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竞赛论文
2013年全国大学生电子设计竞赛陕西赛区
设计报告封面
作品编号:
(由组委会填写)
……………………………剪切线………………………………
作品编号:
(由组委会填写)
参赛队编号
(参赛学校填写)
学校编号
组(队)编号
选题编号
1
3
1
7
F
红外光通信装置(F题)
摘要
红外光通信是指红外光传递信息的技术,其不仅可以传输语音信息,而且可以传输图像、视频信息。
系统整体由红外发射、红外接收和中继转换三部分组成。
红外发射部分由红外接收电路、放大电路、比较电路、温度传感器构成;红外接受部分由红外接收电路、放大电路构成;中继转部分主要由放大、滤波电路构成。
使用MSP430F149对所采集的温度信号进行处理,使用LCD1602来显示采集的温度。
可知音频头采集声音后发送至放大电路,通过比较电路产生脉宽调制信号,将脉宽调制信号发送至红外发射头,由红外接收头接收脉宽调制信号后放大以及解调处理发送至音频头。
关键词:
红外收发管;温度传感器;滤波电路;MSP430F149;LCD
1方案论证与设计
1.1方案比较与选择
1.1.1微处理器模块的比较与论证
方案一:
用51单片机作为系统的主控核心。
此单片机使用广泛,稳定性高,具有两个16位定时/计数器,可编程串行UART通道,内置一个模拟比较器。
但此单片机体积较大,功耗略大。
方案二:
用单片机MSP430F149作为系统的主控核心。
此单片机具有体积小,使用灵活的,易于人机对话和良好的数据处理,有较强的指令寻址和运算功能等优点,且内置12位高精度ADC。
在此系统中,采用MSP430F149作为主控核心比采用51采集数据效率更高,功耗更小,更适合本系统的使用。
1.1.2音频采集模块的比较与论证
方案一:
使用驻极体话筒采集音频信号。
驻极体话筒具有体积小、结构简单、价格低的特点,广泛用与声控等电路中。
但是驻极体在焊接电路后信号衰减,不利于后续电路的处理。
方案二:
使用音频插孔线路输入。
音频插线孔制作电路简单,利于携带,输入的音频信号易于采集。
综上所述,采用音频插头作为音频采集器件。
1.1.3液晶显示模块的比较与论证
方案一:
使用数码管显示所采集的温度。
数码管具有体积小、结构简单、价格低的特点,在很多的显示模块中得到应用。
但是数码管不能显示汉字,且若显示数据较多则电路冗杂。
方案二:
使用LCD1602作为温度的显示。
LCD1602具有体积小,价格低,能够显示字符的特点,在实际的生产生活中得到广泛的应用。
液晶1602在显示动态的数据频率足够迅速。
综上所述,采用方案二,使用LCD1602作为温度的显示。
方案二更简易、稳定,易于电路的制作和后续电路的放大和比较。
1.1.4转发器模块的比较与论证
在转发器模块的设计中主要考虑在信号不失真的情况下尽量减小中继转发节点的供电电流。
方案一:
通过红外接收管接受红外信号,经过放大电路发送至红外发射头,此方案的语音质量略有损失,但是中继转发节点的电流稍小。
其框图如图1-1所示。
图1-1中继转发节点框图
方案二:
中继转发节点首先接收红外信号,经过低端放大、滤波电路发送至红外发射头,此方案可以保证语音的通信质量,但是中继转发节点电流的稍大。
其框图如图1-2所示。
图1-2中继转发节点框图
综上我们采取方案二。
经过放大、滤波电路虽然存在功耗增大,但其语音质量较高。
1.2总体方案描述
整个系统由红外发射、红外接收、温度采集和中转器四部分组成。
红外发射部分由音频插孔采集信号,通过放大、比较电路产生脉宽信号,最终由红外管发射;红外接受部分是将红外接收头将采集的信号经过LM386放大并进行音频转信号发送至音频接收端;温度采集部分使用DS18B20,通过MSP430F149进行处理,从而驱动LCD1602显示采集的温度;中转器部分由低端放大、滤波电路组成。
系统总体框图如图2-1所示。
图1-1系统总体框图
2理论分析与计算
2.1通信原理分析
首先讨论通信的原理,红外通信是利用950nm近红外波段的红外作为传递信息的媒介。
发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲信号,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,还原为二进制数字信号后输出。
常有的通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制(PWM)和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制(PPM)。
在本系统中其通信过程如下。
首先音频插座接收来自MP3的声音,经音频头采集的信号发送至LM358进行放大,同时NE555产生的矩形波,由LM311比较音频信号和NE555信号产生脉宽调制信号(PWM),其后脉宽信号发送至红外发射管。
