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红外光通信装置






本设计利用已学电路知识,将电路分成红外发射模块、红外接收模块两个 模块,完成了红外光通信收发系统设计,以话筒为输入信号, 由发送电路调试 后,再由输入电路的红外接收管接收,经由(LM-386)放大,高 通滤波器过滤 后,在喇叭(耳机)中听到输入的语音。

关键词:红外通信;发射;接收;

ABSTRACT
The design used the knowledge of circuit , and it has been divided into three parts as infrared emission circuit module, the infrared receiving module, and temperature transmission module , then we completed the design of infrared communication transceiver system, we used microphone to input signal, the debugging by sending circuit and then received by the input circuits of infrared receiving tube, via (LM - 386) amplifier, filter high-pass filter, I we could heard a voice input in the horn (headphones). Key words:Speech sound;Infrared forward;Analog communication;Digital

communication

第 1 章 绪论
1.1 背景和意义
在日常生活中,电脑、电视等电器让我们眼花缭乱,各种设备的线缆随处 可见,就连我们的声音传输在很大程度上也依赖于各种各样的电缆。这种采用 有线方式来传输语音信号的系统必须有大量的电缆将收发端连接起来,声音信 号才能进行传输。有没有一种无需电缆的连接就能实现声音传输的方法呢?科 学技术的日新月异, 红外技术的飞速发展给传统的声音传输带来的很大的冲击, 为通信业带来了无穷的希望和活力。红外技术的应用使得语音无线传输成为了 可能,并使传输更加灵活、方便、高效。 红外技术是无线连接的鼻祖,是先进科学技术的重要组成部分,主要应用 在遥控和传输方面。红外传输以红外光为载体,通过其在空中的传播来传输语 音和数据的传输方式。这种通信系统传输速度快,干扰小,可靠性高,适合多 种近距离无限通信场合使用,例如教师的语音教学系统,家庭居室、图书馆、 医院等,在电子产品中具有官方的发展潜力。

1.2 国内外研究发展现状
红外通信由来已久,但是进入 90 年代,这一通信技术又有新的发展,应用 范围更加广泛。1995 年,一个由部件、计算机系统、外围设备和电信厂商组成 的大型集团──红外数据协会(IrDA)就红外通信的一套标准达成一致。红外数据 协会开发的这种新的无线通信标准还得到 PC 机产业的有力支持。主要的开发 厂商,已推出了在计算机之间采用这种高速红外数据通信的 PC 机、笔记本计 算机、打印机和手持式个人数字助理(PDA)设备[1]。此外,红外通信的连通性已 用在大多数新的笔记本计算机中,并成为一种最具成本效益和便于使用的无线 通信技术而问鼎市场。 经过 40 多年大发展,中国在红外技术研究方面已经取得了重大的进步,建 成了专业研究所、红外物理实验室和众多的研究课题组。一批高等院校中,也 设立了红外专业或包含红外专业的光电技术系,一批民营企业、股份制企业相 继诞生,已经形成了不同规模的产品。 近几年,随着智能化设备越来越普及,红外通信技术因其抗干扰性能突出, 从而被广泛的应用到针对智能机器人、智能电器、智能家居的设计方案中。红

外通信是最常用的近距离无线通信方式之一,采用红外通信的优点是低成本、 高速率且低功耗,因此也就成为设计手持遥控器的首选[2]。除此之外,在基于 单片机的智能家居设计中,红外通信作为单片机之间的通信手段与电信市话通 信手段结合,实现了对家居异常情况 (盗窃、火警、燃气泄漏、漏水等)电话远 程报警、远程遥控功能[3]。

1.3 主要设计内容及预期目标
本设计的主要设计内容是:用三极管放大电路对音频输入口得到的音频信 号进行无失真的放大,送到三极管与发射头组成的发射电路进行发射,接收部 分由红外接收头接收到的信号再传入后再由音频功率放大芯片进行放大输出, 最后得到质量较好的音频信号。本设计要达到的预期目标为:利用红外发光管 和红外接收管作为收发器件,来实现定向传输语音信号,传输距离为 3m,接收 的声音无明显失真, 制作一个红外光通信中继转发节点, 可以改变通信方向 90°, 延长通信距离。

