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课程设计总结报告
华中科技大学
硬件课程设计总结报告
课题：
红外通信系统
作者：
指导老师：
左东红
课设评价：
课设成绩：
完成日期2012年7月4日
摘要
红外线通信是目前使用较广泛的一种通信手段。
由于红外线通信具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空调机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线通信技术。
工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线通信技术不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。
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。
本次课设是利用以Microchip公司生产的18F4620芯片为模版，价格低廉，电路结构简单，结合红外线器件设计构造出一套简易的红外通信系统，以实现在中短距离内的红外无线通信的功能。
与一般通用的红外遥控器不同，它并不是利用专用的编解码芯片来实现发收端的编解码,而是应用PIC18单片机,通过单片机的编、解码程序来实现红外信号的发收,从而实现红外通信功能。
此通信系统经过一些必要的扩展,完全可以实现通用和各种专用红外遥控器的功能。
关键词：
单片机；红外通信；发射；接收；解码
ABSTRACT
Infraredcommunicationiscurrentlyuseawiderangeofacommunicationmethods.Duetotheinfraredcommunicationwithsmallsize,lowpowerconsumption,thefunctionisstrong,costlowcharacteristic,therefore,theTVS,VCRS,afterthetaperecorder,audioequipment,airconditionerandtoysandothersmallelectricaldevicealsoinsuccessionwithinfraredcommunicationtechnology.Industrialequipment,highpressure,radiation,intoxicgas,dustenvironment,withinfraredcommunicationtechnologynotonlyfullyreliableandcaneffectivelyisolatedelectricalinterference.
Andthesinglechipmicrocomputeristhedesignwithmoreextensiveapplicationofthedevice,itcanthroughsoftwareprogrammingtoachievedifferenteffect,realizingthefunctionofdifferentkinds,hastheflexibility,highreliability,expansibilitygood,etc.
Thiscourseissetupusingsinglechipcomputer,combinedwithinfrareddevicesdesignedstructureoutasimpleinfraredcommunicationsystem,inordertorealizetheshortdistancesintheinfraredwirelesscommunicationfunction.Andgenericinfraredremotecontrolisdifferent,itisnottheuseofspecialdecodingchipstorealizethehairthedecoding,buttheapplicationPIC18microcontroller,throughtheSCMencoderanddecoderprogramtorealizetheinfraredsignalhairclose,soastorealizetheinfraredcommunicationfunction.Thiscommunicationsystemaftersome necessaryexpand,canachieveuniversalandvariousspecialinfraredremotecontrolfunction.
Keywords：
singlechip；infraredcommunication；send；receive；decoding
引言………………………………………………………………………1
1红外通信的基本原理………………………………………………………2
1.1红外通信技术简介……………………………………………………………………2
1.2红外通信的协议标准………………………………………………………………3
1.3红外通信系统结构……………………………………………………………………3
1.4红外通信原理…………………………………………………………………………4
2．概述……………………………………………………………………5
2．1设定目标…………………………………………………………………………………………………5
2．2团队成员与任务分工……………………………………………………5
2.2.1团队组成…………………………………………………………………………………5
