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毕业论文红外无线数据传输系统的设计与实现
（毕业论文）红外无线数据传输系统的设计与实现
摘要
红外无线数据传输系统是一种利用红外线作为传输媒介的无线数据传输方式，它相对于无线电数据通信具有功耗低、价格便宜、低电磁干扰、高保密性等优点，目前发展迅猛，尤其是在近距离无线数据通信中得到广泛的运用。
本文主要介绍基于51单片机的红外无线数据传输系统的原理。
在硬件设计原理的介绍中，主要分析了系统中NE555数据调制电路、红外发射电路、红外接收电路、DS18B20温度传感器电路、单片机外围电路以及声光报警电路。
在系统软件设计的介绍中，我们主要分析单片机串口通信协议、控制温度传感器采集数据、对数据的编解码；而液晶显示部分软件则是为了具有更好的人机交互界面。
通过调试后，本系统基本达到预期要求，1、正确实现双机通信功能，在2400波特率下通信距离达到7米左右；2、具有在超时通信不畅的情况下进行报警提示功能；3、具有自动搜寻一帧数据起始位的功能，这样可以有效防止外界的干扰；4、通过串口可以与PC机实现正确通信,可以作为计算机的红外无线终端,完成数据的上传和下放。
因此本系统具有广阔的实用价值。
关键词：
AT89S52单片机；数据采集；红外通信；调制解调；串口通信
Abstract
Infraredwirelessdatatransmissionsystemisawirelessdatatransfermethodthatusesinfraredasatransmissionmedium,Comparedwiththeradiodatacommunication,ithasmanyadvantagesinpowerconsumption,Productioncosts,electromagneticinterference,andtheconfidentiality.Atpresent,thistechnologyisdevelopingrapidly,Inparticular,Itiswidelyusedinshort-rangewirelessdatacommunications,
Inthispaper,weareintroducedinfraredwirelessdatatransmissionsystem’stheorythatbasedonthesingle-chipmicrocomputer51.Inthehardwaredesignprincipleintroduction,Wemainlyanalysisthesystem’sdatamodulationcircuitofNE555,infraredtransmitter,IRreceivercircuit,DS18B20temperaturesensorcircuit,microcontrollerperipheralcircuits,aswellassoundandlightalarmcircuit.Inintroducingthesystemsoftwaredesign,WemainlyanalysisMCUserialcommunicationprotocol,tocontroltemperaturesensordatacollection,datacodec;And,Thesoftwareoftheliquidcrystaldisplayisbettertohavetheman-machineinterface.
Throughdebugging,thesystemachievedtheexpectedgoals,1,thesystemcancorrectachievedouble-communicationsfunctions,in2400baudrate,thecommunicationdistancecanreachabout7m;2,Ithasalarmfunctioninovertimecommunicationsimpededcircumstances;3,withanautomaticsearchfunctionofinitialdata,thiscaneffectivelypreventoutsideinterference;4,thesystemsandPCcancommunicatethroughserialport,itcanbeusedasthecomputer’sinfraredwirelessterminalsandcompletedatauploadanddecentralization.Sothesystemhasbroadpracticalvalue.
