利用红外传递语音信号的系统设计.docx

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利用红外传递语音信号的系统设计

编号

本科生毕业设计（论文）

题目：

利用红外传递语音信号的系统设计

物联网工程学院电子信息工程专业

学号0703080129

学生姓名安强

指导教师于凤芹教授

二〇一二年六月

摘要

目前，国内外语音通信系统主要是通过电话线、蓝牙、互联网、WIFI和GPRS等，但是其具有成本高、设计复杂、功耗高等缺点．由于红外通信保密性好，不受无线频率使用管制，而且在夜间无线静默状态下不增加被发现的概率，虽然红外激光无法直接传递语音信号，但若采用红外编码的形式将信号编码调制到红外载波上，就可实现红外语音通信，从而实现红外通信传递语音信号的系统设计要求．

本文首先介绍了红外通信的基本原理、国内外发展状况及用途，并就如何通过红外通信的方式把语音指挥和调度指令下达给车队中的各车辆的系统设计问题，分别从硬件设计和软件设计两个方面入手进行设计，从而实现该系统利用红外通信来传递语音信号，保证车队在处于行进状态时，车队中车辆位置随时会发生变化，指挥车辆发出的指挥和调度指令能正确地传达到各车辆．

该语音联络系统以红外通信为基础，设计了以STC89C52RC单片机作为控制核心，进行信息的采集和处理，利用矩阵键盘实现指令输入，经过红外编码将信号编码调制到红外载波上，然后经红外发射电路发射出去，在接收指令时通过一体化接收头完成解调，通过解码还原数据，同时利用语音芯片ISD1760和LCD12864型号液晶显示芯片来完成相应的语音播报和液晶显示显示任务．本设计利用两块STC89C52RC型号单片机分别控制的红外信号的发射与接收，硬件部分包括红外发射模块与红外接收模块，其中红外发射模块主要实现的功能是键盘指令输入、红外信号编码和红外发射，由键盘输入模块与红外发射电路组成，红外接收模块主要实现的功能是红外信号接收、液晶显示与语音播报，由红外接收电路、液晶显示电路和语音播报电路组成．软件部分根据硬件设计，把系统划分成发射部分与接收部分，其中发射部分主要包括键盘扫描程序和红外发射程序，接收部分主要包括红外接收子程序、液晶显示子程序和语音播报子程序．通过控制编程与各芯片之间的协调合作，本系统基本实现了单片机语音联络的功能．

关键词：

单片机；红外通信；语音播报；液晶显示

ABSTRACT

Atpresent,thevoicecommunicationsystemismainlythroughthetelephonelines,bluetooth,theInternetandWIFIandGPRS,etc,butithasthehighcostandthedesign,powerconsumptionhighershortcomingscomplex.Becauseinfraredcommunicationgoodsecrecy,notaffectedbyradiofrequencytousecontrol,andinthenightsilentstatedidnotincreasethewirelesswasfoundprobability,althoughinfraredlasercannotdirectlytransferspeechsignal,butifyouuseinfraredcodingintheformofcodingmodulationsignaltoinfraredcarrier,canrealizetheinfraredvoicecommunication,soastorealizetheinfraredcommunicationtransferspeechsignalsystemdesignrequirements.

Thispaperfirstlyintroducesthebasicprincipleofinfraredcommunication,thedomesticandforeigndevelopmentstatusandpurpose,andonthewaythroughtheinfraredcommunicationwayvoicecommandandschedulingorderstotheteamfromeachofthesystemdesignofthevehicle,separatelyfromthehardwaredesignandsoftwaredesigntwoaspectstocarryonthedesign,soastorealizethesystemuseinfraredcommunicationtodeliverthespeechsignal,ensuretheteammarchinginthestate,thefleetvehiclespositionatanytimesoonchange,commandvehicleoutofcontrolandschedulecommandcancorrectlycommunicatedtoallvehicles.

