罗炜红外通信装置设计报告.docx
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罗炜红外通信装置设计报告
机电工程学院课程设计报告
课程名称：
电子线路课程设计
专业班级：
13电子信息工程二班
学生姓名：
罗炜
学号：
2013041632
指导教师：
任志山、汤永清
完成时间：
2015~2016学年第二学期
报告成绩：
评阅意见：
评阅教师日期
红外光通信装置
一、设计任务与要求
1.1计划任务
设计并制作一个红外光通信装置，利用红外发光二极管和红外接收模块作为接收器件，红外光信道作为通信信道，来传输语音信号，并且使得传输距离达到两米。
接收的声音应无明显的失真。
如图1.1。
图1.1红外光通信装置方框图
（2）传输的语音信号可采用话筒或Φ3.5mm的音频插孔线路输入，也可由低频信号源输入；频率范围为300~3400Hz。
（3）接收的声音应无明显失真。
当发射端输入语音信号改为800Hz单音信号时，在8Ω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，减小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，读数不大于0.1V。
如果接收装置设有静噪功能，必须关闭该功能进行上述测试。
（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。
1.2发挥部分
（1）增加一路数字信道，实时传输发射端环境温度，并能在接收端显示。
数字信号传输时延不超过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，以改变通信方向90°，延长通信距离2m，如图1.2所示。
语音通信质量要求同基本要求。
图1.2红外光通信装置方框图
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。
图1.3中继转发节点供电电路
（3）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）其他。
当发射端输入语音信号改为800Hz单音信号时，在8Ω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，减小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，读数不大于0.1V。
二、方案设计与论证
方案一：
数字调制。
利用调制芯片或FPGA对信号进行PCM或ADPCM调制，通过二进制信号传播，在接收端利用解码芯片或FPGA解调。
这种方案硬件实现简单，信号失真度较小，但异步串行通信同步信号提取复杂，误码率不易控制，所以软件方面要求非常高，并且对信道的传输速率要求较高。
方案二：
FM调制。
利用CD4046对信号进行FM调制和解调。
由于信道对传输信号的频率影响较小，利用FM调制相对于幅度调制，信号的失真度较小。
但系统的解调电路不易调节，系统复杂，且解调信号不理想。
方案三：
基带传输。
将语音信号直接进行传输，并使音频信号与温度ASK调制信号相加后直接传输，相加后的信号不经过调制与解调。
此方案，电路简单，易于实现，避免了调制与解调过程中引入噪声和失真。
综合以上三种方案，选用方案三，音频信号与经过ASK调制后的信号相加，相加后的信号直接传输，不经过更多的调制与解调。
这种方案易于实现，调试简单，经过实际测试可行。
1.2 红外光发射的论证与选择
方案一：
LM386驱动红外二极管。
LM386是一种音频集成功放，具有自身功率低、电压增益可调整、外接元件和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机中。
但音频信号需要对38KHz的正弦波进行调制后才能满足两米的传输要求。
增加电路复杂程度。
方案二：
分立三极管VT8058。
选用VT8050中功率管，其功率大，可直接将音频信号传输2m以上，满足题目要求，电路相对简单。
综合以上两种方案，选择方案二。
1.3 传输状态指示灯的论证与选择
方案一：
模拟电路控制。
在电路中接入非门，当接收电路接收到信号，发光二极管熄灭，当没有接收信号时，发光二极管点亮。
此方法原理简单，但相对电路实现困难。
方案二：
单片机控制。
用单片机控制发光二极管的亮灭。
温度数字信号与语音信号同时传输，则当单片机收到温度信号时，熄灭二极管；反之点亮。
方法简单，实现容易，不需要其他外围电路。
综合以上两种方案，选择方案二。
三、单元电路设计与参数计算
1、发射端
图3.1红外发射部分原理图
当信号加在图3.1中的信号输入时，经耦合电容C1（10μ）的隔直作用后会在三极管的基极加上一组和音频信号一样变化的电流，在由其的放大作用，驱动两红外发光管。
使其对音频信号的幅度大小同步调制，转变为红外信号发送出去。
2、接收端
图3.2红外接收部分原理图
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4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隔直作用后，再由LM386放大后再由路解调并还原为音频信号。
3、中转站
图3.3红外中转部分原理图
红外光通信中继转发节点，以改变通信方向90°，延长通信距离2m。
接收端电路中，需要接入低通滤波器进行噪声滤除，并通过低通滤波器和高通滤波器将语音信号和温度数字调制的ASK信号分别提取，对滤波器的参数分析和计算如下：
2.2.1低通滤波器参数选取
低通滤波器用于将红外接收管接收信号中ASK信号滤除，得到低频语音信号。
本系统将截止频率设定为10KHz。
滤波器的归一化频率
，可以计算出滤波器的最小阶数为
，因此本设计的滤波器阶数定为四阶。
