畢業(yè)設計--定向通信裝置設計與制作

1、<p>　　定向通信裝置設計與制作</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本系統(tǒng)設計的是一個基于紅外傳輸?shù)亩ㄏ驘o線通信裝置。此裝置以紅外線為傳輸媒介通過對紅外線進行頻率調制，實現(xiàn)了模擬語音信號和數(shù)字信號的定向傳輸。此裝置實現(xiàn)的功能有語音信號的傳輸，溫度、時間等數(shù)字量的實時發(fā)送，且還能傳送文字圖形等消息。此裝置的最大通信距離可達

2、2m，最大距離處誤碼率低至10-4，語音信號無明顯失真；數(shù)據(jù)傳輸速率9.6Kbit/s以上；且功耗低。</p><p>　　本系統(tǒng)的創(chuàng)新點是在同一信道上，能同時傳輸模擬信號和數(shù)字信號；另外此系統(tǒng)還增設了紅外中繼轉發(fā)節(jié)點，已實現(xiàn)對信號傳輸方向的定向改變以及延長紅外通信距離，解決了傳統(tǒng)紅外通信視距傳播的缺點。</p><p>　　關鍵詞：紅外傳輸；頻率調制；定向通信；中繼轉發(fā)；</p&g

3、t;<p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The system design is based on a directional wireless communication devices infrared transmission. This device is an infrared transmission medium by infrare

4、d frequency modulation, the analog voice signal and directional transmission of digital signals. The function of this device to achieve transfer, temperature, time, etc. The real-time digital signal transmitting voice an

5、d graphics, but also send text messages. This means the maximum communication distance up to 3m, the maximum distance error r</p><p>　　The innovation of this system is the same channel that can transmit both

6、 analog and digital signals; addition, this system also added an infrared relaying node, has achieved the directional change of direction and extending the signal transmission distance infrared communication to solve the

7、 traditional infrared communication sight propagation shortcomings. </p><p>　　Keywords: infrared transmission; frequency modulation; directional communication; relaying;</p><p><b>　　目 錄

8、</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1 引言1</b></p><p>　　1.2技術背景綜述1</p><p>　　1.3本論文的主要內容2</p><p>　　2 系統(tǒng)方案設計3</p>

9、;<p>　　2.1 總體方案設計3</p><p>　　2.2 技術指標3</p><p>　　2.3 系統(tǒng)工作原理4</p><p>　　3 硬件設計與實現(xiàn)5</p><p>　　3.1 紅外發(fā)射部分5</p><p>　　3.1.1 語音信號的調制原理5</p><p

10、>　　3.1.2 語音信號的調制電路設計6</p><p>　　3.1.3 數(shù)字信號的調制原理7</p><p>　　3.1.4 數(shù)字信號的調制電路設計8</p><p>　　3.1.5 溫度采集電路的設計8</p><p>　　3.1.6 時鐘電路的設計9</p><p>　　3.2 紅外接收部分1

11、0</p><p>　　3.2.1前置放大電路的設計10</p><p>　　3.2.2 FM信號的解調原理11</p><p>　　3.2.3 FM信號的解調電路設計12</p><p>　　3.2.4 2FSK信號的解調原理13</p><p>　　3.2.5 2FSK信號的解調電路設計14</p&

12、gt;<p>　　3.2.6 液晶顯示電路15</p><p>　　3.3 中繼轉發(fā)節(jié)點部分16</p><p>　　3.3.1 中繼轉發(fā)節(jié)點電路設計16</p><p><b>　　4 軟件設計18</b></p><p>　　4.1紅外發(fā)射部分18</p><p>　　

13、4.1.1 紅外發(fā)射程序流程圖18</p><p>　　4.1.2 信道編碼及紅外發(fā)送子程序19</p><p>　　4.2紅外接收部分20</p><p>　　4.2.1紅外接收程序流程圖20</p><p>　　4.2.2 紅外接收及解碼子程序21</p><p>　　5 電路測試及結果分析22<

14、/p><p>　　5.1 問題分析與解決22</p><p>　　5.2 模擬信號的測試22</p><p>　　5.3 數(shù)字信號的測試23</p><p>　　5.4 數(shù)據(jù)記錄23</p><p>　　5.4.1測試條件23</p><p>　　5.4.2數(shù)據(jù)記錄24</p>

15、;<p>　　5.5 測試結果分析25</p><p>　　5.6 實驗結論26</p><p><b>　　6總結和展望27</b></p><p><b>　　6.1總結27</b></p><p><b>　　6.2展望27</b></p&g

16、t;<p><b>　　致謝29</b></p><p><b>　　參考文獻30</b></p><p>　　附錄A 完整電路原理圖31</p><p>　　附錄B 完整實物圖34</p><p><b>　　1 緒論</b></p>&l

17、t;p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　隨著社會的進步，科學技術的飛速發(fā)展，無線通信技術迅猛發(fā)展。最近幾年全球無線通信產業(yè)規(guī)模不斷擴大，近距離無線通信技術也開始廣泛的使用，目前藍牙、Wifi已成為近距離無線通信的主流，然而它們也有些不可避免的缺陷，如成本高，設計復雜，功耗也很大。而紅外無線通信保密性強，不易受電磁波的干擾，因而紅外無線通信技術也開始迅速崛起，其傳輸

