红外通信装置 毕业设计论文

摘要

红外线是近距离，高速无线通信的一种手段，作为一种近距离，室内通信手段，红外线具有无线电无法比拟的优势。

本文介绍的系统是利用红外通信信道构成红外无线近程设备控制系统，可以满足无线控制的需要。本文主要阐述了红外线通信的工作原理与实现方法，红外线无线通信过程，详细的分析了系统设计中的每一个模块，得出了这一系统的最佳实施方案，成功的完成了系统的设计。本系统分为3个模块：电源模块，红外线发射模块，红外线接收模块。电源模块采用了7805组成的5V电源。红外线发射模块中主要是采用三极管，LM386将接收到的信号进行电压放大和功率放大以及红外线发射管。在红外线接收模块中主要是采用三极管，LM386将接收到的信号进行电压放大和功率放大以及红外线接收管。其系统实现的功能是利用红外发光管和红外光接收模块作为收发器件，传输距离为2米。

关键词：红外线发射管红外线接收管 LM386音频集功放器

Abstract

I nfrared ray is close, a means of high-speed wireless communication, as a kind of close, indoor means of communication, infrared has incomparable advantage over radio.

System is introduced in this paper by using the infrared communication channel constitute the infrared wireless short-range equipment control system, can meet the needs of the wireless control. This article mainly expounds the working principle and implementation method of infrared communication, infrared wireless communication process, a detailed analysis of each module of the system design, the best scheme of this system are derived, successfully completed the design of the system. This system is divided into three modules: voice module, the infrared emission module, the infrared receiving module. Power supply module adopts the 7805 of 5 v power supply. mainly used in infrared emission module triode, LM386 will receive the signal voltage amplifier and power amplifier and infrared transmitting tube. Mainly used in infrared receiving module triode, LM386 will receive the signal voltage amplifier and power amplifier and infrared receiving tube. The function of system implementation is the use of infrared light-emitting tube as the transceiver devices and infrared receiving module, transmission distance is 2 meters.

keyword: I nfrared Diodes Infrared Receiving Tube Set The Audio Power Amplifier

目录

摘要------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ I Abstract -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- II 第一章总体设计方案---------------------------------------------------------------------------------------- 1

1.1 红外通信的发展背景------------------------------------------------------------------------------- 1

1.2 总体设计方案---------------------------------------------------------------------------------------- 2

1.3 电源模块模块论证与选择 ------------------------------------------------------------------------ 2

1.4 红外光发射模块论证与选择 --------------------------------------------------------------------- 3

1.6 系统各模块的最终方案 --------------------------------------------------------------------------- 4 第二章电路的设计 ------------------------------------------------------------------------------------------- 5

2.1 总体系统电路的设计------------------------------------------------------------------------------- 5

2.2 各个模块的电路设计------------------------------------------------------------------------------- 6

2.2.1 电源模块功能介绍 ------------------------------------------------------------------------ 6

2.2.2 红外光发射模块功能介绍--------------------------------------------------------------- 6

2.2.3 红外光接收模块功能介绍--------------------------------------------------------------- 7

2.3 电路参数的计算及元器件的选择--------------------------------------------------------------- 8

2.3.1 电路参数的计算 --------------------------------------------------------------------------- 8

2.3.2 元器件的选择------------------------------------------------------------------------------- 8

2.3.3 特殊器件的介绍 --------------------------------------------------------------------------- 9

2.3.4 各模块的连接------------------------------------------------------------------------------ 11 第三章测试方案与测试结果------------------------------------------------------------------------------ 13

3.1 测试方案 --------------------------------------------------------------------------------------------- 13

3.2 测试仪器 --------------------------------------------------------------------------------------------- 13

3.3 测试结果及分析------------------------------------------------------------------------------------ 13

3.3.1 测试结果------------------------------------------------------------------------------------ 13

3.2.2 测试分析与结论 -------------------------------------------------------------------------- 14 第四章设计总结----------------------------------------------------------------------------------------------- 15 第五章心得体会----------------------------------------------------------------------------------------------- 16 参考文献 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 17 附录一系统实物图-------------------------------------------------------------------------------------------- 18 附录二系统电路图-------------------------------------------------------------------------------------------- 20

第一章总体设计方案

1.1 红外通信的发展背景

20世纪80年代人类进入信息时代以来，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息交换为中心。因此，信息技术进入新发展时期，作为信息产业三大支柱之一的传感器技术也进入迅速发展的新阶段，“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已被全世界所公认。所以。从20世纪80年代以来，在世界范围内，利用现代科学技术研究开发了一批新型传感器，新型传感器功能材料，使用传感器技术得到飞速发展，并取得了可喜的成就。红外线技术在传感器中的应用就是其中一例，随着信息技术的普及和发展，尤其是跨入21世纪后，红外线也得到了迅速发展，红外探测和控制技术已渗透到国民经济的各行和人民生活的方方面面。

