2013年全國大學生電子設計競賽論文課題:紅外光通信裝置（F題）11摘要：紅外技術是無線通訊的鼻祖，是先進科學技術的重要組成部分，廣泛應用在遙控和傳輸方面。紅外通信是一種以紅外光為載體，通過其在空中的傳輸來語音和數據的傳輸方式。紅外通信裝置一般由紅外發射和紅外接收兩個過程組成。為了滿足紅外通信裝置的設計要求，設計了純電路為核心的控制系統和算法。首先進行了各單元電路方案的比較論證，確定了硬件設計方案。采用紅外收發管作為發射和接收的器件，系統所用的基本技術是光電和電光轉換，其中光源受到點信號的調制。紅外通信保密性好，不受無線頻率使用管制，具有傳輸距離長的特點，使其可以較好的進行遠距離傳輸。實際測試表明，所采用的設計方案先進有效，基本達到了設計要求。關鍵詞：紅外光通信；光電轉換；電光轉換1、 系統方案的設計與論證1.1 系統總體框架整個系統在大的方向由發射模塊和接收模塊組成。兩個模塊的具體實現如下。1.1.1 其中發射模塊的系統框圖如下：1.2 理論分析1.2.1 聲音經過拾音器（即話筒）的微弱電壓信號輸入需進行放大和濾波，實現電壓放大可以考慮使用運放，接成同相放大器或者反相放大器都可以實現要求，但是注意的是，從拾音器過來的電壓信號非 常微弱，極易被噪聲淹沒，以此輸入放大之前要接差分放大電路以減小噪聲干擾，經過差分放大電路之后的信號在接入放大器，實現電壓信號的放大。1.2.2 為了保證信號的質量，必須對放大的電壓信號進行濾波，考慮到人說話的頻率范圍有限，也即達到設計要求時的帶寬，應該做一個帶通濾波電路，為了濾波的效果更好，設計雙電源供電的有源濾波器，使用的芯片可以使NE5532或者LM324，經過計算得出相應的元器件參數，使用仿真軟件進行一下仿真之后再搭電路進行調試。1.2.3 通過濾波器之后的模擬信號進入到紅外發射裝置，驅動紅外發射管發出紅外光，通過光強的強弱變化來實現通信，在接收端收到光強的變化，經過轉換得到的是按照相同規律變化的模擬信號。1.2.4 將模擬信號進行多級的放大和濾波，以彌補傳輸過程帶來的信號的損傷，然后將會輸出和原始信號相一致的電信號。1.2.5 本題中要從揚聲器獲得到聲音的重現，那么就必須進行功率放大，所以需做功率放大電路，將經過濾波后的模擬信號放大之后，就可以就聲音信號放出來。1.3 方案論證與比較1.3.1 控制模塊傳統的51單片機廣為應用，具有使用簡便、便宜價格等優點，但是其運算能力較低，速度較慢，功能相對單一，難以實現較復雜的任務要求。而Atmega16是一款功能強大的16位微控制器，具有非常豐富的片上資源，如：8路10位精度的ADC，節省了片外AD；強大的定時功能，可以進行較精確的定時；另外還有精密的比較器，大容量的RAM和ROM，可存儲大容量的程序。所以選擇Atmega16為控制模塊。1.3.2 紅外收發裝置方案一：采用紅外發射管+紅外接收管 即紅外收發對管。此方法簡單快捷。但是其解調電路比較繁瑣。方案二：采用紅外發射管+HS0038紅外一體化接收頭。本次設計中的紅外接收電路主要是將發射管發過來的無信信號進行放大，整形，解碼，再放大后驅動喇叭發聲。所以選著了集成的紅外接收器HS0038。該集成的紅外接收器內部具有放大，濾波，解調的功能，直接輸出的是數字信號，方便進行處理。所以選擇方案二。1.3.4 放大電路方案一：使用的一次性放大到所需要的倍數的電路。比如要放大1000倍，那么就是用一個放大電路一次性使信號放大1000倍！