红外光通信装置

2013年全国大学生电子设计竞赛红外光通信装置（F题）2013年9月7日I摘要本系统以红外发射管和红外接收管作为核心，对语音和音乐等低频电信号进行远距离传输。将语音等信号经发射部分进行放大，将其转换成红外光信号发射出去。在接收部分，系统将接收到的红外光信号转化成电信号，再通过扬声器转换成语音信号，完成通信。此红外通信装置具有保密性强、信息容量大、结构简单、方向性好、免受电磁干扰、成本低廉、跨平台适应性好、传输速率高等优点，所以可用于点对点通信数据连接系统中。关键字：红外线；放射系统；接收系统II目录1系统方案..........................................................31.1红外发射装置的论证与选择....................................31.2红外接收装置的论证与选择....................................31.3温度传感器的论证与选择......................................42系统理论分析与计算................................................52.1系统分析....................................................52.1.1语音信号的分析.........................................52.1.2红外发射装置的分析.....................................52.1.3红外接收装置的分析.....................................52.2红外发射装置的计算..........................................62.3红外接收装置的计算...........................................72.4如何提高转发效率.............................................73电路设计..........................................................73.1系统总体框图.............................................73.2发射子系统框图与电路原理图...............................83.3接收子系统框图与电路原理图...............................93.4电源....................................................104测试方案与测试结果...............................................104.1测试方案....................................................104.1.1测试红外线发射管......................................104.1.2测试光电接收管.......................................114.1.3连机调试..............................................114.2测试结果...................................................114.2.1测试条件..............................................114.2.2测试仪器..............................................114.3测试结果及分析..............................................124.3.1测试结果(数据.........................................124.3.2测试分析与结论........................................12参考文献...........................................................13附录元件清单...................................................143红外光通信装置（F题）【本科组】1系统方案本系统主要由红外发射装置模块、红外接收装置模块，语音信号由SG1646多功能函数讯号发生器产生，经发射部分放大并将其转换成红外光信号发射出去，在接收端系统将红外光信号转化成语音信号由扬声器输出。下面分别论证这几个模块的选择。1.1红外发射装置的论证与选择方案一：利用脉冲振荡器组成的调制器。MIC是语音话筒，只需对话筒讲话，话筒的输出信号经过运放加以放大，放大的语音信号加到调制器对语音信号进行调制，再由红外线发光二极管发射已调制的语音信号。这里的调制器是一种脉冲振荡器。产生对称的方波信号。当语音信号加到该振荡器的输入端时，使方波信号的占空比随语音信号线性变化，从而达到调制目的。由于其脉冲频率随调制信号的振幅变化而变化，方案二：利用单片机设计。采用SC9012芯片与LED组成电路，SC9012的发射码采用脉冲位置调制方式（PPM）来进行编码，这样的编码方式效率高，抗干扰性能好。但编程困难。方案三：利用放大电路。设计原则主要是考虑红外发送管的工作电流，电流过小，传输距离短，电流过大容易毁坏发光管。利用一个共发射极的放大电路，调整基极偏置，但输入模拟信号，晶体管集电极电流随模拟信号强度的变化而变化，LED的输出光功率也随模拟信号而变化，从而可以将输入信号发送出去。综合以上三种方案，选择方案三。