Thevoicecontactsystemwithinfraredcommunicationasthefoundation,thedesignwithSTC89C52RCmicrocontrollerasthecoretocontrol,informationcollectionandprocessing,usekeyboardinputmatrixrealizeinstructions,throughinfraredcodingwillsignalcodingmodulationtoinfraredcarrier,thenbyinfraredemissioncircuitlaunchout,receivingordersthroughtheintegrationinreceivingheadcompletedemodulation,throughthedecodingreductiondata,andtousevoicechipISD1760andLCD12864typeLCDdisplaychiptocompletethecorrespondingspeechbroadcastandLCDdisplaytask.ThisdesignusingtwopiecesofSTC89C52RCmodelrespectivelyofthesinglechipmicrocomputercontroloftheinfraredsignaltheemittingandreceiving,hardwareincludinginfraredemissionmoduleandinfraredreceivingmodules,whichinfraredemissionmodulemainlyrealizesfunctionisthekeyboardinput,theinfraredsignalencodingcommandsandinfraredemission,thekeyboardinputmoduleandinfraredemissionofcircuit,infraredreceivingmodulemainlyfunctionoftherealizationoftheinfraredsignalisreceived,liquidcrystaldisplayandspeechbroadcast,byinfraredtoreceive.

Keywords:

SCM;Infraredcommunication;Voicebroadcast;LCDdisplay

第1章绪论

1.1课题研究的背景及意义

在日常生活中，电脑、电视等的电缆让我们眼花缭乱，头痛不已，各种设备的线缆也随处可见，就连我们声音的传输在很大程度上也依赖于各种形形色色的电缆．这种采用有线方式来传输语音信号的系统必须要有大量的电缆将收发端连接起来，声音信号才能进行传输，因此对于有线通信来说，需要建设的规模和费用都是相当大的．随着科学技术的不断发展和现代技术的不断进步，无线通信越来越受到广泛的应用．目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙（Bluetooth），无线局域网802.11（Wi-Fi）和红外数据传输（IrDA）．但蓝牙技术遭遇了最大的障碍是过于昂贵．突出表现在芯片大小和价格难以下调、抗干扰能力不强、传输距离太短、信息安全问题等等．Wi-Fi速率最高可达11Mb/s，虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100m左右．同时Wi-Fi技术缺乏“一对一”终端产品，大多应用在数据业务方面，通话业务方面存在很大的安全隐患．

红外技术的飞速发展给传统的声音传输带来了强大的冲击力，同时也带来了无穷的希望和活力．红外技术的应用使得语音无线传输成为可能，并使传输更加灵活、方便、高效．红外传输是一种以红外光为载体，通过其在空中的传输来传输语音和数据的传输方式．由于红外通信具有隐蔽性，保密性强，体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因此被广泛应用于电子产品与国防科技中．而单片机是目前设计应用中用得比较广泛的器件，它可以通过软件编程来达到不同的效果，实现各种各样不同的功能，具有灵活性强、可靠性高，可扩展性好等优点．

由于传统语音通信的缺点和局限以及红外通信技术的以上优点和高速发展，本课题提出了一种利用红外激光接力通信作为车队之间的联络方式，分别从硬件设计和软件设计两个方面入手进行设计，从而实现该系统利用红外通信来传递语音信号，通过每两辆车之间的转发传送实现指令命令在全车队的下达，并同时伴随语音提示与实时显示．

1.2国内外现状与发展趋势

红外通信由来已久，但是进入90年代，这一通信技术又有新的发展，应用范围更加广泛．1995年，一个由部件、计算机系统、外围设备和电信厂商组成的大型集团──红外数据协会（IrDA）就红外通信的一套标准达成一致．现在约有120家以上的厂商支持红外通信标准．其中的许多厂商已推出符合红外通信标准并支持Windows95的产品．

　红外数据协会开发的这种新的无线通信标准还得到PC机产业的有力支持．主要的开发厂商，如微软、苹果、东芝和惠普公司，已推出了在计算机之间采用这种高速红外数据通信的PC机、笔记本计算机、打印机和手持式个人数字助理（PDA）设备．此外，红外通信的连通性已用在大多数新的笔记本计算机中，并成为一种最具成本效益和便于使用的无线通信技术而问鼎市场．

中国红外通信市场目前还处于发展之初，但潜力很大，代表市场在手机和家电．但同时，由于国内对于新技术接收的敏感度较低，加上伴随的各类标准问题，中国的短距离无线通讯市场在成长期还存在很多问题需要解决．

