1、精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業紅外光通信裝置（紅外光通信裝置（F F 題）題）青島大學青島大學 薛帥薛帥 殷凱殷凱 李健李健摘摘 要要本套設計是一個紅外光語音通信系統，該系統采用一對 950nm 波長紅外光發光、接收管作為收發器件，實現了定向語音信號傳輸，無明顯失真條件下傳輸距離可達 2m，并可以實時傳輸發射端環境溫度，在接收端數碼管實時顯示。音頻傳輸模塊設計采用 TI 的高性能鎖相環芯片 CD4046 實現對聲音信號的調制、解調，采用 TI 公司的高精度運放LM386 進行放大、濾波，通過揚聲器輸出語音信號。溫度模塊采用STC89C52RC 作為控制核心，利用 DS18B20 溫

2、度傳感器采集溫度信息，實現溫度的實時采集。關鍵詞關鍵詞：紅外光 語音信號 調制解調 無線通信 溫度顯示精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業1 1 系統方案系統方案1.11.1 方案比較與選擇方案比較與選擇 本系統主要需完成的任務是通過紅外光傳送連續的音頻信號和變化的溫度值。需要傳送的音頻信號頻率范圍為 300HZ 到 8KHZ 的音頻信號，還原的信號無失真現象，溫度數字信號傳輸時延不超過 10S，且還要在接收端顯示出當前溫度值。題目中提到的兩種信號分別為模擬信號和數字信號，這就要求我們選擇總體方案，是選擇模擬傳輸，還是數字傳輸方案。我們分析了三種方案： 方案一：普通的數字傳輸方式，根據香

3、農定理要還原原始信號每個周期至少要采集兩個點，如果每個點以 8 位來計算的話，那么傳輸速率就要求最小為3.4K82 =54.4K，它遠大于我們測試的最大傳輸速率 5K。方案二：壓縮數字傳輸，因為紅外光的特性決定了其工作的特性，必須要有大于 280uS 的基波發送和不小于 300uS 的數據傳輸完的等待時間，其才能正常工作的特性。那么在數據傳輸區的信息量就很大，經過壓縮后可以緩解信道的傳輸壓力，但是時間還是不夠用，增加了軟件算法的難度。 方案三：模擬量傳輸方式，通過簡單的前級調制處理就可以把連續的音頻信號傳送過去，經過相應的硬件電路解調后就可以較完整的還原原始信號。整個過程簡單，不需要控制系統處

4、理就能實現信號傳送，不需要單片機的參與且效果很好。 綜合以上三種方案，模擬通道設計相對簡單，功耗小，沒有使用單片機，信號傳遞速度快，抗干擾能力強，選擇方案三。1.21.2 單元電路的設計與比較單元電路的設計與比較1.2.11.2.1 發射電路設計方案的論證與選擇發射電路設計方案的論證與選擇 方案一：由 555 時基電路構成，電路簡單，抗干擾能力強作用距離在 10 米以內。適合家用電器和小型儀器用途和開關。但是其電路中的原件不好匹配，電阻電容參數難設計。 方案二：用三級管搭建功率放大電路，紅外發射管的功率越大，發射距離越遠。紅外發送器大多是使用 Ga、As 等材料制成的紅外發射二極管，其能夠通過

5、的 LED 電流越大，發射角度越小，產生的發射強度就越大；發射強度越大，紅外傳輸距離就越遠，傳輸距離正比于發射強度的平方根，高頻三極管可以放大流過紅外二極管的電流。該方法簡單實用。 綜合以上兩種方案，穩定性更強的是方案二，所以選擇方案二。1.2.21.2.2 音頻還原驅動喇叭方案的論證與選擇音頻還原驅動喇叭方案的論證與選擇因為還原出來的音頻信號功率較小有時無法使喇叭發聲，所以在后級需要加入功放電路。我們小組想到了兩種方案。 方案一：搭建類功放的 MOS 橋來驅動喇叭發聲，這種方式可以減少電路上的功耗損失，保證良好的音質，同時這種方案的硬件電路搭建比較困難。 方案二：直接采用 LM386 集成功

6、放對音頻信號進行放大。這種方法簡單易于實施，但是實際測試效果并不理想。綜合以上兩種方案，性價比更高的是方案二，所以選擇方案二。精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業1.1.3 3 總體方案設計總體方案設計 本方案采用 CD4046 的調制和解調將音頻信號通過紅外傳輸過去，實現音頻和溫度的無失真傳輸。1.3.11.3.1 發射部分發射部分第一，通過 3.5mm 的音頻接口線將 MP3 或者手機等音頻播放器將音頻信號采集出來，然后經過 LM386 音頻放大芯片進行放大和濾波。第二，將放大后的芯片經過 CD4046 的調制轉為 35KHZ 左右的方波信號。第三，將調制后的信號進行一級三極管功率放

7、大，通過紅外發射管發射出去。1.3.21.3.2 發射部分發射部分第一，通過紅外接收管將接收到的信號經過一級三極管放大，然后將信號進行 CD4046 的解調，還原為音頻信號。第二，由于解調后的音頻信號，全在零電平以上，因此通過一個 LM358 構成加法器將解調后的音頻信號還原到零電平左右上下波動。第三，將音頻信號經過 LM386 音頻放大芯片進行放大和濾波，接到一個 8 歐的喇叭上。1.3.31.3.3 溫度部分溫度部分第一，通過 18b20 溫度傳感器將溫度信號采集出來，然后通過 51 單片機將采集到的溫度信號在極短的中斷音頻信號的時間內傳輸出去。第二，在接收端通過 51 單片機接收溫度信號

