电子设计大赛F题红外通信

电子设计大赛F题红外

通信

公司标准化编码[QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]

2013年全国大学生电子设计竞赛

红外光通信装置（F题）

2013年9月7日

摘要

设计红外通信收发系统，该系统由信号产生模块、红外光发送模块和红外

光接收模块三部分构成，实现对信号的产生、发送、接收以及实现对信号的功

率放大。掌握系统的原理，用Altiumdesigner软件绘制原理图并生成PCB

板，然后实际操作搭建电路板。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，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。首先主

要用LM386芯片构成音乐产生电路，发出电信号，由于发出的信号比较微弱，

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LED红外发送管转

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，

驱动喇叭发出音乐芯片的音乐。利用放大器LM386、AD623、AD8608可以得到

200的增益，驱动喇叭得到所需功率。

Abstract

Designofinfraredcommunicationtransceiversystem,thesystem

module,theinfraredlightgeneratedbythesignalofsendingmodule

andinfraredreceivingmodule,realizethesignalproducing,sending,

receiving,andrealizethesignalofpoweramplifier.Theprinciple

ofcontrolsystem,withAltiumdesignersoftwaremapprincipleand

generatethePCB,andthenpracticalbuildingcircuitboards.System

ismainlycomposedofsignalgenerationcircuit,infraredlaunch

system,theinfraredreceivingsystemthreemodules,whichcomposed

themusicchipissueelectricalsignalcircuit,bysendingsystemis

convertedintoopticalsignalstosend,receivelightsignalsby

receivingsystemandconvertitintoelectricalsignals,then

convertittospeechsignalovertheloudspeaker,realizethewhole

processofinfraredcommunication.FirstmainlywithLM386circuit

chipmusic,sendelectricalsignals,becausethesignalsarefaint,

soneedtopassapartialpressuretyperadioappropriateamplified

signals,andthroughtheLEDinfraredtransmittingtubeintothe

lightsignaltransmission.Signalafterreceivingtube,highoutput

powerisobtainedbyop-ampcircuit,drivethehornmusicchipmusic.

UsingamplifierLM386,AD623,AD8608cangetthegainof200,and

drivethehorntogettherequiredpower.

目录

1系统方

案....................................................................

......................................................................................................4

发射管的论证与选择

•••••••••••••••••••••a•4

输入端运放的论证与选

择....................................................................

.........................4

信号传输的论证与选

择....................................................................

...................................4

功率放大器的论证与选

择.....................................6

温度信号的获取与传输...........................................6

显示模块........................................................6

2系统理论分析与计算

...............................................................................................6

语音信号的放大与接受......................................…….6

温度信号的接受..............................................6

传输距离的测试..............................................6

3电路与程序设计

...................................................................................................…6

电路的设计....................................................6

发射电路设计...............................................6

接受电路设计...............................................7

小灯指示电路设计............................................7

喇叭驱动电路设计

..............................................................................…•….8

中继节点电路设计............................................8

稳压电源电路设计............................................8

程序的设

计..................................................9

程序功能描述与设计思路......................................9

程序流程图

.............................................................................................9

程序代码......................................................10

4测试方案与测试结果

.......................................10

测试方案....................................................-.10

测试条件与仪器...........................................10

测试结果及分析...........................................10

5总

结.........................................................11

附录1：电路原理

图....................................................12

附录2：源程序

................................................13

红外光通信装置（F题）

1、系统方案论证：

总体系统由信号产生电路、红外光发射系统、红外光接收系统三个模块构

成，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，通过接收系统接收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。

发射管的选择

我们有两种选择：

（1）普通红外发射管：普通红外发射管具有价格低，功耗小的优点，但传输

距离较近，只能达到几十厘米。

普通红外发射管的改进：

①磨头：经过我们的人量实验发现，普通红外发射管的顶端具有聚光的功

能，接收端不易对正，影响调试，把聚光头磨平，使接收管容易接收；

②发射管串联：我们实验了2个发射管串联的方法，可扩大接收范围，增

加传输距离。

（2）大功率发射管：大功率管的性价比很高，具有传输距离远的特点。实测

传输正弦波距离能够达到2m,幅值可达儿百毫伏。

综上所述，我们决定选用大功率发射管。

.输入端运放的选择方面，我们有两种选择：

(1)LM124：可以双电源供电(±15V)或单电源供电，带宽为1MHz,理论上

满足声音信号的放大要求。

(2)AD623：其为仪表放大器，单电源供电，轨到轨输出，带宽为800KHZ,

且其自带参考电压，放大倍数方便调节。

考虑中继装置要求为5v供电，所以整个系统均使用5V供电，因此确定使

用AD623作为放大电路。

.信号传输方法的选择

我们有两种方案：

方案1：语音信号输入后，经运放放大，到A/D转换器转换为数字信号，接驱

动电路将信号发出；接收端接收数字信号，进入单片机并控制D/A还原为语言

信号，最后通过功放输出。原理框图如图1所示。

流程图：

图1方案一原理框图

本方案存在的缺点：

使用单片机、A/D、D/A等器件，控制复杂；数据通过标准异步串行协议

传输，若声音信号的频率为，按最小2倍采样率，采用异步串行传输的最小频

率为68KHz,实测传输频率的增加会使信号迅速衰减，难以达到传输的距离。

方案2：直接传输模拟信号。语音信号经过放大后驱动红外发光管发射模拟信

号，接收端接收信号并经过功放驱动喇叭。原理框图如图2所示。

流程图:

