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红外线光发射机的设计与实现
摘要
红外技术在科学领域已经发展使用到了各行各业。
随着多媒体技术和通讯技术的不断发展,多媒体娱乐、信息高速公路等不断对信息数据的存储和传输提出了更高的要求。
应用领域不断扩大，现在社会对即时传输也就有了更高的要求。
本设计利用射机将接入的音频信号通过红外光发射机产生微弱的电信号，再通过放大器进行放大驱动发射端工作，最终变为红外光信号传输给红外接收机除此外，本次设计针对红外发射要求频率高这一特点做出相应的改良，在发射端电路中运用三级放大，对初始化的电流信号进行放大，以便于其驱动发射端的两个发射头工作。
该课题主要目的就是设计一个红外光发射机，能锻炼制板和焊接等基本技能。
红外技术应用产品种类繁多，主要有红外传感器、红外通信、红外热像、红外光谱仪等。
本设计主要运用红外通信技术来完成本次设计。
红外光发射机的通信系统设计相对比较简单，它主要就是对信号经过三级放大来传输给接收端，其最大的优点就是进行无线传输。
关键词：
红外技术，光发射机，EDA仿真技术。
1绪论
1.1选题背景及目的
红外发射机是实现红外通信的关键器件，红外光发射机的设计可以对光发射机的组成部分、采用的元器件和应用到的科技技术深入理解，进而为实际应用奠定基础。
红外线属于一种电磁射线，他的特性就等同于无线电或X射线。
1672年，牛顿使用了可以分光切带有棱角的镜子吧太阳光分解成为7种颜色的单色。
1800年，在英国物理学家F.W.郝胥尔从热的观点来研究各种光色的时候，偶尔发现在光带红光外的一个温度计比其他光的颜色的温度都要高，这个高温区总是卫浴光带的最边缘处红光外边。
经过反复实验，于是他宣布：
因为总是位于红光的外侧，所以叫红外线，又称红外光辐射。
这种红外线具有热效应：
生物体中的偶极子和自由电荷在电磁场的作用下，就按照电磁场的方向排列的趋势，在这个排列的过程中，引发了分子和院子没有规则的运动，就加剧而产生了热。
当红外辐射到达一定额度的时候，超过了这个生物体的散热能力，它就会使被照射的物体局部温度升高，这就是红外线的热效应。
红外线的最大特点就是普遍存在于大自然之中。
红外线色彩是多彩多姿的，红外线的最长波长是最短波长的10倍【4】。
红外线在短距离、室内应用中有着非常大的优势。
红外通信成本低速度快，而且带宽几乎不受限制。
因为因为载波的波长短，能够有效的避免多径衰减，所以红外链路组网简单。
红外技术在科学领域已经得到了充分的认可发展使用到了各行各业，在红外成像、红外传感和红外通信等军用和民用领域发挥重要作用，具有体积小、损耗低、功能强、准确率高、速度快等优点。
红外通信技术发展的早期，存在有几种不同的通信标准，不同标准之间的通信设备并不能进行红外通信，为了统一红外通信标准，于1993年，一些厂商成立了红外线数据协会（IrDA，infrareddataassociation）。
IrDA是目前红外无线通信的工业标准，你可以使用它与打印机、传真机、modem、其它计算机进行通信[1]。
红外技术最先是被使用于红外探测器，它是红外技术的先导。
1800年，F·W·赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测器。
1830年以后，相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。
在1940年以前，研制成的红外探测器主要是热敏型探测器[2]。
19世纪，科学家们用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。
它们都是电磁波之一，具有波动性，其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。
20世纪初，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值[3]。
30年代，首次出现红外光谱带，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。
40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。
50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。
到60年初期，对于1～3、3～5和8～13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。
在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。