红外通信技术适合于低成本、跨平台、点对点高速数据连接。其主要应用：设备互联、信息网关。设备互联后可完成不同设备内文件与信息的交换。信息网关负责连接信息终端和互联网。红外通信技术是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其特点主要有：

1.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。

2. 主要是用来取代点对点的线缆连接。

3. 新的通信标准兼容早期的通信标准。

4.小角度（30度锥角以内），短距离，点对点直线数据传输，保密性强。

5. 传输速率较高，4M速率的FIR技术已被广泛使用，16M速率的VFIR技术已经发布。

6.不透光材料的阻隔性，可分隔性，限定物理使用性，方便集群使用：红外线技术是限定使用空间的。在红外不传输的过程中，遇到不透光的材料，如墙面。它就会反射，这一特点，确定了每套设备之间，可以在不同的物理空间里使用。

7.无频道资源占用性，安全特性高：红外线利用光传输数据的这一特点确定了它不存在无线频道资源的占用性，且安全性特别高。在限定的空间内使用进行窃听数据可不是一件容易的事。

8.优秀的互换性，通用性。因为采用了光传输，且限定物理使用空间。红外线发射和接收设备在同一频率的条件下，可以相互使用。

9.无有害辐射的特性：科学实验证明，红外线是一种对人体有益的光谱，所以红外线产品是一种真正的绿色产品。

此外，红外线通信还有抗干扰性强，系统安装简单，易于管理等优点。

1.2 总体设计方案

红外线通信系统的构成，它由3个部分组成：电源模块，红外线发射模块，红外线接收模块。红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为载体，来进行通信。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。红外线接收管接收信号后经过三极管电压放大，LM386电压放大后传输到扬声器。

系统硬件构成框图如图1.1所示。

图 1.1 系统硬件构成框图

为了实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。

1.3 电源模块模块论证与选择

方案一：7805组成的5V输出电源。内部电路具有调节电位继，只需要经过调解电位继RP即可调节输出的电压。IC采用集成稳压器，并带有电流旁电路，是7805稳压器输出级不易被损坏，能够很好的输出5V电压，而且成本低，电路简单，操作简便。如图1.2所示。

图1.2 7805组成的5V输出电源图

方案二:采用A723构成的输出20A 5V稳压电源。该电源电路外接晶体管使输出电流达到20A，若输出电压超过6V，晶闸管VS动作，防止输出端短路时产生的过电压，若输出电压低于5V时，输入电压约为13V，A723的工作电源由辅助电源提供，恒流保护回路的动作电流约为30A，输出电压可调范围为4.92-5.09V，电路中采用多个晶体管并联须注意均流问题，电路复杂，操作难。

综上所述，采用方案一。

1.4 红外光发射模块论证与选择

方案一：设计的原则是考虑红外发射管的工作电流，电流过小，传输距离短，电流过大容易毁坏发光管。在本系统中，红外发送模块的电路图如图1.3所示。

图1.3 红外线发射模块电路图

这是一个共发射极的放大电路，调整基极偏置，输入模拟信号经过电压与功率放大，红外发光二极管的输出功率也随着模拟信号而改变，从而可以将输入信

号发送出去。此操作既简单又方便。

方案二：利用单片机STC89C52对输入模拟信号进行控制，由于输入的模拟信号很小，距离很短，要是想实现远距离传输，还需要通过单片机对输入的模拟信号进行A/D转换，将输入的模拟信号变为数字信号，即可远距离传输，但是电路很复杂，而且需要程序，如果单片机学不好的，程序很难写出来，操作繁琐。

综上所述，采用方案一。

1.5 红外光接收模块论证与选择

方案一：利用红外发光管接收信号，将接收到的信号通过三极管将电压放大，再通过LM386将功率放大，最后通过简单地驱动电路，输送到扬声器。成本低，操作简单，容易检修。

方案二：在发光二极管接收到信号之后，直接采用光电检测器，光电检测器是发光接收机的第一个关键部件，其作用是将光信号转换成电信号，采用的发光二极管是光电二极管302 。虽然这设计可以很好的接收到信号，而且获得较好的语音信号，但是成本低，价格昂贵，而且不易于购买，操作不简单。

综上所述，采用方案一。

1.6 系统各模块的最终方案

经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下:

（1）电源模块：采用7805组成的5V输出电源。

（2）红外光发射模块：采用三极管与LM368放大后的发射模块。

（3）红外光接收模块：采用三极管与LM368放大后的接收模块。

第二章电路的设计

2.1 总体系统电路的设计

本系统通过运用红外发光管和红外光接收模块作为收发器件，用来定向传输语音信号，传输距离2米之内，当接收装置不能接收发射端发射的信号时，要用发光管指示。由语音信号源提供信号，由三极管将进行电压放大，再经过LM386进行音频功放，发射管将信号输送出去，接收管收到信号后由三极管将进行电压放大，再经过LM386进行音频功放，最后输送到扬声器。

总体系统结构框图如图2.1.1所示，电路图如图2.1.2所示。

图2.1.1 总体系统结构框图

图2.1.2 总体系统电路图

2.2 各个模块的电路设计

2.2.1 电源模块功能介绍

采用7805组成的5V输出电源，内部电路具有调节电位继，只需要经过调解电位继RP即可调节输出的电压。IC采用集成稳压器，并带有电流旁电路，是7805稳压器输出级不易被损坏，能够很好的输出5V电压提供给红外线发光模块与红外线接收模块中电路使用。

2.2.2 红外光发射模块功能介绍

这是一个共发射极的放大电路，调整基极偏置，输入模拟信号经过电压与功率放大，红外发光二极管的输出功率也随着模拟信号而改变，从而可以将输入信号发送出去。

红外发射模块框图如图2.2.1所示与电路图如图2.2.2 所示：

图2.2.1 红外线发射模块框图

图2.2.2 红外线发射电路图

2.2.3 红外光接收模块功能介绍

利用红外发光管接收信号，将接收到的信号通过三极管将电压放大，再通过LM386将功率放大，必须进行增益调节，就要用到可变电阻，本设计中要调试使其能达到较大的增益，最后通过简单地驱动电路，输送到扬声器。

红外线接收模块的框图如图2.2.3所示与电路如图2.2.4所示：

图2.2.3 红外线接收模块框图

图2.2.4 红外线接收电路图

2.3 电路参数的计算及元器件的选择

2.3.1 电路参数的计算

LM386放大电路增益的计算：

增益= 30000/(150+((1350*R)/(1350+R)))，R为1,8引脚之间串联的电阻。因此，

增益=30000/(150+((1350*0)/(1350+0)))=200；

2.3.2 元器件的选择

一、元器件类型

1、发射部分：

电容：（C1）0.1fμ(C2)10fμ (C3)10fμ (C4)33fμ (C5)0.1fμ

电阻：（R1）10K (R2)10K (R3)100K (R4)100K (R5)1K (R6)100Ω三极管：9014 小功率放大管，9015小功率放大管

发射管：VD1

音频集成功放：LM386

2、接收部分：

电容：（C6）0.1fμ(C7)10fμ(C8)250fμ(C9)10fμ,

电阻：（R7）10K (R8)100K (R9)1K (R10)10K

三极管：9014 电压放大管

音频集成功放：LM386

接收管：VD2

二、器件选择注意事项

VT1选用9013NPN小功率三极管，要求电流放大系数大于220，P CM=0.625W，I cm=0.5A 。

VD1，VD2选择SE303型红外线发光二极管，VD选用PH302型红外线接收管（不要选用光电二极管，以免干扰，影响接收效果）。

选用CD11- 16V型CD11- 16V型电解电容器

采用5V稳压电源（电池盒）

2.3.3 特殊器件的介绍

音频集成功放LM386的介绍

LM386内部电路

LM386内部电路原理图如图所示。

图2.3.1-LM386内部原理图

与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路。第一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。

第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。

第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。电路由单电源供电，故为OTL电路。输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。

LM386的引脚图

LM386的外形和引脚的排列如右图所示。引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10f 。

图2.3.2-LM386引脚图

LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。

LM386的电源电压4-12V或5-18V(LM386N-4)；静态消耗电流为4mA；电压增益为20-200dB；在1、8脚开路时，带宽为300KHz；输入阻抗为50K；音频功率0.5W。尽管LM386的应用非常简单，但稍不注意，特别是器件上电、断电瞬间，甚至工

作稳定后，一些操作（如插拔音频插头、旋音量调节钮）都会带来的瞬态冲击，在输出喇叭上会产生非常讨厌的噪声。

三极管的介绍

三级管是电流放大器件，有三个级，分别叫集电极C，基极B,发射极E。NPN 三极管放大电路的基本原理。

图2.3.3-三极管引脚图及基本原理图

我们把基极B流至发射极E的电流叫做基极电流I b；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流I c，这两个电流的方向都是流向发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。