Keywords:
AT89S52SCM；DataAcquisition；Infraredcommunication；Modem；SerialCommunication
1引言
1.1红外技术的国内外发展及现状
红外通讯技术也是随着红外技术的发展而发展，尤其是进入90年代这一通信技术又有了新的发展，应用范围更加广泛。
1993年，一个由部件、计算机系统、外围设备和电信厂商组成的大型集团—红外无线数据协会（IRDA）就红外通信的一套标准达成一致。
现在约有一百多家厂商支持红外通信标准。
主要的PC机开发商，如微软、苹果、东芝等，已推出了在计算机之间采用这种高速红外数据通信的数字设备。
并且它作为一种最具有成本效益和便于使用的无线通信技术越来越受到人们的关注和重视。
中国的红外技术研究工作是在新中国成立后才开展的。
首先研究的是工作波段在1—3um的硫化铅红外探测器，数年之后又相继研究钛酸铅等热电探测器，并得到一定应用。
改革开放以来，红外技术得到了迅速的发展，开展了从单元、线列到红外胶平面的探测器研究工作。
红外探测器产品已布满1—3、3—5和8—14um三个大气窗。
上世纪90年代中前期，我国研制出第一台热像仪，其技术性能与国外相当，为我国红外技术的升级换代起了重要的作用。
目前我国研制的热成像仪，可以满足军队武器系统的各种性能需要。
在民用领域各种红外测温仪、红外热像仪、星载红外遥感仪等，也逐渐发展成熟。
经过40多年大发展，中国在红外技术研究方面已经取得了重大的进步，建成了专业研究所，红外物理实验室和众多的研究课题组，一批高等院校中，也设立了红外专业或包含红外专业的光电技术系，一批民营企业、股份制企业相继诞生，已经形成了不同规模的产品，中国红外产品与应用市场日趋成熟，正逐渐普及。
1.2本课题的主要研究内容
本次课题是基于51单片机的红外无线数据传输系统的设计，其根本任务就是要完成基于红外线的无线数据发射、接收和数据处理等问题，因此在设计过程中主要的任务有以下几个方面：
（1）掌握红外无线传输系统的基本组成和红外无线传输系统的工作原理；
（2）对整个系统进行分块理论分析，其中包括数据采集、发射部分、接收部分、调制部分、串口通信部分、显示部分和控制部分；
（3）根据要求进行电路设计和元器件的选型，并要仔细分析每个元件所起的作用，特别是对于51单片机、NE555定时器、TS1620液晶一定要掌握其控制原理；
（4）在进行电路布线时一定要注意信号干扰问题，它将在很大程度上决定你的结果正确与否；
（5）结合硬件电路来设计软件，我们在编写软件的过程中应该编好一部分调试一部分；不然，当编写很多时，不易分析问题的所在地；
（6）结合软硬件进行电路调试，在这部分一定要学会分析问题的所在，比如是硬件问题还是软件问题、发射部分问题还是接收部分问题等。
如果分析得当将会少走许多弯路；
（7）系统的性能测试和电路的优化，其主要是测试有效通信的距离及其传输波特率。
通过这些方法让整个系统达到最好的效果。
通过以上的过程基本上就能设计出能进行红外无线数据传输的通信系统，并且可以通过串口传输到电脑上实时数据监控。
随着调制和编码技术的飞速发展，红外这种无线传输技术也将日益得到广泛的运用。
1.3本课题的研究目的和意义
在电脑技术发展的早期，当时数据都是通过线缆传输的，线缆传输连线比较麻烦，需要特制接口，非常不方便，并且采用有线线缆的成本也很高。
于是人们就开始研究无线的数据传输来取代这种传统的线缆传输，就有了我们现在比较熟悉的红外、蓝牙等无线数据传输技术。
红外无线数据传输技术相对于别的无线传输技术有很多独特的优点：
1、红外线在传输过程中不受无线电干扰，而且它的使用不受国家无线管委会的限制，并不需要申请专门的频点，因此具有很强的保密性和稳定性；2、红外线具有很好的方向性，所以它特别适合方向性很强的无线数据传输；3、红外无线数据传输系统相对于别的无线传输系统来说，结构要简单的多，因此可以降低整个系统的成本；4、其传输不受地域的限制既可以在室内使用也可以在室外使用。
5、红外无线数据传输还具有低功耗的特点，在移动设备中这一点尤其重要；6、随着编码调制技术的发展，其数据传输速率越来越高，信息容量也变得越来越来大。
但是红外无线传输技术也有一些技术难题和缺点，例如红外射束易受尘埃、雨水等物质的吸收，如何在野外环境下克服这些物质的吸收，增强红外射束信号的强度是急需研究解决的课题。
虽然红外无线数据传输还存在一些不足，但是他在近距离数据传输和控制上相对于别的无线传输方式还是具有很大的优势。
现在红外通信技术得到迅猛的发展，广泛运用于移动设备、室内办公设备、各种近距离遥控系统以及电脑外围设备等。