18、速率也在不斷提高。紅外通信設備也日益增多。由于紅外線的波長較短，對障礙物的衍射能力比較差，因此只適合于短距離的無線通信。</p><p>　　本文主要介紹的是利用紅外通信原理以及單片機控制，構建了一個基于單片機的紅外語音信號及數(shù)字信號的通信系統(tǒng)，該設計以紅外線作為傳輸載體，實現(xiàn)了信號的無線傳輸。紅外通信是一種點對點的通訊技術，因此也稱之為定向通信。紅外通信的主要優(yōu)點是無需申請頻率的使用權，成本低，設備體積小、功耗

19、低、簡單易用。此外，紅外線發(fā)射角度比較小，安全性能較高。而紅外通信也有其缺點，它是一種視距傳輸，兩個通信設備進行通信時必須對準，而且只能用于兩臺設備之間的連接，中間不能有物體阻隔。而藍牙、WiFi就沒有此限制，且不受墻壁的阻隔。因此如何解決紅外通信的視距輸問題及提高數(shù)據(jù)傳輸率是一個永恒的話題。</p><p><b>　　1.2技術背景綜述</b></p><p>　

20、　自本世紀70年代中期IBM公司發(fā)表了關于紅外無線通信設計的論文以來，人們對于紅外無線通信的研究就從來沒有停止過。主要研究領域包括：紅外通信調制方式的研究、紅外無線LAN的原理、紅外無線通信的均衡技術、紅外無線發(fā)射接收的空間分集研究等[1]。1998年，日本勝利公司研發(fā)出一種商用室內無線紅外通信系統(tǒng)-VIPSLAN-10[2]，成為第一個完全適于與以太網(wǎng)互聯(lián)的無線紅外局域網(wǎng)系統(tǒng)。2000年。Spectrix公司生產了一種商用系統(tǒng)[3],

21、可供1000m2覆蓋范圍內的所有的用戶同時互聯(lián)通信。相比之下，國內的紅外無線通信方面的研究起步較晚。2005年，浙江工業(yè)大學利用室內漫反射的無線紅外光作為信息載體，使用大面積PIII探測器和高靈敏度接收電路制作了無線光接收器，實現(xiàn)了10M傳輸速率的無線上網(wǎng)[4]。</p><p>　　近幾年來紅外線傳輸技術有了很大的發(fā)展。目前家電遙控器，煙霧探測器，紅外報警系統(tǒng)幾乎都是采用的紅外無線傳輸技術。作為無線局域網(wǎng)傳輸方

22、式，紅外傳輸方式的最大優(yōu)點是不易受電磁波的干擾，且對紅外線的使用頻率不用受國家無線管理委員會的限制。但是，紅外線的透過性較差，因而傳輸距離受到很大限制。紅外線的波長在750nm至1mm之間，它是一種人眼看不到的光線。紅外通信一般采用近紅外線進行通信。紅外數(shù)據(jù)協(xié)會成立以后，為了保障不同廠家生產的紅外產品能夠獲取最佳的通信效果，紅外通信協(xié)會將紅外數(shù)據(jù)通信所選用的光波波長范圍限制在850nm至900nm之間。</p><p

23、>　　近些年，隨著智能化設備的遍及，紅外無線通信技術因其抗電磁干擾能力強，因而被廣泛應用于智能機器人，智能家電，智能家居的設計。紅外通信是最常用的近距離無線通信方式之一，采用紅外通信的優(yōu)點是成本低、傳輸速率高且功耗低，從而成為室內手持遙控器設計的首選[5]。除此之外，在有高壓、輻射、有毒氣體和粉塵等環(huán)境下的工業(yè)設備中，紅外通信系統(tǒng)也以其可靠和隔離電氣干擾等特性而深受設計者的喜愛[6].</p><p>　　

24、1.3本論文的主要內容</p><p>　　本論文重點研究以紅外收發(fā)為基礎，利用紅外通信原理，以單片機為控制核心來實現(xiàn)語音信號的傳輸，同時能實時傳輸溫度、時間、文字及圖形等數(shù)字信息。本文主要從硬件和軟件部分著手通過多種方案論證，確定最終的系統(tǒng)設計方案。所涉及的主要硬件模塊包括紅外發(fā)射模塊、紅外接收模塊和紅外中繼轉發(fā)節(jié)點模塊。其中紅外發(fā)射模塊主要由主控制器、液晶顯示、鍵盤電路，調制器和紅外驅動電路等組成。</

25、p><p>　　紅外接收模塊由主控制器、液晶顯示、解調器和紅外接收電路組成。中繼轉發(fā)節(jié)點模塊的功能主要是改變通信的傳輸方向和提高傳輸距離。軟件方面主要完成實時溫度采集、時間的讀取、紅外發(fā)送和紅外接收，并通過液晶顯示接收到的信息。</p><p><b>　　2 系統(tǒng)方案設計</b></p><p>　　2.1 總體方案設計</p>&

26、lt;p>　　本套系統(tǒng)設計采用紅外通信技術實現(xiàn)定向傳輸。紅外通信技術是一紅外線為載體，實現(xiàn)兩點之間的近距離通信。采用紅外通信技術的優(yōu)點是無需申請頻率的使用權，成本低，設備體積小、功耗低、簡單易用。此外，紅外通信還具有安全性能高，無有害輻射等優(yōu)點。但紅外通信系統(tǒng)在進行信號傳輸時，由于受視距影響，其傳輸距離很短，因此紅外通信適合于室內通信。在系統(tǒng)設計中以STC89C52作為核心控制器，用LCD12864作為顯示器，通信方式采用模擬通信

