红外线接收发送装置设计(九).

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1、 课程设计说明书 第I页 I I 红外线接收发送装置设计 摘 要 随着红外技术的发展，红外通信已经成为越来越普及的无线通信方式。 在 通信系统中，常利用非电信号来传递控制信号和数据，以实现遥控或遥测的功 能红外通信，具有控制简单、实施方便，传输可靠性高的特点，是一种较为常 用的通信方式。红外通信利用 950 nm 近红外波段的红外线作为传递信息的媒体， 发送端采用脉时调制方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并 驱动红外发射管以光脉冲的形式发送，接收端将收到的光脉冲转换成电信号。 再经过放大、滤波处理后送给解调电路，还原为二进制数字信号后输出。实现 单片机系统红外通信的关键在于红外串

2、行接口电路的设计以及接口驱动程序的 设计。 本设计介绍了基于单片机的红外接收和发送电路的设计，并在课程设计说 明书中对电路的原理和结构做了简要的介绍。 关键词：红外线、单片机、串行接口 课程设计说明书 第II页 II II 目 录 1 绪 论1 2 设计过程1 2.1 信号变换和脉冲发送 1 2.2 红外接收器 2 2.3 通信信道 2 2.4 串行接口的设计 3 2.5 发射部分 3 2.6 接收器的设计 4 2.7 数码显示部分 6 2.8 按键部分设计 6 3 单片机控制的红外通信的总程序8 3.1 程序流程图 8 3.2 红外线接收发送程序 8 总 结.11 致 谢.12 参考文献.1

3、3 1 绪 论 红外通信是目前比较常用的一种无线数据传输手段，其具有无污染、信息 传输稳定、信息安全性高以及安装使用方便等优点，并且可以在很多场合应用， 如家电产品，工业控制、娱乐设施等领域。红外通信是利用 950nm 近红外波段 的红外线作为传递信息的载体，通过红外光在空中的传播来传递信息，由红外 发射器和接收器实现。发射端将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列， 经电光转换电路，驱动红外发射管以光脉冲的形式发送到空中。接收端将接收 到的光脉冲转换成电信号，再经解调和译码后恢复出原二进制数字信号。本文 设计了一种基于单片机 AT89C51 的主从式红外通信系统，主要设计了红外接口 电路以及

4、主机和从机通信软件流程。 2 设计过程 红外通信系统采用红外光传输及无限工作机制，其组成结构主要包括：红 外发射器，通信信道，红外接收器三大部分组成。 2.1 信号变换和脉冲发送 红外发射器的关键是红外发光二极管和响应的驱动电路。红外发光耳机光 首先要满足其调制带宽大于信号的频谱宽度，保证通信线路畅通。此外发光二 极管的发射波长应与接收端的光电探测器(选用硅光二极管)的峰值响应相匹配， 最大程度地抑制背景杂散光干扰，现阶段一般选用 780nm950 nm 的红外波段 进行数字信号传输。由于红外无线通信系统的信噪比与发射功率的平方成正比， 所以适当提高红外发射器的发射功率，并采用空间分集、全息漫

5、射片等可使发 射端的光功率在空间均匀分布的措施来降低误码率，提高通信质量。其原理图 如图 1 所示。 课程设计说明书 第2页 2 2 差分信号 输入 线路接收编码调制差分驱动 红外脉冲 输入 图 1 红外发射器原理图 2.2 红外接收器 红外接收器包括红外接收部分以及后续的信号采滤波、判决、量化、均衡 和解码等其原理框图如图 2 所示。 红外脉冲 光电转换 频域均衡 码元判决 差分信号形成 差分信号 解码电路 阈值产生 谷值提取 峰值提取 图 2 红外接收器结构框图 红外接收端的工作过程，首先进行光电转换，将红外脉冲信号变为电信号， 经过适当的频域均衡后进行码元判决，码元判决电路是接收器设计的

