红外串行通信
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3、 总结与改进
3.1 总结
红外串行通信的基本原理就是将串行信号调制到红外脉冲上进行传 输，原理非常简单，但是实际制作中仍有许多的细节需要注意，我们在实 际的电路制作中也遇到了许多问题。首先是振荡器电路的选择，刚开始我 们选择 455K 的陶瓷晶振，并利用非门仿照 51 单片机的时钟电路来组成 振荡电路，但是我们发现振荡电路不能起振，后经过分析，是振荡电路中 的电容太大，51 单片机中电容为 20pF 到 30pF，而在这个振荡电路中电容
1.2 红外接收
红 外 接 收 模 块 主 要 由 TFMS5380( 红 外 载 波 脉 冲 38KHz) 组 成 ， TFMS5380 可以接收 38KHz 的红外脉冲并将其转换为 TTL 电平。其内部 结构和输入输出特性如图 2 和图 3 所示。其内部包含了前置放大，带通滤 波和解调模块。接收到红外脉冲时，输出低电平，没有接收到红外脉冲时， 输出高电平。红外脉冲持续的时间不能小于 600uS，由此可以计算出红外 串行通信的最大波特率为：
可以很方便的进行调节，TFMS 系列也有其他频率的红外接收管，表 1 为
TFMS 系列红外接收管的型号和参数，图 7 为接收管的相对接收频率输出
信号幅值的关系。当我们选用 56KHz 和 38KHz 接收管时， 56 = 1.47 ， 38
38 56
=
0.68 ，已经超出了
f0
± 5% 的范围，可以有效的避免自发自收的情况
发生。因此采用不同的收发频率可以方便的实现全双工串行通信。但是由
于市面上最容易买到的红外接收管式 38KHz 的，我们在实际制作时只选
用了 38KHz 的接收管，实现了半双工红外串行通信。
表 1 TFMS 系列红外接收管的型号和参数
型号 f0
型号 f0
TFMS5300 TFMS5360 TFMS5380 TFMS5560
RA
+ RB
=
1.43 38×103 × 0.01×10−6
= 3.76 ×103 (Ω)
为了使占空比为 50%，RA 和 RB 取相同的阻值 1.88K。
1.4 红外发射
从图 4 中可以看出当 RXD 为 1 时，信号调制电路输出高电平，当 RXD 为 0 时信号输出为 38KHz 的脉冲信号，为了能与红外接收管的输入输出 特性(如图 3 所示)相配合，红外发射的功率放大电路选用了 PNP 型的三极 管(9012)，如图 1 中所示的 Q1。当 RXD 信号为 1 时，红外发射管不发射 红外线，红外接收管接收不到红外线，输出高电平；当 RXD 信号为 0 时， 红外发射管发射 38KHz 的红外脉冲，红外接收管接收到红外脉冲，输出 低电平。 红外发射管用的是 TSUS5200，它发射的红外线以波长为 950nm，正常工 作时压降为 1.7V，电流 100mA。
5
邹爱龙 学号：20072180
专业综合实践报告
红外串行通信
且串行通信处于等待状态(被调制信号为 1)时，发射管仍然在发射红外脉 冲，这样既使得电路变得复杂，接收与发射也变得不稳定，而且增加了功 耗。于是我们将调制过程改为先将被调制信号取反，然后再与载波脉冲进 行与非逻辑运算，发射电路的功率放大也改用 PNP 型的三极管，经过改 进便解决了刚开始时遇到的问题。
第一步是要将电源电路安装完毕并查看电路的电源线是否有电，如果 没有，先检查电源是否完好，电路板的铜线是否有断裂，是否有没有接上 的跳线等。
第二步是安装信号调制电路。首先安装 555 多谐振荡器电路，RA 和 RB 在安装前先调到 2K 左右，多谐振荡器电路安装好后，接通电源，用 示 波 器 观 察 振 荡 器 输 出 的 波 形 ， 并 调 节 RA 和 RB ， 使 其 输 出 38KHz(T=26.3uS)的方波。然后安装与非门，安装结束后，分别将被调制 信号设为 1 或者 0，用示波器观察信号调制结果是否符合图 4 中的波形。
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红外串行通信