1.2红外接收装置的论证与选择方案一：利用红外接收模块TSOP1738。该模块是一个三端元件，使用单电源+5V供电，具有功耗低、抗干扰能力强、输入灵敏度高、对其他波长(950nm以外)的红外光不敏感的特点，TSOPl738的工作过程为：首先，通过红外光敏元件将接收到的载波频率为38kHz的脉冲红外光信号转换为电信号，再由前置放大器和自动增益控制电路进行4放大处理。然后，通过带通滤波器进行滤波，滤波后的信号由解调电路进行解调。最后，由输出级电路进行反向放大输出，方案二：利用高通滤波器和功率放大器。红外接收的二极管都是光敏二极管，这样普通光对其构成一定程度的影响，为了获得更好的效果，还要在信号输出端加入高通滤波器，消除恒定的外接低频信号的干扰，这样接收效果和灵敏度才有稍微变化。接受效果和效率不是很高。方案三：采用了LM324运算放大器进行放大，由于运算的偏置电阻一般不大于1M欧姆，输入电阻一般不小于10K欧姆，否则电路易产生失调电压和失调电流，导致运放不能在线性范围内工作，放大信号会失真，因此，为了保证LM324能在线性范围内工作，系统采用两级放大时，效率是相当高的。综合以上三种方案，选择方案三。1.3温度传感器的论证与选择方案一：集成温度传感器。集成温度传感器是把感温元件、放大电路、补偿电路等集成在一块很小芯片上的温度传感器，它是目前发展最快的温度传感器，它的优点在于线性度好、响应快、输出规范化，缺点在于测量范围窄，一般在-50-150摄氏度，这主要跟元器件的使用条件有关。方案二：新型可编程温度传感器DS18B20。新型可编程温度传感器DS18B20精度高，成本低，易于采集信号。利用热电偶或热电阻作为温度传感器，这类传感器至仪表之间通常要用专用的温度补偿导线，而温度补偿导线的价格比较高，并且线路太长会影响到测量的精度，这是直接以模拟量形式进行采集的不可避免的问题。采用新型可编程温度传感器DS18B20进行温度检测可以避免热电阻或热电偶作为温度传感器所造成的测量精度误差过大等问题，同时DS18B20只需要一个I/O口便可以进行通信，它可以以更低的成本和更高的精度实现温度的检测。综合考虑采用方案二。52系统理论分析与计算2.1系统分析2.1.1语音信号的分析电路由模拟信号产生电路、滤波器、功率放大电路、直流稳压电源组成。在实验中由模拟语音信号产生电路产生频率为50HZ-15KHE的正弦波，然后经过低通滤波器和高通滤波器，最后产生300HZ-3000HZ的波形，由于要求带宽范围很广，采用一级二阶高通滤波器和一级低通滤波器相级联的方法，获得所需的波段，滤波器的带宽有两个滤波器的截止频率锁决定。最后经过功率放大器进行放大，系统框图如图1所示。图1语音信号的分析2.1.2红外发射装置的分析在发射部分，对静态工作点要进行调试，使红外管有合适的驱动电流。可以按照一般的三极管放大电路的调试方法来调制静态工作点，保证红外管得到足够的驱动。然后进行交流调试，将信号发生器产生的正弦信号接入输入端，用示波器同时监测输入输出信号（输出信号取自发光管所在支路），保证输出信号不失真无干扰。红外线音乐发生器电路或是SG1646多功能函数信号发生器发生的波形信号通过两个二极管的两级放大，使语音和音乐等微弱信号可以进行远距离传递。2.1.3红外接收装置的分析接收部分主要的功能是放大功率，所以必须进行增益调节。信号通过红外线进行传模拟语音信号发生器滤波器功率放大器直流稳压电源6输，易受外界环境的影响，这些因素导致了红外线几首到得信号很弱，所以本系统必须对接收到得信号进行放大，单片机才能正确识别，经研究，发射器发射出来的信号传输到接收器上时新信号非常微弱（大约几毫伏），如果用三极管放大很难实现，本系统采用了LM324运算放大器进行放大，由于运算的偏置电阻一般不大于1M欧姆，输入电阻一般不小于10K欧姆，否则电路易产生失调电压和失调电流，导致运放不能在线性范围内工作，放大信号会失真，因此，为了保证单片机能正常识别信号，本系统采用三级放大。LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，LM324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1．5V～±15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O～Vcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图2所示的符号来表示。图2LM324引脚图2.2红外发射装置的计算发射部分主要那就是将语音信号转化成光电信号，并放大进行传递，因此需选择合适的电阻让三极管9014的放大功能发挥到最大，以下是对两级放大三极管外围电阻进行分析：集电极导通电流为：BQBEQBQCQEQeeVVVIIRR①基极导通电流为：CQBQII②发射极的导通电压为：()VEQCCCQCeVVIRR③7集电极发射极的导通压降为：UCE=0.3V④集电极导通电压：AIC1.0⑤基极电流为：mAIB5⑥基极发射极导通压降为：VUBE1⑦放大倍数为：400⑧由以上公式得：204R515RVUB31KR21KR5.12KR2.132.3红外接收装置的计算接收部分主要功能是将发射部分同相放大器的比例关系：3141RVRRUSA①电压增益：41RRAV②由①②得：VUA6.4812.4如何提高转化效率1．增大语音信号（光脉冲）的频率。2．输出端加入高通滤波器消除恒定的外接低频信号干扰。3电路设计3.1系统总体框图系统总体框图主要是由两部分组成，即红外线发射系统和红外线接收系统，如图3所示。8红外线发射红外线接收红外线距离2M语音信号耳机图3系统总体框图3.2发射子系统框图与电路原理图1、发射子系统电路发射端是系统的核心模块之一，他的作用在于对语音信号的放大滤波，再将信号发射出去，如图4所示。图4发射子系统框图2、发射子系统电路发射子系统的电路主要是由两