基于单片机的无线传输系统设计毕业设计.docx
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基于单片机的无线传输系统设计毕业设计
武汉工业学院
毕业设计
设计题目:
基于单片机的无线传输系统设计
姓名
学号
院(系)数理科学系
专业电子信息科学与技术
指导教师
2020年6月11日
红外发射器原理6
摘要
红外通信技术是利用红外线来传递信号,属于无线通信技术。
红外通信具有操纵简单、实施方便,传输靠得住性高的特点,是一种较为经常使用的通信方式。
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。
它一样由红外发射系统和接收系统两部份组成。
发射系统是通过单片机对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号,而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收并通过单片机解码,由红外发射系统和红外接收系统组成了红外通信系统。
红外通信技术已用于各类便携设备上。
随着移动计算和移动通信设备的日趋普及,红外数据通信已经进入了一个进展的黄金时期。
从IRDA的成立至今,IRDA标准的认可度与日俱增。
尽管此刻有来自蓝牙技术的挑战,但红外通信技术以其低廉的本钱和普遍的兼容性在以后很长的一段时刻内在短距离的无线数据通信领域仍将有很广漠的应用空间。
关键词:
单片机;红外;通信
Abstract
Infraredcommunicationtechnologyistheuseofinfraredtotransferthesignal,belongingtothewirelesscommunicationtechnology.Infraredcommunicationwiththecontrolissimple,easytoimplement,transmissionandhighreliability,isamorecommonmeansofcommunicationistheuseofinfraredtechnologyforsecurecommunicationsbetweentwopointsandinformationforwardedclose.Itgenerallyconsistsofinfraredtransmittingsystemandreceivingsystemcomposedoftwoparts.SCMtransmissionsystemsbyinfraredradiationofamodulatedinfraredsignalafterthelaunch,whilethereceivingsystemusingopticaldevicesandinfrareddetectorstoreceiveanddecodethesinglechipmicrocomputer,theinfraredemissionsystemandtheinfraredreceiversystemconstitutestheinfraredcommunicationcommunicationtechnologyhasbeenusedforvariousportabledevices.Asmobilecomputingandthegrowingpopularityofmobilecommunicationdevices,infrareddatacommunicationhasenteredagoldenageofdevelopment.FarfromtheestablishmentofIRDA,IRDAgrowingacceptanceoftherearechallengesfromtheBluetoothtechnology,infraredcommunicationstechnologybutwithitslowcostsandbroadcompatibilityinthefutureforalongperiodoftimewithinashortdistancewirelessdatacommunicationswillhaveverybroadapplicationspace.
KeyWords:
Microcontrollerunit;Infrared;Communication
1红外通信技术概述
近距离无线通信简介
随着短距离无线数据业务迅速膨胀,近距离无线通信技术呈现出良好的进展势头。
受到愈来愈多人的关注。
因为在现实生活中存在着许多如此的应用情形,系统需要实时传输小量的突发信号,固然传统的无线通信技术尽管能够知足要求,但免不了存在本钱高,体积大,功耗大的问题,这时本钱小,体积小,功耗低的短距离无线通信技术就发挥了它的优势,尤其在传统无线通信系统难于或不便于覆盖到的区域,短距离无线通信技术能够在近距离范围内实现彼此通信或相关操作[1]。