6、核心部分。 由于信号采用红外无线进行穿社，其电平变化范围较大，所以码元判决电路必 须是自适应的。接收的信号经自适应码元判决后变成数字信号，再进行适当的 解码转换为差分信号进入计算机网卡的信号输入端。 2.3 通信信道 红外无线数字通信的信道泛指发射器与接收器之间的空间。由于自然光及 人工光源等背景光信号的介入，信号源以及发射、接收设备中电学或光学噪声 的影响，红外无线数字通信在某些场合的通信质量较差，需要采用信道编码技 术来提高抗干扰能力。 课程设计说明书 第3页 3 3 在红外线通信系统中，由于红外发射器的发射功率较小，而且信号采用红 外线进行传输，易受外界环境的影响，这些因素导致了红外接收

7、器的信号很弱， 并且电平变化范围较大。因此，低噪声的前置放大器设计和自适应的码元判决 电路是必须的。低噪声的前置放大器一般选用输入阻抗较高的场效应管放大器， 并要求带宽大，增益高，噪声低，干扰小，频率响应与信道脉冲响应匹配。自 适应的码元判决电路能自动跟踪输入信号电平的变化，得到最佳的阈值电平， 并根据此阈值电平对信号进行判决，将其变换为数字电平之后进行解码，恢复 原始信号。同时，为了滤去低频噪声及人为干扰采用带通滤波器，为了与调制 特性匹配并消除码间干扰常采用均衡技术，为了获得较大的光接收器工作范围 及瞬时视场采用球形光学透镜。这些措施都是将有利于红外无线通信质量的提 高。 2 2.4 串行

8、接口的设计 单片机控制的红外通信系统主要有红外发射器，红外接收器，以及单片机 89C51 三部分组成，单片机本身并不具备红外通信接口，可以利用单片机的串 行接口与片红外发射和接收电路，组成一个单片机控制系统的红外串行通信接 口。 2.5 发射部分 红外发送电路包括脉冲振荡器、三极管和红外发射管等部分。其中脉冲振 荡器有 NE555 定时器、电阻和电容组成，用于产生 38 kHz 的脉冲序列作为载波 信号，红外发射管 HG 选用 Vishay 公司生产的 TSAL6238，用来向外发射 950 nm 的红外光束。其发送的过程为：串行数据有单片机的串行输出端 TXD 送出并驱 动三极管，数位“O”

9、使三极管导通通过有 NE555 构成的多谐振荡电路调制成 38 kHz 的载波信号，并利用红外发射管以光脉冲的形式向外发送。数位“l” 使三极管截止，红外发射管不发射红外光。NE555 构成的多谐振荡电路的振荡 周期公式为 T=O693(R1+R2)C，其中，R1 为充电电阻，R2 为放电电阻，C 为充 电电容。 课程设计说明书 第4页 4 4 图 3 发送电路 本电路为简易型红外线发射电路，如图 3 所示，为红外线发射电路，555 接成无稳态振荡器，其周期及频率计算如下: 周期 T = 0.69(R1+ R2 )C1 R1，R2 代入 10K，C1 代入 0.01uf 得周期 T = 0.6

10、9(10K + 210K) 0.01uf = 207 uS 频率 工作周期667 . 0 3 2 2 21 21 RR RR T 2.6 接收器的设计 红外接收电路选用 Vishay 公司生产的专用红外接收模块 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 课程设计说明书 第5页 5 5 灵敏度高、对其他波长(950 nm 以外)的红外光不敏感的特点，其内部结构框图 如图 4 所示。 PIN 控制电路 自动增益 控制电路 带通滤波 器 解调电路 输入 图 4 TSOP1738 内部结构 TSOPl738 的工作过程为：首先，通过红外光敏元件将