为方式 2(自动重装初值)，波特率选为 1200，T1 初值为 E8H。从机地址为 01H(从机 1)，02H(从机 2)，03H(从机 3)，主机选择从机 1 进行通信，主 机和从机的程序流程图如图 9 和图 10 所示。
开始
中断系统设置 EA=1；开总中断 ET1=0；禁止 T1 中断 TMOD=20H；T1 工作方式 2，定时模
结束
图 9 主机初始化程序流程图
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开始
中断系统设置 EA=1；开总中断 ET1=0；禁止 T1 中断 TMOD=20H；T1 工作方式 2，定时模
式 TH1=E8H；TL1=E8H；T1 置初值 SCON=B0H；串口工作方式 2，SM2=1； SETB TR1；开 T1
2、 制作调试过程
电路板的制作和调试是设计的主要工作。为了增强电路的稳定性，我 们制作了印刷电路板，图 5 是我们绘制的印刷电路板图。在制作电路板式， 要按模块进行安装制作，一个模块安装完毕后就要进行初步调试，调试成
3
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红外串行通信
功后再安装另一个电路模块。由于我们制作的是单面板，电路板上有跳线， 安装之前要先把跳线接上。
图 5 印刷电路板图 第三步是安装红外发射电路。可调电阻 R4 调节到 30 欧姆左右。调 试时，用示波器观察两端的电压波形，当被调制信号为 1 时，电压为 0， 当被调制信号为 0 时，电压为电压脉冲。 第四步是安装红外接收电路。安装结束后，用红外脉冲照射接收管， 用万用表测量其输出是否为低电平；没有红外脉冲时，测量其输出是否为 高电平。 第五步是安装电平转换电路，并测试其能否实现 RS232 电平和 TTL 电平的转换。 电路制作结束后需要进行总体的调试。在同一台电脑的两个串行接口 上分别接两个电路板，利用专门的串口调试软件——串口大师，进行调试 调试时将串行通信设置为半双工模式，数据位、停止位、校验位和波特率 的设置均相同。如图 6 所示。
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1、硬件设计
专业综合实践报告
红外串行通信
红外串行通信
图 1 红外串行通信电路原理图 红外串行通信的电路原理图如图 1 所示。电路共包括电平转换、红外 接收、信号调制、红外发射和电源五个模块。
1.1 电平转换
电平转换电路由主要由 MAX232 构成，MAX232 可以将 RS232 电平 和 TTL 电平进行转换而不需要额外的电源，只需外接四个 10uF 的电容即 可，简单实用，因此我们选用了 MAX232 进行电平转换。
全双工串行通信
我们在设计制作电路时，同一块电路的红外发射和接收频率相同，为
了避免出现自发自收的情况，就必须采用半双工的串行通信模式。为了实
现全双工串行通信，接收频率和发射频率就不能相同。因此，我们可以将
其中一块电路的接收频率改为 56KHz，发射频率为 38KHz，另一块电路
的接收频率为 38KHz，发射频率为 56KHz。因为 555 多谢振荡器的频率
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红外串行通信
图 6 串口设置和实验效果 调试时不断的改变两电路板的距离，观察其传输的效果，并测量其最 大传输距离。然后改变波特率和电阻 R4 的值，继续进行调试。 经过实验，我们发现红外串行通信的最大波特率为 1200，当波特率 大于 1200 时，红外传输的出错率大大增加。这与前面的所述相一致。当 波特率为 1200，R4 阻值为 30 欧姆时，传输距离约为 15cm 到 20cm。波 特率减小，数据传输的正确率增加；传输距离增加，数据传输的正确率下 降；减小 R4 的阻值，最大传输距离增加。
应该选择10−3 pF 数量级的电容，由于需要的电容太小，而且这种振荡电
路容易受到电源电压波动的影响，所以我们又选择了 555 定时器来设计振 荡电路。555 多谐振荡器的主要优点是其频率和占空比可调，方便调试。 在设计调制电路时，要认真考虑如何有效的利用 74HC00 的 4 个与非们进 行信号的调制。刚开始，我们先把被调制信号与载波脉冲进行与非后再取 反，发射电路的功率放大电路选的是 NPN 型三极管，这样做的结果是， 当被调制信号为 1 时，发射红外脉冲，当被调制信号为 0 时，不发射红外 脉冲，这样红外接收管的输出就必须要经过取反后才能进行电平转换，而