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第 2 章 红外通信技术分析
2.1 红外通信的基本原理及特点
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,通过红外发射管 发射红外信号。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。常用的有通过脉 冲宽度来实现信号调制的脉宽调制(PWM)[4]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)以及自适应调制(ADM)[5]三种方法。同样 的通过红外发射管还可以发射最基本的模拟信号,即接收端可以根据接收到的 红外光线的强度可以产生不同的电流大小,即可还原发射端的模拟信号。 简而言之,红外通信的实质就是对二进制数字信号或模拟信号进行调制与 解调,以便利用红外信道进行传输;红外通信接口就是针对红外信道的调制解 调器。 红外通信的优点是兼容性强,能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的数据传输;主要是用来取代 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 度以内), 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。其缺点为 通信距离短,通信过程中不能移动,遇障碍物通信中断;目前广泛使用的 SIR 标准通讯速率较低(115.2kbit/s);功能单一,扩展性差。

2.2 红外通信技术对计算机技术的冲击
红外通信标准有可能使大量的主流计算机技术和产品遭淘汰,包括历史悠 久的调制解调器。执行红外通信标准规定的发射功率很低,因此它自然是以电 池为工作电源的标准。目前,惠普移动计算分公司正在开发内置式端口,所有 拥有支持红外通信标准的笔记本计算机和手持式计算机的用户,可以把计算机 放在电话机的旁边,遂行高速呼叫,可连通本地的因特网。由于电话机、手持 式计算机和红外通信连接全都是数字式的,故不需要调制解调器。红外通信标 准的广泛兼容性可为 PC 设计师和终端用户提供多种供选择的无电缆连接方式, 如掌上计算机、笔记本计算机、个人数字助理设备和桌面计算机之间的文件交

换;在计算机装置之间传送数据以及控制电视、盒式录像机和其它设备。

2.3 红外通信技术开辟数据通信的未来
目前,符合红外通信标准要求的个人数字数据助理设备、笔记本计算机和 打印机已推向市场, 然而红外通信技术的潜力将通过个人通信系统(PCS)和全球 移动通信系统(GSM)网络的建立而充分显示出来。由于红外连接本身是数字式 的,所以在笔记本计算机中不需要调制解调器。便携式 PC 机有一个任选的扩 展插槽,可插入新式 PCS 数据卡。PCS 数据卡配电话使用,建立和保持对无线 PCS 系统的连接;扩展电缆的红外端口使得在 PCS 电话系统和笔记本计算机之 间容易实现无线通信。由于 PCS、数字电话系统和笔记本计算机之间的连接是 通过标准的红外端口实现的,所以 PCS 数字电话系统可在任何一种 PC 机上使 用,包括各种新潮笔记本计算机以及手持式计算机,以提供红外数据通信。而 且,由于该系统不要求在计算机中使用调制解调器,所以过去不可能维持高性 能 PC 卡调制解调器运行所需电压的手持式计算机,现在也能以无线方式进行 通信。红外通信标准的开发者还在设想在机场和饭店等地点使用步行传真机和 打印机,在这些地方,掌上计算机用户可以利用这些外设而勿需电缆。银行的 ATM 机也可以采用红外接口装置[6]。 由于红外通信具有隐蔽性、保密性强,因此军事通信机构历来重视这一技 术的开发和应用。这一技术在军事隐蔽通信,特别是军事机密机构、边海防的 端对端通信中将发挥出重要的作用。正如前面所述,它还将对计算机技术产生 冲击,对未来数据通信产生重大影响。

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第 3 章 方案与验证
2.1 51 单片机红外转发原理
红外光语音传输体系原理是以红外光作为语音传输的载体。这类传送系统 传输速率快,干扰小,可靠性高,适宜多种短距离无线通信场所使用,例如学 校的语音授课系统、家庭居所、图书馆阅览室、医院等,在电子产品发展中具 有很大的潜力。红外光语音转发装置主要由两个模块组成,分别为发射模块和 接收模块。此装置是利用看不见摸不着的红外线作为语音传送的载体来传递声 音的。红外光语音转发装置发射模块流程图如图 1-1 所示:

图 1-1 红外光语音转发装置发射模块流程图 在发射模块话筒中获取到的音频信号十分微弱,并且噪音信号和音频信号 同时传入到话筒中,因此首先应当对音频信号进行滤波处理并放大处理。红外 光转发装置的发射模块将微小的语音信号经过滤波,放大处理后,再使用莫属 转化器,使其转化成利于单片机传输的数字序列。然后在加上同步字符,最后 使用门电路对信号进行码型转化,然后语音信号就可以以光脉冲的形式发送出 去。红外光语音转发装置接收模块流程图如图 1-2 所示:

图 1-2 红外光语音转发装置接收模块的流程图

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在红外光语音转发装置的接收模块,利用红外接收管捕获发射模块发出的 光信号,然后用光电转化器将光信号转化为电信号,再进行放大,整形,还原

