全国电子设计大赛无线红外语音传输系统解析.docx
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全国电子设计大赛无线红外语音传输系统解析
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：
随着科技的进步，无线电通信技术得到了前所未有的发展，而红外无线数据通信相对于无线电数据通信具有低功耗、低价格、低电磁干扰、高保密性等优点，目前发展迅猛，尤其在近距离无线数据通信中得到了广泛的应用．尤其是随着编码调制技术的发展，红外无线数据通信的数据速率越来越高，成为许多移动设备、室内办公设备以及手持设备无线数据通信的一个重要途径。
本系统通过红外光通信装置将语音信号和环境温度无线传输出来，接收端口显示温度并将语音信号从耳机传出。
环境温度由STM32单片机检测，语音信号和数字信号能同时传输。
关键词：
红外光通信，无线传输，STM32单片机
Abstract:
Withtheadvancementoftechnology,wirelesscommunicationtechnologyhasbeenanunprecedenteddevelopment,andinfraredwirelessdatacommunicationsrelativetotheradiodatacommunicationwithlowpowerconsumption,lowprice,lowelectromagneticinterference,highsecurity,etc.,iscurrentlydevelopingrapidly,especiallyinintheshort-rangewirelessdatacommunicationhasbeenwidelyused.Especiallywiththecodingandmodulationtechnology,infraredwirelessdatacommunicationsincreasinglyhighdatarates,asmanymobiledevices,officeequipment,andhandhelddevicesindoorwirelessdatacommunicationisanimportantway.Thesystemcommunicationdeviceviainfraredlightandambienttemperaturevoicesignalwirelesstransmissionout,thereceivingportdisplaytemperatureandoutgoingvoicesignalfromtheheadphones.TheambienttemperaturedetectedbytheSTM32MCU,voicesignalsanddigitalsignalscanbetransmittedsimultaneously.
Keywords:
infraredopticalcommunications,wirelesstransmission,STM32microcontroller
目录
一、方案比较及论证1
1.1控制器的选择与论证1
1.2功率放大器的选择与论证1
1.3显示模块的选择与论证1
二、系统理论分析与计算2
2.1系统整体设计2
2.2系统工作原理2
三、电路设计3
3.1红外发射电路3
3.2红外接收电路4
3.3功率放大器电路5
3.4电源模块电路5
四、系统测试方案与测试结果6
4.1测试方案6
4.2测试条件与仪器6
4.3测试结果及分析6
4.3.1接收装置能否接收发送的信号6
4.3.2检测环境温度能否传送7
4.3.3红外光通信中继转发节点测试（发射与中继节点距离2m）7
五、设计总结7
附录9
附录一：
STM32核心板原理图9
附录二：
部分程序10
附录三：
实物图11
参考文献12
红外光通信装置（F题）
【本科组】
一、方案比较及论证
1.1控制器的选择与论证
方案一：
采用STM32F103，STM32F103价格便宜，应用范围广，功能强大，处理速度快，抗静电抗干扰强，低功耗，内部集成7个定时器，2个12位ADC,9个通信接口。
方案二：
采用LM3S8962，LM3S8962价格较便宜，应用范围广，功能强大，处理速度快，抗静电抗干扰强，低功耗，内部集成8个定时器，1个10位ADC，3个通信接口。
方案三：
采用STC89C51，STC89C51价格便宜，应用范围广，功能较强大，处理速度慢，抗静电抗干扰弱，内部无ADC。
方案比较：
鉴于设计要求，需要工作速度快，功能强大，低功耗，ADC采样精度高，以及成本综合考虑。
故选方案一。
1.2功率放大器的选择与论证
方案一：
采用晶体管分离元件组合成多级放大电路，成本低，但难于调试。
方案二：
采用NE5532，它具有很好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大，但必须要双电源供电，不利于电路的设计以及功耗的降低。
方案三：
采用TDA2822，具有电路简单、音质好、电压范围宽等特点，可工作于立体声以及桥式放大（BTL）的电路形式下。
而且仅需5V单电源供电，功耗更低。
方案比较：
根据要求，需功耗低，电源要求不高的功放。
故选方案三。
1.3显示模块的选择与论证
方案一：
采用数码管显示。
数码管具有接线简单，成本低廉，配置简单灵活，编程容易，对外界环境要求较低，易于维护等特点。
但是，考虑到普通数码管能够显示的信息量有限，并且一般情况下要显示较多的信息所占用的系统I/O资源较多。
方案二：
用12864LCD显示，LCD是点阵式的显示，可以有汉字、数字、波形等多种方式显示，灵活性大，显示信息量大，字迹美观，视觉舒适，且同一界面可以同时显示电压、电流、功率等多种参数。
经比较，故选用方案二进行设计。
二、系统理论分析与计算
2.1系统整体设计
图1系统整体框图
2.2系统工作原理
红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。
发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。
