红外光通信装置.docx

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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

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

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。

2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：

①

基极导通电流为：

②

发射极的导通电压为：

③

集电极发射极的导通压降为：

=0.3V

④

集电极导通电压：

⑤

基极电流为：

⑥

基极发射极导通压降为：

⑦

放大倍数为：

⑧

由以上公式得：

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：

①

电压增益：

②

由①②得：

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。

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级放大器1N4007和滤波电路组成，电路图如图5所示。

图5发射子系统电路

3.3接收子系统框图与电路原理图

1、接收系统框图

接收系统是先将红外光信号转化成模拟信号，放大滤波后再通过扬声器输出，如图6所示。

图6接收子系统框图

2、接收系统电路

采用LM324四运算放大器进行放大，LM324工作电压范围宽，很容易实现工作状态，而其他的功能只需添加相关的外围设备实现，如图7所示。

图7接收系统电路

3.4电源

电源由稳压器直接输出的

5V电压供应，确保电路的正常稳定工作。

4测试方案与测试结果

4.1测试方案

4.1.1测试红外线发射管

　　红外线发射管是一只二极管，常为无穷大，正向电阻一般为15KΩ。

从PC机红外接口的TR可用万用表电阻R×K档测量红外线发射管正反向电阻，反向电阻通TX（红外传输）和GND（地）两引脚接出二根引线，TRTX引脚接红外线发射管正极，GND（地）接红外线发射管负极，将红外线发射管对准笔记本电脑的红外线发射窗口，笔记本电脑的红外线监视器就会发现红外通讯对象—你的PC，此外，红外发光二极管的检测：

红外发光二极管有两个引脚，通常长引脚为正极，短引脚为负极。

因红外发光二极管呈透明状，所以管壳内的电极清晰可见，内部电极较宽较大的一个为负极，而较窄且小的一个为正极。

红外接收二极管的检测：

从外观上识别。

常见的红外接收二极管外观颜色呈黑色。

识别引脚时，面对受光窗口，从左至右，分别为正极和负极。

另外，在红外接收二极管的管体顶端有一个小斜切平面，通常带有此斜切平面一端的引脚为负极，另一端为正极。

4.1.2测试光电接收管

测试光电接收三极管时，用万用表电阻R×K档测量两只引脚间的正反向电阻，光电接收管用反向电阻应大于500KΩ（越大越好），不受光线照射影响；正向暗电阻（不受光线照射时）应大于300KΩ（越大越好），正向明电阻（强光照射时）应小于30Ω（越小越好）。

将光电接收管对准笔记本电脑的红外线发射窗口，当笔记本电脑红外线监视器发出检测信号时，光电接收管正向电阻应自大而小变化，笔者的测试值是从大于500KΩ减小至30KΩ。

如果电阻无变化或变化小说明光电接收管性能不好。

测试光电接收二极管时，万用表电阻R×K档测量光电二极管两只引脚间的正反向电阻，正向电阻约为5K左右，不受光线照射影响；反向暗电阻（不受光线照射时）应大于500KΩ（越大越好），反向明电阻（强光照射时）小于0Ω，小于0Ω的原因是受光线照射后二极管PN结将获得的光能转换为电能，提供了0.7V左右的结电压。

机械鼠标中的光电接收三极管大多是光电接收三极管（也有使用光电接收二极管的鼠标），与普通市售光电接收三极管不同，有三只引脚，因为其是由两只光电接收三极管构成，中间是公共极，实际使用时可只使用其中一只或两只并联使用。

4.1.3连机调试

连接好电路就可以连机调试了，将红外光电发射接收管对准笔记本电脑的红外线发射窗口，双方的红外线监视器就会提示发现红外通讯对象。

如果调试过程中打开音箱，会有美妙的声音提示你连接成功。

4.2测试结果

4.2.1测试条件

测试条件：

多次检查，确保PCB和电路原理图完全相同，实际电路中焊接保证无虚焊。

4.2.2测试仪器

高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。

4.3测试结果及分析

4.3.1测试结果（数据）

测试结果如下表1所示：

输入信号频率和输出信号频率值（单位/Hz）

输入频率

200

400

500

600

1000

1500

2500

2890

输出频率

307

410

513

614

1014

1517

2520

2800

表1输入/输出频率

当发射端输入800Hz单音信号时，输