可是现今信息技术高速进展,形成了令人眼花缭乱的无线通信协议和产品。
如何能够低本钱、方便快捷的实现近距离无线通信,使它能够普遍应用在工业无线操纵系统、家庭智能化建设、小型无线数据终端等无线传输系统中,成了一个很值得研究的课题。
目前利用较普遍的近距无线通信技术是蓝牙(Bluetooth),无线局域网(Wi-Fi)和红外数据传输(IrDA)。
同时还有一些具有进展潜力的近距无线技术标准,它们别离是:
Zigbee、超宽频(UltraWideBand)、短距通信(NFC)、WiMedia、GPS、DECT、无线1394和专用无线系统等。
它们都有其立足的特点,或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求;或着眼于功能的扩充性;或符合某些单一应用的专门要求或成立竞争技术的不同化等。
可是没有一种技术能够完美到足以知足所有的需求。
1.蓝牙技术
bluetooth技术是近几年显现的,广受业界关注的近距无线连接技术。
它是一种无线数据与语音通信的开放性全世界标准,它以低本钱的短距离无线连接为基础,可为固定的或移动的终端设备提供廉价的接入效劳。
蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全世界标准,其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境成立通用的近距无线接口,将通信技术与运算机技术进一步结合起来,使各类设备在没有电线或电缆彼此连接的情形下,能在近距离范围内实现彼此通信或操作。
其传输频段为全世界公众通用的ISM频段,提供1Mbps的传输速度和10m的传输距离。
蓝牙技术诞生于1994年,Ericsson那时决定开发一种低功耗、低本钱的无线接口,以成立电话及其附件间的通信。
该技术还陆续取得PC行业业界巨头的支持。
1998年,蓝牙技术协议由Ericsson、IBM、Intel、NOKIA、Toshiba等5家公司达到一致。
蓝牙协议的标准版本为,由蓝牙小组(SIG)负责开发。
的最初标准基于蓝牙实现,后者已构建到现行很多蓝牙设备中。
新版大体等同于蓝牙标准,具有必然的QoS特性,并完整维持后向兼容性。
但蓝牙技术遭遇了最大的障碍是过于昂贵。
突出表此刻芯片大小和价钱难以下调、抗干扰能力不强、传输距离太短、信息平安问题等等。
这就使得许多用户不肯意花大价钱来购买这种无线设备。
因此,业内专家以为,蓝牙的市场前景取决于蓝牙价钱和基于蓝牙的应用是不是能达到必然的规模。
2.Wi-Fi技术
Wi-Fi(WirelessFidelity:
无线高保真)也是一种无线通信协议,正式命名,与蓝牙一样,同属于短距离无线通信技术。
Wi-Fi速度最高可达11Mb/s。
尽管在数据平安性方面比蓝牙技术要差一些,但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹,可达100m左右。
Wi-Fi是以太网的一种无线扩展,理论上只要用户位于一个接入点周围的必然区域内,就能够以最高约11Mb/s的速度接入Web。
但事实上,若是有多个用户同时通过一个点接入,带宽被多个用户分享,Wi-Fi的连接速度一样将只有几百kb/s的信号不受墙壁阻隔,但在建筑物内的有效传输距离小于户外。
WLAN以后最具潜力的应用将要紧在SOHO、家庭无线网络和不便安装电缆的建筑物或场所。
目前这一技术的用户要紧来自机场、酒店、商场等公共热点场所。
Wi-Fi技术可将Wi-Fi与基于XML或Java的Web效劳融合起来,能够大幅度减少企业的本钱。
例如企业选择在每一层楼或每一个部门配备的接入点,而不是采纳电缆线把整幢建筑物连接起来。
如此一来,能够节省大量铺设电缆所需花费的资金。
最初的标准是在1997年提出的,称为,要紧目的是提供WLAN接入,也是目前WLAN的要紧技术标准,它的工作频率也是,与无绳、蓝牙等许多不需频率利用许可证的无线设备共享同一频段。
随着Wi-Fi协议新版本如和的前后推出,Wi-Fi的应用将愈来愈普遍。
速度更快的利用与相同的正交频分多路复用调制技术。
它工作在频段,速度达54Mb/s。
依照最近国际消费电子产品的进展趋势判定,将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准。
微软推出的桌面操作系统WindowsXP和嵌入式操作系统WindowsCE,都包括了对Wi-Fi的支持。
其中,WindowsCE同时还包括对Wi-Fi的竞争对手蓝牙等其它无线通信技术的支持。
由于投资的费用降低,许多厂商介入这一领域。
