红外通信装置设计报告(共17页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上*大学*学院*（设计报告）题 目 红外通信装置 学 院 *学院 专 业 * 班 级 * 学 生 * 学 号 * 指导教师 * 二* 年 * 月 * 日 专心-专注-专业目 录红外通信装置摘 要本系统设计红外光通信装置，主要由前置电路模块、脉宽调制模块、红外发送接收模块和语音输出模块四部分组成。采用STM32作为主控制器进行脉宽调制，并控制数据传送，MCP6002主要作为前置电路放大器，DS18B20传感器获取当前环境温度， LM386模块进行功率放大。结合了红外线发射管，用以将电能直接转换成红外光并产生辐射，因其应用的广泛性，选择它作为我们的红外线发生装置，还用及红外线接收头，来接收红外线光信息转换为音频信息。采用FSK方案对数字信号进行调制解调，并通过不同的音频频段，使用有源带通滤波电路来实现数字信号与语音信号的频段分离，实现了语音和数字信号同时传输。关键词：STM32；红外线发射管；红外线接收头；FSK前言随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的遥控系统开始进入了人们的生活。本装置实现了音频信号与数字信号的同时传输，并且音频信号的频率在300-3400Hz、接收到的音频信号无明显失真且静噪声不明显、数字信号的传输时延不超过10s且温度测量误差不超过2及通信距离为2m。系统以STM32系列单片机为控制核心，实现信号的编解码以及传输控制功能，并且用它来控制温度传感器。结合了红外线发射管，用以将电能直接转换近红外 光并产生辐射，因其应用的广泛性，选择它作为我们的红外线发生装置，还用及红外线接收头，来接收红外线光信息转换为音频信息。1 系统方案1.1方案总框图发送端：DS18B20温度传感器MCU带通滤波器语音信号输入可调放大电路带通滤波电路加法电路V/I转换电路红外发射电路接收端：增益可调电路带通滤波电路红外接收电路高通滤波电路窄带通滤波电路增益可调电路比较器MCU温度显示电路信号指示电路功放电路语音输出图1.1 总体电路框图1.2方案解析1.2.1 语音输入模块将MP3发出的语音直接输入前置放大模块，再进行滤波处理。1.2.2 运算放大模块MCP6002是内部有两个独立的、频率补偿的双运算放大器，能在很宽的电源电压范围内实现高增益，同时适用于单电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。1.2.3 脉宽调制模块采用STM32的外部中断实现对USART发送的数字信号进行中断调节。当检测到上升沿中断时利用STM32的一路定时器设定定时器工作于PWM输出模式，预装载值为99,预分频系数为99，比较值为49,这样既可产生一路7200Hz的PWM波，当检查到下降沿时，只需改变预分频系数为89，既可输出一路8000Hz的PWM波，从而实现脉宽调制。 1.2.4 语音输出模块使用LM386对音频信号进行功率放大，LM386是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路，其增益最高可达200，且失真低，适合应用于本音频功放模块。1.2.5 温度传感模块采用18B20数字温度传感器来测量温度，18B20有独特的单线接口方式，与微处理器连接时仅需一条口线即可实现双向通讯，其测量范围55+125，符合本电路测温要求，并且单线接口方式能为微处理器节省接口。1.2.6 显示模块由于NOKIA5110低功耗及显示能力强，可将串口接收到的串行数据转换为并行数据，送于NOKIA5110液晶显示。1.3 理论分析与计算1.3.1 滤波电路参数的计算截止频率：增益：Au=1+Rf/R1品质因数：Q=1/(3-Au)六阶低通滤波器：截止频率：f(截止)=3400Hz, 品质因数：Q=10六阶高通滤波器：截止频率：f(截止)=200Hz, 品质因数：Q=10两种滤波器用在处理接收的信号，其目的是将数字信号滤掉，保留模拟信号。1.3.2 信号处理分析1、模拟信号发送端：语音信号通过发射板的语音输入接线柱接入电路，先通过隔直处理后通过有三级可选的增益放大电路，三级可选增益倍数分别为：2倍、3倍、5倍；因为语音信号的频率在300-3400Hz上述语音信号再通过一个200Hz-4000Hz的带通滤波器保证音频信号无损传输并滤除其他杂波，最后加入到加法器中。接收端：考虑到语音部分极易受到干扰，决定采用六阶带通滤波器，通频带为200-4000Hz，各节增益均按标准巴特沃思低通高通电路阶数与增益之间的关系计算，之后再通过一个增益可调的放大电路，调节信号的幅值后加入功放并输出。2、数字信号发送端：将调制后的数字波形经过隔直处理，因为我们调制后的波形频率为7200Hz和8000Hz，故将上述数字信号再经过一个四阶有源带通滤波器通频带为6919-8376Hz，其中滤波器的各节增益均按照标准的巴特沃思低通、高通电路阶数与增益的关系表来定，进而得到较为可靠的滤波器，之后加入加法器。接收端：由于要得到的数字信号的频率在7200-8000Hz之间，为了达到较好的滤波效果，先将引进来的信号先通过两节6919Hz的高通滤波器再通过一个中心频率为7578Hz，通频带为6919-8376Hz的窄带通滤波器，之后通过一个增益可调的放大电路和延迟比较器，通过调节放大增益来得到理想的方波进而被单片机采样处理。