模拟量转换为数字量的红外数据的传输系统论文.doc
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摘要
本文介绍了一种新型的数据传输系统：
模拟量转换为数字量的红外数据传输系统。
该系统主要是由模拟信号处理与调理模块、A/D转换模块、红外传输模块与信号显示模块等三大模块组成。
本系统是基于LM324运算放大器、ADC0809转换器、8051单片机、555定时触发器、红外接收头TSOP1738以及数码显示管（DPY）等元件而设计的。
具体设计的设计程序如下：
首先将外界微弱的模拟信号进行转换、处理和调理以获得模拟的电信号并除去噪音；接着经A/D转换器将处理过的模拟信号转换为数字信号并传输到单片机中；然后由红外发射电路对数字信号解调，并经红外发射二极管发射出红外线，在另一端通过红外接收器接收红外线并解调为数字量；最后将数字信号传输到单片机中由发光二极管和数码管显示信号。
该系统可以将我们周围的各种模拟信号传输到计算机中，我们可以通过计算机对所关心的信号进行检测与控制，也可在屏幕上观测待测信号的变化趋势等等。
本系统是利用红外线进行数据传输，让我们不仅可以处理一般的模拟信号，而且还可以在高压、强辐射、有毒气体等严峻环境下更为可靠而有效地检测工业设备参数。
因此它在工农业生产、医疗卫生、军事、科研等领域的应用也将越来越广泛。
关键词：
模拟信号；数字信号；A/D转换；红外发送；红外接收；数字信号显示
Abstract
Thispaperintroducesanewdatatransmissionsystem:
theinfrareddatatransmissionsystemthattheanalogisconvertedtothedigital.Thesystemismainlycomposedofthreemodules:
theprocessingandconditioninganalogsignalsmodule,theA/Dconvertermodule,theinfraredtransmissionandsignalsdisplaymodule.ThedesignofthissystemisbasedontheLM324opampIC,ADC0809converter,8051single-chip,555timertrigger,TSOP1738infraredreceiver,digitaldisplaytubes（DPY）andothercomponents.Theworkingproceduresareasfollows:
Firstly,theweakexternalanalogsignalscanbeconverted,processedandconditionedtoremovenoisebycertaincircuits.Secondly,analogsignalswillbeconvertedintodigitalsignalsandtransmittedtothemicrocontrollerbytheA/Dconverter.Thirdly,theMCUwillreceivethedigitalsignalsthatwillbedemodulatedbytheinfraredemissioncircuit,andtheinfraredtransmitteremitsinfraredlightwhiletheinfraredreceiverontheothersidewillreceivetheinfraredlightanddemodulateitintodigitalsignals.Finally,thedigitalsignalswillbetransmittedtothemicrocontrollerandtheLEDdigitaldisplaysignals.
Thesystemcantransmittheanalogsignalsaroundustothecomputer.Wecandetectandcontrolsignalsthatweareconcernedaboutthoughcomputer,andalsoobservethevaryingtrendsofthesignalsmeasuredonthescreen.Thissystemusestheinfraredtechnologyasthemeansofdatatransmission,sowecannotonlycopewiththegeneralanalogsignals,butalsocandetecttheindustrialequipmentparametersunderthecriticalconditionsofhighpressure,strongradiation,toxicgasesmorereliablyandeffectively.Therefore,thissystemwillalsobeusedmoreandmoreextensivelyinindustrialandagriculturalproduction,health,military,scientificresearchandotherfields.
