2024年全国高校生电子设计竞赛红外光通信装置（F题 ）

2024年全国高校生电子设计竞赛

红外光通信装置（F题）

【本科组】

O0Q

2024年9月7日

摘要：随着科技的进步，无线电通信技术得到了前所未有的发展，而红外无线

数据通信相对于无线电数据通信具有低功耗、低价格、低电磁干扰、高保密性等

优点，目前发展迅猛，尤其在近距离无线数据通信中得到了广泛的应用.尤其是

随着编码调制技术的发展，红外无线数据通信的数据速率越来越高，成为很多移

动设备、室内办公设备以及手持设备无线数据通信的一个重要途径。本系统通过

红外光通信装置将语音信号和环境温度无线传输出来，接收端口显示温度并将语

音信号从耳机传出。环境温度由STM32单片机检测，语音信号和数字信号能同时

传输。

关键词：红外光通信，无线传输，STM32单片机

Abstract：Withtheadvancementoftechnology,wirelesscommunication

technologyhasbeenanunprecedenteddevelopment,andinfraredwireless

datacommunicationsrelativetotheradiodatacommunicationwithlow

powerconsumption,lowprice,lowelectromagneticinterference,high

security,etc.,iscurrentlydevelopingrapidly,especiallyininthe

short-rangewirelessdatacommunicationhasboonwidelyused.Especially

withthecodingandmodulationtechnology,infraredwirelessdata

communicationsincreasinglyhighdatarates,asmanymobiledevices,

officeequipment,andhandhelddevicesindoorwirelessdatacommunication

isanimportantway.Thesystemcommunicationdeviceviainfraredlight

andambienttemperaturevoicesignalwirelesstransmissionout,the

receivingpoxIdisplayluiiipuxalureandoutgoingvoicesignalfromthe

headphones.TheambienttemperaturedetectedbytheSTM32MCU,voice

signalsanddigitalsignalscanbetransmittedsimultaneously.

Keywords：infraredopticalcommunications,wirelesstransmission,

STM32microcontroller

2024年四川省电子设计竞赛设计报告

目录

一、方案比较及论证....................................................0

1.1限制器的选择与论证..........................................0

1.2功率放大器的选择与论证......................................0

1.3显示模块的选择与论证........................................0

二、系统理论分析与封算...............................................1

2.1系统整体设计................................................1

2.2系统工作原理................................................1

三、电路设计..........................................................2

3.1红外放射电踊................................................2

3.2红外接收电路.................................................3

3.3功率放大器电路..............................................4

3.4电源模块电路.................................................4

四、系统测试方案与测试结果...........................................5

4.1测试方案....................................................5

4.2测试条件与仪器..............................................5

4.3测试结果及分析..............................................5

4.3.1接收装置能否接收发送的信号.............................5

4.3.2检测环境温度能否传送..............................6

4.3.3红外光通信中继转发节点测试（放射与中继节点距离2m）...6

五、设计总结..........................................................6

附录..................................................................8

附录一：STM32核心板原理图........................................8

附录二：部分程序..................................................9

附录三：实物图...................................................10

参考文献............................................................11

2024年四川省电子设计竞赛设计报告

红外光通信装置(F题)