接收 56KHz
从 机
发射 38KHz
1
2
主
发射 56KHz
机
接收 38KHz
接收 56KHz
从 机
发射 38KHz
接收 56KHz
从 机
发射 28KHz
3
图 8 多机通信原理方框图 下面以 51 单片机为例，介绍红外串行通信的程序设计。其主机和从机 都选用 89C51 单片机，晶振频率 11.0592MHz。选用串行通信方式 2，定 时器 T1 为波特率发生器，禁止 T1 中断，T1 工作在计数模式，工作方式
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红外串行通信
1 fmax = 600 ×10−6 = 1667 Hz 所以红外串行通信的波特率不应低于 1667，实际制作时可以选波特率为 1200，波特率大于 1200 时，数据传输容易出错。当接收到的红外脉冲为 38KHz 时，TFMS5380 的输出电压幅值最大，因此红外载波的频率应选为 38KHz。为了使红外接收管的输出稳定，可以在其输出端加上一个 10K 的上拉电阻，如图 1 中的电阻 R1 所示。
30KHz 36KHz 38KHz 56KHz
TFMS5330 TFMS5370 TFMS5400
33KHz 36.7KHz 40KHz
6
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红外串行通信
图 7 TFMS 红外接收管相对接收频率输出信号幅值的关系 多机红外串行通信 利用红外线也可以实现多机串行通信，可以是全双工模式，也可以是 半双工模式。以全双工模式为例，主机红外发射频率可以设为 56KHz， 红外接收频率为 38KHz，从机的红外发射频率为 38KHz，红外接收频率 为 56KHz，并利用标志位位来区分传送的信号是地址信号还是数据信号。 其原理方框图如图 8 所示
式 TH1=E8H；TL1=E8H；T1 置初值 SCON=9AH；串口工作方式 2，置位 TB8 ；TI 置位 1
TI=1？ NO
YES
MOV SUBF 01H；发送从机 1 地址
RI=1？ NO
YES
NO 是否为从机 1 的应答信号？
YES
RI=0； TB=0 ； 数 据 信 号 标
进行数据传输
在设计制作电路时，首先要对电路的原理有全面详细的理解，然后要 对每一个模块进行认真全面的分析与设计，尽量考虑到可能出现的问题， 必要时要先制作一个电路进行验证。在制作电路板之前应先进行仿真。制 作时要分模块进行安装，每完成一个模块都要进行调试，调试的方法要根 据电路的原理和功能来选择。
3.2 方案改进
图 2 TFMS5380 内部结构框图
图 3 TFMS5380 输入输出特性
1.3 信号调制
信号调制电路由 555 定时器和 74HC00 与非门组成。由 555 定时器组 成频率和占空比可调的多谐振荡器产生 38KHz 的脉冲，由 74HC00 与非 门将经过电平转换的 RXD 信号调制到 38KHz 的脉冲上，然后在送到发射 电路进行发射。其过程如图 4 所示。
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红外串行通信
图 4 信号调制过程 由 555 定时器组成的多谐振荡器的输出频率由电阻 RA、RB 和电容 C6 决定，计算公式为：
占空比为：
1.43 f=
( RA + RB )× C6
q (%) = RA ×100%
RA + RB
其中电容 C6 为 0.01uF，所以 RA 和 RB 之和为
红外发射电路中的可调电阻 R4 的作用是调节流过红外发射管的电 流，从而改变红外发射的功率和红外脉冲的发射距离。为了增大发射功率 和发射距离，可以选择大功率的红外发射管并用达林顿管进行功率放大。
1.5 电源
电路的工作电源是外加的 5V 电源，这是为了满足发射管的功率要求 而设计的。电源可以用 USB 从 PC 机上取电，也可以再单独设计一个稳 压电源，可以视情况而定。
