2013全国电子大赛论文红外光通信

2013年全国大学生电子设计竞赛红外光通信装置（F题）【本科组】2013年9月7日摘要本设计将红外作为无线信道来传输音频和数字信号，整个设计分为音频传输基础部分和数字信道的发挥部分，音频传输主要采用MP3音源，直接通过模拟电路加到红外发送端，接收端通过功放电路后接入到8欧姆的喇叭后放音。

将声音和温度信息通过数字信道传输的发挥部分采用将声音信号进行CVSD增量编码调制，温度采集使用DS18B20温度传感器，然后通过单片机将其采集的温度信号与音频信号编码统一编写成带帧头的数据帧进行时分复用，通过红外无线信道进行传输，接收端通过单片机进行解码分路，音频数字编码通过单片机口送到增量调制解码器，温度编码通过单片机处理后送到LCD进行显示，转接部分通过将原来收发部分做一个整合来完成。

关键词：红外线，增量调制，数据帧，单片机目录1 系统方案 (1)1.1 发送模块的论证与选择 (1)1.2 数字调制方式的论证与选择 (1)1.3 MCU的论证与选择 (2)1.3 整体方案的论证与选择 (2)1.3.1 红外收发管选择 (2)1.3.2 红外对管装配 (3)1.3.3 增强部分 (3)1.3.4 单片机数据采集 (3)2 系统硬件设计 (4)2.1 基本功能硬件设计 (4)2.1.1 音源 (4)2.1.2 红外发射对管 (4)2.1.3 耳机 (4)2.2 基本部分电路 (4)2.2.1 发射部分电路 (4)2.2.2 接收部分电路 (5)2.3发挥部分电路设计 (5)2.3.1 增量调制电路 (5)2.3.2 增量调制解调电路 (6)3 系统的程序设计 (7)3.1 总体程序框图 (7)3.1.1发射部分程序框图 (7)3.1.2 接收程序总体框图 (7)3.1.3 电源 (8)3.2程序的设计 (8)4 测试结果 (10)附录1：电路原理图 (11)附录2：源程序 (13)1 系统方案本系统主要由信源模块、发送模块、接收模块、转发模块和电源组成，整个系统框图分为两大部分，基础部分如图1.1所示。

音频信源耳机红外接收红外发射图1.1 基础部分框图发挥部分框图如图1.2所示。

音频信源红外发送MCU 增量调制温度采集红外接收MCU 增量调制解码音频输出温度显示图1.2 发挥部分总体框图1.1 发送模块的论证与选择方案一：调制红外线发送，调制是指让红外线以一定的频率发出去，然后用光敏三极管或光敏二极管或其他红外感光器件接收已调制的红外线，例如把红外线调制成频率为38KHz 的脉冲发出去，接收端再把接收的红外线转变成电信号，再解调，滤波，就可以还原所发射的38KHz 红外频率。

整个过程比较复杂。

方案二：直接发送方式称为直射式，指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离；方法比较简单，通过实验发现传输音频信号完全可以。

综合以上二种方案，选择方案二。

1.2 数字调制方式的论证与选择发挥部分要将模拟音频和数字信号同时在数字信道中传输，必须将音频数字化，数字化有如下两种方案。

方案一：PCM 调制又称为脉冲编码调制，数字通信的编码方式之一。

主要过程是将话音、图像等模拟信号每隔一定时间进行取样，使其离散化，同时将抽样值按分层单位四舍五入取整量化，同时将抽样值按一组二进制码来表示抽样脉冲的幅值。

由于一路语音编码速率是64K，虽然保证音频质量，但普通的单片机处理起来需要处理非常大的数据量，处理速度有可能会跟不上。

方案二：增量调制它是一种预测编码技术，是PCM编码的一种变形。

PCM是对每个采样信号的整个幅度进行量化编码，因此他具有对任意波形进行编码的能力；DM是对实际的采样信号与预测信号之差的极性进行编码，将极性变成"0"和"1"这两种可能的取值之一。