27、和數(shù)字通信兩種方式。即語音信號采用頻率調制(FM)方式，數(shù)字信號采用二進制頻移鍵控(2FSK)方式。再用已調制信號驅動紅外發(fā)射管，紅外接收管將接收到的信號送給后續(xù)電路進行處理，還原出語音信號和數(shù)字信號。系統(tǒng)結構圖如圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)總體結構框圖</p><p><b>　　2.2 技術指標</b></p><p>

28、;<b>　　傳輸距離2m以上；</b></p><p>　　單5V電源供電，功耗低至10mA以下；</p><p><b>　　定向改變傳輸方向；</b></p><p>　　數(shù)據(jù)傳輸速率9.6Kbit/s;</p><p><b>　　實時傳輸；</b></p>

29、<p>　　2.3 系統(tǒng)工作原理</p><p>　　此紅外通信系統(tǒng)由發(fā)射器、中繼轉發(fā)節(jié)點和接收器三部分組成，總設計電路圖見附錄A。傳送語音信號時，信號首先經(jīng)過頻率調制，輸出為幅度不變，頻率隨調制信號變化而變化的矩形脈沖，然后直接控制紅外驅動電路，通過紅外發(fā)射管將以調信號發(fā)射出去。紅外接收管接收到信號后經(jīng)過放大濾波處理，再利用鎖相環(huán)原理直接解調出語音信號。傳輸數(shù)字信號時，單片機首先將要發(fā)送的二進制數(shù)

30、據(jù)以串口形式輸出，再通過2FSK調制，得到的以調信號來控制紅外驅動電路，再通過紅外線將數(shù)據(jù)傳送出去。接收端采用包絡檢波解調方式，再通過抽樣判決器還原出二進制數(shù)據(jù)。然后送給單片機進行處理，單片機對其進行解碼將解碼后的信息用LCD12864顯示。</p><p><b>　　3 硬件設計與實現(xiàn)</b></p><p>　　3.1 紅外發(fā)射部分</p><

31、;p>　　3.1.1 語音信號的調制原理</p><p>　　語音信號傳送，首先經(jīng)過頻率調制，再用已調制信號驅動紅外發(fā)射管，使紅外線調制后發(fā)射出去。電路以CD4046鎖相環(huán)為核心器件，其芯片內帶有壓控振蕩器，當采用有源晶振作為時鐘源時，能獲得高穩(wěn)定系數(shù)的載波頻率，其調制原理如圖3-1所示。</p><p><b>　　設載波</b></p><

32、;p>　　( 3.1- 1 )</p><p><b>　　調制信號</b></p><p>　　，且《， ( 3.1- 2 )</p><p><b>　　則調制信號</b></p><p>　　( 3.1- 3 )</p><p><b>　　

33、令</b></p><p>　　( 3.1 - 4 )</p><p><b>　　再令</b></p><p>　　( 3.1- 5 )</p><p>　　則調頻波的數(shù)學表達式為：</p><p>　　( 3.1- 6 )</p><p>　　其中稱之為調頻

34、指數(shù)。</p><p>　　圖3-1 基于鎖相環(huán)的頻率調制</p><p>　　3.1.2 語音信號的調制電路設計</p><p>　　語音信號經(jīng)過放大器放大后，直接加載到壓控振蕩器上，實現(xiàn)頻率調制，采用1MHZ的有源晶振作為載波源，經(jīng)過分頻器進行四分頻后得到125KHZ的載波其頻率穩(wěn)定度高。再利用CD4046數(shù)字鎖相環(huán)的功能設計出頻率調制電路，由于CD4046頻率

35、自動跟蹤能力有限，其頻率偏移量為載波頻率的10%—15%，而載波頻率為125KHZ，因此最大頻偏設為15KHZ。其調制電路如下圖3-2所示，其中R13，R14和C3確定其最大頻率及最小頻率。取C3=220pF,已知=110KHZ，=140KHZ，根據(jù)芯片手冊：</p><p><b>　　由最小頻率可得電阻</b></p><p>　　R13==6.577K

36、 ( 3.1- 7 )</p><p>　　由于其電阻值不是標稱值，因此采用10KHZ的電位器代替。</p><p><b>　　由最大頻率可得電阻</b></p><p>　　R14//R13==5.167K ( 3.1- 8 )</p><p>　　則R14 = 24K，為了便于調試

37、，這里選取50KHZ的電位器代替。</p><p>　　圖3-2 語音信號的調制電路</p><p>　　3.1.3 數(shù)字信號的調制原理</p><p>　　通過2FSK調制方式實現(xiàn)二進制數(shù)字基帶信號的無線傳輸，其實現(xiàn)原理框圖如圖3-3所示?；鶐盘柾ㄟ^直接控制電子開關實現(xiàn)振蕩器f1和振蕩器f2輸出對應的頻率信號，再通過加法器合成2FSK信號。</p>