图2方案二原理框图

红外发射管可工作在线性工作区或非线性工作区，本方案选择直接传输模

拟信号，因此必须工作在红外发光二极管的线性区域，具体如图3所示。

图3红外发光二极管的线性工作区

通过上述分析，本方案原理简单，使用器件少、成本低、且实现容易，因

此选择方案2。

功率放大器的选择

对于功率放大器我们选择了LM386,因为它是专为低损耗电源所设计的功率放

大器集成电路无动作时仅消耗4mA电流，且失真低，我们用它来驱动喇叭工

作。

温度信号的获取及传输：

温度传感器采用目前使用最多的的DS18B20温度传感潜，该传感器具有精度

高，功耗小，采用STC89c52单片机采集温度，将16位温度信号转换成10HZ的

脉冲信号传输时采将其与20KHz的高频信号进行调制加载到语音信号上一起传

输。

显小模块：

本作品采用OLED屏幕进行显示

2、理论计算与分析

语音信号的放大及接收

经实测，语音信号的幅值为-200〜+200mv,根据输入信号的具体幅值，我们选

择10〜20倍的放大，这样接收端才能够有效接收信号。由于AD623的驱动电

流比较小，无法驱动发射管，所以先经过AD623做了一级电压跟随，再经过运

放AD8608放大，以保证发射管能够有效发射。

温度信号的接收

温度信号为101IZ的低频信号，语音信号频率范围300Hz二为了将温度信号发送

过去并且和语音信号分离开，先将温度信号与20KHz的脉冲波进行调制，再用

与门电路将其与语音信号混合，一起传到发射端。

传输距离的测试

方案一：采用单个普通红外发射管传输，实验时很难达到对齐，最好测试距离

30cm.

方案二：将一个普通二极管聚光头磨平，降低了对正的要求，但传输距离下降

到20cm.；

方案三：一个大功率红外发射管，传输距离达到3m,波形无明显失真。

3、电路与程序设计

电路设计：

发射电路设计

耳机接口电压盘随运放

图4发射电路图设I-

接收电路设计

电压心箍运依

0WVT4

■2QVT4

eo

HMteS

OUTPVD

指示灯

IGKQ

图5接收电路设计

小灯指示电路设计

图6小灯指示电路设计图

单阈值电压比较器:Vs>0,Vo=-Vom；Vs<0,Vo=Vom0

喇叭驱动电路设计

下面是LM386的原理图：

R1=O放大倍数为200倍

CI

GND

图7LM386原理图

中继节点电路设计

图8中继节点电路设广图

5V稳压电路设计图

5V电源

图95v稳压电路设计图

程序的设计

程序功能描述与设计思路

测量距离使用STC89c52作为主控简单，易实现；超声波模块使用HC-

SR04

探测距离范围：4亳米〜4米，误差4%,足够实现木题目中的测量要求。

程序流程图

程序代码：附录二

4、测试方案与测试结果

测试方案

发送端测试。

给发送端输入加峰峰值为lOOmV,频率为的正弦波，测试其输出端的放大

倍数及偏置电压（也即确定发光二极管线性区的基准点）。

接收端测试

测试接收端的输入，观察示波器的波形是否有明显失真，如有失真，调整

发射端的偏置电压及放大倍数至波形正常：测试接收端输出的正弦波的波形是

否正常。

传输距离测试

发送模块和接收模块距离保持2m,给发送端接入正弦波信号，给发送

端、接收端加电，测试接收端输出正弦波的幅值及失真情况。

语音传输测试

发送模块和接收模块距离保持1m,给发送端接入语言信号（MP3音乐），

给发送端、接收端加电，听扬声器音乐是否正常；逐渐增加传输距离至2m,

听扬声器音乐是否正常。

中继装置测试

发送模块和中继模块距离保持，中继改变90度后与接收端保持,输入音

频信号，给发射端、中继节点、接收端供电，听扬声器音乐是否正常；逐渐增

加中继节点与接收端距离至两米，听扬声器音乐是否正常；逐渐增加发射端与

中继节点距离至2m,听扬声器音乐是否正常。

所用元器件与测试元件清单

电路元器件测试仪器

集成运算放大器LM386直流稳压电源

ADG23函数发生器

AD8606万用表

发光管、接收管示波器

可变电阻

电阻电容若干

大功率管

二极管若干

测试结果及分析

可以定向语音信号2nl无明显失真

语音信号红外光

—►红外发射装置

2m

输入的信号

结果：2m之内无明显失真

输入语音信号改为800Hz单音信号时:

发射语音信号频率(Hz)接受装置的输出电压

8002V

射端输入信号的幅度至0V，此时接收装置输出端噪声电压为25mvo

收装置不能接收发射端信号时有灯闪烁。

红外光通信中继转发节点，可以改变通信方向90。并且延长通信距离2

「-----中继转发节点

=ic-----------

woovF

最小电流为20mAo

测距我们采用超声波模块和STC89C52测距

5、总结

通过这次实验，实现了一个简单的红外通信的发送和接收装置。

按题目要求测试数据：

实现传输距离为：2m内无明显失真

当输入频率为800Hz时，电压为：2v

噪声电压：20mV

当方向改变90°时，通信距离为：2m内无明显失真

中继节点电流20niA

超声波测距

附录1：电路原理图

发射电路:

接收电路:

0席0*券*

5—

目

中继转发节点

附录2：源程序

超声波测距源程序:

^include<>

^include<>

#defineRXPl_l

^defineTXP1_O

^defineLCM_RSP2_0

ftdefineLCM_RWP2_l

^defineLCM_EP2_2

^defineLCM_DataPO

ttdefineBusy0x80

voidLCMInit(void);

voidDisp1ayOneChar(unsignedcharX,unsignedcharY,unsignedchar

DData);

voidDisplayListChar(unsignedcharX,unsignedcharY,unsigned

charcode*DData);

voidDelay5Ms(void);

voidDelay400Ms(void);

voidDecode(unsignedcharScanCode);

voidWriteDataLCM(unsignedcharWDLCM);

voidWriteCommandLCM(unsignedcharWCLCM,BuysC);

unsignedcharReadDataLCM(void);

unsignedcharReadStatusLCM(void);

unsignedcharcodeyz[]=r"};

unsignedcharcodetel[]={"tel:"};

unsignedcharcodeCls[]={〃〃}；

unsignedcharcodeASCII[15]=

｛，0,,T，,，2,,，3,,，4,,，5,,，6,,，7,,，8,,，9,,，.，,，」，，M，｝;

staticunsignedcharDisNum=0;

unsignedinttime=0;

unsignedlongS=0;

bitflag=0;

unsignedchardisbuff[4]={0,0,0,0,}；

voidWriteDataLCM(unsignedcharWDLCM)

ReadStatusLCM();

LCM_Data=WDLCM;

LCM_RS=1;

LCM_RW=0;

LCM_E=0;

LCM_E=0;

LCM_E=1;

)

voidWriteCommandLCM(unsignedcharWCLCM,BuysC)

(

if(BuysC)ReadStatusLCM();

LCM_Data=WCLCM;

LCM_RS=0;

LCM_RW=0;

LCM_E=0;

LCM_E=0;

LCM_E=1;

)

unsignedcharReadDataLCM(void)

(

LCM_RS=1;

LCM_RW=1;

LCM_E=0;

LCM_E=0;

LCM_E=1;

return(LCM_Dara);

)

unsignedcharReadStatusLCM(void)

(

LCM_Data=OxFF;

LCM_RS=0;

LCM_RW=1;

LCM_E=0;

LCM_E=0;

LCM_E=1;

while(LCM_Dara&Busy);

return(LCM_Data);

)

voidLCMInit(void)

LCM_Data=0;

WriteCommandLCM(0x38,0);

Delay5Ms();

WriteCommandLCM(0x38,1);

WriteCommandLCM(0x08,1);

WriteCommandLCM(0x01,1);

WriteCommandLCM(0x06,1):

WriteCommandLCM(0x0C,1);

)

voidDisp1ayOneChar(unsignedcharX,unsignedcharY,unsignedchar

DData)

(

Y&=0x1;

X&=OxF;

if(Y)X|=0x40;

X|=0x80;

WriteCommandLCM(X,1);

WriteDataLCM(DData);

)

voidDisplayListChar(unsignedcharX,unsignedcharY,unsigned

charcode*DData)

(

unsignedcharListLength;

ListLength=0;

Y&=0x1;

X&=OxF;

while(DData[ListLength]>0x19)

(

if(X<=OxF)

(

DisplayOneChar(X,Y,

DData[ListLength]);

ListLength++;

X++;

)

}

)

voidDelay5Ms(void)

(

unsignedintTempCyc=5552;

while(TempCyc—);

)

voidDelay400Ms(void)

(

unsignedcharTempCycA=10;

unsignedintTempCycB;

while(TempCycA―)

(

TempCycB=7269;

while(TempCycB—);

)；

)

*/

voidConut(void)

(

time=TH0*256+TL0;

TH0=0;

TL0=0;

S=(time*/100;

if((S>=700)||flag==l)

(

flag=0;

DisplayOneChar(0,1,ASCIIE1U);

DisplayOneChar(1,1,ASCII[10]);

DisplayOneChar(2,1,ASCIItll]);

DisplayOneChar(3,1,ASCIItll]);

DisplayOneChar(4,1,ASCII[12]);

)

disbuff[0]=S%1000/100;

disbuff[l]=S%1000%100/10;

disbuff[2]=S%1000%10%10;

DisplayOneChar(0,1,ASCII[disbuff[0]]