陈雨
（上海大学通信与信息工程学院，上海200444）
摘要：基于红外光通信的基本原理，设计了一种利用C8051F120单片机、红外发光管和接收管器件的红外光通信装置。测试表明，该装置可以实现定向传输语音信号的功能，传输距离达2 m，且可利用中继提升该装置的传输性能。
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关键词 ：红外线通信；设计方法；C8051F120单片机；红外接收管
中图分类号：TN974?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）13?0033?03
收稿日期：2014?12?21
0 引言
红外线通信是利用红外线来传输信号的通信方式，它具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，在彩电、音响、空调、玩具及其他小型电器装置上得到了广泛的应用。在工业设备中，采用红外线通信技术，可在超/特高压、辐射、有毒气体、粉尘等恶劣环境下可靠通信，并能有效地隔离电气干扰[1]。
本文设计了一种利用单片机、红外发光管和接收管器件实现定向传输语音信号功能的新装置，其传输距离为2 m。该装置还可采用数字信道进行温度数据的发送，加上中继后还可达到使数据转90°并增加2 m 通信距离的指标。
1 系统设计
本文设计的通信系统的发射部分包括红外发射电路和单片机；接收部分包括红外接收管和单片机。
1.1 硬件电路设计
为方便及灵活起见，本文采用数字直接收发设计方案。发射端的语音信号经过单片机的A/D 由模拟信号转换为数字信号，经过红外发射管发送出红外线信号，这些信号经过红外线管接收，串口通信进入单片机内部的D/A 进行输出，显示在屏幕上，完成传输语音信号的功能。
在实际电路设计中对发射电路进行了一些改动，电路中的合成调制部分用两个与非门74LS00代替了与门74HC08，为加大发射距离，用两个三极管组成射随器代替了原先的一个三极管，并加上凹面镜及红外线滤波，增大了发射距离，如图1所示。
接收部分采用了丙类功放三级放大，如图2 所示，用LM393 比较器对输入信号进行比较后输出高低电平，比较的门限通过滑动变阻器进行改变，使波形整形为0 V和5 V的TTL电平，便于单片机接收，提高准确性。
同时采用74LS123（双可重触发单稳态触发器）芯片来实现不能接收信号时的指示。当10号引脚接收到一个正脉冲时，在A接地和清零端接高电平给它47 μF的电容和100 kΩ的电阻，使Tw为2 s，当10号引脚收到一个向上的脉冲时，Q将保持2.5 s的低电平，之后恢复高电平。实现功能：接收装置不能接收到信号时，用一个红色的LED灯指示，能接收到信号时，LED发光二极管不发光。
1.2 系统软件设计
核心处理芯片采用C8051F120 单片机，是SiliconLab公司的8051内核混合信号微控制器，也是目前最快的8051单片机，能达到100 MIPS，16×16硬件乘法，12位ADC和12位DAC，支持JTAG调试，且对于串口通信，此单片机除了常用的8位串口外，还具有9位串口传输功能，可满足后续温度实时传输的扩展需求。
对语音信号的处理采用C8051F120 内置的A/D 与D/A模块，该模块具有12位高速采样功能，对语音信号的采样速率达到8 Kb/s，波特率为11 500 b/s。针对实时传输语音信号和温度数据，在串口的8位中嵌入了1位温度的数据，即发送语音和温度数据在传输中相互镶嵌。用软件实现了相关功能。
接收端单片机串口通信输入UART1，8 位数据位，无校验位，波特率为115 200 b/s，采用TFT 液晶显示屏实时显示。
该装置启动后首先进行系统初始化，然后分别检查定时器2和定时器3的工作状态，如果没有溢出，则启动ADC模块、温度传感器模块和DAC模块工作；如果定时器溢出，则重新初始化装置。接收部分，首先循环检查是否接收到温度标志，接收到后进行温度信息转换并显示，系统的整体工作流程如图3所示。
1.3 关键代码
1.3.1 系统初始化
2 系统测试
该装置设计完成后，结合单片机语音发送过程进行系统新测试，接收端采用串口助手调试，接上接收端单片机后，观察显示屏数据并与串口助手数据进行比较，统计结果误差，得到语音信号传输失真情况。测试仪器有低频毫伏表、数字示波器和数字万用表。对上述测试过程重复测试多次，观察语音信号传输失真数据情况和装置工作的稳定性。
2.1 测试内容
2.1.1 收发距离
将发射接收连接好进行发射距离的测试，最远距离可达到2.5 m，同时接收端信号准确。
装置启动时，设置收发的准确距离为1.5 m。
首先，在发射端进行改进。发射管前放置一个手电筒内部拆下来的凹面镜，并增加一个红外发射管，即用2个红外管发射信号，凹面镜将红外光会聚后发送出去，可最大程度地汇聚能量，提高发射距离。准确距离为2 m。
其次，在接收端进行改进。在接收端前放置一个红色的凸透镜，可滤除部分杂光，凸透镜起到会聚功能，增大接收信号的幅度，抑制噪声，其准确距离为2.4 m。
2.1.2 接收信号
发射语音时，无明显失真。当发射的语音信号改为800 Hz，1.5 V的单音信号时，在8 Ω负载上，接收装置的电压有效值为3 V，减小发射端输入信号为0 V时，用低频毫伏表测量此时噪声电压为20~30 mV。
2.1.3 中继
中继接收发射失真并不严重，降低功耗方面，初次采用运放，中继转发电流为90 mA，采用三极管三级放大电路级联后，转发电流为39 mA。
2.1.4 其他功能
不能收到发射端的信号时，红色LED会亮，延时2 s。数字语音信号可同时传输，延时3.5 s，温度误差小于2 ℃。
2.2 测试结果分析
2.2.1 测试结果
电压有效值、温度有效值以及加中继后接收端电压的有效值和温度的有效值见表1~表4。
2.2.2 测试结论
根据上述测试数据，可以得出以下结论：
（1）8 Ω负载测量数据满足设计要求；
（2）温度延时设置为3.5 s，温度误差在2 ℃以内；
（3）加中继后8 Ω负载测量数据满足要求，温度误差在2 ℃以内；
综上所述，本装置达到了设计要求。
3 结语
本系统可用于不适合工作人员接近的工业场所的无线数据采集。红外线作为无线传输的信道有很多优点，其传输角度小（30°锥角以内）、距离短，数据直线传输、保密性强、传输速率较高，最重要的是无需申请频率使用权，成本低廉，特别适于传输大容量的文件和多媒体数据[2]，可以大大提高管理效率。
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参考文献
[1] 杜留锋，雷进辉.基于单片机的红外线数据通信系统设计[J].科技信息，2009（28）：116?117.
[2] 王宁，李慧，王二萍，等.基于红外通信的多路控制系统的简单设计[J].现代电子技术，2014，37（5）：70?71.
[3] [美]斯托林斯.无线通信与网络[M].何军，译.北京：清华大学出版社，2004.
[4] 陈粤初，窦振中，吴悌远.单片机应用系统设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，1991.
[5] 付辉，阳璐，尚治国，等.红外光通信装置[J].电子世界，2013（18）：116?117.
[6] 王忆锋.2013 年的中国红外技术（上）[J].红外技术，2014（1）：10?21.