基于单片机的红外通信测试系统的设计docx.docx
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基于单片机的红外通信测试系统设计
摘要
随着科学技术的高速发展与进步，单片机依靠着它较高的稳定性和性价比，被广泛应用于各种高智能的家用电器、仪器仪表等设备。
当前科技下单片机对这些智能设备的控制优点体现为：
外型简单、功能多样、性能稳定。
红外线通信是当前科学技术下应用比较广泛的一类通信方式。
它通过调制红外线的频率振幅等方式来达到通信的目的。
红外线可以用来传输语言、文字、数据、图像等信息。
红外线通信设备具有结构简单、耗能低、通信能力强、生产成本低等特点。
我们的日常生活之中，身边的电视机、音箱、空调等都采用了红外通信控制。
本论文先简单讲解了红外通信的原理，然后利用单片机设计红外通信系统，并描述了各部分组件和工作原理。
并对红外通信系统之中的硬件还有软件进行设计和说明。
使读者较对这一系统有比较直观的认知和理解。
最后还利用本系统做实验来测试红外通信的特性。
关键词：
红外通信单片机硬件软件测试系统
Thedesignofinfraredcommunicationtest
systembasedonMCU
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,singlechipwithitshighstabilityandcost,arewidelyusedinallkindsofintelligenthouseholdappliances,instrumentsandotherequipment.AtthepresentstageofSCMcontroladvantagesofthesesmartdevicesinclude:
theshapeissimple,versatile,stableperformance・Infraredcommunicationistheuseofakindofmeansofcommunicationwidelyunderthecurrentscienceandtechnology.Itisthroughthemodulationinfraredfrequencyamplitudeandotherwaystoachievethepurposeofcommunication.Infraredcanbeusedtotransferlanguage,text,data,imagesandotherinformation.Infraredcommunicationequipmenthastheadvantagesofsimplestructure,lowenergyconsumption,strongcommunicationcapability,lowproductioncost・Ourdailylife,TV,airconditioning,sidespeakershaveadoptedinfraredcommunicationcontrol.
Thispaperbrieflyexplainstheprincipleofinfraredcommunication,thentheuseofsingle-chipdesignofinfraredcommunicationsystem,anddescribesthecomponentsandworkingprinciple.Theinfraredcommunicationsystemhardwareandsoftwaredesignanddescription.Thereaderismoreintuitiveunderstandingofthesystem.Thecharacteristicsalsomakeuseofthesystemtodoexperimentstotesttheinfraredcommunication.
KeyWords：
InfraredcommunicationHardwareSoftwareTestingsystem
第一章绪论1
1.1电磁波1
1.1.1波动模型1
1.2红外波及其应用2
1.2.1红外波2
1.2.2应用2
第二章红外通信基本原理3
2.1通信原理3
2.2红外材料特性3
2.2.1红外辐射材料3