在红外技术的发展中，60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量[4]。
在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。
另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。
红外线光发射机的设计与实现设计相对简单，它可以提升我们自身的动手能力和巩固知识。
该系统要求技术指标相对简单并且具备红外通信的所涉及的主要技术，因此该系统设计具有可行性。
1.2国内外发展状况
红外光通信已经渐渐的替代了传统线缆通信，被用来进行点对点的数据传输，因为红外光通信技术具有短距离、小角度、传输速率高等特点红外线是现在在世界范围都是被大家普遍运用的一种无线连接的技术，由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射共能比较差，所以红外线传输技术更适合应用在短距离无线通信的情况。
红外线通信技术通过数据电脉冲的方式和红外光脉冲之间的方式相互转换实现无线的数据收发，主要采用了点对点的的运行模式。
功能较为单一，扩展性差。
但是由于成本低，营运方便，已被全世界大多数的软件和硬件的生产公司支持和采用。
目前，红外技术被广泛应用于军事领域，在美、英、法、德、日、以色列等发达国家的军队中，红外热像仪已配置在陆、空、海军等各个军种中，例如海湾战争中平均每个美国士兵配备1.7具红外热像仪[5]。
与发达国家相比，目前我国军队中红外热像仪的应用相对较少，其市场需求量相当巨大。
当然红外技术也在遥感、交通、医学、石化、农业、工业、电力、安全监控与防范和科学研究等民用领域广泛应用，根据美国MaxtechInternational发布的红外市场报告，2006年全球民用红外热像仪的销售额为16.3亿美元[6]。
近年来，全球民用红外热像仪市场需求年均增长率已超过了15%，预计2010年全球民用红外热像仪市场供给将达到28亿美元。
全球民用红外热像仪市场的供给和需求趋势，由于红外技术具有很高的军用和民用价值，近年来国外主要厂家纷纷在核心器件及系统产品的产业化进程中加大投入和研发力度[7]。
1.3课题研究思路及方法简介
红外通信其实顾名思义它就是利用红外技术实现两点之间的近距离保密通信和信息转发。
它一般由红外发射和接收系统两部分组成。
红外通信系统的设计是光通信系统的一个重要分支，红外通信系统的设计思路和目前世界上所采用的骨干通信网的光纤通信系统有相同之处，唯一比较重要的差别就是它们二者所采用的传输媒质不同，一个是大气，一个则是光纤。
在短距离传输的条件下，红外通信属于无线通信，避免了连线和接口等不必要的设施，所以比较方便。
语音和音乐等所产生的电信号，一般不直接进行远距离传输，而是经过放大后对发射机的高频震荡进行调制，然后将此携带有低频信号的高频已调制信号，通过大气传输出去。
这次的设计采用了红外技术从而最终实现红外音频通信。
具体研究方法如下：
首先要在红外发射机直接引入音频信号，在发射端产生微弱电流信号，经发射电路放大，驱动红外发射头工作，红外发射头将放大后的电流信号转化为红外光信号，通过空气传播，接收端此时的红外接收头收到红外光信号，并转化为微弱电流信号，经接收电路进行音频放大后，最终还原为音频信号，经喇叭传输，在接收端可以清晰听到声音。
2红外技术简介
2.1红外线的发现
红外通信技术，顾名思义就是利用红外线进行通信传输技术。
所以，要了解它还得从红外线讲起。
人的眼睛能看到的可见光，若按波长排列，依次（从长到短）为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，如图1所示。
由图可见，比红光波长还长的光叫红外线。
红外线是波长介乎微波与可见光之间的电磁波，波长在0.75微米（μm）至1毫米之间，在光谱上位于红色光外侧。
红外线具有很强的热效应，易于被物体吸收，通常被作为热源。
另外，它的透过云雾能力比可见光强，在通讯、探测、医疗、军事等方面有广泛的用途，俗称红外光[8]。
公元1666年，牛顿发现光谱并测量出3900埃～7600埃（400nm～700nm）是可见光的波长。
1800年4月24日，英国伦敦皇家学会（ROYALSOCIETY）的威廉·赫歇尔发表太阳光在可见光谱的红光之外还有一种不可见的延伸光谱，具有热效应。
他所使用的方法很简单，用一支温度计测量经过棱镜分光后的各色光线温度，由紫到红，发现温度逐渐增加，可是当温度计放到红光以外的部份，温度仍持续上升，因而断定有红外线的存在。
2.2红外线的划分
红外线按其波长不同可划分为三种，即：
近红外线、中红外线和远红外线。
其划分的范围大致如下：
近红外线，波长为（0.75-1）～（2.5-3）μm之间；中红外线，波长为（2.5-3）～（25-40）μm之间；远红外线，波长为（25-40）～l000μm之间。
