用89C51單片機控制紅外線通信接口電路設(shè)計

 在通信系統(tǒng)中，常利用非電信號來傳遞控制信號和數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)遙控或遙測的功能紅外通信，具有控制簡單、實施方便，傳輸可靠性高的特點，是一種較為常用的通信方式。紅外通信利用950 nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體，發(fā)送端采用脈時調(diào)制方式，將二進制數(shù)字信號調(diào)制成某一頻率的脈沖序列，并驅(qū)動紅外發(fā)射管以光脈沖的形式發(fā)送，接收端將收到的光脈沖轉(zhuǎn)換成電信號。再經(jīng)過放大、濾波處理后送給解調(diào)電路，還原為二進制數(shù)字信號后輸出。

1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成
    紅外通信系統(tǒng)采用紅外光傳輸及無限工作機制，其組成結(jié)構(gòu)主要包括：紅外發(fā)射器，通信信道，紅外接收器三大部分組成。
    (1)完成信號的電光變換并向空間發(fā)射紅外脈沖

    紅外發(fā)射器的關(guān)鍵是紅外發(fā)光二極管和響應(yīng)的驅(qū)動電路。紅外發(fā)光耳機光首先要滿足其調(diào)制帶寬大于信號的頻譜寬度，保證通信線路暢通。此外發(fā)光二極管的發(fā)射波長應(yīng)與接收端的光電探測器(選用硅光二極管)的峰值響應(yīng)相匹配，最大程度地抑制背景雜散光干擾，現(xiàn)階段一般選用780nm～950 nm的紅外波段進行數(shù)字信號傳輸。由于紅外無線通信系統(tǒng)的信噪比與發(fā)射功率的平方成正比，所以適當(dāng)提高紅外發(fā)射器的發(fā)射功率，并采用空間分集、全息漫射片等可使發(fā)射端的光功率在空間均勻分布的措施來降低誤碼率，提高通信質(zhì)量。其原理圖如圖1所示。

(2)紅外接收器
    紅外接收器包括紅外接收部分以及后續(xù)的信號采濾波、判決、量化、均衡和解碼等其原理框圖如圖2所示。

 紅外接收端的工作過程，首先進行光電轉(zhuǎn)換，將紅外脈沖信號變?yōu)殡娦盘?，?jīng)過適當(dāng)?shù)念l域均衡后進行碼元判決，碼元判決電路是接收器設(shè)計的核心部分。由于信號采用紅外無線進行穿社，其電平變化范圍較大，所以碼元判決電路必須是自適應(yīng)的。接收的信號經(jīng)自適應(yīng)碼元判決后變成數(shù)字信號，再進行適當(dāng)?shù)慕獯a轉(zhuǎn)換為差分信號進入計算機網(wǎng)卡的信號輸入端。
    (3)通信信道
    紅外無線數(shù)字通信的信道泛指發(fā)射器與接收器之間的空間。由于自然光及人工光源等背景光信號的介入，信號源以及發(fā)射、接收設(shè)備中電學(xué)或光學(xué)噪聲的影響，紅外無線數(shù)字通信在某些場合的通信質(zhì)量較差，需要采用信道編碼技術(shù)來提高抗干擾能力。
    在紅外線通信系統(tǒng)中，由于紅外發(fā)射器的發(fā)射功率較小，而且信號采用紅外線進行傳輸，易受外界環(huán)境的影響，這些因素導(dǎo)致了紅外接收器的信號很弱，并且電平變化范圍較大。因此，低噪聲的前置放大器設(shè)計和自適應(yīng)的碼元判決電路是必須的。低噪聲的前置放大器一般選用輸入阻抗較高的場效應(yīng)管放大器，并要求帶寬大，增益高，噪聲低，干擾小，頻率響應(yīng)與信道脈沖響應(yīng)匹配。自適應(yīng)的碼元判決電路能自動跟蹤輸入信號電平的變化，得到最佳的閾值電平，并根據(jù)此閾值電平對信號進行判決，將其變換為數(shù)字電平之后進行解碼，恢復(fù)原始信號。同時，為了濾去低頻噪聲及人為干擾采用帶通濾波器，為了與調(diào)制特性匹配并消除碼間干擾常采用均衡技術(shù)，為了獲得較大的光接收器工作范圍及瞬時視場采用球形光學(xué)透鏡。這些措施都是將有利于紅外無線通信質(zhì)量的提高。