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处理,然后用数模转换器将信号的高频部分滤去,最后将光信号转化为声音信 号传送到功率放大电路,经放大后由扩音器播放出声音,这样便完成了红外光 语音转发。 此方案采用 STC12C5A60S2 控制模/数转换、数/模转换和同步传输。完成 同步的方式是在CS的下降沿到来时,单片机 STC12C5A60S2 先向 I/O CLOCK 口 发 1111 作为信号的起始标志, 然后再把 I/O 口 CLOCK 序列信号传送给 I/O CLOCK 口,并从 DATAOUT 中获得上次转化的结果。 红外语音传送体系是把红外光作为传输载体,因为红外光不能把语音信息 进行直接传送,所以本体系使用了模/数和数/模转换来调制音频信号。使用 STC12C5A60S2 单片机程序及中断控制,完成模/数、数/模转换和同步传输。 系统主要由发射部分和接收部分组成。发射模块对微弱语音信息进行滤波和放 大处理后传入模/数转化器将模拟语音信号转化成数字脉冲序列信号,单片机 提供同步时钟信号,在信息开始传输前附加同步字符作为信息开始传输的标志 并使用门电路完成码形转换,最后驱动红外发射管把光脉冲作为信息的载体发 射出去。在红外光语音转发装置的接收模块,利用红外接收管捕获发射模块发 出的光信号,然后用光电转化器将光信号转化为电信号,再进行放大,整形, 还原处理,然后用数模转换器将信号的高频部分滤去,最后将光信号转化为声 音信号传送到功率放大电路,经放大后由扩音器播放出声音,这样便完成了红 外光语音转发。本装置使用的都是普通元器件,若使用抗干扰能力好、精确度 高的元器件其传输特性将会有很大提升。由于器材的原因,所以放弃了此方案。

2.2 利用 CD40106 实现语音红外传输
图 1-3 是一种红外光语音通信的转发的流程图。

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第二章 电路设计

图 1-3 方案二原理框图 图 1-3(a)中的 Mic 代表麦克风,只需对着麦克风喊话,麦克风的输出信 号通过运放加以放大, 放大后的语音信息通过调制器对语音信号进行调制处理, 再通过红外线发光二极管发送已调制的语音信息。此系统用的调制器是一个脉 冲振荡器,能发出对称的方波信号。在红外语音信号传到该振荡器的输入端的 时侯,令脉冲信号的占空比跟着红外语音信号呈线性变化,因而达到调制目的。 图 1-3(b)是光语音转发装置的信号接收的解调电路,用红外接收管接收 图 1-3(a)电路发送出来的红外光语音信号,该接收的光语音信号根据图 1-3 (a)发送模块的红外光强弱而变化。红外接收管的输出的信号经过两次运放放 大后,传送到滤波电路对调制的光语音信号解调,被解调出的光语音信号再经 过放大,供后面的语音处理电路工作。 红外光语音转发装置的发射模块的电源为 6V ,初始的语音信号经过鉴频 后,再经 BJT 放大后通过红外发射管发送出去,调节基级电流是通过调节可变 电阻来实现的,控制发射电路的发射功率,但是发射模块的发射功率不能调的 过大,否则 BJT 或二极管将可能烧坏。

2.3 51 利用三极管调试实现语音红外传输

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图 1-4 方案三红外发送接收原理 该红外光语音转发装置由发射模块和接收模块组成。 图 1-4(a)为发射模块电路。经过鉴频后的语音信号,再经三极管 VT 放大 处理后推动红外光发射管工作。因为红外语音转发装置的发射模块的发射强度 是和通过它的电流呈线性变化的,所以发射模块 VD1、VD2 所发射出的红外光, 便受到语音信号的控制。发射模块的 VD1、VD2 在工作中要设置一定的偏置,否 则将出现失真现象。 图 1-4(b)是接收模块原理图。其电路使用一块音频放大集成电路 LM386。 VD 是一个红外光接收管。当被调制的红外光发射到 VD 上时,在它的两端产生 一个电信号与语音信号变化规律相同,经 C1 耦合到 IC,再进行放大。 电容 C2,C3,C6,C7 作用是对信号滤波 R1 是偏置电阻 电容 C1 和 C5 的作用是对电路耦合和隔直的作用 C3 是旁路电容 C4 是高频旁路电容 LM386 是音频功率放大器 CK 是耳机插孔 1.4 方案三 方案的论证与选定 方案一使用 STC12C5A60S2 控制模/数转换、数/模转换和同步传送。完成 同步的方法是在CS的下降沿到来时, 单片机 STC12C5A60S2 先向 I/O 口 CLOCK 端发送 1111 作为信息的起始标志,然后再把 I/O 口 时钟 clk 序列传给 I/O 口 CLOCK 端口,同时从 DATAOUT 接收前次转换结果。此方案理解起来不难但是实
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第二章 电路设计

