毕业设计单片机光通信系统设计.docx

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毕业设计单片机光通信系统设计

摘要

LED作为冷光源和节能光源，正在不断发展和普及。

所以利用这个新的光源来通信，也变成了目前研究的热门课题之一。

LED光传输技术就是利用常见的LED等室内照明设备，发出肉眼感觉不到的高速明暗闪烁的通信信号，以无线通信的方式来传输数据。

采用无线光通信最大的特点就是它的波长范围大，可以将可见光讯号用不同的波长来进行信号的传输。

可见光还有无电磁辐射、易保密等特点，尤其搭借了照明平台，所以不需要采用另外的传输介质，采用广播方式，受体的数量即容量受到的制约小，但是其缺点是不易实现双向的通信。

这次毕业设计的主要内容是尝试设计并制作一个LED通信试验系统，通过对频率的调制，发出特定的编码信号，接收方利用光电敏感器件接收调制光，解调后还原成数据信号。

最后，本次毕业设计完成了基本功能的LED发射管、接收管的发射和接收工作，并且尝试将其时分复用和频分复用。

在发送端添加了温度传感器和超声波测距传感器，数码管显示，在接收端用1602液晶屏幕显示出来。

两者的对比，反应出通信的正确性。

本设计是基于两个89C51单片机，利用红外led发射装置和HS0038接收装置设计的简单慢速通信。

目标是熟悉单片机的编程思路和学习通信的基本原理。

基本的慢速光通信在传感器与单片机之间的通信上有着广泛的应用。

关键词：

LED;调解;解调;频分复用;时分复用

Abstract

Asacoldlightandenergy-savinglightsource,LEDisrapidlydevelopingandbeingpopularization.Sousingthisnewlightsourcetocommunicatehasbecomeahotresearchtopicnowadays.ThetechnologyofLEDlighttransmissionistousingcommonLEDindoorlamps.Communicationsignalofhighspeedlightbythenakedeyecannotfeeltheflashing,inawayofwirelesscommunicationtotransmitdata.Themostspecialcharacteristicoflightcommunicationisthatthelightwavelengthrangeisverylong,andvisiblelightcanbesignaltransmissionindifferentwavelength.Visiblelightandnoelectromagneticradiation,suchasconfidentiality,especiallyaborrowedlightingplatform,sodonotneedtousethetransmissionmedium,thebroadcast,thenumberthatisrestrictedbyreceptorcapacityissmall,itisnoteasytoachievetwo-waycommunication.

ThemainpurposeofthispaperistotrytodesignaLEDcommunicationsystem,throughthemodulationofthefrequencycodingsignal,thephotoelectricsensitivedevicereceivesthelightmodulation,demodulationbackintothedatasignal.Finally,thegraduationdesign,completedthebasicfunctionoftheLEDlaunchtube,receivingtubeemissionandreceptionwork,andtrytotimedivisionmultiplexingandfrequencydivisionmultiplexing.Thetemperaturesensorandtheultrasonicrangingsensorisaddedinthetransmitter,thedigitaltubedisplay,thereceiverwith1602LCDscreendisplay.Thecontrastofthetwo,reflectthecorrectnessofcommunication.

ThedesignisbasedontwoMCUs,simpleslowcommunicationusinginfraredLEDemissiondeviceandHS0038receiverdesign.Thetargetisthebasicprincipleoftheprogrammingideasandlearningcommunicationwithsingle-chipmicrocomputer.SlowlightcommunicationbasiciswidelyusedincommunicationbetweensensorandMCU.

Keywords:

LED;mediation;demodulation;frequency;division;

第1章绪论

1.1光通信发展的简要回顾

2000年，日本的Tanaka等人开始对室内LED光通信系统进行理论上的研究，提出了LED光照为朗伯模型的假设，以及对LED光通信系统进行了多次仿真，发现影响系统性能的主要是多径效应。

