红外光通信装置报告20页

1、目录第一章 绪 论51.1 单片机的产生与发展51.2单片机应用的主要领域61.3红外通信技术概述71.3.1红外概述71.3.2 选择红外遥控的原因71.3.3红外的简单发射接收原理71.3.4 单片机红外遥控接收器设计原理7第二章 有关AT89C2051单片机的介绍82.1简介82.2引脚介绍8第三章 红外发射电路的设计103.1 中断服务程序113.1.1外部中断1113.2硬件电路设计123.2.1话筒接受放大电路设计123.2.2红外接收、发射电路设计133.3 接收部分的设计143.4功放电路的设计143.5 LM386内部电路153.6 LM386的引脚图15第四章 总体设计16

2、第五章 总结17第六章 致 谢17摘 要随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的操控系统开始进入了人们的生活。传统的遥控器采用专用的遥控编码及解码集成电路，这种方法虽然制作简单、容易，但由于功能键数及功能受到特定的限制，只实用于某一专用电器产品的应用，应用范围受到限制。而采用单片机进行遥控系统的应用设计，具有编程灵活多样、操作码个数可随便设定等优点。与此同时移动互联网的崛起极大的推动了无线通信的发展，红外通信必将也会获得新的发展动力。本设计主要应用了单片机作为核心，综合应用了单片机中断系统、定时器、计数器等知识，应用红外光的优点。操作的不同，发射器通过对红外光发射

3、频率的控制来区别不同的操作。遥控接收器通过对红外光接收频率的识别，判断出控制操作，来完成整个红外遥控发射、接收过程。其优点硬件电路简单，软件功能完善，性价比较高等特点，具有一定的使用和参考价值。关键词：红外通信；噪声；功率；滤波红外光通信装置（F题）本科组一、设计任务和要求1、任务：设计并制作一个红外通信装置2、基本要求1）红外光通信装置利用红外发射管和红外接收模块作为收发器件，用来定向传输语音信号，传输距离为2CM。如图1所示2）传输的语音信号可采用话筒或直径为3.5mm的音频插孔线路输入，也可由低频信号源输入，频率范围为3003400Hz。3）接受的声音应无明显的失真。当发射端输入语音信号

4、改为800Hz单音信号时，在8欧电阻负载上，接收装置的输出电压有效值不小于0.4V。不改变电路状态，见笑发射端输入信号的幅度至0V,采用低频毫伏表（低频毫伏表为有效值显示，频率响应范围低端不大于10Hz、高端不小于1MHz）测量此时接收装置输出端噪声电压，读书不大于0.1V。如果接收装置设有静噪功能，必须关闭功能进行上述测试。4） 当接收装置不能接收发射端发射的信号时，要用发光管指示。3、发挥部分1）增加一路数字通道，实时传输发射端环境温度，并能在接受端显示。数字信号传输延时不超过10s。温度测量误差不超过2。语音信号和数字信号能同时传输。2）设计并制作一个红外光通信中继转发节点，以改变通信方

5、向90，延长通信距离2m，如图2所示。语音通信质量要求同基本要求（3）。中继转发节点采用5V直流单电源供电，电路见图3.串接的毫安表用来测量其供电直流电流。在满足发挥部分（2）要求的条件下，尽量减小中继转发节点供电电流。4、设计思路本实验主要由产生电路、发射系统和接收系统三个模块构成，如图1所示。产生的信号通过发送系统转化为光信号进行发送，通过接收系统检测光信号并将其放大后转化为电信号。信号产生电路红外管接收和发射信号光信号的检测和放大电路电源电路 图1 设计模块图第一章 绪 论1.1 单片机的产生与发展为适应社会发展的需要,微型计算机不断的更新换代,新产品层出不穷。在微型计算机的大家族中，几