通过查找巴特沃兹滤波器参数表，可以得到四阶低通函数归一化近似函数为：
2.2.2高通滤波器参数选取
高通滤波器用于将红外接收管接收信号中低频语音信号滤除，得到ASK信号。
根据频率变换原理，高通滤波器可以转化为低通滤波器的设计。
根据低通与高通的S域变换关系，相应的低通滤波器的参数为：
设衰减A=20dB,归一化频率
。
此时低通滤波器的最小阶数
，因此对应的高通滤波器的阶数定为四阶。
四阶巴特沃兹低通滤波器的传输函数
，设
，根据低通与高通的S域变换关系：
，可得四阶巴特沃兹高通滤波器的传输函数为：
2.2.3LM386放大电路增益的计算：
增益= 30000/（150+（（1350*R）/（1350+R））），
R为1,8引脚之间串联的电阻。
因此，增益=30000/（150+（（1350*0）/（1350+0）））=
200；
四、总原理图及元器件清单
图4.1红外通信总原理图
元器件清单：
序号
元件
备注
1
LM386
2
三极管8050
3
蓝白可调电阻
104
4
精密可调电阻
103
5
电阻
51K、100R
6
电容
220uf、10uf、0.1uf
7
红外发射管
8
红外接收管
五、安装与调试
安装就是按照原理图和PCB进行元器件焊接，过程不能焊错，虚焊，不然都会造成失败。
5.1红外发射模块通信的调试与测试
载波输出信号的测试:
载波信号的测试可以通过边改变载波电路中精密可调变阻器RP1的阻值大小边用示波器观察电路输出端的频率来进行调试，务必要调到使输出端输出的频率为38KHz的载波信号。
通过上述对按键指令和载波频率的测试进行多次，均告准确无误后，则可以认为红外发射模块通信准确，可以结束发射模块的调试与测试过程。
5.2红外接收模块通信的调试与测试
红外接收模块的测试需要用到发射模块的支持与配合，察看接收声音清晰度，来判断验证接收模块的接收解码成功与否。
在细节电路的测试方面，需要注意的是要检查一下红外接收头的三个管脚的接法是否正确，哪个是接电源的，哪个是接地的，哪个是数据输出的，一定要分清。
目前市场上各种的红外接收头种类繁多，型号混杂，不同种类和型号的接收头其三个管脚的接法是不相同的，一定需要分清管脚后才能接上去。
切记！
否则很容易就会烧坏接收头。
对于已知型号的接收头，可以在买的时候从包装袋上读得管脚的接法，而对于未知型号的接收头，则可以像测试三极管管脚一样用万用表测量三个脚之间的电压关系而判断出来。
单片机红外接收模块调试确认无误后，可以确定接收模块的接收解码通信已经成功。
下面将具体过程用图片展示如下：
图5.1红外发射部分实图
图5.2红外发射部门焊接图
图5.3红外接收部分实图
图5.4红外接收部分焊接图
图5.5红外中转部分实图
图5.6红外中转部分焊接图
图5.7红外发送接收调试过程
图5.8红外发中转送接收调试过程布局图
六、性能测试与分析
6.1基本原理分析
使用音频接收模块接收音频信号，如果收集到的音频信号微弱，则需要将其先进行放大，然后转换成数字信号。
并通过红外光进行传输，通过红外接收装置将发射端发射出的光信号收集，并且再次转换成声音信号。
通过设置在发射装置上的热敏电阻，收集发射端的实时温度，并且能够通过红外光信号传送到接收端，然后通过数字显示器将发射端的实时温度显示出来。
6.2与设计要求的比较
与设计要求相比，我们的设计传输距离达不到2m，只能达到1.2m左右，传输距离远远不够。
我们首先思考用多个二极管并联代替一个二极管，增大光源，来增大传输距离。
其次，我们在发射端增加了一个聚光装置，使得发出的红外光信号丢失的比较少。
以增加传输距离。
6.3测试结果
声音效果的测试;
接受的声音频率
波形是否正常
有无失真
800HZ
是
无
传输距离的测试;
传输的语音信号
距离
接受情况
歌曲
1.2M
声音清晰且无杂音
接收延迟的测试：
测试距离（米）
延迟时间（秒）
1
1
1.5
1
2
2
信号电压测试：
单音信号
输出电压有效值
800V
0.45
0V
0.05
七、结论与心得
在此次课程设计过程中，我们为设计出更加合理的方案，不断的互相商量，向老师请教，并且查阅了相当多的资料。
但遇到的困难任然很多，比如对于信号传输距离的改良，由于缺乏相应的经验，开始的时候设计出来的方案红外光信号清晰传输的距离仅仅为1.2米，再向老师请教之后，改变了原方案中的一些电路图的设计，使得传输距离有了明显的提高，但任然达不到两米的要求。
加上之前没有参加过电赛，我们没有太多经验，只能通力合作，每个人的能力都是有限的，即使再聪明，学识再高，缺少了队友之间的合作，想要成功也是不可能的。
所以这次课程设计更加让我认识到合作的重要性。
通过这段时间的设计竞赛题目的制作过程， 这对我们以后的学习和工作不无裨益。
当然，我们的设计还存在着一些缺陷，有待于在将来设计中进一步提高，在方案选择方面欠考虑，软件仿真方面没有做到细致，很多基本问题都没能及时解决，在制作过程中急于求成，没有很好的考虑各方面的问题。
八、参考文献
[1] 赵志杰．集成电路应用识图方法[M]．机械工业出版社，2003
[2] 张晓东. 无线传输防盗报警器[J]. 家庭电子，2004，
（1）
[3] 刘午平等．从入门到精通看无线电电路图[M]．国防工业出版社，2005
[4] 张爱民等．怎样选用电子元器件[M]．中国电力出版社，2005
[5] 李彬.光学无线数据传输技术:
WI-FI的终结者[J].今日科苑，2007，（15）
[6] 钟晓岚，赵满明.红外传输特性在照明节能上的研究与应用[J]. 首都师范大学学报（自然科学版），2008，（5）
[7]全国大学生电子设计竞赛组委会，《全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编》，北京：
北京理工大学出版社，2004.8
附PCB图：
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