而在我们的周边，红外线无处不在，除非绝对零度（-273.15℃），因为所有高于绝对零度的任何物体都可以产生红外线。
其中，波长为8-14μm的远红外线是生物生存必不可少的因素。
而这段远红外线也有一个单独的名字，叫“生命光波[9]。
2.3红外线和红外通信的的特点
红外线的特点是不干扰其他电器设备工作，也不会影响周边环境。
电路调试简单，若对发射信号进行编码，可实现多路红外遥控功能。
利用红外线进行通信具有以下特点:
红外线是人体肉眼不可见的光线，保密性强，选用它作为信息载体，装置工作时不存在视觉污染，对人体没有伤害。
传播范围不受限制，不存在频率干扰问题，与无线电波方式相比，不必就频率资源向有关部门进行申请和登记，易于实施。
具有良好的指向性，当传送设备和红外接收端口排成直线，角度不超过15度得时候，红外装置运行效果最好。
由于红外线波长较长所以其穿透能力较弱，不能穿过人体和和物体，在进行传输时不能阻断光路。
目前产生和接受红外线的技术已经比较成熟，元器件体积小，成本低。
红外线由于其传输介质是大气，所以其再传播时的衰减系数较小，可以保证信号的有效传送。
红外通信系统有着制作简单，易于产生和调制的优势。
红外线的以上特点决定了它适用于教室、会议室等场所。
同时红外线传播主要采取的是直线传播，所以有物体位于发射端和接收端之间时，传输就会受到影响。
当然，它可以通过墙壁反射来进行传输，但是对于音频通信来说，这种方式会有一定的延迟，而导致声音效果不佳[10]。
3EDA图像仿真
EDA是电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）的缩写。
EDA技术其实都是用电脑为工具，使用者用电脑来做电路仿真用的。
用硬件描述语言HDL（HardwareDescriptionLanguage）完成设计文件，然后由电脑自己自主的完成点子电路的逻辑编译、逻辑简化、逻辑分割、逻辑综合（布局以及布线），以及逻辑优化和仿真测试，一直到实现既定的电子路线系统功能。
【3】使用EDA可以进行的范围非常的广阔。
在通信、机械、电子、医学、军事等各个领域，都有EDA的使用空间。
现在EDA这项技术已经在各种大型公司，科研教学部门广泛的在使用。
3.1EDA技术实现目标
一般情况的时候，使用EDA技术是进行电子系统设计的最后目标，都是用来完成专用电路集成ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit）的设计与实现，ASIC将是最终的物理平台，采集容纳了使用者通过EDA技术将电子应用系统中的既定功能还有技术基表具体实现的一个硬件的实体。
3.2硬件的描述语言VHDL
硬件的写入语言HDL是EDA技术非常重要的组成部分，常见的就有一下这几种：
VHDL、VerilongHDL、SystemC。
其中VHDL、Verilog在现在EDA常用的电子电路制图设计中，使用的最多[8]。
VHDL的英文全称是VHSIC（VeryHighSpeedIntegratedCircuit）HardwareDescriptionLanguage,于1983年由美国国防部（DOD）发起创建。
从此，VHDL成为硬件描述语言界的标准之一。
3.3基于VHDL的自上到下设计的方法
应用VHDL进行自上而下的设计，就是说在使用VHDL创建模型在全部的综合级别上对设计图上硬件的设计进行说明、建模还有仿真测试。
正因为这样，在设计的时候，要根据EDA仿真出来的结果不断地进行设计修改、优化和不断升级，可以非常及时的对模型进行修改，更正在设计中所犯下的错误，提高设计目标的工作速率，是其展现的能力最大化。
在这一系列过程中，用自上而下的方法设计，使他以后每一步的设计都是基于上一步的设计来进行。
即时发现在这几种有问题或是需要修改，也不影响整体的设计成果。
自上而下的设计包括以下的几个阶段：
（7）测试向量生成
（1）提出设计说明书
（2）建立VHDL模型
（8）功能仿真
（9）结构综合
（3）VHDL行为仿真
（10）门级时序仿真
（4）VHDL—RTL级建模
（5）前端功能仿真
（11）硬件测试
设计完成
（6）逻辑综合
图1VHDL的自上到下设计的方法
将电路系统以一定的表达方式输入计算机，是在EDA软件平台上对FPGA/CPLD开发的最初步骤。
一般情况下，在使用EDA软件工具的设计输入的时候大概可以分为两种种类：
1.图形输入2.HDL文本输入。
自顶向下的设计流程按照以下步骤进行：
（1）提出设计说明书，
（2）建立VHDL模型（3）VHDL行为仿真（4）VHDL-RTL级建模（5）前端功能仿真（6）逻辑综合（7）测试向量生成（8）功能仿真（9）综合结构（10）门及时序仿真（11）软件测试。
4红外光发射机系统整体设计
4.1系统设计框架及思路