如果实际的采样信号与预测的采样信号之差的极性为“正”，则用1表示；相反则用0表示，或者相反。

由于DM编码只需用一位对话音信号进行编码。

如果抽样采用32K的抽样信号频率，则单片机能够在基本保证音频质量的前提下同时将数据信号传到接收端。

综合以上二种方案，选择方案二。

1.3 MCU的论证与选择方案1：AT89C52单片机AT89C52单片机是世界上著名的半导体生产公司爱特梅尔半导体公司（Atmel）生产的一款8051系列微控制器芯片，具有稳定性，低功耗。

芯片内部具有8K的可编程FLASH存储器，与传统的8051指令系统和引脚完全相兼容，使得该款产品被众多工业级别的嵌入式控制系统所采用，为其提供高灵活性和高可靠的工作性能。

方案2：STC89C58RD+单片机STC89C58RD+单片机是我国宏晶科技有限公司（STC）生产的一款拥有传统8051内核的新型单片机，不仅能和传统的8051单片机指令系统相兼容，而且增添许多新功能，例如，内部具有复位电路，为方便客户的使用，可以直接使用串口进行程序的烧录，加入了看门狗定时器，强抗干扰，增加个别引脚的第二功能等。

在国内，因为该款芯片产品具有很高的性价比，所以在本土市场上有高的占有率和使用率。

综合比较上述两种芯片的特点，以及他们各自的优势，最后选择性价比更高的国产芯片STC89C58RD+单片机。

1.3 整体方案的论证与选择1.3.1 红外收发管选择直径3mm,5mm为小功率红外线发射管。

而8mm,10mm为中功率及大功率发射管。

小功率发射管正向电压：1.1-1.5V，电流20mA。

中功率发射管正向电压：1.4-1.65V，电流50-100mA。

大功率发射管正向电压：1.5-1.9V，电流200-350mA。

中大功率的管子没有买到，故采用小功率红外收发管。

1.3.2 红外对管装配距离主要有发射功率决定，为了增加红外线的控制距离，红外发光二极管工作于脉冲状态，因为脉动光（调制光）的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，只需尽量提高峰值，就能增加红外光的发射距离。

提高峰值的方法是减小脉冲占空比，即压缩脉冲的宽度T。

一般其使用频在300KHz以下。

因此，发送的模拟信号编码成数字信号比较好，考虑到接收端方便，信源编码用CVSD（增量调制，不需收端同步）。

实际使用时可通过选择不同功率的红外发光管和电流来拉远距离。

我们接收端用2个接收管并联提高接收灵敏度。

1.3.3 增强部分选一款单片机，将CVSD的语音数据和采集的温度数据用串口方式发—调制红外管—红外接收——接收端单片机接收数据—将语音的CVSD数据分出译码，温度显示输出，音频数据送到扬声器。

1.3.4 单片机数据采集接收单片机CVSD数据采集：将CVSD数据接到单片机IO口，CVSD时钟接单片机中断，中断时读IO口即可采集CVSD数据，语音数学和温度数据复用传输，帧结构如下：帧头温度数据CVSD1 CVSD2 CVSD3 CVSD4 CVSD5 CVSD6 CVSD7 CVSD8（1）帧头可选比较特殊的字节，如01111110，收端检测到这个字节后就知道那个字节是温度值，那些是语音数据，然后分别输出。

（2）收到的CVSD数据发到译码芯片的方法和发端单片机一样，中断时从IO口一个一个比特输出。

2系统硬件设计2.1 基本功能硬件设计 音频信源红外发送MCU 增量调制温度采集红外接收MCU 增量调制解码音频输出温度显示框图2.1 硬件总体框体2.1.1 音源音源选择MP3格式文件，通过音频线将300-3400Hz 的信号传送红外发射的输入端。