2.2.2任务分工…………………………………………………………………………………5
2.2.3主要元器件清单…………………………………………………………………………6
3红外通信电路硬件方案设计………………………………………………6
3.1元器件介绍………………………………………………………………7
3.1.1PIC18单片机……………………………………………………………………………7
3.1.2红外发射二极管………………………………………………………………………11
3.1.3红外接收器……………………………………………………………………………12
4硬件电路的具体实现………………………………………………………13
4.1红外发射模块电路实现…………………………………………………13
4.1.1红外发射器部分电路的设计…………………………………………………13
4.1.2载波信号电路的设计………………………………………………………15
4.1.3用户接口电路的设计………………………………………………………15
4.1.4其余辅助功能电路的设计…………………………………………………17
4.2红外接收模块电路实现…………………………………………………17
4.2.1红外接收器…………………………………………………………………17
4.2.2解码后数据显示……………………………………………………………18
4.2.3接收模块电路图……………………………………………………………18
4.3整个红外通信系统的综合电路图…………………………………………18
4.4遇到的问题及其解决方法…………………………………………………18
5红外通信系统的软件设计…………………………………………………19
5.1红外遥控发射的软件程序实现……………………………………………20
5.2红外遥控接收的软件程序实现……………………………………………20
5.3遇到的问题及其解决方法………………………………………………24
6电路的调试与测试………………………………………………………25
6.1红外发射模块调试与测试………………………………………………25
6.2红外接收模块调试与测试………………………………………………26
6.3遇到的问题及解决方法…………………………………………………27
7结论及心得体会…………………………………………………………28
谢辞……………………………………………………………………………30
参考文献………………………………………………………………………30
附录…………………………………………………………………………31
附录一红外通信系统的综合电路图………………………………………………31
附录二电路板PCB布线图…………………………………………………………32
附录三红外通信系统源程序………………………………………………………32
引言：
红外遥控是通过红外设备将单片机与外部设备联系起来进行通讯，实现系统间的无线通讯。
自从红外技术出现以来，美国、英国、前苏联等国竞相发展。
特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。
目前，美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。
1993年，由二十多个大厂商发起成立了红外数据协会（IrDA），统一了红外通讯的标准，这就是目前被广泛使用的IrDA红外数据通讯协议及规范。
IrDA专司制订和推进能共同使用的低成本红外数据互连标准，支持点对点的工作模式。
由于标准的统一和应用的广泛，更多的公司开始开发和生产IrDA模块，技术的进步也使得IrDA模块的集成越来越高，体积也越来越小。
IrDA1.0可支持最高115.2kbps的通信速率，而IrDA1.1可以支持的通信速率达到4Mbps。
随着社会生产力的发展和技术的进步，单片机的应用越来越广泛。
在遥控应用领域，单片机尤其得到了很好的应用。
很多单片机应用系统中，常常利用非电信号（如光信号、电磁信号、超声波信号等）传送控制信息和数据信息，以实现遥控或遥测的功能。
在各种非电信号中，红外线光信号是最经常用的。
目前对红外线技术的应用有各种各样的研究，红外技术已经成为了先进科学技术的重要组成部分，它在各领域都得到广泛的应用，尤其在电视、VCD和音响等各种遥控设备的应用上，更是差不多已经到了成熟的地步。
红外线为不可见光，具有很强的隐蔽性和保密性，因此其在防盗、警戒等安全保卫装置也得到了广泛的应用。
红外线遥控的距离一般为几米至几十米或更远一点。
红外遥控不具有像无线电遥控那样穿过遮挡物（非屏蔽）去控制被控对象的能力。
正是由于这一特点，工厂设计生产电视机、录像机、电风扇等家用电器的红外遥控器时，不必像制作锁那样，每套（锁和钥匙）必须有一种新的结构（否则，钥匙就变为通用，锁的作用就会失去）；也不必像无线电遥控那样每套（发射器与接收器）要有不同的遥控频率或编码（否则就会隔墙去控制或干扰邻居的家用电器），所有产品的遥控器可以有相同的遥控频率或编码，而不会出现遥控信号“串门”的情况。
这对于工厂的大批量生产以及在家电器上普及红外遥控提供了极大的方便。
正因为红外线通信具有成本低廉、控制简单、实施方便、简单易用、结构紧凑和抗干扰能力强、传输可靠性高的特点，因此在小型的通信移动设备中获得了广泛的应用。
这些设备包括笔记本电脑、掌上电脑、机顶盒、游戏机、移动电话、计算器、寻呼机、仪器仪表、MP3播放机、数码相机以及打印机之类的计算机外围设备等等。
试想一下，如果没有红外通信，连接这其中的两个设备就必须要有一条特制的连线，如果要使它们能够任意地两两互联传输数据，该需要多少条连线呢？
而有了红外线通信口，这些问题就都迎刃而解了。