近几年，随着智能化设备原来越普及，红外通信技术因其抗干扰性能突出，从而被广泛的应用到针对智能机器人，智能电器，智能家居的设计方案中．红外通信是最常用的近

距离无线通信方式之一，采用红外通信的优点是低成本、高速率且低功耗，因此也就成为设计手持遥控器的的首选．除此之外，在基于单片机的智能家居设计中，红外通信作为单片机之间的通信手段与电信市话通信手段结合，实现了对家居异常情况（盗窃、火警、燃气泄漏、漏水等）电话远程报警、远程遥控功能．

预计在不久的将来，红外技术将在通信领域得到普遍应用，数字蜂窝电话、寻呼机、付费电话等都将采用红外技术．红外技术的推广意味着膝上计算机用户不用电缆连接的时代即将到来．

1.3红外通信概述

1.3.1红外通信的基本原理

红外通信的基本原理是利用950nm近红外波段的红外线作为信息的载体，将二进制信号调制为若干脉冲信号，最后驱动红外线发射元件（如红外发光二极管）发射红外信号．红外接收端收到红外脉冲信号后，将红外信号转换为电信号，再经过放大、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．红外信号的调制方法比较常用的有两种：

通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制（PulseWidthModulation,PWM）和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉冲位置调制码（PulsePositionModulation,PPM）两种方法．换句话说，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制和解调，以便利用红外进行传输，红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器．

1.3.2红外通信的特点

红外通讯技术是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被大多数软件与硬件平台所支持，它具有以下特点：

1．通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发；

2．红外技术主要是用来取代点对点的线缆连接；

3．新的通讯标准兼容早期的通讯标准；

4．小角度（30度锥角以内），短距离，点对点直线数据传输，保密性强；

5．传输速率较高，目前4M速率的FIR技术已被广泛使用，16M速率的VFIR技术已经发布．

1.3.3红外技术的用途

红外通信技术被广泛应用于下列设备中：

1．个人计算机、服务器和手持终端设备；

2．鼠标、键盘和打印机等计算机外围设备；

3．电话机、移动电话和寻呼机；

4．数码相机、游戏机、数字机顶盒、计算器和手表；

5．医疗设备和工业设备；

6．网络接入设备，如调制解调器和路由器．

1.4本论文的主要内容

本论文重点在于研究以红外收发为基础，运用红外通信原理，以及单片机控制与接口芯片的关系来实现一个夜间战场上无线电静默下，军队的联络与拉动系统，并在这个理论的指导下，对该系统应用于实际的可行性进行分析．针对战场特殊场景及特别要求，构建基于单片机的红外语音联络系统的体系结构．本课题以红外技术为基础，提出了一种以红外激光脉冲作为媒介来实现军队间的联络与指挥系统方案，核心是设计出一个无线红外发射/接收系统．本设计以红外线作为传递信息的载体，在车辆中嵌入红外发送和接收两部分，使车队之间形成一个整体，可对军队车辆的工作状态进行短距离无线控制，适用任何内置红外收发设备的车辆．

从需求分析来看，本设计硬件部分以STC89C52RC为主控制芯片，共涉及到的硬件模块包括红外发射模块和红外接收模块，其中红外发射模块主要实现的功能是键盘指令输入、红外信号编码和红外发射，由键盘输入模块与红外发射电路组成，红外接收模块主要实现的功能是红外信号接收、液晶显示与语音播报，由红外接收电路、液晶显示电路和语音播报电路组成．在硬件部分满足系统要求后，还需要合适的程序进行信号的处理，所以，本系统还需要设计一套完整的程序．软件方面主要完成键盘扫描、红外编码、红外发送、红外接收、液晶显示和语音播报的程序及流程图的撰写．通过以上几个方面的设计，在诸多数据的逻辑关系下，基本可以实现单片机语音联络系统的设计．

