有相同的逻辑电平。如果出现问题，应该根据具体情况进行原因的检查，并根据其原因进行相应的补救措施。如果最终检查无误，即可结束电路板的电气检查。