3.1 总结
红外串行通信的基本原理就是将串行信号调制到红外脉冲上进行传 输，原理非常简单，但是实际制作中仍有许多的细节需要注意，我们在实 际的电路制作中也遇到了许多问题。首先是振荡器电路的选择，刚开始我 们选择 455K 的陶瓷晶振，并利用非门仿照 51 单片机的时钟电路来组成 振荡电路，但是我们发现振荡电路不能起振，后经过分析，是振荡电路中 的电容太大，51 单片机中电容为 20pF 到 30pF，而在这个振荡电路中电容
1.2 红外接收
红 外 接 收 模 块 主 要 由 TFMS5380( 红 外 载 波 脉 冲 38KHz) 组 成 ， TFMS5380 可以接收 38KHz 的红外脉冲并将其转换为 TTL 电平。其内部 结构和输入输出特性如图 2 和图 3 所示。其内部包含了前置放大，带通滤 波和解调模块。接收到红外脉冲时，输出低电平，没有接收到红外脉冲时， 输出高电平。红外脉冲持续的时间不能小于 600uS，由此可以计算出红外 串行通信的最大波特率为：
可以很方便的进行调节，TFMS 系列也有其他频率的红外接收管，表 1 为
TFMS 系列红外接收管的型号和参数，图 7 为接收管的相对接收频率输出
信号幅值的关系。当我们选用 56KHz 和 38KHz 接收管时， 56 = 1.47 ， 38
38 56
=
0.68 ，已经超出了
f0
± 5% 的范围，可以有效的避免自发自收的情况
发生。因此采用不同的收发频率可以方便的实现全双工串行通信。但是由
于市面上最容易买到的红外接收管式 38KHz 的，我们在实际制作时只选
用了 38KHz 的接收管，实现了半双工红外串行通信。
表 1 TFMS 系列红外接收管的型号和参数
型号 f0
型号 f0
TFMS5300 TFMS5360 TFMS5380 TFMS5560
RA
+ RB
=
1.43 38×103 × 0.01×10−6
= 3.76 ×103 (Ω)
为了使占空比为 50%，RA 和 RB 取相同的阻值 1.88K。
1.4 红外发射
从图 4 中可以看出当 RXD 为 1 时，信号调制电路输出高电平，当 RXD 为 0 时信号输出为 38KHz 的脉冲信号，为了能与红外接收管的输入输出 特性(如图 3 所示)相配合，红外发射的功率放大电路选用了 PNP 型的三极 管(9012)，如图 1 中所示的 Q1。当 RXD 信号为 1 时，红外发射管不发射 红外线，红外接收管接收不到红外线，输出高电平；当 RXD 信号为 0 时， 红外发射管发射 38KHz 的红外脉冲，红外接收管接收到红外脉冲，输出 低电平。 红外发射管用的是 TSUS5200，它发射的红外线以波长为 950nm，正常工 作时压降为 1.7V，电流 100mA。
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红外串行通信
且串行通信处于等待状态(被调制信号为 1)时，发射管仍然在发射红外脉 冲，这样既使得电路变得复杂，接收与发射也变得不稳定，而且增加了功 耗。于是我们将调制过程改为先将被调制信号取反，然后再与载波脉冲进 行与非逻辑运算，发射电路的功率放大也改用 PNP 型的三极管，经过改 进便解决了刚开始时遇到的问题。
第一步是要将电源电路安装完毕并查看电路的电源线是否有电，如果 没有，先检查电源是否完好，电路板的铜线是否有断裂，是否有没有接上 的跳线等。
第二步是安装信号调制电路。首先安装 555 多谐振荡器电路，RA 和 RB 在安装前先调到 2K 左右，多谐振荡器电路安装好后，接通电源，用 示 波 器 观 察 振 荡 器 输 出 的 波 形 ， 并 调 节 RA 和 RB ， 使 其 输 出 38KHz(T=26.3uS)的方波。然后安装与非门，安装结束后，分别将被调制 信号设为 1 或者 0，用示波器观察信号调制结果是否符合图 4 中的波形。
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红外串行通信
为方式 2(自动重装初值)，波特率选为 1200，T1 初值为 E8H。从机地址为 01H(从机 1)，02H(从机 2)，03H(从机 3)，主机选择从机 1 进行通信，主 机和从机的程序流程图如图 9 和图 10 所示。