6、年来单片微型计算机异军突起，发展极为迅速。单片微型计算机（Sing-Chip Microcomputer）简称单片机。它是在一块芯片上集成中央微处理器（Central Processing Unit, CPU）、随机存取存储器（Random Access Memory, RAM）、只读存储器（Read Only Memory, ROM）、定时/计数器及I/O（Input/Output）接口电路等部件，构成一个完整的微型计算机。它的特点是：高性能，高速度，体积小，价格低廉，稳定可靠，应用广泛。单片机的发展史并不长，它的产生和发展与计算机的产生与发展大体同步，也经历了四个阶段。第一阶段（1970年

7、1974年）：为4位单片机阶段。这种单片机的特点是：价格便宜控制功能强，片内含有多种I/O接口，有的根据不同用途还配有许多专用接口，有些甚至还包括A/D转换器、D/A转换、声音合成等电路。丰富的I/O功能大大增强了四位单片机应用与录音机、摄像机、电视机、电冰箱、洗衣机、录像机和电子玩具等产品。第二阶段（1974年1978年）：为低中档8位单片机阶段。它是8位单片机的早期产品，以Inter公司的MCS-48系列单片机为代表，这个系列的单片机在片内集成8位CPU、并行I/O口、8位定时/计数器、RAM和ROM等，中断处理较简单，片内RAM和ROM容量较小，且寻址范围不大于4KB。第三阶段（1978

8、年1983年）：为高档8位单片机阶段。这类单片机在低、中档基础上发展起来的，其性能有明显提高。以Inter公司的MCS-48系列单片机为代表，在片内增加了串行接口，有多级中断处理系统，有16位定时/计数器，片内RAM、ROM容量增大，信纸范围可达64KB，有的片内带有A/D转换接口。这类单片机功能强，应用领域广，是目前各类单片机中应用最多的一种。第四阶段（1983年现在）：为8位单片机巩固发展阶段及16位单片机、32位单片机推出阶段。此阶段主要特点是：一方面不断发展16位单片机、32位单片机及专用单片机。16位单片机除CPU为16位外，片内RAM为232B，ROM位8KB，片内带有高速输入输出

9、部件，多通道10位A/D转换部件，中断处理为8级，其实时处理能力强。今年来，各个计算机厂家已进入高性能的32位单片机研制、生产阶段，32位单片机除了具有更高的集成度外，主振频率已达20MHz，这使32位单片机的数据处理速度比16位单片机快的多，性能比8位、16位单片机更加优越。需要提到的是，单片机的发展虽然经历了4位、8位、16位各阶段，但4位、8位、16位单片机仍各有其应用领域，如4位单片机在一些简单家用电器、高档玩具中仍有应用，8位单片机在中、小规模应用场合仍占主流地位，16位单片机在比较复杂的控制系统中才有应用，32位单片机因控制领域对它的需求并不十分迫切，所以32位单片机在我过的应用并

10、不多。正是由于单片机具有上述显著的特点，使单片机的应用范围日益扩大。单片机的应用打破了人们传统设计思想，原来很多用模拟电路、脉冲数字电路和逻辑部件来实现的功能，现在均可以使用单片机，使用软件来实现。使用单片机具有体积小、可靠性高、性能价格比高和容易产品化的优点。1.2单片机应用的主要领域智能化仪器仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表，使仪器仪表数字化、智能化、多功能化和微型化，并使长期以来测量仪表中的误差修正和线性化处理等难题迎刃而解。有单片机构成的智能仪表，集测量、处理控制功能于一身，从而赋予测量仪表以崭新的面貌，是仪器仪表更新换代的标志。机电一体化产品。机电一体化是机械工业发展的方向，机

11、电一体化是指集机械技术、微电子技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品。单片机的出现促进了机电一体化的发展，它作为机电产品中的控制器，使传统的机械产品结构简单化、控制智能化，构成了新一代机电一体化产品。例如，在电传打字机中，由于采用了单片机而取代了近千个机械部件。测控系统。用单片机可以构成各种工业控制系统、自适应控制系统和数据采集系统。例如，温度、湿度的自动控制、锅炉燃烧的自动控制、电镀生产线的自动控制和包装生产线的自动控制等。计算机网络及通信技术。高档单片机集成有通信接口，位单片机在计算机网络与通信设备中的应用提供了良好的条件。例如，用MCS-51系列单片机控制的串行自动呼叫应答系统