现在科学家已经开始研究把红外无线通信运用到无线局域网中；随着各种调制和编码技术的发展，体积小、位数率高、传输距离较远的红外无线通信技术日益成熟，红外通信技术将会在更广泛的领域得到应用。
所以，研究红外无线数据传输是一个非常有意义的课题。
2红外通信技术介绍
2.1红外通信系统基本组成
红外无线数据传输系统一般由发射部分、信道部分和接收器三部分组成。
发射部分：
主要包括红外发射器和编解码控制器，其主要功能就是将需要传输的数据进行编码后再发射出去；信道部分：
信道是传输信息的载体，本系统是以红外线作为传输媒介进行数据传输的；接收部分：
主要包括红外接收器和解码控制器，其主要功能就是完成接收信号的正确解调和解码。
图2-1所示的就是一个最基本的红外无线数据传输系统。
图2-1红外通信系统基本组成
2.2红外通信系统工作原理
红外无线数据传输是利用950nm近红外波段的红外线作为传输载体的一种无线通信技术。
发送端将需要传送的二进制数字信号调制到38kHz的载波上，并驱动红外发射管将电信号转换成光脉冲的形式发送出去；接收端将接收到的光脉冲转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，最后还原为二进制数字信号后输出。
其实红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，这样可以增加信号的抗干扰能力，以便利用红外信道进行正确的数据传输。
2.3红外通信系统的分类
根据红外收发器的位置来分，则有4种通信方式：
（a）窄视方式（NLOS，narrowline2of2sight）、（b）宽视方式（WLOS、wide2LOS）、（c）散射方式（diffuse）、（d）跟踪方式（tracked），如图2-2所示。
以上四种方式中，相同的通信距离下发射光强排列为:
散射方式>宽视方式>窄视方式=跟踪方式。
根据接收红外信号方式不同还可以分为直射方式和反射方式，具体如图2-3所示。
图2-2红外信号按收发器位置不同的传输方式
图2-3直射和反射式
红外无线数据传输根据通信速率的不同可分为：
低速模式（SIR，SerialInfrared）,其通信速率小于115.2Kbps；中速模式（MIR，MediumSpeedInfrared），通信速率为0.567Mbps；高速模式（FIR，FastSpeedInfrared）,通信速率为4Mbps；超高速模式（VFIR，VeryFastSpeedInfrared），位速率为16Mbps。
2.4通信协议
红外无线通信作为一种成熟的通信技术，目前已经形成了标准的应用协议。
红外数据委员会（IrDA）作为一个工业机构间协作组织于1993年由HP、COMPAQ、INTEL等发起成立，旨在建立开放的红外数据通信标准。
目前，IrDA规定了红外物理层协议（IrPHY）、红外链路访问层协议（IrLAP）、红外链路管理层协议（IrLMP），并且还规定了一些专门的应用层协议。
协议结构如图2-4所示。
图2-4红外通信协议结构
红外物理层协议是规定了自由空间中点对点电器设备之间采用半双工通信的红外链接标准，规定串行红外（SIR）数据发射速率分别至115.2Kpbs、0.576Mbps、1.152Mbps、4Mbps、16Mbps。
链路访问层协议是在物理层协议的基础上进一步规定了通信协议中堆栈的分配。
目前只对LOS方式作了规定，包括协议服务、环境假设、协议实现的消息表、对消息的编码、消息交互规范，该链路协议适用于点对点或点对多点传输。
红外链路管理层协议为多个软件应用能够独立、同时地操作入口提供支持，从而共享一个IrLAP连接。
3系统整体设计
本次系统设计的主要功能是实现数据的红外无线发射和接收，因此在设计过程中，主要围绕采集需要传输的数据、数据处理、数据调制发射、数据接收等方面来构建系统，下面两节将分别介绍系统整体框图和系统所达到的技术指标。
3.1系统框图设计
在系统设计时，为了有更好的可操作性，将系统分为主控和受控两个部分，在数据的传输过程中实行双向通信，这样更好的增加了双机交互功能，在使用中也有很大的实用性。
下图3-1就是我们本次系统的结构框图。
图3-1系统整体结构框图
整个系统分为两部分：
主机部分和从机部分。
下面我们分别进行这两方面的介绍：
一、红外无线通信主控部分（主机）；它在整个系统中起核心控制地位，首先，通过单片机对温度传感器的控制来采集本地环境温度；然后，把采集到的数据送到单片机中进行分析处理，并通过LCD进行本地温度显示；按键部分主要是起通信模式切换的作用，本系统共有3种模式可供选择；模式1：