Intel推出了集成WLAN技术的笔记本电脑芯片组,不用外接无线网卡,就可实现无线上网[2,3]。
3.红外数据传输
红外线数据协会IrDA(InfraredDataAssociation)成立于1993年。
起初,采纳IrDA标准的无线设备仅能在1m范围内以kb/s速度传输数据,专门快进展到4Mb/s和16Mb/s的速度。
IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术,是第一个实现无线个人局域网(PAN)的技术。
目前它的软硬件技术都很成熟,在小型移动设备,如PDA、电话上普遍利用。
事实上,现今每一个出厂的PDA及许多电话、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA。
IrDA的要紧优势是无需申请频率的利用权,因此红外通信本钱低廉。
而且还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。
另外,红外线发射角度较小,传输上平安性高。
IrDA的不足在于它是一种视距传输,两个彼此通信的设备之间必需对准,中间不能被其它物体阻隔,因此该技术只能用于2台(非多台)设备之间的连接。
而蓝牙就没有此限制,且不受墙壁的阻隔。
IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。
红外通信的优势与应用
红外通信是以红外线作为载体来传送数据信息。
它作为无线通信的一种与无线电通信相较,由于其性能价钱比高、实现简单、具有抗电磁干扰、便于高速应用、空间接入灵活、经济的特点,可用于室内外实现点对点、无线红外LAN通信及军用红外引信,在移动计算和移动通信的设备中取得了普遍的应用[4-6]。
在某些场合,需要数据互换但又不是专门大,且实时性要求又不是很高的情形下,能够利用红外通信方式,如此既能够取得无绳化通信带来的便利,又能够躲开采纳无线电高频电路可能引发的一些问题。
譬如用于家用电器的遥控器,运算机的遥控键盘和遥控鼠标和便携式数据搜集装置(煤水电表的登录器、报税机)与主机的数据互换等。
目前,利用红外线进行无线数据通信,不管从小型化、轻量化,仍是从平安性等方面考虑,其可行性都比较高,而且已经在无线多信道室内话音系统,无绳和键盘和终端间的短距离无线连接中取得了应用。
所有这些应用中的工作带宽远低于WLAN需要的带宽。
红外通信具有操纵简单、实现方便、传输靠得住性高的特点,是一种较为经常使用的通信方式且能专门好的知足近距离通信的要求。
红外通信以红外线作为通信载体'通过红外光在空中的传输来传输教据,它由红外发射器和红外接收器来实现,在发射端,发送的教字信号通过适当的调制编码后,输入电光转换电路,通过红外发射管转换为红外光脉冲发射到空中。
在接收端,红外接收器对同意到的红外光脉冲信号进行光电转换和解调译码后恢夏出原信号。
红外线IrDA,简称IR,能够进行无线数据的传输。
自1974年发明以来,红外无线通信已经普遍应用于各类设备,一些商业化的移动终端如掌上型电脑、个人数字主力、移动等都已经安装了红外无线通信器件而且像红外线鼠标,红外线打印机,红外线键盘等等都是到处可见。
红外通信技术开辟数据通信的以后
目前,符合红外通信标准要求的个人数字数据助理设备笔记本运算机和打印机已推向市场,但是红外通信技术的潜力将通过个人通信系统(代S)和全世界移动通信系统(GS娜网络的成立而充分显示出来由于红外连接本身是数字式的,因此在笔记本运算机中不需要调制解调器便携式PC机有一个任选的扩展插槽,可插入新式PCS数据卡PCS数据卡配利用,成立和维持对无线PCS系统的连接;扩展电缆的红外端口使得在PCS系统和笔记本运算机之间容易实现无线通信[7]。
由于PCS数字系统和笔记本运算机之间的连接是通过标准的红外端话柄现的,因此CPS数字系统可在任何一种PC机上利用,包括各类新潮笔记本运算机和手持式运算机,以提供红外数据通信而且,由于该系统不要求在运算机中利用调制解调器,因此过去不可能维持高性能PC卡调制解调器运行所需电压的手持式运算机,此刻也能以无线方式进行通信。
红外通信标准的开发者还在假想在机场和饭馆等地址利用步行机和打印机,在这些地址,掌上运算机用户能够利用这些外设而勿需电缆。
银行的ATM(柜员机)也能够采纳红外接口装置估量在不久的以后,红外技术将在通信领域取得普遍应用,数字蜂窝、呼费话等都将采纳红外技术。
红外技术的推行意味着膝上运算机用户不用电缆连接的新潮即将到来由于红外通信具有隐蔽性,保密性强,故国外军事通信机构从来重视这一技术的开发和应用,这一技术在军事隐蔽通信,专门是军事机密机构的对端通信中将发挥出重要的作用。
正如前面所述,它还将对运算机技术产生冲击,对以后数据通信产生重大阻碍。
2红外通信系统整体组成
红外技术的物理基础
红外技术的进展以红外线的物理特性为基础。