12、、列车无线通信系统、和无线遥控系统等家用电器。由于单片机的价格低廉、体积小、逻辑判断的控制功能强，且内部具有定时/计数器，所以广泛应用于家用设备。总之，单片机将使人类的生活更加方便舒适、丰富多彩。11.3红外通信技术概述1.3.1红外概述 从光学的角度而言，红外是频率低于红色光的不可见光，的无线光谱的整个频率中占有很小一个频率段，波长为0.75100微秒之间，其中0.753微秒之间的红外光称为近红外，330微秒之间的红外光称为中红外，30100微秒之间的称为远红外。红外光就其性质而言很简单，与普通光线的频率特性没有很大的区别，但是，由于任何有热量的物体均有能量产生，所以红外的利用非常广泛，而且

13、不可取代，能否检测红外、能测到多少红外或者红外检测的技术是否可以应用于任何自然的或想象的场合是红外应用技术的关键。2 当今红外技术的一个重要分支是红外通信技术的应用，这个应用的发展非常迅速，尤其是红外通信应用于计算机设备中，近几年的发展已经表现出其非常成熟的特性3。1.3.2 选择红外遥控的原因无线遥控方式可分为无线电波式、声控式、超声波式和红外线式。由于无线电式容易对其它电视机和无线电通讯设备造成干扰，而且，系统本身的抗干扰性能也很差，误动作多，所以未能大量使用。超声波式频带较窄，易受噪声干扰，系统抗干扰能力差以及声控式识别正确率低，难度大而未能大量采用。红外遥控方式是以红外线作为载体来传送

14、控制信息的，同时随着电子技术的发展，单片机的出现，催生了数字编码方式的红外遥控系统的快速发展。另外，红外遥控具有很多的优点，例如红外线发射装置采用红外发光二极管，遥控发射器易于小型化且价格低廉；采用数字信号编码和二次调制方式，不仅可以实现多路信息的控制，增加遥控功能，提高信号传输的抗干扰性，减少误动作，而且功率消耗低；红外线不会向室外泄露，不会产生信号串扰；反应速度快、传输效率高、工作稳定可靠等。所以现在很多无线遥控方式都采用红外遥控方式。41.3.3红外的简单发射接收原理在发射端，输入信号经放大后送入红外发射管发射，在接收端，接收管收到红外信号后，由放大器放大处理后还原成信号，这就是红外的简

15、单发射接收原理。1.3.4 单片机红外遥控接收器设计原理单片机红外遥控接收器主要有单片机、红外遥控接收电路、状态指示电路、控制电路以及单片机的一些外围电路组成。利用单片机中的T0作为红外脉冲计数器，T1作为计数时间控制器。当电路中红外接收管接收到第一个红外脉冲时，外部中断1被触发，启动计数器T0和定时器T1。定时溢出，中断程序关闭计数器T0，读入计数值并进行判断，确定操作对象（遥控按键）对其进行反转操作，控制电路对所控制的负载进行开或关11。还可对接收电路实行上锁功能，对控制电路上锁后，遥控器不能对控制电路实施遥控功能8。其设计原理方框图如下:AT89C2051单片机红外接收电路状态指示电路控

16、制电路+5V电源图2.2 红外接收遥控电路原理框图 第二章 有关AT89C2051单片机的介绍2.1简介STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。2.2引脚介绍VCC（40引脚）：电源电压VSS（20引脚）：接地P0端口（P0.0P0.7，3932引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低

17、8位地址和8位数据的复用总线。此时，P0口内部上拉电阻有效。在Flash ROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1端口（P1.0P1.7，18引脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。此外，P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具