测试两机的通信部分是否正常；模式2：
将主机的温度数据传送到从机；模式3：
将从机的温度传到主机。
并且每一种模式都是通过主机发射指令来确保两机的模式同步。
其中不管是哪一种模式我们都可以将数据通过串口传到PC上位机，这样更加便于我们分析数据。
最后，就是主机的通信部分，它主要包括发射和接收两部分；发射部分：
主要利用单片机串口具有自动编码功能，在发射时单片机自动加上帧的起始位和结束位，然后将其调制到555振荡器产生的38KHZ载波上，再通过红外发射管进行发射；接收部分：
采用一体化的红外接收头来对接收到的红外信号进行放大、滤波、解调，最后送入单片机进行数据处理执行相应的功能。
主机部分除完成双机通信外，还设置有通信转换接口，通过电脑的上位机软件来实现PC机与系统的通信功能。
二、红外无线通信的受控部分（从机）；它除了没有与PC机通信的串口接头和不能发送控制命令外，其余部分的结构和功能与主机基本相同。
从机也能采集本地温度进行显示；从机最重要的功能是随时保持对主机发送命令的应答，通过接收的不同命令进行不同的响应操作；
3.2系统性能指标
在本系统的设计中，首先要实现的功能就是完成数据的正确发送和接收；如果这一功能没有实现，那么就根本谈不上别的功能。
其次，为了增加系统的实用性，可以将PC机与整个系统连接起来；这样更加符合现代通信要求。
最后，显示部分一定要很直观的反应系统的工作状态、数据处理情况等。
因此，根据以上要求设计本系统的性能指标如下：
（1）系统能正确的通过红外线进行数据发射和接收；
（2）采集的环境温度数据精确到小数点后两位；
（3）红外的有效传输距离S，在传输速率为1200bps时，S>7m；2400bps时，S>6m；
（4）实现双机双向通信的功能；
（5）实行主、从机设计，主机单端全程控制整个系统；
（6）显示部分准确显示系统的工作状态、工作模式、温度数据等；
（7）系统具有超时差错报警功能，良好的人机交互界面；
（8）具有自动搜索一组数据标志位的能力，即使在某一时刻数据被打乱，接下来只要通信信道通常，系统就能自动搜索正确数据的起始位。
（9）系统通过串口与PC机进行双向通信功能，这样更加方便数据的分析、保存。
通过上面的介绍，可以大体上了解整个系统的结构和工作原理，接下来将进行具体的电路原理图设计。
4系统硬件电路设计
本系统主要以AT89S52单片机为主控制器，以温度传感器、液晶显示、键盘部分、串口部分、报警部分、红外发射和接收部分为受控模块，它们共同构建起了整个红外无线数据传输系统。
在主机部分，为了能与PC机实现红外无线通信，特增加了串口转换接头和电平转换部分来实现功能的多样化。
系统的通信过程与单片机的串口通信很相似，唯一的区别就是用红外无线数据传输代替传统的有线数据传输，本系统采用单片机系统的自动编码功能可以实现硬件电路简单、编码可靠等优点，并且，通过软件对通信协议的规定可以实现精确的数据传输和接收，具有抗干扰强、超时出错报警等功能特点。
接下来就是电路的分块设计。
4.1温度采集电路设计
本系统中，我们主要使用DS18B20温度传感器来采集现场环境温度，DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的单线数字温度传感器，它具有体积更小、使用电压更宽、更经济等优点，它的测量温度范围为−55~+125℃，在−10~+85℃范围内精度为±0.5℃，现场温度直接用“一线总线”的方式传输，大大的提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，它还可以程序设定9~12位的分辨率，因此使用非常方便。
DS18B20内部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TL和TH、高速暂存器。
DS18B20管脚排列如图4-1，从左到右管脚分别为1、GND；2、I/O；3、VDD。
图4-1DS18B20
光刻64位序列号是出厂前被刻好的，它可以看成是该DS18B20的地址序列号。
由于光刻ROM使每一个DS18B20都相互不同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
温度传感器可以完成对温度的测量。
内部高速暂存器包含8个连续字节，前两个是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低8位，第二个字节是温度的高8位，第3、4个是TH、TL的易失性拷贝，第5个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这3个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。