其红外发送过程如图2-1所示。
图2-1红外发送图
由于所接收的信号为PWM,所以采用LM386芯片,LM386不仅具有功放能力,同时作为音频芯片可以将PWM的功能。
其红外接收过程如图2-2所示。
图2-2红外接收图
2.2转发器效率的提高
在转发器效率提高方面有如下两种方式。
方式一:
通过改变功放电路来减实现转发器的效率,将LM386构成的集成电路改变为三极管放大电路,由三极管放大电路来实现信号的放大功能,从而提高其转发器功率。
方式二:
为减小转发器的功率,减少使用有源电路。
以电容、电阻构成简易的滤波电路来实现滤波。
其转发器过程如图2-3所示。
图2-3转发器图
3系统硬件的实现
3.1微处理器电路
本作品使用的MSP430F149作为核心控制芯片。
MSP430F149作为系统的主控核心。
此单片机具有体积小,使用灵活的,易于人机对话和良好的数据处理,有较强的指令寻址和运算功能等优点,且内置12位高精度ADC。
MSP430F149电路如图3-1所示。
图3-1微控制器电路图
3.2红外发射电路
红外发射电路主要原理将要发射出去的模拟信号转换成PWM,将脉宽信号发送至红外发射电路,经该电路的调制转变成红外光信号在空中传输。
信号经音频头采集发送至LM358进行放大,同时音频采集信号与NE555产生的矩形波由LM311进行比较,最终转化为PWM发送至红外发射管。
其电路如图3-2所示。
图3-2红外采集电路图
3.3红外接收电路
红外采集电路主要原理是将接收到的PWM转换为模拟信号,经电路的调节送给音频采集端。
红外接收头将采集的信号经过LM386放大发送至音频接收端。
其电路如图3-3所示。
图3-3红外接收电路图
4系统软件的实现
4.1系统软件流程图
该系统以MSP430F149作为温度采集的主控芯片,使用温度传感芯片DS18B20作为温度采集单元,使用液晶显示器及驱动元件为显示单元。
DS18B20所采集的参数发送至单片机处理,经处理的数据发送至红外发射管,其红外接收管采集的数据发送至单片机进行处理,单片机处理后将数据发送至液晶1602显示,其中温度每4秒采集一次。
系统的整体流程图如图4-1。
否是
图4-1系统软件流程图
5系统测试与结果分析
5.1使用的仪器及及型号
①数字示波器UTD2062CEL
②MFG-3012信号源
③DF1731SC254直流稳压电源
5.2测试方案与主要测试结果
5.2.1接收输出电压有效值
测试方法:
在发射端输入800Hz的单音信号,在8欧姆的负载上检测接收装置的输出电压。
测试结果:
此时用万用表测出的负载两端电压的有效值为2.3V。
结果分析:
在题目要求的电路状态下,测得接收装置的输出电压有效值为2.3V,满足题目要求的电压有效值不小于0.4V。
5.2.2接收端输出噪声的电压
测试方法:
保持800Hz的单音信号,在8欧姆的电阻负载上,减少发射端输入信号的幅度至0V,采用低频毫伏表测试装置的电压。
测试结果:
此时低频毫伏表的电压为20mV。
结果分析:
在题目要求电路之下,低频毫伏表测试的电压小于0.1V,满足题目的要求
5.2.3测试温度的检测
测试方法:
在一天的不同时段检测其温度,通过标准温度计测量实时温度,将温度传感器所测的温度与实际的温度做对比,得出其温度差。
测试结果:
其测试的温度如表5-1所示。
表5-1温度显示结果
所测温度/℃
实际温度/℃
温度差/℃
1
21
21.5
0.5
2
25
25.4
0.4
3
28
28..6
0.6
结果分析:
可知其温度差值小于2度,满足设计的要求。
其产生的温度差有如下可能,由于供电电压引起的芯片发热而产生的温度差,由于电路的连接而造成的误差。
5.2.4中继转发节点的供电电流检测
测试方法:
中继转发点采用5V直流电源供电,串联毫安表来测量其供电直流电流。
检测音频是否失真以及其所对应的测试电流。
测试结果:
其测试的电流大小如表5-2所示。
表5-2电流测试结果
是否失真
测试电流
1
否
2
否
3
否
结果分析:
通过测试可知,其测试电流约为,经过改变功放电路以及滤波电路从而达到减小中转点的电流的目的。
参考文献
[1]刘树林.低频电子线路[M].机械工业出版社,2005
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[5]康华光.电子技术基础.(模拟部分)[M].(5版).高等教育出版社,2005
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[10]康华光.电子技术基础模拟部分[M].高等教育出版社.1999
[11]徐科军.信号分析与处理[M].清华大学出版社.2006
附录1:
总原理图
附录图2:
实物图
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