18、体参见下表：在对Flash ROM编程和程序校验时，P1接收低8位地址。表XX P1.0和P1.1引脚复用功能引脚号功能特性P1.0T2（定时器/计数器2外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器2捕获/重装触发和方向控制）P2端口（P2.0P2.7，2128引脚）：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执

19、行“MOVX DPTR”指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX R1”指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash ROM编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。P3端口（P3.0P3.7，1017引脚）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。在对Fl

20、ash ROM编程或程序校验时，P3还接收一些控制信号。P3口除作为一般I/O口外，还有其他一些复用功能，如下表所示：表XX P3口引脚复用功能引脚号复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0的外部输入）P3.5T1（定时器1的外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通） 第三章 红外发射电路的设计根据红外发射管本身的物理特性，必须要有载波信号与即将发射的信号相“与”，然后将相“与”后的信号送发射管，才能进行红外信号的发射传送，而在频率为38KHz的载波信号下，发射管的性能最好

21、，发射距离最远，所以在硬件设计上，本设计采用38KHz的晶振产生载波信号，与发射信号进行逻辑“与”运算后，通过三极管的功率驱动到红外发光二极管上18。红外发送电路由4001MOS或非门38KHz振荡器，单片机发送控制电路和红外发送管驱动输出电路组成，当单片机P3.4口输出为“0”时，发射管不发光，当单片机P3.4口输出为“1”时，红外发送管发出38KHz调制红外线19。3.1 中断服务程序3.1.1外部中断1外部中断1在程序中的作用就是唤醒单片机，使单片机从空闲方式回到工作状态。当有键按下时，通过与门触发外部中断1中断，IDL被硬件硬件清零，单片机结束低功耗空闲节电方式25。外部中断是由外部原

22、因引起的，共有两个中断源，即外部中断0和外部中断1，相应的中断请求信号输入端是INT0和INT1。外部中断请求有两种触发方式，即电平触发方式和脉冲出发方式。定时器/计数器控制寄存器TCON的低四位用于控制外部中断请求和触发方式，有关的位表示如下：IE：外部中断请求标志位，当CPU采样到INT端出现有效的中断请求时，次位由硬件置1，表示外部事件请求中断，中断响应完成后，再由硬件自动清零。IT：外部中断请求触发方式控制位。当IT=1，选择脉冲触发方式（也称边沿触发方式）负跳变有效；当IT=0，选择电平出发方式，低电平有效。中断的允许或禁止是由片内的中断允许寄存器IE控制的。IE的格式如下： EA

23、ET2ESET1EX1ET0EX0IE的每一位都可以由软件置1或清零。且1中断允许，0中断屏蔽EA：中断允许总控制位。EA=0时，表示CPU禁止所有中断，即所有的中断请求被屏蔽；EA=1时，表示CPU开放中断，但每个中断源的中断请求是允许还是禁止，要由各自的允许位控制。EX：外部中断允许控制位ET：外部中断允许控制位。ET：定时/计数器的中断允许控制位ES：串行中断允许控制位。中断的各控制位在初始化程序中定义，在初始化程序中应当开外部中断1和总中断，触发方式选择为脉冲触发方式，后负跳变有效。中断程序如下： INT1： CLR IE1 ANL PCON，#00H RETI 3.2硬件电路设计 3

24、.2.1话筒接受放大电路设计本电路的设计是采用低噪三极管9014作为电容式话筒麦克风信号放大20倍左右，可推动耳机、一般功放、低音炮等。本电路设计的最大特点是1、有效的抑制呼啸声的产生（实验结果喇叭和话筒距离小于0.5m时才会产生轻微的呼啸声）； 2、输出频率限制在3004000Hz之间，完全满足人声输入的要求，是通过无源带通滤波器实现，同时可以大大抑制呼啸声。电路图如下：分析：声电转换部分：该电路是采用电容式话筒（老式录音机里或者普通的耳麦）所以我们必须给他一个电压才可以正常工作，我们引入图中的R1就是这个偏置电阻，电阻越小话筒的灵敏度越高。 信号放大部分：采用低噪的三极管9014，由集电极