38、<p>　　圖3-3 2FSK調制原理圖[7]</p><p>　　3.1.4 數(shù)字信號的調制電路設計</p><p>　　本設計中數(shù)字信號采用2FSK調制方式，其中用載頻f1表示符號“1”,用載頻f2表示符號“0”。本次設計f1為125khz，f2為62.5khz，基帶信號波特率為9600bps/s，載波頻率f1由高穩(wěn)定度的1Mhz有源晶振通過八分頻產生，載波頻率f2由f1

39、經(jīng)過二次分頻產生，其電路原理圖如圖3-4所示： </p><p>　　圖3-4 數(shù)字信號的調制電路</p><p>　　3.1.5 溫度采集電路的設計</p><p>　　本設計采用DS18B20溫度傳感器進行溫度采集，該傳感器只有一個數(shù)據(jù)線與單片機相連，兩者之間采用單總線方式進行通信。DS18B20是世界上第一款采用單總線接口的數(shù)字溫度傳感器。DS18B20的

40、主要特征有：全數(shù)字輸出；采用單總線通信；最高有12位分辨率，精度可達土0.1°C,溫度檢測范圍為-55°C - +125°C[8]；具有限溫報警功能；內置產品序列號，便于多機掛接。</p><p>　　圖3-5 溫度采集電路</p><p>　　3.1.6 時鐘電路的設計</p><p>　　采用DS1302時鐘芯片，此芯片不但可以對

41、年、月、日、星期、時、分、秒進行計時，并且具有閏年補償功能[9]。DS1302有三根線與單片機相連，即RST，I/O，SCLK。當RST從低電平變成高電平完成一次數(shù)據(jù)傳輸，I/O為數(shù)據(jù)線，SCLK為時鐘線，DS1302的RAM單元共有31個，每個單元為一個8位的字節(jié)，其命令控制字為C0H～FDH，奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作，數(shù)據(jù)讀寫時序圖如圖3-6所示。工作時需要進行初始化，即將復位腳(RST)置為高電平并將八位地址和命令信息寫入移位寄

42、存器。數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿時串行寫入，其中前8位為訪問地址，電路原理圖如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-6 數(shù)據(jù)讀寫時序[10]</p><p><b>　　圖3-7 時鐘電路</b></p><p>　　3.2 紅外接收部分</p><p>　　3.2.1前置放大電路的設計</p><p

43、>　　接收部分采用紅外接收管接收紅外信號，由于隨著傳輸?shù)木嚯x越遠，紅外信號越微弱，為了能使通信距離達到更遠，因此需要對接收信號進行放大處理。本設計采用晶體管放大電路，放大級數(shù)為三級，每級放大倍數(shù)約為10倍，三級放大1000倍。其電路原理圖如下圖3-8所示：</p><p>　　圖3-8 前置放大電路</p><p>　　3.2.2 FM信號的解調原理</p><p

44、>　　調頻信號的解調有非相干解調和相干解調，相干解調僅適合于NBFM信號，而非相干解調對NBFM和WBFM均使用。</p><p>　　FM非相干解調的核心器件是鑒頻器，鑒頻器是由微分電路和包絡檢波器組成。微分器的作用是把幅度恒定的調頻信號變成幅度和頻率都隨調制信號變化的的調幅調頻信號。</p><p><b>　　即</b></p><p&

45、gt;　　[11] ( 3.2- 1 )</p><p>　　包絡檢波器則濾除高頻分量將其幅度的變化檢出，再通過隔直電容隔去直流分量，即可得到解調器輸出</p><p>　　( 3.2- 2 )</p><p>　　其中為鑒頻器的靈敏度。接收端應采用CD4046模擬鎖相環(huán)進行解調。解調時當輸入為FM信號時，如果環(huán)路濾波器的帶寬足夠寬，能夠使鑒相器輸出的電壓順

46、利通過，則壓控整蕩器就可以跟蹤輸入的FM信號，即VCO的輸出便是一個與調制信號具備相同調制規(guī)律的FM波[12]。此時再將VCO輸出的FM波通過環(huán)路濾波器后輸出的就是對FM進行解調后的信號,其原理框圖如圖3-9所示。 </p><p>　　圖3-9 基于鎖相環(huán)的FM解調</p><p><b>　　設窄帶調頻信號</b></p><p>　　(

47、 3.2- 3 )</p><p><b>　　并設相干載波</b></p><p>　　( 3.2 - 4 )</p><p><b>　　則乘法器輸出為</b></p><p>　　( 3.2- 5 )</p><p>　　經(jīng)低通濾波器后輸出為</p>&l

48、t;p>　　( 3.2- 6 )</p><p>　　再經(jīng)微分器解調輸出為</p><p>　　( 3.2- 7 )</p><p>　　3.2.3 FM信號的解調電路設計</p><p>　　本論文中采用的是鎖相環(huán)解調，鎖相環(huán)在窄帶范圍內具有頻率自動跟蹤能力，在窄帶范圍內接收端的壓控整蕩器產生的信號頻率能自動跟蹤輸入的FM信號頻率，再

49、通過環(huán)路濾波器濾除高頻分量則可解調出語音信號，其電路原理如圖3-10所示。由上述3.1-7、3.1-8同理可求得R43 = 6.577K，R43//R44=5.167K，為了便于調試分別采用10KHZ和50KHZ的電位器代替。</p><p>　　圖3-10 FM信號解調電路 </p><p>　　3.2.4 2FSK信號的解調原理