开始
中断系统设置 EA=1；开总中断 ET1=0；禁止 T1 中断 TMOD=20H；T1 工作方式 2，定时模
结束
图 9 主机初始化程序流程图
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开始
中断系统设置 EA=1；开总中断 ET1=0；禁止 T1 中断 TMOD=20H；T1 工作方式 2，定时模
式 TH1=E8H；TL1=E8H；T1 置初值 SCON=B0H；串口工作方式 2，SM2=1； SETB TR1；开 T1
2、 制作调试过程
电路板的制作和调试是设计的主要工作。为了增强电路的稳定性，我 们制作了印刷电路板，图 5 是我们绘制的印刷电路板图。在制作电路板式， 要按模块进行安装制作，一个模块安装完毕后就要进行初步调试，调试成
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红外串行通信
功后再安装另一个电路模块。由于我们制作的是单面板，电路板上有跳线， 安装之前要先把跳线接上。
图 5 印刷电路板图 第三步是安装红外发射电路。可调电阻 R4 调节到 30 欧姆左右。调 试时，用示波器观察两端的电压波形，当被调制信号为 1 时，电压为 0， 当被调制信号为 0 时，电压为电压脉冲。 第四步是安装红外接收电路。安装结束后，用红外脉冲照射接收管， 用万用表测量其输出是否为低电平；没有红外脉冲时，测量其输出是否为 高电平。 第五步是安装电平转换电路，并测试其能否实现 RS232 电平和 TTL 电平的转换。 电路制作结束后需要进行总体的调试。在同一台电脑的两个串行接口 上分别接两个电路板，利用专门的串口调试软件——串口大师，进行调试 调试时将串行通信设置为半双工模式，数据位、停止位、校验位和波特率 的设置均相同。如图 6 所示。
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1、硬件设计
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红外串行通信
图 1 红外串行通信电路原理图 红外串行通信的电路原理图如图 1 所示。电路共包括电平转换、红外 接收、信号调制、红外发射和电源五个模块。
1.1 电平转换
电平转换电路由主要由 MAX232 构成，MAX232 可以将 RS232 电平 和 TTL 电平进行转换而不需要额外的电源，只需外接四个 10uF 的电容即 可，简单实用，因此我们选用了 MAX232 进行电平转换。
全双工串行通信
我们在设计制作电路时，同一块电路的红外发射和接收频率相同，为
了避免出现自发自收的情况，就必须采用半双工的串行通信模式。为了实
现全双工串行通信，接收频率和发射频率就不能相同。因此，我们可以将
其中一块电路的接收频率改为 56KHz，发射频率为 38KHz，另一块电路
的接收频率为 38KHz，发射频率为 56KHz。因为 555 多谢振荡器的频率
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红外串行通信
图 6 串口设置和实验效果 调试时不断的改变两电路板的距离，观察其传输的效果，并测量其最 大传输距离。然后改变波特率和电阻 R4 的值，继续进行调试。 经过实验，我们发现红外串行通信的最大波特率为 1200，当波特率 大于 1200 时，红外传输的出错率大大增加。这与前面的所述相一致。当 波特率为 1200，R4 阻值为 30 欧姆时，传输距离约为 15cm 到 20cm。波 特率减小，数据传输的正确率增加；传输距离增加，数据传输的正确率下 降；减小 R4 的阻值，最大传输距离增加。
应该选择10−3 pF 数量级的电容，由于需要的电容太小，而且这种振荡电
路容易受到电源电压波动的影响，所以我们又选择了 555 定时器来设计振 荡电路。555 多谐振荡器的主要优点是其频率和占空比可调，方便调试。 在设计调制电路时，要认真考虑如何有效的利用 74HC00 的 4 个与非们进 行信号的调制。刚开始，我们先把被调制信号与载波脉冲进行与非后再取 反，发射电路的功率放大电路选的是 NPN 型三极管，这样做的结果是， 当被调制信号为 1 时，发射红外脉冲，当被调制信号为 0 时，不发射红外 脉冲，这样红外接收管的输出就必须要经过取反后才能进行电平转换，而