【本科组】

一、方案比较及论证

1.1限制器的选择与论证

方案一：采纳STM32F103,STM32F103价格便宜,应用范围广，功能强大,

处理速度快，抗静电抗干扰强，低功耗，内部集成7个定时器，2个12位ADC,9

个通信接口。

方案二：采纳LM3s8962,LM3s8962价格较便宜，应用范围广，功能强大，

处理速度快，抗静电抗干扰强，低功耗，内部集成8个定时器，1个10位ADC,

3个通信接口。

方案三：采纳STC89c51,STC89c51价格便宜，应用范围广，功能较强大，

处理速度慢，抗静电抗干扰弱，内部无ADC。

方案比较：鉴于设计要求，须要工作速度快，功能强大，低功耗，ADC采样

精度高，以及成本综合考虑。故选方案一。

1.2功率放大器的选择与论证

方案一：采纳晶体管分别元件组合成多级放大电路，成本低，但难于调试。

方案二：采纳NE5532,它具有很好的噪声性能，优良的输出驱动实力及相

当高的小信号带宽，电源电压范围大，但必须要双电源供电，不利于电路的设计

以及功耗的降低。

方案三：采纳TDA2822,具有电路简洁、音质好、电压范围宽等特点，可工

作于立体声以及桥式放大(BTL)的电路形式下。而且仅需5V单电源供电，功耗更

低。

方案比较：依据要求，需功耗低，电源要求不高的功放。故选方案三。

1.3显示模块的选择与论证

方案一：采纳数码管显示。数码管具有接线简洁，成本低廉，配置简洁敏捷,

编程简洁，对外界环境要求较低，易于维护等特点。但是，考虑到一般数码管能

够显示的信息量有限，并且一般状况下要显示较多的信息所占用的系统I/O资源

较多。

方案二：用12864LCD显示，LCD是点阵式的显示，可以有汉字、数字、波

o

2024年四川省电子设计竞赛设计报告

形等多种方式显示，敏捷性大，显示信息量大，字迹美观，视觉舒适，且同一界

面可以同时显示电压、电流、功率等多种参数。

经比较，故选用方案二进行设计。

二、系统理论分析与计算

2.1系统整体设计____________________________________

电源供电5V

|电源供电5V

图1系统整体框图

2.2系统工作原理

红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信

道。发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外放射管放射

红外信号。接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送

给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。

语音和音乐等所产生的电信号和其他低频电信号一样，一般不干脆进行远距

离传输，而是经过放大后对放射机的高频振荡进行调制，然后将此携带有低频信

号的高频已调制信号，通过肯定的媒介传输出去。

本系统利用语音信号模拟实现最基本的红外收发通信系统由音乐集成电路，

放射系统，接收系统三部分构成。音乐集成电路发出电信号，通过放射系统转化

1

2024年四川省电子设计竞赛设计报告

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。

由于要同时发送语音信号和温度数字信号。接受端接收的信号不能很好的被

识别。所以这里我们将数字信号部分采纳NEC传输协议，一-帧数据由引导码、地

址码+地址码的反码、吩咐码+吩咐码的反码组成。其特点有完整放射两次地址码

和吩咐码，以提高牢靠性；脉冲时间长短调制方式；38KHz载波频率；地址码

是8位，吩咐码是8位；

引导码是9ms高电平+4.5ms低电平长度的38K载波；逻辑位1是0.56ms高电平

+1.68ms低电平长度的38K载波；逻辑位0是0.56ms高电平+0.56ms低电平长度

的38K载波。

三、电路设计

3.1红外放射电路

图2红外放射及语音编码原理图

该电路图可通过编码器把语音信号转化成数字信号，再通过红外放射U放射

2

2024年四川省电子设计竞赛设计报告

出去。

3.2红外接收电路

7c03

图3数字信号转模拟信号及红外接收原理图

该电路可以把红外接收到的数字信号还原成语音信号。

3

2024年四川省电子设计竞赛设计报告

3.3功率放大器电路

图4功率放大器电路原理图

通过该放大器将接收到的信号放大后通过耳机传出。该放大器主要用于袖珍

式盒式放音机(WALKMAN),收录机和多媒体有源音箱中作音频放大器。

3.4电源模块电路

4

2024年四川省电子设计竞赛设计报告

图5电源模块原理图

该电源供应了直流可调+L25V~+28V。能给核心板STM32、红外通信装置、

显示电路供电。

四、系统测试方案与测试结果

4.1测试方案

通过信号发生器输出正弦波，通过红外通信后，检测接收端输出波形，看是

否失真。发送温度数据后，在接收端LCD12864上面看是否有温度的数据传输过

来。

4.2测试条件与仪器

测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必需与系统原理图完全相同，并

且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器：数字万用表，示波器，信号发生器，卷尺，温度计。

4.3测试结果及分析

4.3.1接收装置能否接收发送的信号

5

2024年四川省电子设计竞赛设计报告

第一次其次次第二次第四次第五次第六次

测量距离0.6m0.9m1.2m1.5m1.8m2.1m

测试状况能能能能能能

表1距离测试

4.3.2检测环境温度能否传送

第一次其次次第三次第四次第五次第六次

延时状况Is1s2s2s2s2s

温度误差rc1℃1℃1℃1℃1℃

同步测试同步同步同步同步同步同步

表2环境温度测试

4.3.3红外光通信中继转发节点测试（放射与中继节点距离2m）

第一次其次次第三次第四次第五次第六次

测量距离0.6m0.9m1.2m1.5m1.8m2.1m

测试状况能能能能能能

表3中继转发节点测试

五、设计总结

在设计制作红外光通信装置的过程中，我们深切体会到，实践是理论运用的

最好检验。本次设计是对我们所学学问的一次综合性检测和考验，无论是动手实

力还是理论学问运用实力都得到了提高，同时加深了我们对网络资源相识，大大

提高了查阅资料的实力和效率，使我们有足够的时间投入到电路设计当中。

红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。它一般

由红外放射和接收系统两部分组成。放射系统对一个红外辐射源进行调制后放射

红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器迸行接收，就构成红外通信系统。

6

2024年四川省电子设计竞赛设计报告

本系统在数据测试和调试方面，由于电路设计，电路连接等方面有肯定的缺点,

使得测试结果不是特殊精确。我们会通过优化电路，软件修正，做到最小误差。

7

2024年四川省电子设计竞赛设计报告

附录

附录一：STM32核心板原理图

P2

PAO1」泯PCSPBS

,1/1.

PAIPC9PB9

；pcii4'甲

PA2CART2.TXDPCIO,cPBIO

力

J6'二

P.A3CART2RXDPCIIPBllI•

tiz'?6

PA4PCI2PB12Jn

l9II)

PA5PCI3PBBau，)

Lt■11n

-M6；PC6PCMPB14CIPC2

PC而J

13fl,7

PAJPCI)PBIj7二取

tiz1516'而/

；TDIPAI)捌PB7

取而

ITILI一嗡

PA9：：：|TCKPAUPBI惭nnp

■19_

PA10!,；1DISPAD限PB51

：!；：|R^2•21P314_|VCt

PA1ITOORE?1HSI卿

%M1li-■3

PD2咐

2526-卜GND,i1C)

PDIPDO

%仁27器--||l描'27

IfaifcfUXl

除

RI限2

V03VCWC

—38—

P怒「

—49—

PLPA95RS

「510—|VCC-33V

PAO，PCS啷PAIO6|RW

12'PAD”En

PAIi4>PC9PB9HK加优AV

34'-

PA2QRT2JXD6PC10PB10阳8]

-56'1*

PAHARERXDBAPCIIPBHPA29，-

O18'(a

~加PCI2御画叫RB.M

910'RB(

FA5PC13PB1JPA』II.4f

1112'RBCc

PA6.JPCMPB14PA512RB.IH

B14■PA6Uj/

PA7o/PCI5PB15RBvh

rl・

1516■T<

P朋iPB(IPB7P"11RB(4

v17ILRB>

PA95PBI喉PAII15J3

1920RB■

PAIDPB2PB5GND16»

21221

削yres1PSTPB4PAI?6cH

TOOB24'NCo

*PD2RSTGNDIS；REn

VCC-J3VI—25R2

变PDIPDOBL^K19VO

VDD|—