50、</p><p>　　2FSK信號常采用非相干和相干解調，本設計采用的是非相干解調，其解調原理是將2FSK信號通過兩路帶通濾波器后分解分解出兩路2ASK信號，再分別進行解調，然后進行抽樣判決。這里的抽樣判決是通過對兩路信號進行定時抽樣再比較抽樣值的大小，不用專門設置門限值。同時判決規(guī)則應與調制規(guī)則相呼應，否則判決時解調出的碼元信息會全部錯碼。如調制時載波頻率f1表示符號”1”，則接收時判決器應判決為”1”，反之則

51、判為”0”。其解調原理如下圖3-11所示：</p><p>　　圖3-11 2FSK非相干解調原理圖</p><p>　　3.2.5 2FSK信號的解調電路設計</p><p>　　根據(jù)非相干解調原理，設計出了2FSK信號的解調電路，接收信號首先經(jīng)過限幅處理，再通過上下兩路有源帶通濾波器，分別提取出不同的載波信息，然后通過包絡檢波器和抽樣判決器解調出數(shù)字基帶信號，其

52、電路原理如圖3-12所示。電路性能參數(shù)設計：</p><p><b>　　通帶增益</b></p><p><b>　?。?.2- 8）</b></p><p><b>　　中心頻率</b></p><p><b>　　（3.2- 9）</b></p

53、><p><b>　　通帶帶寬</b></p><p><b>　?。?.2- 10）</b></p><p>　　令C1=C2=C=220pF，=R，4.7K，由3.1.3可知=f1=125KHZ取B=30KHZ，由公式3.2-9可計算出R=5.787K，由公式3.2-10可計算=7.6K。 同理令C8=C9=C=220pF

54、，=，4.7K，可計算出=11.575K，7.6K。</p><p>　　圖3-12 2FSK解調原理圖</p><p>　　3.2.6 液晶顯示電路 </p><p>　　此電路模塊由STC89C52單片機和LCD12864顯示電路共同構成，液晶顯示器用于顯示接收到的溫度、時間、文字和圖像等信息。單片機的主要功能數(shù)據(jù)解碼和控制液晶顯示器。LCD12864是一種具有

55、串行和并行兩種控制方式，內部含有簡體中文字庫的液晶顯示模塊，其分辨率為128×64，內置128個16*8點ASCII字符集和8192個16*16 點漢字[13]。該模塊接口方式靈活和操作指令簡便，能夠同時顯示8×4個16×16點陣的漢字，也可以顯示圖形。該顯示模塊另一顯著特點是低電壓低功耗。由該模塊構成的液晶顯示方案，電路結構簡單，顯示程序簡潔，且價格低廉。它通過串口方式接收數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行解碼，并將解碼后

56、的信息用LCD12864液晶進行顯示，電路原理如圖3-13所示：</p><p>　　圖3-13 液晶顯示電路</p><p>　　3.3 中繼轉發(fā)節(jié)點部分</p><p>　　3.3.1 中繼轉發(fā)節(jié)點電路設計</p><p>　　設置中繼轉發(fā)節(jié)點站其目的是能夠增強紅外線的傳輸距離，而且能任意改變傳輸方向。此電路有放大電路和紅外驅動電路組成，

57、放大電路采用晶體三極管為放大器件，并經(jīng)過了三級放大，紅外驅動電路采用的是74HC系列驅動器，其驅動能力強，頻率響應快。另外此電路還設有信號檢測裝置。當接收到信號時，信號指示燈就會點亮，反之信號指示燈熄滅。其電路原理圖如圖3-14所示。</p><p>　　圖3-14 中繼轉發(fā)節(jié)點電路</p><p><b>　　4 軟件設計</b></p><p&

58、gt;　　4.1紅外發(fā)射部分 </p><p>　　紅外發(fā)射部分包括系統(tǒng)主程序、信道編碼及紅外發(fā)射子程序、顯示模塊子程序、DS1302時鐘芯片驅動子程序、DS18B20溫度傳感器驅動程序。單片機上電后，首先要進行初始化，以便系統(tǒng)能夠正常工作。單片機控制的部分包括DS1302時鐘芯片、DS18B20溫度傳感器、液晶顯示器和通道選擇控制。單片機與DS1302進行SPI通信，單片機可向芯片進行讀寫操作，以此來進行時間設

59、定和讀取。DS18B20為單總線通信模式，它只有一根數(shù)據(jù)線與單片機連接，溫度檢測精度可達±0.1度。</p><p>　　4.1.1 紅外發(fā)射程序流程圖</p><p>　　單片機內部設有定時器，定時溢出后，單片機就會將當前溫度和時間進行特殊編碼后，以串口形式發(fā)送出去。當數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，程序會跳轉至初始化之后重新運行程序，以此周而復始的工作，其程序流程圖如圖4-1所示：</

60、p><p>　　圖4-1 紅外發(fā)射程序流程圖</p><p>　　4.1.2 信道編碼及紅外發(fā)送子程序</p><p>　　信道編碼方式是在一串數(shù)據(jù)之前插入以一段16比特的識別碼，以便接收端能正確解碼。編碼完成后將編碼好的數(shù)據(jù)以串口方式發(fā)送出去，其程序代碼如下。</p><p>　　void Key_TXD() //掃描是否發(fā)送數(shù)據(jù)</p

