2013年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽論文課題:紅外光通信裝置（F題）11摘要：紅外技術(shù)是無(wú)線通訊的鼻祖，是先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用在遙控和傳輸方面。紅外通信是一種以紅外光為載體，通過(guò)其在空中的傳輸來(lái)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的傳輸方式。紅外通信裝置一般由紅外發(fā)射和紅外接收兩個(gè)過(guò)程組成。為了滿足紅外通信裝置的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了純電路為核心的控制系統(tǒng)和算法。首先進(jìn)行了各單元電路方案的比較論證，確定了硬件設(shè)計(jì)方案。采用紅外收發(fā)管作為發(fā)射和接收的器件，系統(tǒng)所用的基本技術(shù)是光電和電光轉(zhuǎn)換，其中光源受到點(diǎn)信號(hào)的調(diào)制。紅外通信保密性好，不受無(wú)線頻率使用管制，具有傳輸距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，使其可以較好的進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。實(shí)際測(cè)試表明，所采用的設(shè)計(jì)方案先進(jìn)有效，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：紅外光通信；光電轉(zhuǎn)換；電光轉(zhuǎn)換1、 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與論證1.1 系統(tǒng)總體框架整個(gè)系統(tǒng)在大的方向由發(fā)射模塊和接收模塊組成。兩個(gè)模塊的具體實(shí)現(xiàn)如下。1.1.1 其中發(fā)射模塊的系統(tǒng)框圖如下：1.2 理論分析1.2.1 聲音經(jīng)過(guò)拾音器（即話筒）的微弱電壓信號(hào)輸入需進(jìn)行放大和濾波，實(shí)現(xiàn)電壓放大可以考慮使用運(yùn)放，接成同相放大器或者反相放大器都可以實(shí)現(xiàn)要求，但是注意的是，從拾音器過(guò)來(lái)的電壓信號(hào)非 常微弱，極易被噪聲淹沒(méi)，以此輸入放大之前要接差分放大電路以減小噪聲干擾，經(jīng)過(guò)差分放大電路之后的信號(hào)在接入放大器，實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的放大。1.2.2 為了保證信號(hào)的質(zhì)量，必須對(duì)放大的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波，考慮到人說(shuō)話的頻率范圍有限，也即達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)的帶寬，應(yīng)該做一個(gè)帶通濾波電路，為了濾波的效果更好，設(shè)計(jì)雙電源供電的有源濾波器，使用的芯片可以使NE5532或者LM324，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出相應(yīng)的元器件參數(shù)，使用仿真軟件進(jìn)行一下仿真之后再搭電路進(jìn)行調(diào)試。1.2.3 通過(guò)濾波器之后的模擬信號(hào)進(jìn)入到紅外發(fā)射裝置，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光，通過(guò)光強(qiáng)的強(qiáng)弱變化來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，在接收端收到光強(qiáng)的變化，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得到的是按照相同規(guī)律變化的模擬信號(hào)。1.2.4 將模擬信號(hào)進(jìn)行多級(jí)的放大和濾波，以彌補(bǔ)傳輸過(guò)程帶來(lái)的信號(hào)的損傷，然后將會(huì)輸出和原始信號(hào)相一致的電信號(hào)。1.2.5 本題中要從揚(yáng)聲器獲得到聲音的重現(xiàn)，那么就必須進(jìn)行功率放大，所以需做功率放大電路，將經(jīng)過(guò)濾波后的模擬信號(hào)放大之后，就可以就聲音信號(hào)放出來(lái)。1.3 方案論證與比較1.3.1 控制模塊傳統(tǒng)的51單片機(jī)廣為應(yīng)用，具有使用簡(jiǎn)便、便宜價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，但是其運(yùn)算能力較低，速度較慢，功能相對(duì)單一，難以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的任務(wù)要求。而Atmega16是一款功能強(qiáng)大的16位微控制器，具有非常豐富的片上資源，如：8路10位精度的ADC，節(jié)省了片外AD；強(qiáng)大的定時(shí)功能，可以進(jìn)行較精確的定時(shí)；另外還有精密的比較器，大容量的RAM和ROM，可存儲(chǔ)大容量的程序。所以選擇Atmega16為控制模塊。1.3.2 紅外收發(fā)裝置方案一：采用紅外發(fā)射管+紅外接收管 即紅外收發(fā)對(duì)管。此方法簡(jiǎn)單快捷。但是其解調(diào)電路比較繁瑣。方案二：采用紅外發(fā)射管+HS0038紅外一體化接收頭。本次設(shè)計(jì)中的紅外接收電路主要是將發(fā)射管發(fā)過(guò)來(lái)的無(wú)信信號(hào)進(jìn)行放大，整形，解碼，再放大后驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲。所以選著了集成的紅外接收器HS0038。該集成的紅外接收器內(nèi)部具有放大，濾波，解調(diào)的功能，直接輸出的是數(shù)字信號(hào)，方便進(jìn)行處理。所以選擇方案二。1.3.4 放大電路方案一：使用的一次性放大到所需要的倍數(shù)的電路。比如要放大1000倍，那么就是用一個(gè)放大電路一次性使信號(hào)放大1000倍！這樣子電路比較易于構(gòu)建，但是信號(hào)波形容易缺失，甚至得不出預(yù)想的處理信號(hào)。方案二：使用多級(jí)放大，不宜一次性放大太高的倍數(shù)。比如要放大1000倍，先是放大10倍，再放大100倍。如此這般，信號(hào)的波形，不易缺失，容易彌補(bǔ)傳輸過(guò)程帶來(lái)的信號(hào)的損傷。所以選擇方案二。1.3.5 紅外發(fā)射管驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)運(yùn)算放大器可以設(shè)計(jì)出把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流的電路。方案一：使用一個(gè)紅外發(fā)射管來(lái)發(fā)射信號(hào)。此辦法雖然直接簡(jiǎn)單，但是其發(fā)射距離有限，達(dá)不到2m,與題目要求不符。方案二：把3個(gè)紅外發(fā)射管并聯(lián)接到驅(qū)動(dòng)三極管的集電極，減小發(fā)射極的電阻，使通過(guò)每一個(gè)紅外led的電流與只有一個(gè)紅外led時(shí)的電流一樣。此辦法大大的提高了紅外led的發(fā)射功率，其接收效果更好。所以選擇方案二。1.3.6 電源電路方案一：使用鋰電池供電。該方法安全，簡(jiǎn)易。但是本題中，有的芯片供電的電壓為正負(fù)12V，不適合用鋰電池供電。方案二：通過(guò)變壓器利用220v供電。雙電源模式，發(fā)射和接收模塊各自獨(dú)立電源供電。如此可以避免長(zhǎng)到線消耗電能，節(jié)約資源；同時(shí)，可以使兩端的接收信號(hào)獨(dú)立穩(wěn)定?；ハ嘀g無(wú)電磁的干擾。所以選擇方案二。2、 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1單元電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算2.1.1 聲音轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)電路當(dāng)使用駐極體話筒或音頻信號(hào)作為音頻發(fā)聲器時(shí)，接線方法如下：2.1.2 濾波電路設(shè)計(jì)為帶通濾波器，要求帶寬為300Hz到3.4KHz，其由兩部分構(gòu)成，一部分是低通濾波器，一部分是高通濾波器，都用NE5532實(shí)現(xiàn)。低通濾波器電路原理圖如下：注：元件參數(shù)計(jì)算方法如下：上限截止頻率：fH=1/(2Pi R C)=3.4K Hz令R=22k 則C=4.7nf 選增益Au=f/R1+1=1.2取Rf=10K 則R1=62K高通濾波器的電路如下：元件參數(shù)計(jì)算方式大致如下：下限截止頻率：fH=1/(2Pi R C)=300Hz 令R2=R3=22K 則C1=C2=22nf 取增益為Au=f/R1+1=1.8取Rf=48K 則R1=62K2.1.3 放大電路本設(shè)計(jì)中采用多級(jí)放大，每一級(jí)放大均為10倍增益。2.1.4 紅外管發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路 共有左右兩種電路圖。我們采用左圖的方式，其中使用3個(gè)紅外發(fā)射管并聯(lián)的方法，相比于右圖這樣發(fā)射的明顯功率提高（其中電壓不變，電流變?yōu)?倍，所以發(fā)射功率提高）。2.1.5 喇叭驅(qū)動(dòng)電路功率放大器的具體電路如下所示：這樣就可以把前面電路傳送的聲音信號(hào)復(fù)述出來(lái)了3、 軟件設(shè)計(jì)上圖是運(yùn)用DS18B20測(cè)量測(cè)量環(huán)境溫度。在利用一路數(shù)字信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的紅外傳遞。4、 系統(tǒng)實(shí)測(cè)4.1 在發(fā)送部分使用音頻線接入聲音信號(hào)。2米之外可以通過(guò)喇叭發(fā)出聲音。5、注意事項(xiàng)1、芯片需要雙電源供電，電源不能接反，否則會(huì)燒壞芯片。2、部分引腳或接線裸露，測(cè)試時(shí)注意不可短路。3、部分導(dǎo)線極細(xì)，焊接不是特別結(jié)實(shí)，取放時(shí)注意不要拽斷。4、紅外的發(fā)射和接收裝置必須較為準(zhǔn)確的相對(duì)，否則接收到的信號(hào)出現(xiàn)失真。5、電源的提供：實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的功能需要正負(fù)12V、5V的直流穩(wěn)壓電源。本次實(shí)驗(yàn)中的正負(fù)12V及正負(fù)5的電源使用自制變壓器得到，其能將220的交流電變成正負(fù)V、正負(fù)5直流電源輸出。6、因?yàn)闀?huì)使用220v交流電，謹(jǐn)防觸電。6. 總結(jié)1、要想實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)，那必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有整體的思路2、設(shè)計(jì)電路是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的前提，合理的選用芯片十分關(guān)鍵，合理設(shè)置元器件參數(shù)更是一個(gè)難點(diǎn)。3、焊接電路路需要扎實(shí)的基礎(chǔ)功及較強(qiáng)的耐心，調(diào)