1.5论文的结构安排

第1章为绪论．本章综述了课题研究的背景及意义、国内外发展现状及红外通信的概念与应用和设计任务功能．同时在绪论中给出主要研究工作内容，和本论文的框架结构．

第2章为系统总体设计方案．首先给出本论文的设计背景，接着根据需求分析初步给出总设计方案和总体框图，分别对红外发射与红外接收模块的实现进行了一一分析，然后给出整体的设计思路，为全文的设计流程和思路提供了理论基础．

第3章为硬件设计与实现．本章首先介绍了主控单片机的选型与端口分配，简单介绍了一下本设计所用的单片机STC89C52RC和其资源分配情况．然后详细介绍了红外发射模块和红外接收模块设计．最后，简单分析了本论文所选52系列单片机的外围硬件电路，包括电源电路、时钟电路和复位电路．总的设计原理图将在附录1中给出．

第4章为软件设计．这是本论文软件实现部分．它包括红外发射部分和红外接收部分两大部分．给出了红外发射电路主程序流程图、键盘扫描程序流程图、红外发射子程序流程图、红外接收电路主程序流程图、红外接收子程序流程图、液晶显示初始化及处理流程图和语音播报程序流程图．根据这些软件设计流程图可以很方便得写出源程序来．本论文的主要程序将在附录2中给出．

第5章为总结与展望．对本次毕业设计进行总结，并对今后工作提出展望．随后是致谢和参考文献．附录给出系统总电路原理图和系统主要源程序．

第2章系统总体设计方案

本章主要介绍车队指挥联络系统的设计思想、所需要达到的要求、以及系统工作的主要原理．本课题将车队指挥联络系统分为红外发射和红外接收两个模块，要求采用红外激光接力通信作为车队之间的联络方式，实现部队拉动中指挥与联系的实时通信．

2.1系统设计的主要工作

在很多单片机应用系统中，常常利用非电信号来传送控制信号和数据信息，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之一，实现单片机系统红外通信的关键在于红外接口原件的选择、接口电路的设计以及接口驱动程序的设计．

在要求野外高保密的车队移动场合中，调度和指挥车队的行进是一个值得研究的课题．若使用有线通信方式，显然会增加工作量，操作也不方便；若采用无线电通信方式,在恶劣的电磁环境下，要保障数据传输的可靠性，就必须提高电台的发射功率，这样必然会带来功耗的增加和较大的无线电干扰，有可能给车队造成重大的损失．

因此，在这样的工作环境下，因为红外通信具有不易被人发现和截获，保密性强，几乎不会受到电气、天电、人为干扰，抗干扰性强，体积小，重量轻，结构简单，价格低廉的特点，采用红外通信比较合适．

本课题主要研究如何通过红外通信的方式把指挥和调度命令下达给车队中的各车辆，由于车队处于行进状态，车队中车辆位置随时会发生变化，从指挥车辆发出的指挥和调度命令如何正确地传达到各车辆是一个较复杂的问题．同时如何提高红外通信距离又是另外一个技术难题．本设计对以上所遇到的难题设计了一个合理和实用的系统．通过单片机的选择，本设计使用了STC89C52RC型号8位单片机，因为其有8KB的程序存储器，足够本系统的程序存储；通过语音和显示模块进行信息的的显示和播报，利用红外收发系统进行对信息的收发．本系统主要有红外发射模块和红外接收模块组成，利用单片机连接，进行设计和调试，来满足本设计的整体要求．

在设计本系统时，首先，选择合适的主单片机，并连接键盘、语音芯片和显示芯片，实现信息的输入、液晶显示和语音播报，完成主要部分的设计．其次，设计合适的红外收发系统，并通过红外发射管的串联来增加红外信号的发射距离，选用合适的单片机进行接收和发射信号的处理．另外，在硬件部分满足系统要求后，还需要合适的程序进行信号的处理，所以，本系统还需要设计一套完整的程序．通过以上几个方面的设计，基本可以实现单片机语音联络系统的设计．

2.2系统总体方案

2.2.1系统总体思路

根据课题设计的要求，为保障在夜间无线电静默状态下不增加发现概率的同时实现部队拉动中的指挥与联系畅通，本系统要设计一个以红外激光脉冲信号作为车队之间的联络方式，利用单片机和和键盘和液晶显示以及语音芯片处理数据的车队指挥联络系统．