2.3TrDA标准系统4
2.4载波调制方法5
第三章红外通信测试系统6
3.1二极管工作原理6
3.2光电二极管工作原理6
3.3测试系统组成7
3.3.1单片机控制电路7
3.3.2MAX7219电路9
3.3.3数码管显示电路10
3.3.4红外收发电路12
3.3.5蜂鸣器电路13
3.3.6电源电路13
3.4软件架构14
3.4.1主流程图14
3.4.2LCD1602流程图16
3.5硬件制作与调试17
3.5.1硬件制作17
3.5.2电路板的制作17
3.5.3硬件调试17
3.5.4软件调试18
3.5.5整机调试18
第四章红外通信特性研究19
4.1测量仪器19
4.2材料红外特性的测量21
4.3红外发射管角度特性测量21
第五章总结23
5.1总结23
参考文献24
附录A25
附录B26
第一章绪论
1.1电磁波
所谓电磁波，通常也被人们称作电磁辐射。
它是电场还有磁场在空间之中同相振荡而且互相垂直并且以波的形式传递的动量和能量，它传播的方向和电场与磁场在空间中震荡方向成的平面垂直。
电磁波的载体是光子，其传播并不需要任何介质，电磁波在真空能以光速传播。
电磁波可根据频率分类，由低频至高频，能分为无线屯波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线以及伽马射线等。
人类肉眼能够看到的电磁波的波长范围在380nm到780mn之间，人们称之为可见光。
只要物体自身的温度比绝对零度高的话,它就能够向周围环境发射电磁波，而在我们的认知中根本不存在温度比绝对零度还低的物体。
1.1.1波动模型
频率是光波的一个主要的物理参数。
通常所说的波的频率就是其振荡率，国际单位制中频率的单位是赫兹（Hz）。
每秒振荡多少次的频率就是多少赫兹。
许多连续的波峰和波谷组成了波，波长是两个连续的波峰（或波谷）之间的距离。
电磁波的波长差距很大，例如伽马射线的波长比原子的半径还要短，而无线电波的波长却可以达到有儿十米。
频率与波长成反比：
V二uX
（1）
其中，V是波速（在真空中等于光速；在其它介质中，略小于光速），u是频率，入是波长。
当波从某类介质透射到其他的介质中时，波速一般会有些改变，不过频率却不会改变。
干涉是指有两个或者更多的波进行叠加后岀现新的波样式。
例如儿个电磁波的电场是相同方向的，磁场也是同一方向的，那么这种干涉就是建设性的干涉；相反的，则是摧毁性干涉。
电磁波的能量乂被我们称为辐射能。
这些辐射能一部分存在于电场中，另夕I、一部分储存于磁场中。
用方程表达
（2）：
八丄少+鱼F
（2）
2“。
2
（2）式中，u是单位体积的能量，E是电场的数值，B表示是磁场，久是电常数，“°是磁常数。
1.2红外波及其应用
1.2.1红外波
红外线的波长一般在760nm至ljlmm之间，他是一种不可见光，波长长于可见光。
物体所发射出來的热辐射的波段，穿透能力比可见光要强，俗称红外光，它在医疗、通讯、军事、探测等各方面有非常广泛的用途。
1.2.2应用
热作用强是红外线的一个重要特性。
所以人们经常使用红外线来加热食品。
家里会使用红外烤箱来烘烤食物，浴室的暖灯则使用红外线来取暖，医学上也能够使用红外线来理疗。
根据前而的介绍，我们不难设想出，如果我们能过“看”到红外线，那么我们将会看到一个光亮的世界，每一个物体都在发光。
不过，如果物体的温度比它所处环境的温度高，它就会比环境更亮一些。
因此人们想到了在处于没有可见光光源的环境下，利用这一原理来成像，并采用一些特殊的手段使人眼能够识别红外线图像，这就是夜视仪的原理。
利用红外光能够在大气中传播的原理，可以利用红外测温仪来远程测量物体的温度。
现代生活用有很多防盗器也都是利用这一原理设计的，以及一些生活中常见的装置如自动水龙头、自动灯、自动干手机等等。
第二章红外通信基本原理
2.1通信原理
红外通信是使用波长为950纳米的红外辐射来当做传递信息的媒体。
首先发射器把基带二进制的信号调制成一段连续的脉冲串信号，然后利用红外线发射器来发射红外线信号。
接收端把所受到的光脉转变为电信号，然后通过放大、滤波等各种处理之后传输至解调电路来进行还原，从而解调成最初的二进制数字信号。
一般使用的方式有两类，一是利用每一个脉冲串间的发射时间间隔来对红外线进行调制的脉时调制。
另一类是改变脉冲的宽度进行红外线调制的脉宽调制。