61、><p>　　{ uchar i，*DData;//定義一個數(shù)組，用于存放時間等信息</p><p>　　uint Test_Deg; //定義一個整形變量，將讀取的溫度值存儲在此變量中</p><p>　　static uchar m=1,n=0; </p><p><b>　　if(m==1)</b></p&g

62、t;<p>　　{m=0;n=30;</p><p>　　kongzhi = 0;//選擇數(shù)字通道</p><p>　　SBUF = CODE1;//發(fā)送識別碼1</p><p>　　while(!TI); //等待發(fā)送完畢</p><p>　　TI = 0; //發(fā)送完畢后，軟件將串口發(fā)送標志位置零</p>

63、<p>　　SBUF = CODE2;//發(fā)送識別碼2</p><p>　　while(!TI); //等待發(fā)送完畢</p><p>　　TI = 0;//發(fā)送完畢后，軟件將串口發(fā)送標志位置零</p><p>　　DData = ReadTime_Ds1302(); //獲取時間，準備發(fā)送數(shù)據(jù)</p><p>　　for(i=0

64、;i<7;i++) 發(fā)送時間信息</p><p>　　{ SBUF = DData[i];while(!TI);TI = 0;}</p><p>　　Test_Deg = Readtemp();//獲取溫度，準備發(fā)送數(shù)據(jù)</p><p>　　SBUF = Test_Deg/256;//發(fā)送高8位， 發(fā)送溫度信息</p><p>　

65、　while(!TI);</p><p><b>　　TI = 0;</b></p><p>　　SBUF = Test_Deg%256; //發(fā)送低8位</p><p>　　while(!TI);</p><p><b>　　TI = 0;</b></p><p>　　

66、kongzhi = 1; </p><p><b>　　}</b></p><p>　　Else //延時發(fā)送</p><p>　　{ n--; if(n == 0) m=1;}}</p><p><b>　　4.2紅外接收部分</b></p><p>　　4

67、.2.1紅外接收程序流程圖</p><p>　　紅外接收部分包括系統(tǒng)主程序、顯示模塊子程序、紅外接收及解碼子程序。</p><p>　　接收部分的單片機通過一直掃描串行口接收端電平變化，沒有信號時其端口一直為高電平，當有信號時，其端口電平由高電平變?yōu)榈碗娖?，單片機內部采用樣電路以波特率的16倍速率開始進行采樣，將采樣的值存入SBUF緩存器中，一次寫入八個比特。數(shù)據(jù)接收完后，開始對數(shù)據(jù)進行對

68、應的解碼。并判斷解碼是否出錯，當有錯誤時，直接刪除接收的數(shù)據(jù)，等待下一次數(shù)據(jù)接收，反之，則解碼后的數(shù)據(jù)用LCD12864進行顯示，其接收程序流程圖如圖4-2所示：</p><p>　　圖4-2 紅外接收程序流程圖</p><p>　　4.2.2 紅外接收及解碼子程序</p><p><b>　　//串口中斷函數(shù)</b></p>

69、<p>　　void ser(void) interrupt 4 //采用串口模式接收數(shù)據(jù)</p><p>　　{static uchar a,b;</p><p>　　RI = 0; //串口中斷標志位清0</p><p>　　if(flag==0)//引導碼判別，共有16位引導碼 一次接收8比特，分兩次接收</p><

70、p>　　{a = SBUF; flag++;} //接收第一個引導碼</p><p>　　else if(flag==1) //引導碼判別</p><p>　　{ b = SBUF; flag++;//接收第二個引導碼</p><p>　　if(a==CODE1&&b==CODE2)</p><p>　　{

71、 c=1;a=0;b=0; } //設置接收模式1</p><p>　　else if(a==CODE3&&b==CODE4)</p><p>　　{ a=0;b=0; c=2;}//設置接收模式2</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else if(flag==2)

72、 //準備接收數(shù)據(jù)</p><p><b>　　switch(c)</b></p><p>　　{case 0: flag = 0;break;</p><p>　　case 1: //模式1，接收溫度，時間</p><p>　　data1[i] = SBUF; i++; //數(shù)據(jù)存放于一個數(shù)組<

73、/p><p><b>　　if(i>=9) </b></p><p>　　{ i=0;flag = 0;c = 0 ;}break;</p><p>　　case 2://模式2，接收圖形，文字</p><p>　　Data[i] = SBUF;i++;</p><p>　　if(i&

74、gt;=16) </p><p>　　{i=0;mark=1;}break;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else flag = 0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　5 電路測試及結果分析</p&g

75、t;<p>　　5.1 問題分析與解決</p><p>　　在調試過程中，遇到了很多我所忽略的問題。比如在發(fā)送端發(fā)送紅外信號時，不論在任何位置接收端用示波器始終觀察不到接收信號，通過分析以及查找相關資料，可能是接收管與發(fā)送管不匹配，將其更換為波長為850nm的紅外發(fā)射管和接收管后，能夠正常接收紅外信號。在對數(shù)字信號進行解調時，誤碼率時大時小，不能正常接收數(shù)據(jù)，通過觀察示波器上的定時脈沖序列波形，其相