25、电阻R2和反馈电阻R3的大小决定其放大倍数，这里的放大倍数大约是20倍。话筒的小信号经过耦合电容C1到三极管基极，耦合电容的容量可取0.1F2.2F；放大后信号输出经过一个隔直耦合电容C2，因为三极管的集电极输出一般都是带有直流电压的，因此必须加隔直耦合电容可取1F10F的容量。抑制呼啸声部分：常常我们拿着话筒对准喇叭，会产生非常刺耳的呼啸声，通过正反接二极管到地可有效的抑制呼啸信号的输出。音量大小调节部分：通过滑动变阻器输出信号的大小。带通滤波部分：本电路是采用人声的标准频率300Hz5kHz，完全接近人声，同时可以有效的消除呼啸声。C6和R6决定低频的大小，C3和R5是决定高频的大小，截止

26、频率计算：1/2RC 。话筒麦克风放大输出接口3.2.2红外接收、发射电路设计此电路设计是根据转发和接收器的原理，即可现无方向性接收，若配制太多接收器，还可多人同时接收。此原理采用红外线作为传输媒介，可以避免无线电波的干扰。 该转发器由发射和接收两部分构成。图1(a)为发射部分电路原理。鉴频后的伴音（音频）信号经三极管VT放大后推动红外发射管。由于发射管的发射强度与通过其电流成正比，所以VD1、VD2所发出的红外光，便受到音频信号的调制。为了防止失真，VD1、VD2要设一定的偏置。图1(b)是接收部分原理图。其电路采用一块音频放大集成电路LM386。VD为红外线接收管。当被音频信号调制的红外光

27、照射到VD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C1耦合至IC，进行放大。由于IC具有功率放大作用，所以可同时供14副耳机收听。3.3 接收部分的设计接收器由光电转换、电源、耳机插孔及音频放大器四大部分组成，接收器电路如图5所示。经调制的红外信号首先被红外光敏管接收并转换为变化规律和音频信号相同的电信号，相当于经过耦合电容C2（0.22）隔直作用后，再由LM386放大后再由路解调并还原为音频信号。接收部分原理图如图5示。3.4功放电路的设计功放电路选择应用LM386芯片作为集成功放模块。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

28、谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。 3.5 LM386内部电路 LM386内部电路原理图如图2所示。与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路。 第一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。 第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。 第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10

29、构成准互补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。 引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。电路由单电源供电，故为OTL电路。输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。 3.6 LM386的引脚图LM386的外形和引脚的排列如下图3所示。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；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10F。第四章 总体设计在该系统中,信源的声音信

30、号首先由麦克风接收，通过话筒接收放大电路由原始信息直接变换成的电信号即消息信号。而这种信号一般具有从零频开始的较宽的频带,而且在频谱的低端分布较大的能量,一般称为基带信号,这种信号不宜直接在信道中传输。为了信息可以在信道中准确和高效传输,就必须对频率较高的载波进行调制。将消息信号通过声音信号调制电路进行调制再送入红外发射电路中，转化成红外信号发射到红外接收端。在通信系统的红外接收端，接收到了已调信号，通过声音信号解调电路进行进行解调,恢复出原来的消息信号。由于高频已调信号易于辐射，同时为了便于同时传输多路不同的基带信号，所以要将信号调制到高频载波上再送入信道。为了从调频波中检出原调制信号，通过使用鉴频器对调频信号进行解调。以便实现声音信号的调制解调。最后，将还原的声音信号送到输出电路，放大后得到信源传递的声音信号。将之前各个电路整合形成该设计构架为： 第五章 总结随着红外无线通信非常迅速发展，据报道，日本斯坦福电气日前成功开发了最高速率为500Mb/S的红外通信光收发元件，成功实现了全双工通信。Aglient公司已经在实验室实现了速率为100Mb/S通信距离为7M的红外无