红外线是由于物质内部带电微粒的能量发生转变而产生的,它是一种电磁波,处于可见光谱红光之外,突出特点是热作用显著。
红外线的波长介于可见光与无线电波之间,从μm~l000μm,可分为四个波段:
近红外~3μm)、中红外(3~6μm)、远红外(6~15μm)和极远红外(15~1000μm),红外线具有以下特性:
1.红外光电效应
当光线照射在金属表面时,金属中有电子逸出的现象叫做光电效应。
红外线光子的能量低于可见光光子,它能对一些较活泼的金属产生光电效应(即红外光电效应)。
红外光电效应是红外技术取得应用的关键。
通过红外光电效应可把红外光转换成电信号,经放大后,作用到荧光屏上,再把电信号转换成可见的光,令人眼看得见红外线照射的物体[8]。
2.红外辐射
实验说明,物体在任何温度下都要向周围空间辐射电磁波。
物体在一按时刻内向周围辐射电磁波的能量的多少和能量按波长(或频率)的散布与物体的温度有关。
在室温下,大多数物体发出的辐射能散布在电磁波谱的红外线部份,随着温度的升高辐射能量也随着增加。
同时,辐射能的散布慢慢向频率高的方向移动,即温度愈高,辐射能中高频电磁波成份愈多。
自然界的一切物体都是红外辐射源,物体温度不同,辐射的红外线波长就不同,温度越高波长越短,而且产生的红外线越多。
这种红外辐射的普遍性和不同性正是红外技术有着普遍应用的全然缘故。
依照辐射特性,明白了军事目标的温度范围,就可求出其辐射红外波长的范围,选用相应的红外探测器,可探测目标与景物的红外辐射不同。
这种不同体此刻目标与景物的温度散布,故所形成的图像叫热图像,热图像通过红外光电光信号的转换,成为可见光图像,即可从复杂的背景里识别目标。
3.红外反射
目标和环境对可见光的反射不同不大,但在近红外区对红外线的反射不同专门大,故用近红外线比可见光更易识别目标。
军事上利用目标和景物对红外线的不同成像,经转换取得可见光图像以发觉识别目标;在反红外假装时,既要考虑颜色的近似感,同时还要注意它们对红外线的反射情形。
大气中的二氧化碳、水蒸气、臭氧等对各类波长的红外线有着不同程度的吸收。
有些波段的红外线被吸收得多,不易透过大气传播;有些被吸收得少,容易透过大气。
这些能透过或能较多透过大气的红外波段称"大气窗口",红外线有三个大气窗口;~μm、3~5μm、8~14μm。
红外通信的大体原理
红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体,即通信信道。
发射端采纳脉时调制(PPM)方式,将一组二进制数字信号调制成必然频率的脉冲序列,并驱动红外发射管以光脉冲的形式传送出去,接收端由光电转换器将收到的光脉冲转换成电信号再通过滤波、放大处置后按调制的逆进程转换成相应的电信号从而还原为二进制数字信号后输出。
红外通信的实质确实是对二进制数字信号进行调制后利用红外进行传输解调后便取得原信号,红外通信的接口确实是相关于红外信道的调制解调器[9,10]。
红外无线通信系统由发射器、信道和接收器三部份组成,发射器包括红外发射器和编码操纵器,接收器包括红外探测器和解码操纵器。
红外发射器原理
完成信号的电光变换并向空间发射红外脉冲。
红外发射器的关键部件是红外发光二极管(LED)和相应的驱动电路。
红外LED器件第一要知足其调制带宽大于信号的频谱宽度,保证通信线路畅通。
另外LED的发射波长应与接收器端的光电探测器(一样选用硅光二极管)的峰值响应率相匹配,最大程度地抑制背景杂散光干扰,现时期一样选用780~950nm的红外波段进行数字信号传输。
由于红外无线通信系统的信噪比与发射器发射功率的平方成正比,因此适当提高红外发射器的发射功率,并采纳空间分集、全息漫射片等可使发射端的光功率在空间均匀散布的方法来降低误码率,提高通信质量[11]。
红外光发射器的原理框图如图
信号
输入
红外脉冲
输出
差分驱动
编码调制
线路接受
图红外光发射器的原理框图
红外同意器原理
红外接收器包括红外光接收部份和后续的信号采样、滤波、裁决、量化、均衡和解码等。
其具体的原理框图如图所示。
差分信号
解码电路
差分信号形成
码元判决
频域均衡
光电转换
红
外
脉冲
阀值产生
谷值提取
峰值提取
图红外接收原理框图
在红外接收器端,第一进行光电转换,将红外脉冲信号变成电信号。
通过适当的频域均衡后进行码元裁决,码元裁决电路是接收器设计的核心部份。
由于信号采纳红外无线进行传输,其电平转变范围较大,因此码元裁决电路必需是自适应的。
接收的信号经自适应码元裁决后变成数字信号,再进行适当的解码转换为差分信号进入运算机网卡的信号输入端。
在红外无线通信系统中,由于红外发射器的发射功率较小,而且信号采纳红外线进行传输,易受外界环境的阻碍,这些因素致使了红外接收器接收到的信号很弱,而且电平转变范围较大。
因此,低噪声的前置放大器设计和自适应的码元裁决电路是必需的。