施起来难度较大,于是放弃了此方案。 方案二 使用 CD40106 实现语音红外传送,通过 CD40106 组成的红外语音转 发电路发送红外光语音信号,红外接收装置(红外接收管)接收红外语音信号, 红外接收管接收到的信号经过两级运放放大后,再进行滤波,解调。其解调信 号再放大,供后级语音处理电路工作(或用耳机收听或放大后用功放放音) 。此 方案运用模拟方式传输红外信号,由于我们实验室没有 CD40106 此块芯片,只 好放弃此方案。 方案三利用三极管实现语音红外传输,它具有结构简单、易于制作、干扰 小、噪声低等优点。所以选择方案三。

第 4 章 电路设计
4.1 系统总体原理图
1、红外红外线的特点 人的眼睛能看到的可见光,若按波长排列,依次(从长到短)为红、橙、 黄、绿、青、蓝、紫。红光的波长范围为 0.62μ m~0.76μ m,比红光波长还长 的光叫红外线。红外线遥控器就是利用波长 0.76μ m~1.5μ m 之间的近红外线 来传送控制信号的。 红外线的特点是不干扰其他电器设备工作,也不会影响周 边环境。电路调试简单,等优点。 2、红外线发射和接收 人们见到的红外遥控系统分为发射和接收两部分。发射部分的发射元件为 红外发光二极管, 常用的红外发光二极管发出的红外线波长为 940nm 左右,外 形与普通 φ 5mm 发光二极管相同,只是颜色不同。一般有透明、黑色和深蓝色 等三种。 接收电路的红外接收管是一种光敏二极管,使用时要给红外接收二极管加 反向偏压,它才能正常工作而获得高的灵敏度。由于红外发光二极管的发射功 率较小,红外接收二极管收到的信号较弱,所以接收端要增加高增益放大电路。 3、整体方案图
音 号 频 信 输 入 三 极 管 放 大 电 路 红 外 发 射 管

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音频信号红外转发器有发射和接收两部分构成,发射和接收部分均由 12V 稳压 电源供电。 发射部分: 音频信号经过鉴频后的伴音信号经过三极管 VT 放大后推送到红 外发射管由于发射管的发射强度与通过其电流成正比,所以,红外管便收到了 音频信号的调制。为了增加传输距离,使用两个红外管并设置一定的偏置。 接收部分:红外线接收管被音频信号调制的红外光照射到时,在其两端产 生一个与音频信号变化规律相同的电信号,经电容耦合至一块音频放大集成电 路 LM386,进行放大,并将信号传至扩音器。

4.2 发射模块设计

图 2 发射端电路图

当信号加在图 2 中的信号输入时,经耦合电容 C1(10μ )的隔直作用后会 在三极管的基极加上一组和音频信号一样变化的电流,在由其的放大作用,驱
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第二章 电路设计

动两红外发光管。使其对音频信号的幅度大小同步调制,转变为红外信号发送 出去。由于每只红外发光管的正向压降均为 1.15V,发射功率都小于 100mW,将 两只红外管进行串联的目的在于提高红外线的发射功率。此外,由于红外发光 管的辐射角度有限,因此在设计电路板时需将作用区有叠加地排列。 (2)发射部分用到的元器件及其相关参数 耦合电容 C1(10uF) 电阻 R1(43K) 电阻 R2(13K) 电阻 R3*(5K) 三极管 VT8050 发射管 VD1 和 VD2 注:三极管 VT 应选用 8050 中功率管, PCM=300mW, ICM=500mA; R2 的 功率不小于 1/4W;因为调试时是要求三极管 VT 的静态电流为 30mA 左右的,则 R1 应选用可调电阻;红外发射管的辐射角一般在 60 度左右,所以安装时要使 它们的辐射有一部分重迭。所以安装时要使它们的辐射有一部分重迭 。

4.3 接收模块设计

图 2-4 方案三接收原理图 图 2-4 是接收模块原理图。本电路使用一个集成元件 LM386,它具有音频

放大的作用。VD 是一个红外光无线接收管。当被调制过的红外光语音信号
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传到接收端 VD 时,在其两端产生一个电信号与语音信号变化规律相同,经过 C1 耦合到 IC,再进行放大。鉴于 IC 有功率放大的作用。 电容 C6,C7 具有滤波作用 电容 C5 的作用是耦合电路,去除电路中的直流部分。 C4 为高频旁路电容 LM386 是音频功率放大器 CK 是耳机插孔 LM386 的功能 LM386 是一种音频集成功放,具有自身功耗低、电压增益可调整、电源 电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点,广泛应用于录音机和收 音机之中。