接收 56KHz
从 机
发射 38KHz
1
2
主
发射 56KHz
机
接收 38KHz
接收 56KHz
从 机
发射 38KHz
接收 56KHz
从 机
发射 28KHz
3
图 8 多机通信原理方框图 下面以 51 单片机为例，介绍红外串行通信的程序设计。其主机和从机 都选用 89C51 单片机，晶振频率 11.0592MHz。选用串行通信方式 2，定 时器 T1 为波特率发生器，禁止 T1 中断，T1 工作在计数模式，工作方式
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红外串行通信
1 fmax = 600 ×10−6 = 1667 Hz 所以红外串行通信的波特率不应低于 1667，实际制作时可以选波特率为 1200，波特率大于 1200 时，数据传输容易出错。当接收到的红外脉冲为 38KHz 时，TFMS5380 的输出电压幅值最大，因此红外载波的频率应选为 38KHz。为了使红外接收管的输出稳定，可以在其输出端加上一个 10K 的上拉电阻，如图 1 中的电阻 R1 所示。
30KHz 36KHz 38KHz 56KHz
TFMS5330 TFMS5370 TFMS5400
33KHz 36.7KHz 40KHz
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红外串行通信
图 7 TFMS 红外接收管相对接收频率输出信号幅值的关系 多机红外串行通信 利用红外线也可以实现多机串行通信，可以是全双工模式，也可以是 半双工模式。以全双工模式为例，主机红外发射频率可以设为 56KHz， 红外接收频率为 38KHz，从机的红外发射频率为 38KHz，红外接收频率 为 56KHz，并利用标志位位来区分传送的信号是地址信号还是数据信号。 其原理方框图如图 8 所示
式 TH1=E8H；TL1=E8H；T1 置初值 SCON=9AH；串口工作方式 2，置位 TB8 ；TI 置位 1
TI=1？ NO
YES
MOV SUBF 01H；发送从机 1 地址
RI=1？ NO
YES
NO 是否为从机 1 的应答信号？
YES
RI=0； TB=0 ； 数 据 信 号 标
进行数据传输
在设计制作电路时，首先要对电路的原理有全面详细的理解，然后要 对每一个模块进行认真全面的分析与设计，尽量考虑到可能出现的问题， 必要时要先制作一个电路进行验证。在制作电路板之前应先进行仿真。制 作时要分模块进行安装，每完成一个模块都要进行调试，调试的方法要根 据电路的原理和功能来选择。
3.2 方案改进
图 2 TFMS5380 内部结构框图
图 3 TFMS5380 输入输出特性
1.3 信号调制
信号调制电路由 555 定时器和 74HC00 与非门组成。由 555 定时器组 成频率和占空比可调的多谐振荡器产生 38KHz 的脉冲，由 74HC00 与非 门将经过电平转换的 RXD 信号调制到 38KHz 的脉冲上，然后在送到发射 电路进行发射。其过程如图 4 所示。
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红外串行通信
图 4 信号调制过程 由 555 定时器组成的多谐振荡器的输出频率由电阻 RA、RB 和电容 C6 决定，计算公式为：
占空比为：
1.43 f=
( RA + RB )× C6
q (%) = RA ×100%
RA + RB
其中电容 C6 为 0.01uF，所以 RA 和 RB 之和为
红外发射电路中的可调电阻 R4 的作用是调节流过红外发射管的电 流，从而改变红外发射的功率和红外脉冲的发射距离。为了增大发射功率 和发射距离，可以选择大功率的红外发射管并用达林顿管进行功率放大。
1.5 电源
电路的工作电源是外加的 5V 电源，这是为了满足发射管的功率要求 而设计的。电源可以用 USB 从 PC 机上取电，也可以再单独设计一个稳 压电源，可以视情况而定。