2 紅外串行通信接口電路設(shè)計
    單片機控制的紅外通信系統(tǒng)主要有紅外發(fā)射器，紅外接收器，以及單片機89C51三部分組成，單片機本身并不具備紅外通信接口，可以利用單片機的串行接口與片紅外發(fā)射和接收電路，組成一個單片機控制系統(tǒng)的紅外串行通信接口。
2．1 發(fā)射部分設(shè)計
    紅外發(fā)送電路包括脈沖振蕩器、三極管和紅外發(fā)射管等部分。其中脈沖振蕩器有NE555定時器、電阻和電容組成，用于產(chǎn)生38 kHz的脈沖序列作為載波信號，紅外發(fā)射管HG選用Vishay公司生產(chǎn)的TSAL6238，用來向外發(fā)射950 nm的紅外光束。其發(fā)送的過程為：串行數(shù)據(jù)有單片機的串行輸出端TXD送出并驅(qū)動三極管，數(shù)位“O”使三極管導(dǎo)通．通過有NE555構(gòu)成的多諧振蕩電路調(diào)制成38 kHz的載波信號，并利用紅外發(fā)射管以光脈沖的形式向外發(fā)送。數(shù)位“l(fā)”使三極管截止，紅外發(fā)射管不發(fā)射紅外光。NE555構(gòu)成的多諧振蕩電路的振蕩周期公式為T=O．693(R1+R2)C，其中，R1為充電電阻，R2為放電電阻，C為充電電容。
2．2 紅外接收器的設(shè)計
    紅外接收電路選用Vishay公司生產(chǎn)的專用紅外接收模塊TSOP1738。該模塊是一個三端元件，使用單電源+5V供電，具有功耗低、抗干擾能力強、輸入靈敏度高、對其他波長(950 nm以外)的紅外光不敏感的特點，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

TSOPl738的工作過程為：首先，通過紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38 kHz的脈沖紅外光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再由前置放大器和自動增益控制電路進行放大處理。然后，通過帶通濾波器進行濾波，濾波后的信號由解調(diào)電路進行解調(diào)。最后，由輸出級電路進行反向放大輸出。
2．3 數(shù)碼顯示部分
    在系統(tǒng)中，選用一個雙七段數(shù)碼管來顯示發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。數(shù)碼管采用DPY雙位七段共陽數(shù)碼管。高位的共陽極是lO腳，低位的共陽極是5腳。由單片機的P O口控制數(shù)碼管的陰極，P2．6，P2．7口分別控制數(shù)碼管的高位和低位，當(dāng)P2口輸出數(shù)位“0”時，相應(yīng)的三極管導(dǎo)通。根據(jù)PO口輸出不同數(shù)位，數(shù)碼管顯示不同的數(shù)字，當(dāng)P2口輸出數(shù)位“l(fā)”時，三極管截止，數(shù)碼管不顯示。
2．4 發(fā)光二極管顯示部分設(shè)計
    有8個發(fā)光二極管與單片機的P1口相連，二極管的正極與電源正極相連，負極串聯(lián)一個電阻與Pl口相連，給Pl口送低電平就得到不同的顯示狀態(tài)。
2．5 按鍵部分設(shè)計
    有四個按鍵與單片機的P3口相連，按鍵的一邊接地，另外一邊與單片機的P3．2、P3．4、P3．5口相連。單片機控制的紅外通信接口電路的整體圖如圖4所示。

其工作過程：單片機通過TXD發(fā)出串行數(shù)據(jù)，通過由NE555構(gòu)成的多諧震蕩電路產(chǎn)生38 kHz脈沖序列作為載波信號，通過紅外發(fā)射管將信號以950 nm的紅外光束發(fā)出，紅外接收模塊TOSPl738將接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過發(fā)大、濾波等處理后送給解調(diào)電路進行解調(diào)，還原為二進制數(shù)字信號后輸出到單片機的RXD口。單片機對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上。這樣，一個單片機控制的紅外通信系統(tǒng)就實現(xiàn)了通信。
    為了保證紅外接收模塊TSOPl738接收的準(zhǔn)確性，要求發(fā)送端載波信號的頻率應(yīng)盡可能接近38 kHz，因此在設(shè)計脈沖震蕩器時，要選用精密元件并保證電源電壓穩(wěn)定。還有，發(fā)送的數(shù)位“O”至少要對應(yīng)14個載波脈沖，這就要求傳輸?shù)牟ㄌ芈什荒艹^2 400 bps。

3 單片機控制的紅外通信的主程序
    ；P3．2為開始鍵．也為功能選擇鍵，P3．5為功能確認鍵

4  結(jié)束語

    單片機控制的紅外通信系統(tǒng)具有硬件電路簡單、成本低廉、編程方便、通信可靠性高等優(yōu)點，實現(xiàn)了通信雙方非接觸的數(shù)據(jù)，在遙控、遙測等應(yīng)用場合得到廣泛應(yīng)用。