接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。
语音和音乐等所产生的电信号和其他低频电信号一样，一般不直接进行远距离传输，而是经过放大后对发射机的高频振荡进行调制，然后将此携带有低频信号的高频已调制信号，通过一定的媒介传输出去。
本系统利用语音信号模拟实现最基本的红外收发通信系统由音乐集成电路，发射系统，接收系统三部分构成。
音乐集成电路发出电信号，通过发射系统转化为光信号发送，通过接收系统接受光信号并将其转化为电信号，再通过喇叭将其重新转化为语音信号。
由于要同时发送语音信号和温度数字信号。
接受端接收的信号不能很好的被识别。
所以这里我们将数字信号部分采用NEC传输协议，一帧数据由引导码、地址码+地址码的反码、命令码+命令码的反码组成。
其特点有完整发射两次地址码和命令码，以提高可靠性；脉冲时间长短调制方式；38KHz 载波频率；地址码是8 位，命令码是8 位；
引导码是9ms高电平+4.5ms低电平长度的38K载波；逻辑位1是0.56ms高电平+1.68ms低电平长度的38K载波；逻辑位0是0.56ms高电平+0.56ms低电平长度的38K载波。
三、电路设计
3.1红外发射电路
图2红外发射及语音编码原理图
该电路图可通过编码器把语音信号转化成数字信号，再通过红外发射口发射出去。
3.2红外接收电路
图3数字信号转模拟信号及红外接收原理图
该电路可以把红外接收到的数字信号还原成语音信号。
3.3功率放大器电路
图4功率放大器电路原理图
通过该放大器将接收到的信号放大后通过耳机传出。
该放大器主要用于袖珍式盒式放音机（WALKMAN）、收录机和多媒体有源音箱中作音频放大器。
3.4电源模块电路
图5电源模块原理图
该电源提供了直流可调+1.25V~+28V。
能给核心板STM32、红外通信装置、显示电路供电。
四、系统测试方案与测试结果
4.1测试方案
通过信号发生器输出正弦波，通过红外通信后，检测接收端输出波形，看是否失真。
发送温度数据后，在接收端LCD12864上面看是否有温度的数据传输过来。
4.2测试条件与仪器
测试条件：
检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：
数字万用表，示波器，信号发生器，卷尺，温度计。
4.3测试结果及分析
4.3.1接收装置能否接收发送的信号
第一次
第二次
第三次
第四次
第五次
第六次
测量距离
0.6m
0.9m
1.2m
1.5m
1.8m
2.1m
测试情况
能
能
能
能
能
能
表1距离测试
4.3.2检测环境温度能否传送
第一次
第二次
第三次
第四次
第五次
第六次
延时情况
1s
1s
2s
2s
2s
2s
温度误差
1℃
1℃
1℃
1℃
1℃
1℃
同步测试
同步
同步
同步
同步
同步
同步
表2环境温度测试
4.3.3红外光通信中继转发节点测试（发射与中继节点距离2m）
第一次
第二次
第三次
第四次
第五次
第六次
测量距离
0.6m
0.9m
1.2m
1.5m
1.8m
2.1m
测试情况
能
能
能
能
能
能
表3中继转发节点测试
五、设计总结
在设计制作红外光通信装置的过程中，我们深切体会到，实践是理论运用的最好检验。
本次设计是对我们所学知识的一次综合性检测和考验，无论是动手能力还是理论知识运用能力都得到了提高，同时加深了我们对网络资源认识，大大提高了查阅资料的能力和效率，使我们有充足的时间投入到电路设计当中。
红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。
它一般由红外发射和接收系统两部分组成。
发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收，就构成红外通信系统。
本系统在数据测试和调试方面，由于电路设计，电路连接等方面有一定的缺点，使得测试结果不是特别准确。
我们会通过优化电路，软件修正，做到最小误差。
附录
附录一：
STM32核心板原理图
附录二：
部分程序
unsignedshortds18b20_read（void）
{
unsignedcharTemperatureL,TemperatureH;
unsignedintTemperature;
DisableINT（）;
ResetDS18B20（）;
DS18B20WriteByte（SkipROM）;
DS18B20WriteByte（ReadScratchpad）;
TemperatureL=DS18B20ReadByte（）;
TemperatureH=DS18B20ReadByte（）;
ResetDS18B20（）;
EnableINT（）;
if（TemperatureH&0x80）
{
TemperatureH=（~TemperatureH）|0x08;
TemperatureL=~TemperatureL+1;
if（TemperatureL==0）
TemperatureH+=1;
}
TemperatureH=（TemperatureH<<4）+（（TemperatureL&0xf0）>>4）;
TemperatureL=TempX_TAB[TemperatureL&0x0f];
//bit0-bit7为小数位，bit8-bit14为整数位，bit15为正负位
Temperature=TemperatureH;
Temperature=（Temperature<<8）|TemperatureL;
delay_ms（200）;
DS18B20StartConvert（）;
returnTemperature;
}
附录三：
实物图
参考文献
[1]张晓红.红外通信IrDA标准与应用[J].光电子技术.2003.
[2]蔡涛.无线通信原理与应用[M].北京:
电子工业出版社.2002
[3]黄智伟.无线数字收发电路[M].北京:
电子工业出版社.2003
[4]周文举.基于单片机红外无线通信的抄表系统[J].微计算机信息.2006．
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