红外光发射机属于一种无线光通信电路。
目前，这种通信方式主要应用于室内，如构成无绳电话及无绳耳机系统等。
红外线的传输距离虽然不远，但应用于办公室和家庭已绰绰有余。
由于可免去布线的麻烦，故它具有有线光通信无法比拟的优点。
本设计为红外光发射器，即：
通过红外线传送音频信号，它具有结构简单、易于制作、无干扰、低噪声等优点。
本方案设计框图如下：
图2红外光发射器框图
该系统发射端和接收端均接入5V稳压电源，音频信号经过发射电路时产生电流很微弱，所以发射端采用三级放大电路，但是过大的发射功率会烧坏其中部分器件。
因此，我们在电路中加入可调电阻，以便控制发射功率。
4.2电路原理
该电路设计是根据光纤通信中光发射机原理而制定，不同的就是光纤通信系统是通过“光纤”为介质而进行传输的，而本系统的传输介质则为“大气”，不受无线电波的干扰，但室内光线也会对它有一定的影响。
红外光发射机发射系统，如图3所示。
图3红外光发射机原理图
图3为红外光发射电路，我们将外界的音频信号通过迷你话筒直接传入发射电路，此时发射电路将其转化为微弱电流信号，经过三级管BC547、9012和运算放大器LM386放大后驱动红外发射管工作。
由于红外发射管的发射强度和电流成正比，所以发射头VD1和VD2所发出的红外光便受到音频信号的调制（直接调制）。
由于本系统为音频通信系统，所以必然存在失真的问题，所以在发射端电路中应加入偏置电阻和滤波电容，以便调节它的发射功率同时抑制失真。
该系统设计的实物如图4所示：
图4红外音频通信系统实物参照图
4.3主要元器件
4.3.1发射端所用元器件及其参数
该系统设计中发射端主要用到以下元器件，如表1所示：
表1发射系统所需元器件列表
元器件名称
规格
数量
电阻
10K
1
电阻
100K
2
电阻
1K
1
电阻
100
1
可调电阻
10K
1
三极管
BC547（NPN）
1
三极管
9012（PNP）
1
运算放大器
LM386
1
电容
10uF
2
电容
33uF
1
电容
0.1uF
2
红外发射管
PH303
2
话筒
SUN4530-SC
1
稳压电源
220V—5V—3A
1
4.4LM386功能简介
LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。
它是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真度低等很多优点，被广泛应用于录音机和收音机之中[11]。
其电源电压4—12V（本设计采用5V电源），音频功率0.5W，所以本设计中喇叭也采用0.5W的，以便使其正常工作。
LM386是由NSC制造的，它的电源电压范围非常宽，最高可使用到15V，消耗静态电流为4mV，当电源电压为12V时，在8欧姆的负载情况下，可提供几百mW的功率，它的典型输入阻抗为50K。
同时其电压增益也是可调的，通过引脚之间加入电阻和旁路电容可使其电压增益在20—200之间随意调节，但是为了减少其外围元件，LM386内置电压增益为20。
在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合。
下面我们以图片形式介绍LM386的一些典型应用电路：
图6放大增益=20电路
图7放大增益=200电路
图8低频提升放大电路
LM386引脚如图10所示，它具有8个引脚，其中引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10μF。
图9LM386引脚图
LM386与通用型集成运算放大电路一样，它也是一个由差分放大电路、共射放大电路和OTL放大电路构成的三级放大电路。
其内部电路如图11所示：
图10LM386内部原理图
第一级：
差分放大电路。
该电路中由T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。
使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。
第二级：
共射放大电路。
该电路由T7作为放大管，恒流源作为有源负载，以增大放大倍数。
第三级：
OTL（Outputtransformerless）放大电路（无输出变压器功率放大电路）。
该电路中由T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。
二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。
其中引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。
电路由单电源供电，故为OTL电路。
输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。