Keywords:
analogsignals;digitalsignals;A/Dconversion;infraredtransmission;infraredreceiver;digitalsignaldisplay
目录
摘要 I
Abstract II
目录 III
第一章绪论 1
1.1红外技术的发展和研究现状 1
1.2研究课题的提出和意义 2
1.3研究内容的总体结构 3
第二章模拟信号处理与调理 4
2.1传感器 4
2.2前置放大电路 4
2.3滤波电路 5
2.4主放大电路 7
第三章A/D转换 8
3.1A/D转换器 8
3.1.1A/D转换的原理 8
3.1.2ADC0809的介绍 10
3.1.3ADC的技术参数 12
3.2ADC0809与8051的电路连接 13
3.2.18051单片机的介绍 13
3.2.28路模拟信号的选择 16
3.2.3转换数据的传送 17
3.2.5编写程序 18
第四章红外数据传输 19
4.1红外传输的工作原理 19
4.1.1红外传输的结构 19
4.1.2调制与解调 19
4.2红外发送单元 20
4.2.1555定时器 20
4.2.2红外发射二极管 22
4.2.4红外发射电路 22
4.3红外接收单元 24
4.3.1红外接收器 24
4.3.2红外接收头TSOP1738的内部结构 24
4.3.3红外接收电路 25
4.4信号显示单元 25
4.1.1发光二极管显示 26
4.1.2数码管显示 26
参考文献 28
结束语 29
致谢 30
附录 31
-34-
第一章绪论
1.1红外技术的发展和研究现状
1800年英国物理学家F.W赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，发现了红外线：
红外线的波长在0.76~100um之间，按波长范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在电磁波连续频谱中的位置处于无线电波与可见光之间的区域。
1892年红外光被用于有机基团的测定。
1905年Coblenz发表了128种有机化合物和无机化合物的红外吸收光谱。
1930年有人测得了大量有机化合物的红外吸收光谱，并对基频峰的归宿作了总结归纳。
1947年世界上第一台双光束自动记录红外光谱仪的诞生，标志着红外光谱法已进入了一个新的发展阶段。
如今红外光谱仪的发展已经历了四代：
第一代是棱镜式色散型红外光谱仪，对温度、湿度敏感，对环境要求苛刻；第二代是光栅型色散式红外光谱仪；第三代产品是干涉型红外光谱仪，具有宽的测量范围、高精度、高分辨率和极快的测量速度；第四代是70年代末出现的傅立叶变换红外光谱仪，它在能量、单色性、灵敏度等各方面都比前几代光谱仪大为提高。
红外线是可见光谱中位于红色光之外的光线，尽管肉眼看不到这种光线。
但利用红外线发送和接收装置却可以发送和接收红外线信号，实施红外线通信。
利用红外线通信无需连线，只需将两设备的红外线装置对正即可传输数据。
红外数据传输就是利用红外线作为传输介质．在计算机与外设（或计算机）之间进行数据传输的方法。
红外通讯一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75～25um之间。
红外数据协会（InfraredDataAssociation，简称IRDA）成立后，为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通讯效果，红外通讯协议将红外数据通讯所采用的光波波长的范围限定在850～950nm之内。
红外传输是一种点对点的传输方式，无线，不能离的太远，要对准方向，且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过，几乎无法控制信息传输的进度；IRDA已经是一套标准，HG收/发的组件也是标准化产品。
目前大多数作为采样数据的终端希望通过串口或红外接口与移动设备（如掌上电脑等）进行通信。
和传统的遥控器中采用的红外相比较，红外数据传输的实现方式是不同的。
在笔记本电脑，手机，PDA和数码相机上的红外传输均采用红外数据传输。
随着我国国际地位和科研水平的不断提高，红外线数据传输系统对用户有着极大的吸引力。
它在军事、科研、工农业生产、医疗卫生等领域的应用也将越来越广泛。
1.2研究课题的提出和意义
在人类的自然环境中，存在着各种各样的信息：