8、，并通過數碼管顯示出來。 圖 1 紅外光通信系統實現框圖2 2 理論分析與計算理論分析與計算2.12.1 通信原理分析通信原理分析 本紅外通信裝置是利用 950nm 近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體。發精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業送端將聲音信號經過 CD4046 調制產生的 35khz 載波信號調制為一系列的方波信號，通過紅外發射管發射紅外信號。接收端將接收到的光脈信號轉換成電信號，再經過放大、濾波等處理后送給解調電路進行解調，還原為音頻信號輸出。常用的有通過頻率來實現信號 FM 調制和通過脈沖串之間的時間間隔來實現信號調制的脈時調制（PPM）兩種方法，本裝置使用的就是 FM

9、 調制的方法。簡而言之，紅外通信的實質是對音頻信號進行調制和解調，以便利用紅外信道進行傳輸，紅外通信接口是針對紅外信道的調制解調器。發射系統將信號轉變為信道信號并發射，包括調制、放大、濾波等。接收系統是將信息從接收到的信號中還原出來，主要包括解調、濾波等。無線通信原理就是利用無線信道進行信號的傳送。載波的基波頻率越高，傳輸的信息就越快越多，所以現在很多高速率的通信地方都會首選高頻，本裝置采用 CD4046 進制信號調制和解調，所以本裝置主要是 CD4046 的中心頻率的選擇。2.22.2 CD4046CD4046 調制和解調電路的中心頻率調制和解調電路的中心頻率VCO 的中心頻率 fo 由圖

10、2 中的 VDD、R1、R2 和 C1 的關系曲線圖決定。當CD4046 的供電電壓為 5V，R2 為 0 時，fo 與 R1、C1 的曲線關系如圖 2 所示。fmin 表示輸入信號的最小頻率，fmax 表示輸入信號的最大頻率。當 R2 為時，鎖定頻率范圍 2fc 由如下公式決定：2fc=（1/)2|fmax-fmin|/(R1C1) 圖 2 f0 與 R1、C1 的曲線關系圖3 3 電路與程序設計電路與程序設計3.13.1 系統的硬件系統的硬件 圖 3 紅外發射電路精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業 圖 4 紅外接收電路3.23.2 程序結構與設計程序結構與設計 圖 5 溫度采集發送

11、流程圖 圖 6 溫度接收顯示流程圖否是精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業4 4 測試方案與測試結果測試方案與測試結果4.14.1 語音信號測試方案及結果語音信號測試方案及結果 用 MP3 或者手機輸入音頻信號，看揚聲器時都能發出聲音。 測試結果：出聲，有微弱失真，但是仍可以清楚的辨別出原音樂。當發射端輸入語音信號改為 800Hz 單音信號時，在 8 電阻負載上，接收裝置的輸出電壓有效值約為 0.8V。不改變電路狀態，減小發射端輸入信號的幅度至 0V，采用低頻毫伏表（低頻毫伏表為有效值顯示，頻率響應范圍低端設置為 8Hz、高端約為 50KHz）測量此時接收裝置輸出端噪聲電壓，讀數約為 0

12、.05V。當接收裝置不能接收發射端發射的信號時，發光管閃爍指示。4.24.2 放大器的測試方案及結果放大器的測試方案及結果 將放大器的輸入端接入 0.05V（最大值） ，1KHz 的電壓（使用信號源） ，用示波器測量輸出，記錄幅值。 測試結果：輸出峰峰值 10V 左右，并可調，說明放大了 100 倍，增益可調功能實現。4.34.3 濾波器的測試方案及結果濾波器的測試方案及結果用信號源產生 1V 的不同頻率的信號加到濾波器的輸入端，用示波器測輸出，觀察幅值。 測試結果：頻率為 200Hz 及其以下時候發生較為明顯的衰減，幅值約為300mv，頻率大于 4KHz 的時候幅值降到 400mv 左右，中

13、間頻率的幅值沒有衰減，因此帶寬約為 200HZ 到 4KHz，與要求的帶快有一定的差異，但仍然可以使用。4.44.4 紅外發射和接受裝置的測試及結果紅外發射和接受裝置的測試及結果用信號發生器給紅外發射裝置輸入數字信號，在接收端接受，檢測接收到的信號，并與發射信號進行比較，進而驗證發射和接收裝置能否工作。測試結果：在保證兩個發射與接收裝置對準的情況下能夠檢測到跟輸入信號幾乎一致的信號，如果兩個元件出現一定的角度誤差，接受的信號會出現偏差。功率放大器的測試及結果： 用 MP3 或者手機輸入音頻信號，看揚聲器時都能發出聲音。 測試結果：聲音信號完美傳出，并且無明顯失真。5 5 設計總結設計總結 本電路結構清晰，實用性強，充分利用了LM386音頻放大功能和CD4046的調制和解調，把微弱的數字信號和模擬信號以紅外線為載體通過l數碼管顯示器，轉化為人們較為直觀的數字量，同時通過放音設備對傳輸的語音信號進行播放：該通信系統以傳輸速度快，干擾小，可靠性高的優勢，適用多種近距離無線通信場合使用，必將有廣闊的應用前景和開發市場。精選優質文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業6 6 參考文獻參考文獻1 黃智偉.全國大學生電子設計競賽訓練教程M. 北京:電子工業出版社.20052 黃根春，周