11、接收到的载波频率 为 38 kHz 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。 图 5 接收电路 如图 5 为红外线接收电路，U2A 为 270 倍的反相放大器，C3 做为高频衰减 之用，可在 TP2 测出较小的红外线信号，U2B 为 100 倍的反相放大器，可在 TP3 测出较大的 红外线信号。放大倍数计算如下: U2A 放大倍数: 470 7 8 R R AV 课程设计说明书 第6页 6 6 U2B 放大倍数: 100 9 10 R R AV 两个反相放大

12、器共放大 27000 倍，D4 与 C4 为整流滤波之用，当接收到红 外信号 时，TP4 为高电位，没接收到红外线，TP4 为低电位，使用 U2C 做为比 较器，调整 VR1 改变比较器的位准，则可输出符合数位电路所需的高低准位要 求，配合计数器即可 做为物体计件器。当物体经过红外线发射端与接收端之间， 则比较器输出电位高低 变化一次，则计数器计数值往上加 1，如此一来，这个 电路就能计算物体通过的数量。 2.7 数码显示部分 在系统中，选用一个双七段数码管来显示发送和接收的数据。数码管采用 DPY 双位七段共阳数码管。高位的共阳极是 lO 脚，低位的共阳极是 5 脚。由单 片机的 P O 口

13、控制数码管的阴极，P26，P27 口分别控制数码管的高位和低 位，当 P2 口输出数位“0”时，相应的三极管导通。根据 PO 口输出不同数位， 数码管显示不同的数字，当 P2 口输出数位“l”时，三极管截止，数码管不显 示。 2.8 按键部分设计 有四个按键与单片机的 P3 口相连，按键的一边接地，另外一边与单片机的 P32、P34、P35 口相连。单片机控制的红外通信接口电路的整体图如图 6 所示。 课程设计说明书 第7页 7 7 图 6 通信接口电路 其工作过程：单片机通过 TXD 发出串行数据，通过由 NE555 构成的多谐震 荡电路产生 38 kHz 脉冲序列作为载波信号，通过红外发射

14、管将信号以 950 nm 的红外光束发出，红外接收模块 TOSPl738 将接收到的光脉冲转换成电信号，再 经过发大、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 出到单片机的 RXD 口。单片机对接收到的数据进行处理，将相应的数据显示在 数码管上。这样，一个单片机控制的红外通信系统就实现了通信。 为了保证红外接收模块 TSOPl738 接收的准确性，要求发送端载波信号的频 率应尽可能接近 38 kHz，因此在设计脉冲震荡器时，要选用精密元件并保证电 源电压稳定。还有，发送的数位“O”至少要对应 14 个载波脉冲，这就要求传 输的波特率不能超过 2400 bps。 课程设计说明书

15、 第8页 8 8 3 单片机控制的红外通信的总程序 3.1 程序流程图 图 7 红外发射部分程序流程图 图 8 红外接收部分程序流程图 3.2 红外线接收发送程序 P32 为开始键也为功能选择键，P35 为功能确认键 ORG 0000H AJMP 30H ORG 30H MAIN: MOV TMOD,#20H MOV TL1，#0E8H 课程设计说明书 第9页 9 9 MOV TH1，#0E8H MOV PCON,#00H MOV R1，#00 MOV R2，#00 JB P3.2，$ Q1:ACALL DL10MS JNB 3.2，Q1 SETB TR1 MOV SCON,#50H MOV P0，#0FFH MOV P1，#0FFH SETB P2.6 SETB P2.7 Q4:MOV R1，#00H Q2:JB P3.2，Q3 ACALL DL10MS INC R1 MOV A,R1 SUBB A,#05 JZ Q4 JNB P3.2，$ Q3:MOV R2，#10H ACALL DISPLAY JB P3.5，Q2 ACALL DL10MS JNB P3.5，$ MOV A,R1 SUBB A,#02 JZ FN2 MOV A,R1 SUBB A,#03 JZ FN3 MOV A,R1 SUBB A,#04 JZ FN4 功能部分 FN1: 子程序 课程设计说明书