2003年，日本的Komine等人在1Mb/s的速率下对电力线通信与LED通信结合进行实验并进行了仿真。

2009年，在中国电子高新科技博览会上，展出了一个LED通信系统，该系统是接收机与发送机相距约30cm双工工作的情况下，实现了200Mb/s的传输速率。

同年，美国也投入巨资成立了智能光T-程技术研究中心,探索通过LED光源实现无线通信。

目前越来越多的国际化大公司开始加入该计划。

2010年6月，中国科学院通过调制LED所发射的光线已经实现同时接入3个用户，接入带宽为3Mbps，接入距离为5m的互联网连接，同时不影响LED的照明效果。

并且在上海世博会的“航空馆”和“沪上生态家馆”中展示，此项技术已经达到国际先进水平。

2010年1月，德国人创造了每秒500兆的可见光通信传输新记录[1]。

1.2课题的意义和发展趋势

近几年LED产业蓬勃发展，LED由于具有常规照明无可比拟的绿色，节能等优点，取代传统照明成为一种趋势。

且LED响应时间在纳秒级，可以实现信息的高速调制，这个特点使LED在照明的同时进行信息传输成为一种可能。

LED技术的不断进步，且潜在的优点，使LED代替其他传统照明的趋势已经越来越明显。

虽然用Wi-Fi或红外也能实现通信，但通过可见光实现会更加方便或更加安全。

例如，与相邻射频信号之间的互相干扰可能会限制Wi-Fi的使用，而可见光基本上不存在干扰问题；相邻光束可以交相通过，只要它们的目的地不同就可以了。

出于安全考虑，有些地方禁止使用射频通信，比如医院和飞机。

可见光通信在这些场合是理想的替代技术，因为LED照明早已在使用，而可见光通信又不会干扰传送重要任务的系统信号。

同时，可见光通信也具有高数据容量的潜力。

并且只要有光就可以进行通信，比如一些带背光的招牌，就可以用手机（假定将来，手机作为光通信的一种移动的接受终端）获取广告，餐馆等地信息。

旅游景点的介绍、在书店获得电子图书，看电影时通过光通信把电影下载下来等等，这样会更方便的实现通信[2]。

1.3课题的主要任务和预期目标

（1）利用LED进行数据传输。

传输ds18b20采集来的信号，并用另外的单片机接受并且显示出来。

（2）分别用TDMA时分复用技术和FDMA频分复用技术同时传递多个（大约2-3个）信息，并且用解调技术分开然后显示出来。

（3）添加高级功能：

DS18b20温度传感器、HC-SR04超声波传感器、1602液晶显示。

第2章总体方案设计

2.1设计思路

本次设计主要是利用光敏器件的特性：

默认上电为高电平，而接收到一定频率的红外信号后为低电平。

用发射端发射设计好的编码程序，而接收端接红外接收器，根据发射端发出的具体的不同方式的编码来判断发射的具体类容，并用单片机解码，就可以得到发射的数据。

2.2系统设计方案

基于主要设计思想，系统工作原理框图如下图2-1所示.

图2-1总体设计方案图

本系统由两个单片机构成主要框架，采用发射装置和接收装置传递信息，以实现基本的功能。

在发射端，本次毕业设计准备设计温度传感器和超声波测距传感器，用这两个传感器来实现信号的采集。

然后通过发射装置发送到另外一块单片机上把采集来的信号显示出来。

这样是整个毕业设计方案更加的完备。

2.3基本光通信原理的介绍和通信方式的设计

2.3.1基本光通信方式的介绍

所谓通信就是通过高低电平时间的不同，把想要表达的信息传递到另外的单片机上。

通信有有线通信和无线通信，典型的慢速无线通信就是红外遥控器设备和单片机之间的通信。

而这种通信是本次毕业设计主要模仿的对象。

下面介绍一下红外遥控器的通信和常用的复用技术。

红外遥控器通信方式的介绍如下：

（1）二进制信号的调制

由单片机来完成二进制信号的调制，这调制也就是说把编码后的二进制信号调制成频率为37.9kHz的间断的脉冲，也就相当于用二进制信号的编码乘以频率为37.9kHz脉冲的信号而得到的间断脉冲串，即是调制后用于红外发射二极管发送的信号。

具体的二进制码的调制过程如图2-2所示[3-5]。

图2-2调制信号示意图

（2）红外接收需先进行解调

解调的过程是通过HS0038进行接收的。

其基本工作过程是：

当接收到调制信号时，输出高电平，否则输出为低电平，也就是调制的逆过程。

HS0038是一体化集成的红外接收装置，内部集成放大器，这样就可以直接输出解调后的高低电平信号。

红外遥控发射器采用的编码方式——PPM

当发射器按键按下后,遥控器将发射一组编码脉冲。

遥控编码脉冲由前导码、16位地址码（8位地址码、8位地址码的反码）和16位的操作码（8位操作码、8位操作码的反码）组成。

通过单片机对用户码的对比检验，每个遥控器可以设定为只能控制一个设备动作，这样做就可以有效地防止多个遥控器发送设备之间的干扰、相互操作。

并且编码后面还要添加有编码的反码，这个是用来检验编码接收的正确性，通过正反码的对比来防止误操作，增强系统的可行度与可靠性。

前导码是一个起始部分，由一个高电平（起始码）和一个低电平（结果码）组成，作为接受数据的准备脉冲。

以脉宽为0.56ms周期为1.68ms的组合表示二进制数“1”信号；以脉宽为0.56ms周期为1.12ms的组合表示二进制数“0”信号。

具体的发射原理如下图2-3所示[3-5]。

图2-3发射整体示意图

最后，单片机管脚P3.4（外部中断0）和红外接收头HS0038的信号线相连，采用串口技术。

计算中断的间隔时间，来区分前导码、二进制的1、0码。

并将8位操作码提取出来在数码管上显示。

红外接收头输出的原始遥控数据信号,正好和发射端倒向.也就是以前