总体来说，红外通讯的根本本质是通过对二进制的数字信号进行调制和解调，然后使用红外线进行传输。
2.2红外材料特性
红外辐射也就是红外线（TR）。
它和其它的可见光一样，虽然是一种人通过肉眼看不到的光线，但却也是客观存在的物质。
不论何种物质，如果其温度比绝对零度（-273°C）要高，它便会往四周空间放射红外线。
红外线的波长大约在760到1000纳米之间。
人们在应用红外线时，通常把它分成近红外区、中红外区、远红外区以及极远红外区这四个区域。
而其中的远、中、近红外分别是指红外线在波谱中与可见光之间的距离的大小。
红外线的波长、能量还有温度的关系可以用普朗克定律表示出來。
红外辐射拥有比较好的穿透性，在穿透雾状或存在悬浮微粒的其它介质时，不太容易发生散射，并且能量消耗较小。
所以红外辐射也被广泛应用于遥感、遥测夜视和光纤通讯等方面。
2.2.1红外辐射材料
理论上，任何物体在绝对零度以上都可以向外辐射出红外线，不过通常所说的红外辐射材料是能够吸收热物体辐射，然后发射出大量红外线的物质。
红外辐射材料通常可以包括三类：
热型、“发光”型以及热一“发光”混合型。
红外加热的技术一般都会选用第一类材料。
该材料的辐射特性是由红外辐射温度和材料的发射率的来确定的。
其中发射率是这类材料的一个主要参数，发射率是相对于热平衡辐射体所提出的一个概念。
热平衡辐射体，是指该物质在向四周环境发射辐射的时候同样在吸收着其他物质所发射出的辐射能量。
当这个物体与外界进行能量交换速率慢到使物体在任何短时间内自身温度基本没有变化时，这个过程被看作是热平衡。
实际上物体发射辐射的性能并没有黑体那么理想，在受到外界辐射源照射的时候，它并不能完全吸收一定波长的能量。
因此，某一固定温度时，把物体实际发射出的辐射出射度和在同一温度时黑体所发射出的辐射出射度的比定义为发射率£，也叫作全发射率。
把各个波长的辐射的出射度与同波长、同温度时黑体发出辐射的出射度的比定义为光谱发射率£（X）,通常可叫做单色发射率。
图2.1辐射体的单色发射率
Fig.2.1Theradiatormonochromaticemissionrate
2.3IrDA标准系统
国际红外数据协会（InfraredDataAssociation）通常被简称为Irda,Irda先后发布了许多红外通信的协议，其中一部分地协议针对传输速率，也包括一部分针对红外通讯低功耗的。
IrDA建立以后，为了使各种红外通讯产品都可以得到较好的数据传输，规定使用波长范围在850到900纳米之间的红外线。
通常我们把符合IrDA红外通信协议的设备叫做IrDA器件。
图2.2Irda标准系统
Fig・2.2Irdastandardsystem
2.4载波调制方法
信道编码中很重要的一部分就是把载波进行数字信号的调制，由于通道及其相对应地设备对将要传送的数字信号有一些特殊要求，没有经过处理的数字信号源并不能够适应这些特殊的要求。
于是我们必须要在在传输通道与信源编码之间插入信道编码。
因为传输信道的频率带范围是有一定限度的，所以数据传递的快慢是通信系统中一个十分重要的参数。
模拟通信并不能有效地控制传输效率，平时最多使用的残留边带调幅（VSB）和单边带调幅（SSB）可以使传送频带节省岀大概一半的空间。
但由于数字信号只存在“0”和“1”，于是数字调制就好像电报员按开关键来控制载波的方式，而数字信号地调制手段也就显得更为简单。
在使用传输信道地每一个单位时能够组成许多不相同地调制方式，而且还能够详细的传送与描述其数学模型。
现阶段，四维调制这类高维调制方式也有了非常快的进步，并且已经被加入到了高速调制解调器之中，为了能够更进一步地提升传送速率提供了牢靠的基础。
简而言之，以数字通信进行的数据传送速度要远高于一般的模拟通信，调制技术的方式也要比模拟通信多，很大程度上提升了用户依靠实际的需求来选择系统配置的灵活性。
第三章红外通信测试系统
3.1二极管工作原理
二极管是一种被广泛应用的半导体原件，大部分的半导体材料是用掺杂的半导体材料制成（原子以及其它物质）。
它的材料一般是铝础化稼，在这种物质中，各个原子都能够完全和它们的邻居相结合，不会存在自由电子来传输电流。
然而在掺杂物质中，会有一个多余的原子来改变电平衡，它要么增加自由电子要么创建出能使电子流通的空洞。
这两个条件都能够使材料具有更高的导电率。