三极管的放大作用：

集电极电流受到基极电流的控制，并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基电极变化量的β倍，所以我们把β叫做三极管的放大倍数。如果我们将一个变化小的信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流I b的变化，I b的变化被放大后，导致了I c很大的变化。如果基电极电流I c是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式U=R*I可以算的，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻的电压取出来，就得到了放大后的电压信号。

2.3.4 各模块的连接

图2.3.4 各模块连接图

220V电压经过音频信号红外转发器有发射器和接收器两部分组成。C1是发射器的核心，经耦合电容的C1的隔离作用后会在9013的基极上加一组和音频信号一样变化的电流，再由9013的放大作用驱动红外发光管。由LM386将功率放大使其接收到的音频信号转化为红外信号发送出去。红外接收管接收到信号后，由三极管将进行电压放大，再经过LM386进行音频功放，最后输送到扬声器。

第三章测试方案与测试结果

3.1 测试方案

将发射器与接收器的电子元器件放在凉快电路板上，安装时调节发射部分三极管VD的静态电流在3mA左右，接收部分只要安装无误，不需要调节即可工作。

红外线发光二极管在安装时，要考虑其辐射区范围，由于红外发射管的辐射角一般在60度左右，所以安装时要使它们的辐射空间范围有一部分重叠，如图3.1所示：

图3.1 发射管的排列图

发射部分，接收部分经调试后，都没有出现什么错误，即可发射音频信号并在2米远处接收到信号，只是接收到的信号声中有一些杂声。

3.2 测试仪器

序号名称型号规格数量备注

1 数字万用表 1 DT-9205A

2 示波器 1 HG2063A

3.3 测试结果及分析

3.3.1 测试结果

将发射部分和接收部分分别接上5V电源，再接上音频信号，其发射管和接收管距离2米，通过扬声器听到音质较好的音频信号。采用了万用表测试了5V的电压，以及各部分电路的电压，电流以及电阻值。但实际上是 4.9V。用示波器测

试了发射端发射信号的波形，看到了发射信号呈现正弦波。调试发送电路。通过测试，红外发射驱动电路中红外管的电流为30-40mA之间。调试接收电路。去掉红外管，在输入端加一个正弦小信号，用示波器同时观测输入信号和输出信号，在信号不失真的前提下，可以测试得到放大增益为50-200倍。

3.2.2 测试分析与结论

采用了万用表测试了5V的电压，以及各部分电路的电压，电流以及电阻值。由于电压值没有达到5V，不能实现控制红外发射管与接收管的发射与接收的要求，所以运用了变压器稳压取出5V的电压接入电路，实现了红外线发射，接收管的发射与接收，距离为2米之内。

第四章设计总结

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。发射系统由一个红外发射管发射红外信号，而接收系统用红外接收管进行接收，就构成红外通信系统。。

信号失真主要是由于接收装置自己产生的失真以及发送过程信号发生失真。对于前者，我们发现噪音主要是高频信号，所以我们在喇叭两端接入了低值电容。对于发送过程失真，我们对电位器进行电阻调节，直到输出不失真。

红外通信技术基于其优点在未来的发展与运用中将会有更出色的表现，这是我们应该学习好这方面技术的引导，在此非常感谢有这次的设计。

第五章心得体会

我们这次选择的实验《红外通信装置》原理相对比较简单，但由于是第一次这样实际操作，整个过程还是遇到了不少的困难，首先是对原理图的理解还不够彻底，对部分元器件也不是很熟悉，然后比较大的困难就是实际操作的经验不够，对于常见的一些问题不能熟练地采取相对应的措施解决，需要请教老师和同学。当然，这次整个实验也让我们收获颇丰，让我们认识到理论知识和实践操作之间存在着很大的不同，很多时候觉得理论上没问题的地方却存在很大的问题，往往需要根据实际情况的不同采取不同的措施进行改进，而自己在实际操作能力这方面还有很大的不足，对器件的运用不熟悉，常见的经验积累不够等，这些能力自己在以后的学习中都应该加强培养，同时还应该虚心的请教老师和同学。

于此同时，我们通过此次实验，曾加了许多的动手实践能力。更是让我们了解知道了团队之间的配合与磨合的重要性。只有团队之间有好的完美的配合与共同目标的努力才会有成功。

参考文献

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[2] 陈怀琛等.Matlab及在电子信息课程中的应用（第三版），北京：电子工业出版社，2006

[3] 刘宝玲等.电子电路基础，北京：高等教育出版社，2008

[4] 林凌等.竞赛中学电路，北京：电子工业出版社，2012

[5] 刘坤等.51单片机典型应用开发范例大全，北京：中国铁道出版社，2011