本课题要设计完成的就是一个简单的基于单片机的红外通信系统，与一般通用的红外遥控器不同的是它不是利用专用的编解码芯片来实现发收端的编解码，而是应用PIC18单片机，通过单片机的编、解码程序来实现红外信号的发收，从而实现红外遥控通信功能.此通信系统经过一些必要的扩展，完全可以实现通用和各种专用红外遥控器的功能。
实现单片机系统红外通信的关键在于红外接口电路的设计以及接口驱动程序的设计。
红外通信的基本原理
1.1红外通信技术简介
红外数据通信指的是两台设备之间通过红外线进行无线数据传输的一种数据传输方式，一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75μｍ至25μｍ之间。
红外数据协会（IrDA）成立后，为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通信效果，将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm之间。
红外通信的最大特点在于它替代了设备与设备之间传统的线缆连接，进而摆脱了不同平台设备连接时对于特制接口的要求，使得跨平台设备间的数据交换简单到只需彼此相对。
红外通信技术的特点如下：
●它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持；
●通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线数据收发；
●主要用来取代点对点的线缆连接；
●新的通讯标准兼容早期的通讯标准；
●小角度（30°以内）、短距离、点对点直线数据传输，保密性强；
●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。
红外通信技术的缺点如下：
●通信距离短，通讯过程中不能移动，遇障碍物通信中断；
●目前广泛使用的SIR标准通信速率较低（115.2kbit/s）；
●主要用于取代线缆连接进行无线数据传输，功能单一，扩展性差。
1.2红外通信的协议标准
为了建立一个统一的红外数据通信标准，1993年，由HP、COMPAQ、INTEL等二十多家公司成立了红外数据协会InfraredDataAssociation，一年以后，第一个IrDA的红外数据通信标准发布，即Ir-DA1.0。
Ir-DA1.0简称SIRSerialInfrared，它是基于HP－SIR的异步、半双工红外通信方式。
SIR以系统的异步通信收发器UART为依托，通过对串行数据脉冲的波形压缩和对所接收光信号电脉冲的波形扩展这一编码解码过程3/16EnDec实现红外数据传输。
由于受到UART通信速率的限制，SIR的最高通讯信速率只有115.2Kbps，即电脑串行端口的最高速率。
1996年，IrDA发布了Ir-DA1.1标准，即FastIn-fraRed，简称FIR。
与SIR相比，由于FIR不再依托UART，其最高通信速率有了质的飞跃，可达4Mbps。
FIR采用了全新的4PPM调制解调PulsePositionModulation，即通过分析脉冲的相位来辨别所传输的数据信息，其通信原理与SIR是截然不同的，但由于FIR在115.2Kbps以下速率时依旧采用SIR的编码解码过程，所以它仍可以与支持SIR的低速设备进行通信，只有在通信对方也支持FIR时，才将通信速率提升到更高水平。
IrDA1.2标准为低功耗的IrDA1.0标准，现已普遍应用于手持设备。
岁着移动计算设备和移动通信设备的日益普及，红外数据通信已经进入一个发展的黄金时期。
自1993年IrDA成立至今，红外数据协会的会员已经发展到150多个，当今在IT业和通信业叱咤风云的大公司几乎都在其中，由此可见IrDA标准已经获得了业界的广泛认同和支持。
目前已经开发生产出来的具备红外通信能力的设备已有一百种之多，红外模块的年装机量已达一亿五千万套，并以每年40％的速度高速增长。
尽管现在有了同样用于近距离无线通讯的蓝牙技术，但红外通信技术以其成本低廉和广泛的兼容性等优点，势必会在将来很长的一段时间内在近距离无线数据通信领域扮演重要角色。
1.3红外通信系统结构
红外通信的基本原理是发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲信号，再通过红外发射管发射红外信号。
串行红外传输采用特定的脉冲编码标准，这种标准与RS232串行传输标准不同。
若两设备之间进行串行红外通讯，就需要进行RS232编码和IrDA编码之间的转换。
红外通信接口由红外收发器和红外编码解码器构成。
红外收发器包括发送器和接收器两部分。
发送器（transmitter）将从I/O或ENDEC接收来的位调制后的脉冲转换为红外脉冲发出。
接收器（receiver）检测到红外光脉冲，并将其转换为TTL或CMOS电脉冲。
红外通信系统结构如下图2.1所示。
图2.1红外通信系统结构图
1.4红外通信原理
红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。
发送端采用脉时调制（PPM）方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送出去；接收端将接收到的光脉转换成电信号，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。
简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。
红外遥控系统一般原理框图见下图2.2。
图2.2红外遥控系统一般原理框图
从图中可以看出，红外遥控系统是由发射器与接收器两部分构成.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。