76、位一直在漂移，由此說明在抽樣判決時沒有達到位同步，最后利用單片機的外部下降沿中斷，來提取位同步信息，最終實現(xiàn)了位同步，誤碼率大大減小。在解調FM信號時，信號失真較大，聲音較模糊，通過分析可能是鎖相環(huán)不能夠對輸入信號進行快速頻率跟蹤，導致鎖相環(huán)處于失鎖狀態(tài)，通過調整相關參數(shù)增加環(huán)路濾波器的帶寬，使鎖相環(huán)捕捉信號頻率所需時間大大降低，因此解調出的信號失真度也得到了很大程度的降低。</p><p>　　5.2 模擬信號

77、的測試</p><p>　　在通信距離為1.5m時，在輸入端接入幅度為150mV,頻率為3.10KHZ的正弦波，通過示波器可以觀察輸入端的波形和解調器輸出端的波形，如下圖5-1所示，可知，解調后的波形與輸入端的波形基本相同，說明系統(tǒng)能正常的進行模擬通信。</p><p>　　圖5-1 語音信號輸入波形與解調輸出波形</p><p>　　5.3 數(shù)字信號的測試<

78、/p><p>　　在數(shù)據(jù)傳輸率為9600bit/s,通信距離為1.5m時，通過示波器觀察數(shù)字信號的輸入端和解調器的輸出端的波形，如圖5-2所示。通過觀察可知，解調后的波形與輸入端的波形完全相同，說明系統(tǒng)能正常進行數(shù)字通信。</p><p>　　圖5-2 數(shù)字信號輸入波形與解調輸出波形</p><p><b>　　5.4 數(shù)據(jù)記錄</b></p

79、><p><b>　　5.4.1測試條件</b></p><p>　　紅外發(fā)射模塊供電電壓：5V</p><p>　　紅外接收模塊供電電壓：5V</p><p>　　中繼轉發(fā)節(jié)點供電電壓：5V</p><p><b>　　測試地點：室內</b></p><p&

80、gt;<b>　　測試溫度：27°C</b></p><p>　　誤碼率：以傳送8192個碼元為準，接收到錯誤碼元個數(shù)占總接收碼元數(shù)目的比例。</p><p><b>　　5.4.2數(shù)據(jù)記錄</b></p><p>　　表5-1 模擬信號失真度與通信距離的關系</p><p>　　表5-2

81、 誤碼率與通信距離的關系</p><p>　　5.5 測試結果分析</p><p>　　根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，畫出模擬信號失真度和數(shù)字信號誤碼率與通信距離的關系統(tǒng)計圖。如圖5-3、5-4所示。</p><p>　　圖5-3 模擬信號失真度與通信距離關系</p><p>　　圖5-4 數(shù)字信號誤碼率與通信距離關系</p><p&

82、gt;　　通過觀察圖5-3模擬信號失真度與通信距離關系中五組數(shù)據(jù)的走線趨勢，接收的模擬信號在通信距離為2.0米時失真度開始明顯增加，因此在進行語音通信時最大通信距離約為2.0米。</p><p>　　通過觀察圖5-4數(shù)字信號誤碼率與通信距離關系中五組數(shù)據(jù)的走線趨勢，數(shù)據(jù)分析在通信距離超過1.8m后，誤碼率開始顯著增高，因此在進行數(shù)字通信時最大通信距離約為1.8m。</p><p><

83、b>　　5.6 實驗結論</b></p><p>　　通過實驗可得出，采用紅外線作為傳輸媒介進行定向通信能夠實現(xiàn)模擬語音信號和數(shù)字信號的傳輸，證明采用紅外通信這一方案可行。對實驗數(shù)據(jù)進行分析后可知，紅外通信距離比較短，通信距離2m左右因此不適用長距離通信。在系統(tǒng)中還增加了一個紅外中繼轉發(fā)節(jié)點，此中繼轉發(fā)節(jié)點能實現(xiàn)紅外信號的轉發(fā)，以此來增強信號的強度，而且能定向改變傳輸距離，通過實驗表明，在增加了

84、中繼轉發(fā)節(jié)點后通信距離增加到原來的2倍，同時也實現(xiàn)了信號傳輸方向的改變，以此能得出，中繼轉發(fā)節(jié)點能解決紅外通信傳輸距離短以及不能繞開障礙物等缺點。然而當中繼轉發(fā)節(jié)點增加過多時，對于模擬信號而言就會降低信號的信噪比，從而降低了通信系統(tǒng)的可靠性，因而一味的增加中繼轉發(fā)節(jié)點來增加傳輸距離的方式不可取，為此只能采用增加發(fā)射功率的方式。但此時又會增加系統(tǒng)的功耗。為了解決上述矛盾，通過實驗在發(fā)射管上安裝一個聚光環(huán)能夠使紅外線聚焦為一條平行的紅外光線

85、，此種方法能夠提高發(fā)射效率，因此本設計采用此種設計方法。另一方面采用紅外通信功耗很低，而且具有較強的抗干擾能力。在傳輸語音模擬量，并能傳輸溫度、時間、文字和圖形等數(shù)字量，由此可知采用紅外通信方式，模擬量和數(shù)字量能共用</p><p><b>　　6總結和展望</b></p><p><b>　　6.1總結</b></p><p