2.1.2 红外发射对管选择中小功率的红外发射接收对管。

2.1.3 耳机用一个8W 的喇叭代替。

2.2 基本部分电路2.2.1 发射部分电路发送部分电路图如图2.2所示。

图2.2 发射部分电路图2.2.2 接收部分电路接收部分电路图如图2.3所示。

2.3 接收部分电路图2.3发挥部分电路设计2.3.1 增量调制电路增量调制电路如图2.4所示。

图2.4 增量调制电路2.3.2 增量调制解调电路增量调制解调电路如图2.5所示。

图2.4 增量调制解调电路3系统的程序设计3.1 总体程序框图总体流程框图分为发送部分和接收部分。

3.1.1发射部分程序框图在该系统中信源的声音信号首先由麦克风接收，通过话筒接收放大电路由原始信息直接变换成的电信号即消息信号。

而这种信号一般具有从零频开始的较宽的频带而且在频谱的低端分布较大的能量，一般称为基带信号。

这种信号不宜直接在信道中传输。

为了信息可以在信道中准确和高效传输就必须对频率较高的载波进行调制。

将消息信号通过声音信号调制电路进行调制再送入红外发射电路中，转化成红外信号发射到红外接收端。

接收程序框图如图3.1所示。

开始初始化设定编码速率是否收到音频信号串口发送音频数据是否收到温度信号串口发送温度数据结束NNYY图3.1 发射程序框图3.1.2 接收程序总体框图接收部分程序系统框图如图3.2所示。

开始初始化是否为声音数据声音变量赋值是否为温度数据温度变量赋值结束N NYY图3.2 接收部分程序总体框图3.1.3 电源电源由稳压电源提供正负12V和5V电压。

3.2程序的设计用Keil Software公司出品的集成开发环境进行编程，其版本为Keil μVision4。

Keil μVision4是2009年2月发布的最新版本，是针对Windows桌面平台所研发的一套完整的集成开发环境，具有可视化、灵活的Windows窗口管理。

该软件不仅给用户提供了丰富的库函数，而且提供了功能强大的开发测试工具；既支持C语言编程，也支持汇编语言编程；可以完成编辑、编译、连接、测试、仿真等整个开发流程；此外，在程序被编译之后，即可生成相应的汇编语言代码，使用户可以切身感觉到该款软件的生成目标的代码效率是相当高的，并且多数语句生成的汇编代码更为紧凑和容易理解，进而使得编程效率更为高效。

温度采集时间方面，为了保证发送的温度能够立刻接收到，并且保证能够实时在LCM1602模块上实时显示，主程序中循环的时间就是采集的时间，通过计算，这个时间大概是0.093秒。

由于传输环境恶化，造成的ACK信号重复次数增多，导致这个采集时间相应的延长。

设置无线接收模块为接收模式时，需要初化单片机寄存器，其过程有如下几个步骤：1、写接收Rx节点的地址：设置为{0x34,0x43,0x10,0x10,0x01}，并且接收设备接收通道0使用和发送设备相同的发送地址。

2、使能自动应答模式：设置使能接收通道0自动应答3、使能PIPE 0：设置使能接收通道0进行接收。

4、选择通信频率：设置选择射频通道0x40。

5、选择通道0 有效数据宽度：设置接收通道0选择和发送通道相同有效数据宽度。

4 测试结果基本符合题目给出的基本要求：可以实现音频的传输和中继传输。

附录1：电路原理图发送部分电路图接收部分电路图增量调制电路增量调制解调电路附录2：源程序发送部分源程序#include <REG52.H>#include <stdio.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid delay(unsigned int i); //函数声明void WriteChar(uchar dat);void DDelay(uint t);void Reset();void fasong();uint ReadTemperature();uint ReadChar();sbit X=P1^3;sbit DQ=P3^7;ucharY,n,SJ,signal,wendu,CVSD1,CVSD2,CVSD3,CVSD4,CVSD5,CVSD6,CVSD7,CVSD8;uint tempL,tempH,c,m;void main (void){uint wenduDate;SCON = 0x50; //REN=1允许串行接受状态，串口工作模式 2TMOD|= 0x20; //定时器工作方式2PCON|= 0x80; //波特率提高一倍TH1 = 0xF3; // //baud*2 /* 波特率4800、数据位8、停止位1。