本语音联络系统以STC89C52RC单片机作为控制核心，利用键盘控制实现数据输入，采用语音芯片ISD1760和LCD12864型号液晶显示芯片来完成语音和显示任务．STC89C52RC单片机有4个8位并行I/O口，本毕业设计红外发射部分和接收解码部分分开设计，所以采用两片STC89C52RC单片机．发射部分由STC89C52RC单片机、键盘电路、红外发射电路组成，接收部分由STC89C52RC单片机、红外接收电路、LCD液晶显示电路、语音播报电路组成．软件方面，由键盘扫描程序、红外发射程序、红外解码程序、LCD液晶显示程序以及语音播报程序组成，通过控制编程与各芯片之间的协调合作实现单片机语音联络的功能．车队指挥联络系统示意图和控制器外观设计如图2-1和图2-2所示．

图2-1车队指挥联络系统示意图

图2-2控制器外观设计图

2.2.2系统总体框图

硬件的设计主要围绕系统的功能完全实现，并且要保证整个系统在运行过程中的稳定

性、安全性及生产的经济性．本设计采用红外遥控来实现无线数据的收发，采用STC89C52RC单片机为控制核心，实现车队指挥的语音与显示功能．系统总体框图如图2-3所示．

图2-3系统总框图

（1）红外发射模块的原理框图

红外发射器由指令键、指令信号产生电路、调制电路、驱动电路及红外发射器件组成．当指令键被按下时，指令信号产生电路便产生所需要的控制指令信号，将指令脉冲编码信号调制在载波振荡器产生的载波上（也称脉码调制），然后用这脉码调制信号去驱动红外发光二极管，以发出经过调制的红外光波，其红外发射部分的原理框图如图2-4所示．

MCU

图2-4红外发射原理框图

（2）红外接收模块的原理框图

红外线接收是把遥制发送的数据（已调信号）转换成一定格式的控制指令脉冲（调制信号、基带信号），是完成红外线的接收、放大、解调，还原成发射格式（高、低电位刚好相反）的脉冲信号．这些工作通常由一体化的接收头来完成，输出TTL兼容电平．最后通过解码把脉冲信号转换成数据，从而实现数据的传输．红外接收部分原理框图如图2-5所示．

图2-5红外接收原理框图

（3）单片机控制模块

本毕业设计采用的是目前比较通用的52系列单片机STC89C52RC．此单片机的运算能力强，软件编程灵活，自由度大，市场上比较多见，价格便宜且技术比较成熟容易实现．

（4）语音播报与液晶显示的实现

在单片机应用系统中语音芯片通常用于操作提示、故障提示等．正如本设计中，当它仅起放音作用时，它输出的基本词汇和数字是确定的，且数量有限．但通过单片机的灵活控制，可以根据应用系统的实时变化，选择适当的语音词汇和数字组合输出．本毕业设计可以说明这一点．用STC89C52RC单片机作为控制单片机，ISD系列产品具有音质自然、使用方便、单片存储、反复录放、低功耗等许多特点，所以采用用ISD1760作为语音芯片．准备实现的功能是当红外解码后，由单片机控制，根据指令语音芯片能够相应的播报命令语音“加速”、“减速”、“左转”、“右转”、“前进”、“后退”、“停车”、“发车”．

LCD液晶显示模块选用LCD12864，这是目前此类液晶显示器中性能价格比比较高，应用较普遍的一种．它完全达到本设计的要求，可分别显示“加速”、“减速”、“左转”、“右转”、“前进”、“后退”、“停车”、“发车”汉字．接收单片机解码以后，控制LCD显示．

2.3系统工作原理

通信终端以单片机为核心处理单元，进行信息处理，控制整个电路．

当红外发射时，首先通过矩阵键盘输入信息，由键盘控制模块读取键值，送到单片机P1口．单片机采用PPM编码将指令脉冲编码信号调制在由T0产生的38KHz载波上（也称脉码调制），然后用这脉码调制信号去驱动红外发光二极管，最后通过P3.7发出经过调制的红外光波．

在红外接收时，利用一体化接收头LT0038完成红外线的接收、放大、解调，还原成发射格式（