图 2-5

LM386 的引脚图

图 2-5 中引脚 2 为反相输入端,3 为同相输入端,引脚 5 为输出端;引脚 6 和 4 分别为电源和地;引脚 1 和 8 为电压增益设定端。如果在对增益要求不高 时它可直接去掉,此时的增益内置为 20. LM386 电源电压 4—12V,音频功率 0.5W,LM386 音响功放是由 NSC 制造的, 它的电源电压范围非常宽,最高可使用到 15V,消耗静态电流为 4mV,当电源电 压为 12V 时,在 8 欧姆的负载情况下,可提供几百 mW 的功率。它的典型输入阻 抗为 50K.

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第二章 电路设计

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第 5 章 测试方法与结果
5.1 测试仪器
万能表、5V 电源、9V 电源、耳机、MP3,毫伏表

5.2 测试方法与技巧
(1)测试红外发射电路和接收电路能否正常工作

将做好的装置连接电源后,用手掌挡住发射管的发射,听接收端喇叭的声 音有无变化,若有变化证明发射和接收电路都可以正常工作,反之。如图 3-1 为发射管的发射范围图。 图 3-1 发射管的排列图 (2)测试信号灯能否正常工作 用(1)相同的方法,用手掌挡住发射管的发射方向,看信号显示灯是否有 变化,若果有变化,则证明信号指示灯电路是正常的,反之。 (3)装置性能的测试(数据测试) a.当装置发射端输入 800Hz 的语音信号时,在 8 欧的负载电阻上,测试输出电 压值。 b.在 a 条件下,不改变电路状态,减小红外发射端信号的幅度至 0V,然后用 低频毫伏表测试接收端的输出电压值

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5.3 电路测试及测试结果
将发射部分和接收部分分别接上 9V、5V 电源,再接上语音信号,使装置正 常工作。经过测试此装置性能良好,红外语音转发无明显失真。具体参数如下: 传输距离:>3m 最低输出电压:>0.6v 输入为 0,输出电压为 0.1v 无线数据传输误码率:1% 温度输出精度:0.1 度 三角传输:90 度,距离 3m。

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参考文献 [1] 童诗白,华成英主编,清华大学电子学教研组编.模拟电子技术基础[M].北 京:高等教育出版社,2006.5(2011.5 重印):20-254. [2] 张自红,付伟,罗瑞编著.C51 单片机基础及编程应用[M].北京:中国电力出 版社,2012.6:15-124. [3] 曾兴雯主编.高频电子线路[M].北京:高等教育出版社,2009.11(2010 重 印):9-134. [4] 朱志伟,刘湘云.基于 AT89S51 的红外遥控解码的实现[C].

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致谢
经过两个多月的不懈努力,我的毕业论文《红外光通信装置》终于完成了, 这预示着我的大学生涯即将结束。在这四年里,我在学习和思想上都有了长足 的进步,从一个懵懂无知的青少年成长成对家庭,对学校,对国家都有用的成 年人。这一切的一切除了自己的努力外,更离不开家人,老师,同学,朋友的 帮助和关心。 论文从最初的选题到开题报告,到方案的选择、到方案的选定以及最后的设 计,我最想感谢一个人,那就是我的导师张自红老师。他放弃了自己的周末休 假时间和课余空闲时间,对我在做论文过程中提出的各种问题细心讲解,循循 善诱直到我完全搞懂,对我提出的那种本早该掌握的知识,他从来没有过多的 批评,总是鼓励我,给我更多的信心。 回想起四年中和同学、老师的点点滴滴,心中满是伤感!伤感的是自己将要 离开这个陪伴我四年成长的学校,同学和老师,心中有万分的不舍。虽然有时 和同学有点小摩擦,但最后大家还是能坐在一起吃饭,一起踢足球,一起打篮 球,哪些小小的摩擦又能算得了什么呢。 四年的健康成长离不开老师的辛勤呵护,老师们每周多次的检查宿舍,不是来 检查我们犯错没有,而是确保我们在学校期间的安全,给我们一个健康成长的 环境。 这篇论文是我的大学生涯的最后一门课,现在总算顺利的完成了,由于自己 的科学文化水平有限,论文中难免有许多不详尽的地方,希望能得到各位导师 的批评和指正。

2014 年 4 月

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