86、>　　本次設計采用紅外通信技術完成了定向通信系統(tǒng)的設計與制作。此紅外通信系統(tǒng)包括紅外發(fā)射部分和紅外接收部分和中級轉發(fā)節(jié)點部分。紅外發(fā)射部分是用基帶信號對紅外光源進行調制后發(fā)射紅外調制信號。紅外接收系統(tǒng)是用紅外接收管接收紅外信號，并經(jīng)過放大濾波后，對信號進行解調，還原出原始基帶信號。此系統(tǒng)的特點是模擬量和數(shù)字量能共用一個信道同時傳輸，而且對數(shù)據(jù)的接收沒有任何影響，此系統(tǒng)所能完成的功能包括語音信號的傳輸，溫度、時間等數(shù)字信息的實時傳輸

87、，以及能傳送圖形、文字等信息。此系統(tǒng)在設計中采用了兩種調制技術，即頻率調制和2FSK調制，在傳輸語音信號時，采用頻率調制方式，采用此種方法對語音信號失真度很小，而在傳輸溫度、時間文字，圖形等數(shù)字信息時采用2FSK調制技術,傳輸速率可達9.6Kbit/s。在接收端對調頻信號進行解調時采用鎖相環(huán)技術進行解調，對2FSK信號進行解調時采用非相干解調方式，此系統(tǒng)還增加了一個中繼轉發(fā)節(jié)點，此中繼轉發(fā)節(jié)點的作用是增強紅外信號的強度，以此來增加傳輸距

88、離。另外中繼轉發(fā)節(jié)點還能改變信號的傳輸方向，以此來繞開障礙物，實現(xiàn)信號更加穩(wěn)定的傳輸。</p><p>　　通過此次紅外通信裝置的設計與實物制作，我更近一步掌握了紅外通信系統(tǒng)的設計原理，以及提高了電路的設計能力與調試水平。通過實物的制作，在很大程度上提高了我的動手能力以及發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。</p><p><b>　　6.2展望</b></p>

89、<p>　　本文以紅外線作作為傳輸媒介設計了一個定向通信裝置，基本上完成了設計任務。但在設計中通信距離一直都沒有得到很大的突破。如果采用發(fā)射角度很小的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線，在不增加發(fā)射功率的情況下，可以提高發(fā)射效率，這樣就能增加傳輸距離。系統(tǒng)中語音信號的傳送采用的是頻率調制技術，此種方法雖然失真度很小，但其缺點是要占用很大的帶寬。如果采用自適應增量，將模擬信號轉化為數(shù)字信號進行傳輸，不僅節(jié)約了帶寬，而且也提高了信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性

90、。但由于自適應增量調制電路設計較為復雜，短時間內很難完成，因此本文綜合考慮后采用頻率調制最為合理。</p><p>　　目前，已經(jīng)有研究把紅外通信應用到無線局域網(wǎng)[14],隨著科學技術的日益發(fā)展，由紅外通信系統(tǒng)構成的無線局域網(wǎng)，將有可能在辦公室實現(xiàn)無線網(wǎng)絡。</p><p>　　另一方面，隨著技術的快速發(fā)展，紅外收發(fā)器件的體積將會越來越微型化，傳輸速率會越來越高，傳輸距離也將會逐漸增加。紅

91、外通信設備將朝著微型化，高速率，遠距離方向發(fā)展。</p><p>　　預計在不久的將來，紅外無線通信技術將得到廣泛的應用，數(shù)字蜂窩電話、醫(yī)療設施、局域網(wǎng)接入設備等都將采用紅外無線通信技術。紅外無線通信技術的推行意味著計算機用戶能夠不用電纜進行連接的新潮行將到來。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本論文是在我的指導老

92、師**的精心的指導和悉心的關懷下才完成的，在我的學業(yè)進修和論文完成的過程中無一不傾注著*老師辛勤的汗水。在我最困難，最迷茫的那還時間內，*老師給我了許許多多的幫助和關懷。*老師在治學上的嚴謹態(tài)度、以及他淵博的知識還有無私的奉獻精神都是我受益匪淺。從敬愛的夏老師身上，我們不僅學到了專業(yè)、寬廣的專業(yè)知識，而寫還學到了許許多多的為人處事的道理。在此，我向夏老師表示最誠摯的敬意和最衷心的感謝。</p><p>　　在四年

93、的學習生活中，各位老師在很多方面都給予了我們熱情的關心、幫助和指導，在此我們向他們表示衷心的感謝。</p><p>　　此外，我們更要真摯地感謝四年來默默為我們奉獻并鼓勵我們克服困難完成學業(yè)的家人、親戚和朋友。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 徐海峰，劉賢德.國外無線紅外數(shù)字通信的研究[J].紅外技術，

94、1998， 20(3):31～36</p><p>　　[2] F.R.Gfeller and U.H.Bapst,Wireless in-house data communication via diffuse infrared radiation[R],proceedings of the IEEE, 1979, 67(11):1474-1486</p><p>　　[3] Spec

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99、t;<p>　　[14] Carruthers J B，Kahn J M. Modeling of nondirected wereless infrared channels[J].IEEE Transactions on Communications,1997,45(10):1260～1268</p><p>　　附錄A 完整電路原理圖</p><p><b>

100、;　　1 發(fā)射電路</b></p><p><b>　　2 接收電路</b></p><p><b>　　3 中繼轉發(fā)節(jié)點</b></p><p><b>　　附錄B 完整實物圖</b></p><p>　　1 通信系統(tǒng)完整實物圖</p><p&