温度、气压、声音、图像等等，这些都属于连续性的模拟信号。
在实际生活中有可能处于某种特殊情况下，比如说：
高温高压下无法用现有仪器进行直接测量，或者是说目前还没有仪器直接测量自然界中的某一信号，抑或者是需要对自然界的某一信号在另一屏幕上显示出来等等，但又需要测试这种情况下的模拟量，这时候就需要对待研究的外界模拟信号进行处理与调理、转换、传输，显示在计算机上。
本设计所要研究的模拟量转换为数字量的红外数据传输系统就就是基于这种情况而提出的。
红外传输有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。
然我们还是需要注意一下红外线技术的一些局限性。
其传输技术的具有以下特点：
（1）它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持；
（2）通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发；
（3）主要是用来取代点对点的线缆连接；
（4）具有不能穿透障碍物的特性，有效保障了会议信息的安全与保密；
（5）安装方便快捷，成本低。
随着信息技术的飞速发展与普及，在现代控制中，红外数据传输作为一种无线通信的装置，具有体积小、功耗低、功能强、成本低的优点，和传统的遥控器中采用的红外相比较，红外数据传输的实现方式是不同的。
一方面，目前电视、空调等家用电器上广泛应用红外数据传输，大多数作为采样数据的终端希望通过串口或红外接口与移动设备（如掌上电脑等）进行通信，在笔记本电脑、手机、PDA和数码相机上的红外传输均采用红外数据传输；另一方面，在高压、辐射、有毒气体等环境下工作的工业设备中采用红外数据传输不仅安全可靠，而且能有效地隔离电气干扰；此外，随着我国国际地位和科研水平的不断提高，红外线数据传输系统对用户有着极大的吸引力，它在工农业生产、医疗卫生、军事、科研等领域的应用也将越来越广泛，该系统的设计可以为这些应用提供可靠的工具。
该设计系统兼顾了应用中经济和实际的需要：
一方面由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等）,要使数字仪表能识别。
处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号，这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的数模转换；对宁一方面另一方面红外线做信号载波具有成本低、传播范围和方向可以控制、不产生电磁辐射干扰和被干扰等诸多优点，因此采用红外线技术进行数据传输（红外数据传输）为数据传输提供了新的方法，被广泛地应用在各个技术领域中。
1.3研究内容的总体结构
本文的目的是研究和设计一个模拟量转换为数字量的红外数据传输系统，主要由A/D转换与红外传输组成。
具体包括信号处理与调理，A/D转换，红外发射、红外接收等几个组成部分，系统总体结构如图1.1。
模拟信号处理与
调理
A/D转
换
红
外
传
输
信
号
显
示
图1.1系统总体结构图
第一章，绪论部分，主要介绍了红外技术的发展和研究现状、研究课题的提出和意义以及本文研究的主要内容。
第二章，模拟信号处理与调理部分，运用传感器将外界的模拟非电量信号转换为模拟电量信号，并由前置放大、滤波及主放大电路对模拟信号进行处理与调理。
第三章，A/D转换部分，阐述ADC的结构和工作原理，并以ADC0809和8051单片机为例实现模拟信号向数字信号的转换。
第四章，红外数据传输部分，介绍红外数据传输系统的基本原理，并设计基于8051单片机的电路发送数据、运用专用红外接收模块TSOP1738接收信号，实现红外数据传输，并通过8051单片机接口利用发光二级光（LED）和数字显示管（DPY）显示接收到的信号
最后，本文的参考文献、结束语、致谢以及附图部分。
第二章模拟信号处理与调理
信号调理装置是通过电子线路来实现模拟信号处理，一般包括放大、滤波等功能环节。
信号调理的目的是对传感器输出的电信号进行必要的处理以满足信号处理后继环节的需要，使其输出信号适应A／D转换等环节的工作。
信号调理可以改善信号质量，还可以补偿传感器的非线性，提高信噪比，增强信号的环境抗干扰能力等，信号调理结构如图2.1所示。
前置
放大
传感
器
滤波
电路
主
放大
图2.1信号调理结构图
2.1传感器
传感器是将外界输入的被测量信号变换成电信号的元器件或装置。