半导体材料中有多余电子的称为N型半导体，因为它有一个多余的负电荷的粒子，因此在N型半导体材料中，电子从负电区域流向正电区域。
半导体材料中带有多余电子空穴的称为P型半导体，因为这种材料中带有正电粒子，电子能够从一个空穴跳到另一个空穴。
所以，电子空穴木身就显现出自由电子是从正电区域移动至负电区域。
二极管是由N型和P型两种半导体材料连接在一起，两端都带有电子。
如此组合起来使得电流只能向某一特定的方向传输。
在二极管的两端没有电势差时，电子会顺着两种材料的汇合处从N型半导体流向P型半导体，这样就会出现一个损耗区。
在这一区域中，半导体材料会变成绝缘体，其中的电子空穴将会都会被填满，因此就没有了自由电子，同时也没有了电流。
3.2光电二极管工作原理
光电二极管是一种特殊的半导体元件，它可以通过利用PN结能够将光信号转换为电信号。
光电二极管和普通的二极管在结构上有一定地差别，为了能够更加容易接收光线，光屯二极管的PN结面积会比普通二极管做的更大，而屯极面积却要比后者更小，并且PN结的结深通常都会很浅，会低于1微米。
把光电二极管的两侧接上反向电压。
在光线很弱地条件下，反向屯流会很小，称其为暗电流。
在二极管接收到光信号后，光子会将自身的能量传输至PN中共价键上的束缚电子，然后其中的一些电子就会断裂共价键，从而产生电子一空穴对，这种通常被称为光生载流子。
光生载流子的反向电压漂移的做用将参与运动，使二极管反向电流显著增加，反向电流的大小也将随着光照的强弱发生改变。
此功能称为“光电导”。
外部电路若是连接到负载上，将会获得随着光照强度变化而变化的屯信号。
现阶段在屯子屯路中，光屯二极管和光屯三极管都有着较为广泛的应用。
光屯二极管除了有一个面积比普通二极管更大的PN结以外，它的外壳上还有一个透明的窗口，可以被用來接收來自外界的光信号，从而进行光屯转换。
光屯二极管一•般用VD来表示。
光电三极管也是一种特殊的原件，他除了能进行观点转换以外，还可以对信号进行放大处理。
光电三极管通常只有两个引脚线：
发射极和集电极。
而且光电三极管也有一个同样的透明窗口来接收光信号
3.3测试系统组成
测试系统采用单片机最小系统组成，外设模块采用红外发射管来进行数据的发送，红外接收管来进行数据的接收，从而来研究红外通信的特性。
3.3.1单片机控制电路
vcc
图3.1单片机控制电路图
Fig.3.1Single-chipmicrocomputercontrolcircuitdiagram
图3・1电路为单片机电路。
该电路的核心器件是AT89S52。
AT89S52是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除的只读存储器的微处理器。
这种微处理器可以反复进行1000次以上的擦除。
这种单片机应用的是ATMEL高密度非易失存储器
制造技术制作，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
应为将多功能8位CPU与闪烁存储器组合在单个的芯片中，ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89S52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种适用性强性价比高的方式。
内部结构如图所示
并行I/O接口
串行接口
中断系统
A/
i
V\
/V1
POPlP2P3TXDRXDINTOINTI
图3.3AT89S52内部结构
Fig3.3AT89S52internalstructure
AT89S52在这里实现的功能主要是对数据进行编码，使用定时器产主38khz的振荡载波，通过红外线发射装置将含有数据的载波信号发送出去，对于红外线接收装置而言,将利用一体化红外线接收器，自动会滤除载波，得到数据。
单片机内部不带RC振荡器，需要外部接入晶振，这里采用的是ll.O52Mhz的晶振,是为了对于串口通信做9600的时候，没有误差。
51单片机的复位引脚是高电平有效，所以在设计复位电路的时候，需要注意复位引脚的电容电阻的接法，以防止接法有错，单片机连续不断的复位，而无法正常运行，找不到原因。
单片机P0端口并不存在上拉电阻，这就意味着10口将不能正常的输出高电平信号。
为了解决这样的问题，在单片机的P0端口外部接入了上拉电阻，这样就可以实现高低电平的输出了。
3.