第6、7、8字节用于内部计算。
第9个字节是冗余字节。
暂存器具体分布如表4-1所示。
表4-1DS18B20寄存器分布
字节序号
寄存器名称
0
温度最低数据位
1
温度最高数据位
2
高温限制
3
低温限制
4
保留
5
保留
6
计数剩余值
7
计数器/℃
8
CRC校验
DS18B20使用12位的二进制数来存储温度值，最高位为符号，其中，低8位的数据储存顺序为：
2
高8位的数据储存顺序为:
S
S
S
S
S
S代表温度的正负，S=1，代表接收到的为负温度；S=0，代表接收到的为正温度；结合上面的顺序就可以将接收到的数据转换为温度，例如，0550H为85℃，0191H为+25.0625℃，但要注意的是，负温度是以二进制的补码形式存在的，因此在转换时要将接收到的数据进行取反加1后再进行操作。
例如FF92H所代表的温度为−55℃。
DS18B20与单片机相连主要有两种方法，一种是VCC接外部电源，GND接地，DQ与单片机的I/O口相连；另外一种是用寄生电源供电，此时，VCC和GND都接地，DQ口与单片机的I/O相连。
但无论是那一种方式，其DQ都要接5K左右的上拉电阻来增加数据传输的准确性。
其典型电路如图4-2所示。
图4-2DS18B20的典型应用电路图
由于DS18B20是单线通信，单片机通过此线向18B20发送指令，18B20也通过此线将采集到的温度传回来。
因此，在温度采集的软件编写过程中一定要注意好时序逻辑的控制，否则将采集不到正确的数据。
这个我们在软件部分会具体说明。
4.2单片机外围电路设计
在本系统设计中，使用的是Atmel公司生产的AT89S52单片机，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统编程，在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52单片机为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
AT89S52单片机最小系统如图4-3所示。
图4-3AT89S52单片机最小系统
AT89S52单片机为用户提供了丰富的资源：
8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计时器、串口、中断继续工作，掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
接下来将分类介绍单片机的外围电路。
设计
在单片机的内部有一个高增益反向放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成一个稳定的自激振荡器。
电路如图4-4所示。
图4-4AT89S52外部时钟源电路图
电路中的电容一般取22PF左右，而晶体振荡器的频率范围通常是1.2MHZ～12MHZ，在本系统中使用的11.0592MHZ，但我们必须注意的是振荡脉冲经过二分频才作为系统的时钟信号，在二分频的基础上再三分频产生ALE信号，在二分频的基础上再进行六分频就得到机器周期信号。
因此一个机器周期是振荡周期的12倍,我们使用的是11.0592MHZ晶振，因此机器周期为（1/11.0592）*12微秒。
设计
RST引脚是单片机复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期（即2个机器周期）以上，产生复位信号的电路如图4-5所示。
图4-5单片机复位电路
此复位电路为按键电平方式复位，首先具有开机复位的功能，在平时状态中由于电容阻断直流电压，因此RST复位端口一直为低电平；当按键S1按下时经过R6、R7分压，RST端为高电平则会进行系统复位。
设计
在这个系统中报警部分主要采用蜂鸣器报警，当系统在传输数据的过程中其信号被阻挡超过一定的时间时，蜂鸣器就会报警来提示信号传输不正常，蜂鸣器电路如图4-6所示。
图4-6蜂鸣器电路
在这个电路中将Bell（蜂鸣器的控制端）与单片机的I/O口相连，用PNP型三极管8550对蜂鸣器进行电路驱动，用软件来控制蜂鸣器的响停。
电路设计
在单片机的按键部分采用按钮型按键，按键未按下时其输出端为高电平，按键按下时输出端为低电平；为了增加电平的准确性，可以在按
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