这里的控制指令信号是以某些不同的特征来区分的。
常见的区分指令信号的特征是频率特征和码组特征，即用不同的频率或不同编码的电信号代表不同的指令。
这些不同的指令信号由调制电路进行调制后，最后由驱动电路驱动红外发射器件，发出红外遥控指令信号。
接收器是由红外接收器件、前置放大电路、解调电路、指令信号检出电路、记忆及驱动电路、执行电路组成。
当红外接收器件收到发射器的红外指令信号时，它将红外光信号变为电信号并送入前置放大器进行放大，再经解调器后，由指令信号检出电路将指令信号检出，最后由记忆及驱动电路驱动执行电路，实现各种操作。
概述
本次课程设计以模拟电路、数字逻辑电路、通信电子电路等相关课程为基础，以PIC18单片机的应用为核心。
应用红外发光二级管，发射红外线，并采用红外接收探头接收。
通过从选题、方案论证、电路设计、电路实现、装配调试、系统测试、等过程中，锻炼自己的原理分析、实际工程设计能力，以及创新能力。
2.1.设计目标
了解利用PIC18单片机实现红外通信的基本原理,设计并实现一个中短程红外通信系统。
项目要求设计并实现红外通信系统，该系统能够将键盘按键的信息通过编码利用红外线发送出去，同时也能接收红外线信息并解码显示。
基本要求：
发送端：
1）完成某种制式的红外信号编码
2）能够发送固定的红外编码信息
3）能够接收按键，并将按键信息编码发送出去
接收端：
1）完成某种制式的红外信号解码
2）能够接收固定的红外编码信息
3）能将接收到的信息编码显示出来
2.2.团队组成与任务分工
2.2.1团队组成
组长：
组员：
2.2.2任务分工
2.3主要原器件清单
器件
数量
单价
金额
HS0038b
2
4.O
8.0
74LS08
2
1.1
2.2
24C02C
2
1.2
2.4
红外发光二极管
4
0.4
1.6
发光二极管
8
0,1
0.8
电阻、电容、导线、锡焊等
若干
3元以内
总额约为：
18元。
红外通信电路硬件的方案设计
一般通用的红外遥控系统都是由发射和接收两大部分组成，应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作，如图3.1所示。
发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。
图3.1红外遥控系统框图
3.1元器件介绍
选定了电路设计的方案，下面我们对电路设计中将要用到的一些主要元器件的电气特性进行一下必要的介绍。
3.1.1PIC18单片机
目前MICROCHIP公司推出了最新的16增强版,如PIC18F4620,其程序空间从原来的16k字提高到65536字,RAM从原来的1024字节提高到3968,SPI,IIC和UART也进行了升级.成为增强型模块！
时钟的最高频率也从原来的20MHz增加到40MHz,支持相应的pic汇编的扩展指令集。
其主要参数和具体特点如下：
图3.2PIC18f4620单片机引脚图
PIC18f4620单片机的主要特性：
（1）功耗管理模式：
•运行：
CPU工作，外设打开
•空闲：
CPU不工作，外设打开
•休眠：
CPU不工作，外设关闭
•空闲模式时电流可降至2.5µA（典型值）
•休眠模式时电流可降至100nA（典型值）
•Timer1振荡器：
1.8µA，32kHz，2V
•看门狗定时器：
1.4µA，2V（典型值）
•双速振荡器启动
（2）灵活的振荡器结构：
•4种晶振模式，频率最高为40MHz
•4倍频锁相环（PhaseLockLoop，PLL）（可用于
晶振和内部振荡器）
•两种外部RC模式，频率最高为4MHz
•两种外部时钟模式，频率最高为40MHz
•内部振荡器模块：
-8个可由用户选择的频率，从31kHz到
8MHz
-当与PLL结合使用时可提供较宽的时钟频率
范围，从31kHz到32MHz
-用户可对该电路进行调节以补偿频率漂移
•辅助振荡器使用Timer1（工作频率为32kHz）
•故障保护时钟监控器
-当外设时钟停止时可使器件安全断电
（3）外设特点：
•高灌/拉电流25mA/25mA
•3个可编程外部中断
•4个输入电平变化中断
•最多两个捕捉/比较/PWM（CCP）模块，一个具有自动关闭的功能（28引脚器件）
•增强型捕捉/比较/PWM（ECCP）模块（仅限40/44引脚器件）：
-1、2或4PWM输出
-可选择极性
-可编程死区延时
-自动关闭和自动重启
•主同步串行口（MasterSynchronousSerialPort，MSSP）模块，支持3线SPI（所有4种模式）和I2C™主/从模式
•增强型可寻址USART模块：
-支持RS-485、RS-232和LIN1.2
-使用内部振荡器模块的RS-232工作模式（无需外部晶振）
-启动位自动唤醒
-自动波特率检测
•最多13路通道的10位模数转换器模块（A/D）：
-自动采样功能
-可在休眠期间进行转换
•输入复用的双模拟比较器
•可编程16级高/低压检测（High/Low-VoltageDetection，HLVD）模块：
-支持高/低压检测中断
（4）特殊单片机功能：
•优化的C编译器架构：
-为优化重入代码而设计的可选的扩展指令集
•可进行100,000次擦写操作的增强型闪存程序存储器（典型值）
•可进行1,000,000次擦写操作的数据EEPROM存储器（典型值）
•闪存/数据EEPROM保存时间：
100年（典型值）
•可在软件控制下自行编程
•中断优先级
•8x8单周期硬件乘法器
•扩展型看门狗定时器（WDT）：
-可编程周期从4ms到131s
•通过两个引脚进行单电源5V在线串行编程（In-CircuitSerialProgramming™ICSP™
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