這樣子電路比較易于構建，但是信號波形容易缺失，甚至得不出預想的處理信號。方案二：使用多級放大，不宜一次性放大太高的倍數。比如要放大1000倍，先是放大10倍，再放大100倍。如此這般，信號的波形，不易缺失，容易彌補傳輸過程帶來的信號的損傷。所以選擇方案二。1.3.5 紅外發射管驅動電路通過運算放大器可以設計出把電壓信號轉換成電流的電路。方案一：使用一個紅外發射管來發射信號。此辦法雖然直接簡單，但是其發射距離有限，達不到2m,與題目要求不符。方案二：把3個紅外發射管并聯接到驅動三極管的集電極，減小發射極的電阻，使通過每一個紅外led的電流與只有一個紅外led時的電流一樣。此辦法大大的提高了紅外led的發射功率，其接收效果更好。所以選擇方案二。1.3.6 電源電路方案一：使用鋰電池供電。該方法安全，簡易。但是本題中，有的芯片供電的電壓為正負12V，不適合用鋰電池供電。方案二：通過變壓器利用220v供電。雙電源模式，發射和接收模塊各自獨立電源供電。如此可以避免長到線消耗電能，節約資源；同時，可以使兩端的接收信號獨立穩定。互相之間無電磁的干擾。所以選擇方案二。2、 系統的硬件設計與實現2.1單元電路設計及參數計算2.1.1 聲音轉換為電壓信號電路當使用駐極體話筒或音頻信號作為音頻發聲器時，接線方法如下：2.1.2 濾波電路設計為帶通濾波器，要求帶寬為300Hz到3.4KHz，其由兩部分構成，一部分是低通濾波器，一部分是高通濾波器，都用NE5532實現。低通濾波器電路原理圖如下：注：元件參數計算方法如下：上限截止頻率：fH=1/(2Pi R C)=3.4K Hz令R=22k 則C=4.7nf 選增益Au=f/R1+1=1.2取Rf=10K 則R1=62K高通濾波器的電路如下：元件參數計算方式大致如下：下限截止頻率：fH=1/(2Pi R C)=300Hz 令R2=R3=22K 則C1=C2=22nf 取增益為Au=f/R1+1=1.8取Rf=48K 則R1=62K2.1.3 放大電路本設計中采用多級放大，每一級放大均為10倍增益。2.1.4 紅外管發射驅動電路 共有左右兩種電路圖。我們采用左圖的方式，其中使用3個紅外發射管并聯的方法，相比于右圖這樣發射的明顯功率提高（其中電壓不變，電流變為3倍，所以發射功率提高）。2.1.5 喇叭驅動電路功率放大器的具體電路如下所示：這樣就可以把前面電路傳送的聲音信號復述出來了3、 軟件設計上圖是運用DS18B20測量測量環境溫度。在利用一路數字信號，來實現溫度信號的紅外傳遞。4、 系統實測4.1 在發送部分使用音頻線接入聲音信號。2米之外可以通過喇叭發出聲音。5、注意事項1、芯片需要雙電源供電，電源不能接反，否則會燒壞芯片。2、部分引腳或接線裸露，測試時注意不可短路。3、部分導線極細，焊接不是特別結實，取放時注意不要拽斷。4、紅外的發射和接收裝置必須較為準確的相對，否則接收到的信號出現失真。5、電源的提供：實現該系統的功能需要正負12V、5V的直流穩壓電源。本次實驗中的正負12V及正負5的電源使用自制變壓器得到，其能將220的交流電變成正負V、正負5直流電源輸出。6、因為會使用220v交流電，謹防觸電。6. 總結1、要想實現一個系統，那必須對整個系統的設計有整體的思路2、設計電路是系統功能實現的前提，合理的選用芯片十分關鍵，合理設置元器件參數更是一個難點。3、焊接電路路需要扎實的基礎功及較強的耐心，調