电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益[12]。
4.5电路工作原理
图11红外音频发射系统原理图
这次设计中红外音频发射系统如图12所示，音频信号经过话筒引入发射端，经该系统中0.1uF电容耦合至三极管BC547进行一级放大，被放大的电压信号流经运放LM386，因为LM238本身带有功率放大作用所以我们可以通过该电路中的10K滑动变阻器对其放大倍数进行调节，以避免电流过大损坏电路，电压信号经运放后再通过隔直电容（33uF）流经三极管9012，经耦合电容隔直后会在9012三极管的基级加上一组和音频信号相同变化规律的电流，再由9012的放大作用以驱动两个红外发射管VD1和VD2工作，而VD1和VD2的发光强度受到音频信号强弱的直接调制，所以此时音频信号会对其进行大小同步调制并转变为红外信号发射出去。
该电路中，为了提高两个红外发射管的发射功率，我们选择将发射管VD1和VD2并联，同时为了避免电流过大，应该在发射端加入一个降流电阻。
4.6系统调试及调试结果
将发射系统和接受系统接入5V直流电源，确定其正常通电的情况下，在该系统发射端的话筒处引入MP3声源，将接收端放于离发射端6米范围内，并将发射管对准接收管偏差不大于60度的情况下，均可清晰听到声音。
经测试该系统在5V工作电压下，传输距离不大于6米的情况下测试成功。
5设计过程中遇到的故障及问题分析
本次设计过程中，在焊接万用板时，由于电路较为复杂，为了使其变得美观，我省去了后面的连接短线，而是用焊锡焊接成为流线型的，使得万用板看起来不是很乱，但是在这个过程中，我常常出现连焊的情况，如图14所示，一次又一次的焊接完成之后却发现整个系统不能实现功能，后来经过长时间的排查才发现是因为在焊接时出现了连焊，使得电路发生改变，甚至是短路。
图12连焊面板
再者就是在选材方便，初次做万用板的时候我购买红外接收管时，没有注意型号，后来等焊接好了万用板之后发现不能实现该功能，花费了我很长时间也找不出是哪一块出错，后来换了一种型号的接收管，系统功能便可以实现。
还有焊接三极管时，应该注意其引脚，在整个焊接过程中因为没有注意三极管引脚位置，几次铸成大错。
最后，本次设计的局限性就是传输距离较短，希望在以后的学习过程中能够通过自己学习的知识改变或者弥补这一缺憾。
总结
通过对本设计的完成，，我的收获很大，学会了运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题，同时对于设计中出现的问题能积极的去思考、解决。
使我了解并掌握了音频红外通信原理，了解了红外发射机和红外接收机的功能及其工作原理，同时掌握了它的内部元件LM386的功能和内部电路，这是我完成本次设计必不可少的因素。
将自己设计的电路焊接在电路板上并完成调试工作，使我更加熟练的掌握了在焊接方面的技术，于此同时也提高了自己的动手能力。
此外，我还学会了用万用表检查电路的连接状况和调试电路。
此外，在完成本次设计说明书的过程中，我了解到了很多以前不知道的知识，比如红外通信的很多用途等等。
比如：
在机场和饭店等地点使用步行传真机和打印机，在这些地方利用红外技术，掌上计算机用户可以利用这些外设而勿需电缆。
银行的ATM（柜员机） 也可以采用红外接口装置。
所以在本次设计的整个过程中我受益匪浅。
虽然，在本次设计中遇到很多困难，但是通过努力和细心的排查，都能一一解决，这也使得我明白不管做什么都要细心，否则再简单的事都会做错。
致谢
在本次设计的制作和撰写论文的过程中，从选材、焊接、电路调试和撰写论文对我来说都是一次又一次的自我挑战，从拿到这个题目时，我很迷茫、彷徨不知道该从哪下手。
但是，在这一系列的过程中，李利平老师一直不断的指导我，对我的辅导甚至是从零开始，从最开始的对设计题目的理解以及制作方案，都在李利平老师的指导下，我才能将其和理论知识贯穿，从而完成实物制作。
在这段时间里，由于我们马上毕业，我们小组的很多同学都在外面上班，所以平时没有很多时间和李利平老师见面，所以老师常常在下班后在网上对我们进行指导和交流，也有很多时候为了能够让大家在一起探讨交流，李老师会在周末时候取消自己的休假时间过来指导我们。
而我，基本每天都会去找老师，随时碰到问题就去找李老师寻求帮助，而老师一直很耐心的指导我。
在撰写论文时，李老师严格要求我们要做好格式，很多我们不会的老师会专心教我们，不但教会我们怎么完成自己的毕业设计，同时也教会了很多计算机知识给我们。
本次设计的完成都是在李利平老师的细心指导下完成的，她为人随和，治学严谨细心，工作作风精益求精。
在此，我谨向李利平老师致以崇高的敬意和诚挚的谢意，也谨向大学四年教给我知识
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