它作为信息获取的工具和手段，在测量控制型智能仪器中占据了极其重要的地位。
传感器能转换信息存在的能量形式，通常是将其它能量形式转换成电量的形式，以便进一步对信号进行加工与处理，传感器的输出往往总是电信号。
这主要是电信号较容易地放大、反馈、滤波、存储及传送等操作。
不同的检测对象将会使用不同的传感器将外界的非电信号转换为电信号，并且传感器的选择与研究不是本设计研究的重点，所以为了一般起见常常把传感器作为信号源看待。
根据电路理论的知识我们可以知道，电路的信号源都可以等效两种形式：
以理想电压源和源内阻RS串联的等效信号源，即戴维南等效电路；以理想电流源和源内阻RS并联的等效信号源，即诺顿等效电路。
本设计采用戴维南等效电路的的形式进行涉及该系统。
另外从传感器出来的信号很微弱，一般只有几百微伏到几毫伏的数量级。
本社设计取微弱信号转换成的电压信号小于2mV（实际中可以将传感器输出的模拟信号通过示波器观察其波形，测定它的幅值）。
2.2前置放大电路
通常所需要的模拟电信号中混杂有其它电信号，并且信号十分微弱；另一方面，噪声背景强且信号源的阻抗比较大，加之电极引入的极化电压差值较大（比电差值幅度大几百倍），因此，需要利用前置放大电路来来提高信号的幅值，并且通常要求前置放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围等性能，
本次设计选用LM324做为主要主体器件，具有高输入阻抗、低噪音、高精度、较高建立时间、低功耗等特性，非常适合作为前置放大器使用，前置放大电路如图2.2所示。
图2.2前置放大电路图
放大增益可调（范围约1～1000倍），并可由公式：
（2.1）
来确定。
为防止前置放大器工作于饱和区或截止区，其增益不能过大。
一般l0倍左右效果较好。
本设计取：
R1=30KΩ,R2=3KΩ,倍。
在调试集成运算放大器组成的放大电路时，会发现有不明的震荡、漂移等现象发生，这往往是由于电源布线不合理而造成的。
在芯片LM324的电源电路的布线中增加0.01uF的去耦电容C2、C3可以很好的解决了这个问题。
下述中集成运算放大器LM324的引脚中也增加有去耦电容，也是起这个作用。
2.3滤波电路
滤波器是一种能使一定频率的信号通过，而阻止或衰减其它频率信号的电路。
滤波器可由LC或RC无源元件组成，称之为无源滤波器；也可以由有源器件和LC或RC网络构成，称之为有源滤波器。
按频率特性可将有源滤波器分为低通（LPF）、高通（HPF）、带通（BPF）和带阻（BEF）等四种。
本设计选用一阶高通滤波器和一阶低通滤波器滤去其他频率的信号。
假定输入模拟信号频率f约为31KHz。
根据待测模拟信号频率f和以下关系式确定与组成滤波器的元件（电阻R和电容C）的值：
（2.2）
1.高通滤波电路
通常经过一阶低通滤波器后仍不理想，存在很多毛刺；另一方面，信号仍是叠加在一个较大的直流电压上的小交流信号。
为了防止对小交流信号进行放大处理发生饱和，必须作高通滤波处理，将其更低频率的无用信号和直流信号除去，高通滤波电路如图2.3所示。
图2.3高通滤波电路图
因为原波形的频率约为31KHz，所以本文取低通滤波器的截止频率为30.6KHz。
则
（2.3）
取C3=1uf，则R3=5.2KΩ。
2.低通滤波电路
图2.4一阶低通滤波电路图
通过示波器观察输入信号的波形，由于模拟信号经传感器及前置放大电路引进了一些高频率的干扰信号，波形中有较多的毛刺，需要经过一阶有源低通滤波进行滤波处理，一阶低通滤波电路如图2.4所示。
因为原波形的频率约为31KHz，所以本文取低通滤波器的截止频率为31.2KHz。
则
（2.4）
取C3=1uf，则R3=5.1KΩ。
2.4主放大电路
需要检测的微弱模拟信号都是通过各种传感器来进行非电量的转换，从而使检测对象转变为电量。
由于所测对象本身为微弱量，同时受各种不同传感器灵敏度的限制，因而所得到的电量自然是小信号，这些微弱信号不能直接用于采样处理。
前置放大电路主
图2.5主放大电路图
要起到电流转电压的作用，但后续电路为A/D转换电路，所需电压幅值为5V，传感器出来的信号小于2mV，经过前置放大10倍后，所以输出的电压信号还需要继续放大200倍，才能达到达到A/D转换所需的要求0~5V。
因此还需应用主放大电路。
本模块选用以集成运算放大器LM324为主体元件将信号放大200倍。
为了让本电路放大200倍，闭环电路电阻取值为：