3.2MAX7219电路
vcc
匸
图3.4数码管驱动电路图
Fig.3.4Digitaltubedrivercircuitdiagram
由于数码管是需要IO口大电流进行驱动，那么只是用单片机的IO口直接驱动是很难实现的，并且会对单片机的IO口造成一定的损耗，所以这里将主要采用专用的驱动芯片来设计，此外由于如果只是用IO口直接驱动数码管加三极管驱动也是支持的。
只是由于这样会耗费大量的IO口，这样使得单片机的IO全部会被数码管所占用，效率很低。
所以这里选用MAX7219对外接的数码管进行驱动。
。
MAX7219采用的是SPI接口，它是一种集成化的审行输入/输出共阴极显示驱动装置，该装置连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，还能够连接条线图显示器或者是64个相互独立的LEDo只有一个外部寄存器用来设置各个LED的段电流。
MAX7221一个方便的四线串行接口能够连接所有通用的单片机。
采用他进行扫描数码管，这样就大大的方便了单片机，省去了单片机的10口的大量占用，效率大大提高。
3.3.3数码管显示电路
图3.5数码管显示电路图
Fig.3.5Digitaltubedisplaycircuitdiagram
数码管在这里的工作主要实现时间的显示，选用数码管可以很方便的进行数字显示,所以这里选择数码管进行倒计时显示是非常的适宜，那么对于数码管的驱动这里选择的是MAX7219,这样就省去单片机10口直接驱动的能力，从而实现单片机利用SPI接口来发送数据，让数码管显示。
数字显示原理是，如果一个特殊的段LED加上电压，那么这一特殊的段将被点亮,
从而组成文字信息。
要显示1,相应的显示应该是a、f、g、e、d>dp不亮b、c亮。
通
io
常较小的数码管只需要使用一个发光二极管，而大一些的数码管会用多个发光二极管拼接起来。
我们一般使用的发光二极管单个单个管压是1・8伏，而电流一般在30毫安以下。
图3.6MAX7219与数码管连接图
Fig.3.6MAX7219Withdigitaltubeconnectiondiagram
3.3.4红外收发电路
a3.7红外收发电路图
Fig.3.7Infraredtransceivercircuitdiagram
图3-7是红外收发装置的电路图的组成。
其原理是微处理器产牛4Khz的方波信号,然后控制红外线发射装置发射红外线脉冲。
如果在此时没有任何障碍住红外线，红外线接收器随后将接收的光信号和光信号通过放大器，用于放大转换为一个电信号，然后该信号，由此产生的方波信号到微控制器，单片机可以接收相应的信号。
当此时有遮挡物的时候，红外线接收管将接收不到红外管的信号，从而会使单片机的10口一育保持着高电平。
单片机将发生驱动蜂鸣器发生报警信号，并置为液晶屏上面的报警标志。
3.3.5蜂鸣器电路
VCCU2
tzn
图3.8蜂鸣器报警电路图
Fig・3.8Buzzeralarmcircuitdiagram
图3・8是蜂鸣器报警电路，他的主要功能是当有遮挡物遮住了红外收发电路，那单片机将会控制蜂鸣器产生报警的功能。
因为蜂鸣器工作所需的电流较大，如果光是用单片机的10并不能直接驱动它正常运行。
所以这里使用了三极管进行驱动放大。
一开始没有加三极管，蜂鸣器不正常发声，并且单片机还很烫，最终发现是由于驱动电流异常,才岀现这样的一种状况。
3.3.6电源电路
这里采用的是线性电源。
该通信系统的电源电路可以利用电池进行能量，但要注意应该选择相应指标和参数的电池进行供电。
也可以利用下面的电路来直接用电源供电。
LED6
GO
乂、
图3.9电源电路图
Fig.3.9Thepowersupplycircuitdiagram
电路电源采用3圆孔的插座方式，直接由专用的充电器电压采取电压，接入电压之后，使用C6电解电容进行消抖，并使用LED64指示电源是否插入，当电源插入的时候,LED64被点亮，表面电源已经接入，如果LED没有被点亮，就需要查看硬件是否出了问题。
3.4软件架构
3.4.1主流程图
V
采样报警吋间
蜂鸣器报警
LCD显不报警flag
Return））
图3.10主流程图
Fig.3.10Themainfigure
从mainO函数开始，单片机将对DS1302初始化，LCD1602初始化，红外感应进行检测,我们可以利用小断的方法来对其测试。
图3.11方波图
Fig.3.11Squarewavefigure
单片机的10口中断采用的是P3.3口进行控制的。
此口初始化的时候设置为输入，对方波采样，当发生高低电平的时候，会进入中断函数当中实现相应的控制。
驱动蜂鸣器报警，蜂鸣器报警的方式采用定时器产牛不同的频率，从而实现音色调节。
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