2 电路与程序设计2.1 总体电路图图2.1 总体电路图2.2 电路设计2.2.1 运算放大模块将语音信号采集并输入到电路中，由于语音的电压信号较为微弱，需要将信号进行放大，经过MCP6002运算放大器的放大后，接入STM32，用一个MCP6002芯片作为跟随器减小后级的输出阻抗。图2.2.1 前置模块电路图2.2.2 红外发送接收模块 图2.2.2 红外发送接收模块2.2.3 语音输出模块 当红外接收模块将接收到的信号进行处理后，在后级再加入一路增益为200的功率放大模块来增强语音信号，根据LM386的200增益对应的标准电路（如下图）我们最终实现了合适语音输出。图2.2.3 语音输出模块电路图 2.3 程序设计2.3.1 程序框图 初始化温度采集USART发送发送7200Hz PWM波外部中断进入波形调制开始退出中断上升沿发送8000Hz PWM波否是发送端：初始化读两次时间差USART接收引脚输出捕获中断进入开始波形解调温度显示退出中断接收端：图2.3.1 程序流程图2.3.2 发送端 单片机采集温度传感器发来的数据按报头0xFF、0xFF、温度、温度打包后交给USART发送出去，单片机用一路双沿中断处理USART发送的数据，当检测到上升沿中断时单片机打开定时器使之工作在PWM1输出模式，并设置预装载值为99,预分频系数为99，比较值为49，此时把高电平1调制成占空比为50%频率为7200Hz的方波，同理当检测到下降沿时只需改变预分频系数为89既可得到低电平调制成的占空比为50%频率为8000Hz的方波。 2.3.3 接收端 单片机用一路上升沿捕获采集接收端输出的数字信号，通过读取捕获定时器的值并清除定时器的值来确定为高电平或低电平，若读取的值在8700-9300之间则置PB7引脚为低，若读取的值在9700-10300之间则置PB7引脚为高，并把PB7与PA10相连，此时USART既可正常接收数据，从而实现解调功能，单片机读取到数据后先确认报头0xFF、0xFF再确认温度，并判断两个温度值是否一样防止传输时数据出错，若相同则采取并交由显示器显示，否则数据丢弃。3 测试方案与测试结果3.1 测试方案连接好整体电路后，采用控制变量法测试整板：1. 在没有语音及数字信号输入时，用耳机听接收端是否有噪音。2. 在只加入语音信号时，在接收端用耳机听语音是否失真，及观察语音输出部分的波形。3. 在发射端只加入数字信号时，在接收端用耳机听是否有声音并观察显示屏的数值是否正确，用手触摸发射端的温度传感器观察接收端的数据是否变化。4. 在发射端同时加入语音及数字信号时，接收端用耳机听语音是否失真及出现其他情况并用示波器观察语音输出的波形，观察显示器的值是否正确。3.2 测试数据1.在发射端未加入信号时，接收端听到有明显的背景噪声，调试后无明显背景噪声。2.用信号发生器在发射端加入正弦波及数字信号时，语音接收部分测得数据如下：发射端（语音部分Vpp=150mV）接收端(语音输出部分Vpp)f = 100HzVpp= 150mVf = 300HzVpp= 370mVf = 900HzVpp= 480mVf = 1500HzVpp = 510mVf = 2500HzVpp = 475mVf = 3400HzVpp = 330mVf = 4000HzVpp = 270mVf = 4500HzVpp = 220mV表 323.在只加入数字信号时，接收端听到的语音信号基本可以忽略，而数字信号正确，误差在1以内，反应时间不到1s且无误码显现，当加入语音信号后，接收端语音信号无明显失真，数字显示部分误差也在1以内，反应时间在2s左右且无误码显现。3.3 测试结果分析1、语音信号通过接收模块电路时，在接近滤波器截止频率时的频谱图不太理想，即衰减过快，导致语音输出的部分失真，通过对滤波器的提高来改善输出语音信号的质量。其原因是刚开始Q值不够高，导致滤波不理想。改进后频谱图恢复正常。2、测试时使用的电源未经处理直接使用，造成对信号的干扰。4 结语经过这段时间不间断的努力，完成了红外光通信装置的各项要求，利用红外发光管和红外光接收模式作为收发器件，进行定向的传输，接收到的声音没有明显的失真。通过这次实训，不仅丰富了理论知识，而且动手实践能力得到了提高，更激发了大家的创新精神。在这今后的人生道路上无疑是一笔宝贵的财富，受益匪浅。为今后的发展打下了良好的基础。由于自身水平有限，设计中一定存在很多不足之处，敬请老师批评指正。最后感谢老师给了同学们锻炼的机会，这次难忘的经历必将使大家受益终生。参 考 文 献1 丁元杰. 单片微机原理及应用M. 北京:机械工业出版社, 2006:15-88.2 蒋智勇, 戴立权. 单片微型计算机应用技术M. 沈阳:辽宁科学技术出版社, 1992:36-78. 3 张迎新等. 单片微型计算机原理、应用及接口技术M. 北京: 国防工业出版社, 2004:26-86. 4 陈爱文. 基于STM32单片机控制的红外通信设计J. 机电工程技术, 2007, 36(12):84-85. 5 张利娜, 洪显昌. 红外通信的设计与实现J. 现代电子技术，2008，4(23):87-89. 6 张爱全. 红外线遥控的基本原理和应用范围M. 山西电子技术. 2003 6(12).40-417ALAN V.OPPENHEIM. 信号与系统 M. 西安：西安交通大学出 版社，1997 年 8 元秋奇著 . 数字图像处理学 M. 北京：电子工业出版社， 2000 年 9吴运昌.模拟电子线路基础M.广州：华南理工大学出版社， 2004 年