R5=2KΩ，R6=100Ω，放大倍数倍，其主放大电路如图2.5所示。
第三章A/D转换
对模拟信号调理完毕后，模拟信号在0~5V的范围内，此时该做的工作就是要将这个模拟信号转换为数字信号，这样才能将需要检测的微弱信号传送到计算机中进行处理，A/D转换模块就是完成这项功能的。
另外，转换后所得的数字量需经单片机解调才能用于后续的传输，所以还需将数字量传输到单片机中。
所以本模块由A/D转换和ADC与8051单片机的连接电路构成，A/D转换总体结构如图3.1所示。
ADC0809
8051单片机
3.1A/D转换总体结构图
3.1A/D转换器
A/D转换器按其工作原理的不同分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两种。
直接A/D转换器将模拟信号直接转换为数字信号，这类A/D转换器具有较快的转换速度，典型电路有并行比较型器A/D转换器、逐次比较型A/D转换器。
而间接A/D转换器则先将模拟信号转换成某一中间变量（时间或频率），然后再将中间量转换成数字量输出。
这类A/D转换器的速度较慢，典型电路有双积分型A/D转换器、电压频率转换型A/D转换器。
其中，逐次近似型A/D转换是目前应用最为广泛的中、高速A/D转换器，其最大特点是转换速率较快，而且在售价（成本）、精度和转换速率三个重要的标志之间易于取得较好的平衡。
所以本设计选用逐次近似性A/D转换器ADC0809。
3.1.1A/D转换的原理
A/D转换要将时间和幅值都连续的模拟量，转换为时间、幅值都离散的数字量，一般要经过采样、保持、量化和编码几个过程。
（1）.取样与保持
取样电路可将输入模拟量转换为在时间离散的模拟量，取样过程示意如图3.2所示。
传输门TG由取样信号控制,,在高电平期间，TG导通，输出信号等于输入信号，而在的低电平期间，传输门关闭，输出信号。
取样信号的频率愈高，取得的信号经低通滤波后能真实的复现输入信号。
合理的取样频率由取样定理确定。
取样定理：
设取样信号的频率为，输入模拟信号的最高频率分量的为，则与必须满足下面的关系：
（3.1）
一般取
TG
3.2取样过程示意图
A1
A2
开关驱
动电路
CH
3.3取样-保持电路的原理图
将取样所得信号转换位数字信号往往需要一定的时间，为了给后续的量化编码电路提供一个稳定值，取样电路的输出还须保持一段时间。
一般取样与保持过程都是同时完成的，取样-保持电路的原理如图3.3所示。
取样-保持电路由输入放大器A1、输出放大器A2、保持电容CH和开关驱动电路组成。
电路中要求，且A1区有较大的输入阻抗，以减小对输入信号源的影响。
A2选用较高输入阻抗和低输出阻抗的运放，这样不仅CH上所存电荷不易泄漏，而且电路还具有较高的带负载能力。
开关S闭合时，电路处于取样阶段，电容器CH充电。
由于，因此；开关S断开时，若A2的输入阻抗足够大且S为较理想的开关，可认为CH几乎没有放电回路，输出电压保持不变。
这样就起到了保持的作用。
（2）.量化和编码
数字量在数值上是离散的，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。
要实现A/D转换，还必须将取样-保持电路的输出表示为最小数量单位的整数倍。
将数值连续的模拟量转换为数字量的过程称为量化。
最小数量单位Δ成为量化单位。
量化单位Δ是数字信号最低为1时所对应的模拟量，即1LSB。
由于被取样电压是连续的，它的值不一定都能Δ整除，所以，在量化过程中，不可避免地存在误差，成为量化误差，用ξ表示。
ξ属于原理误差，它是无法消除的。
A/D转换的位数越多，1LSB所对应的Δ越小，量化误差的绝对值也越小。
量化的方法，一般有舍尾取整和四舍五入法两种。
舍尾取整的处理方法是：
如果输入电压vi在两个相邻的量化值之间时，即时，取vi的量化值为。
四舍五入的处理方法是：
当的尾数不足时，舍去尾数取整数；当的尾数大于或等于时，则量化单位在原数上加一个Δ。
将量化后的结果用二进制码或其他代码表示出来的过程成为编码。
经编码是出的代码就是A/D转换的结果。
3.1.2ADC0809的介绍
1.ADC0809的信号引脚
ADC0809为28脚标准封装直插式芯片，ADC0809引脚如图3.4所示。
ADC0809是8位A/D转换芯片，由单一+5V电源供电。
片内带具有锁存功能的8路模拟开关，可以对8路0
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