低噪声的前置放大器一样选用输入阻抗较高的场效应管放大器,并要求带宽大,增益高,噪声低,干扰小,频率响应与信道脉冲响应匹配。
自适应的码元裁决电路能自动跟踪输入信号电平的转变,取得最正确的阈值电平,并依照此阈值电平对信号进行裁决,将其变换为数字电平以后进行解码,恢复成原始信号。
同时,为了滤去低频噪声及人为干扰需采纳带通滤波器;为了与调制特性匹配并排除码间干扰常采纳均衡技术为了取得较大的光接收器工作范围及瞬时视场常采纳球形光学透镜。
这些方法都将有利于红外无线通信质量的提高[12-16]。
3红外线信号传输协议与编码原理
红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波,其频率高于微波而低于可见光,是一种人的眼眼看不到的光线。
目前无线电波和微波已被普遍应用在长距离的无线通信中,但由于红外线的波长较短,对障碍物的衍射能力差,因此更适合应用在需要短距离无线通信场合点对点的直接线数据传输。
为了使各类设备能够通过一个红外接口进行通信,红外数据协议(InfraredDataAssociation,简称IRDA)发布了一个关于红外的统一的软硬件标准,也确实是红外数据通信标准。
其中大体的协议有三个:
①物理层协议(IrPHY),制定了红外通信硬件设计上的目标和要求,包括红外的光特性、数据编码、各类波特率下帧的包括格式等。
为达到兼容,硬件平台和硬件接口设计必需符合红外协议制定的标准。
②连接成立协议(IrLAP)层制定了底层连接成立的进程标准,描述了成立一个大体靠得住连接的进程和要求。
③连接治理协议(IrLMP)层制定了在单位个IrLAP连接的基础上复用多个效劳和应用的标准。
在IrLMP协议上层的协议都属于特定应用领域的标准和协议。
④流传输协议(TingTP)在传输数据时进行流操纵。
制定把数据进行拆分、重组、重传等的机制。
⑤对象互换协议(IrOBEX)制定了文件和其他数据对象传输时的数据格式。
⑥模拟串口层协议(IrCOMM)许诺已存在的利用串口通信的应用象利用串口那样利用红外进行通信。
⑦局域网访问协议(IrLAN)许诺通过红外局域网络唤醒笔记本电脑等移动设备,实际远程摇控等功能。
红外的通信协议庞大而复杂,除非专业人员,一样电子工程师并非需要深究其细节,就像串口标准25线超级复杂的协议内容一样,咱们不需要明白太多,乃至在一样的应用处合中,咱们只需要了解联接其中的三根线就能够够应付自如了,关于红外一样应用处合的通信电路和编程,咱们也仅需参照标准的简化电路来进行设计就足够了。
几种经常使用红别传输协议
经常使用的红外信号传输协议有ITT协议、NEC协议、NokiaNRC协议、Sharp协议、SonySIRC协议、PhilipsRC-5协议、PhilipsRC-6协议,和PhilipsRECS-8O协议等。
编码原理
那个地址以运用比较普遍,解码比较容易的一类来加以说明,现以日本NEC的uPD6121G组成发射电路为例说明编码原理。
当发射器发射红外脉冲时这红外脉冲具有以下特点:
采纳脉宽调制的串行码,以脉冲宽度为、距离、周期为的组合表示二进制的“0”;以脉冲宽度为、距离、周期为的组合表示二进制的“1”,其波形如下图。
bit“0”bit“1”
图脉宽调制的串行码
上述“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提多发射效率,达到降低电源功耗的目的。
然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射,如下图。
操作码
(反码)
操作码
用户识别码(反码)
用户识别码
引导码
9ms
图发射的调制码
UPD6121G产生的遥控编码是持续的32位二进制码组,其中前16位为用户识别码,能区别不同的电器设备,避免不同机种遥控码相互干扰。
该芯片的用户识别码固定为十六进制01H;后16位为8位操作码(功能码)及其反码。
UPD6121G最多额128种不同组合的编码。
一组码本身的持续时刻随它包括的二进制“0”和“1”的个数不同而不同,大约在45~63ms之间,图为发射波形图。
108ms108ms
图发射波形图
当通信开始,振荡当通信开始,振荡器使芯片激活,将发射一组108ms的编码脉冲,这108ms发射代码由一个起始码(9ms),一个结果码(),低8位地址码(9ms~18ms),高8位地址码(9ms~18ms),8位数据(9ms~18ms)和这8位数据的反码(9ms~18ms)组成[17]。
4单片机AT89C52简述
AT89C52概述
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能C
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