利用89C51單片機實現紅外線通信接口電路控制

在通信系統中，常利用非電信號來傳遞控制信號和數據，以實現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，發送端采用脈時調制方式，將二進制數字信號調制成某一頻率的脈沖序列，并驅動紅外發射管以光脈沖的形式發送，接收端將收到的光脈沖轉換成電信號。再經過放大、濾波處理后送給解調電路，還原為二進制數字信號后輸出。

　　1 系統的總體構成

　　紅外通信系統采用紅外光傳輸及無限工作機制，其組成結構主要包括：紅外發射器，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射紅外脈沖

　　紅外發射器的關鍵是紅外發光二極管和響應的驅動電路。紅外發光耳機光首先要滿足其調制帶寬大于信號的頻譜寬度，保證通信線路暢通。此外發光二極管的發射波長應與接收端的光電探測器(選用硅光二極管)的峰值響應相匹配，最大程度地抑制背景雜散光干擾，現階段一般選用780nm～950 nm的紅外波段進行數字信號傳輸。由于紅外無線通信系統的信噪比與發射功率的平方成正比，所以適當提高紅外發射器的發射功率，并采用空間分集、全息漫射片等可使發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，首先進行光電轉換，將紅外脈沖信號變為電信號，經過適當的頻域均衡后進行碼元判決，碼元判決電路是接收器設計的核心部分。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的。接收的信號經自適應碼元判決后變成數字信號，再進行適當的解碼轉換為差分信號進入計算機網卡的信號輸入端。

　　(3)通信信道

　　紅外無線數字通信的信道泛指發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，信號源以及發射、接收設備中電學或光學噪聲的影響，紅外無線數字通信在某些場合的通信質量較差，需要采用信道編碼技術來提高抗干擾能力。

　　在紅外線通信系統中，由于紅外發射器的發射功率較小，而且信號采用紅外線進行傳輸，易受外界環境的影響，這些因素導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計和自適應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管放大器，并要求帶寬大，增益高，噪聲低，干擾小，頻率響應與信道脈沖響應匹配。自適應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，并根據此閾值電平對信號進行判決，將其變換為數字電平之后進行解碼，恢復原始信號。同時，為了濾去低頻噪聲及人為干擾采用帶通濾波器，為了與調制特性匹配并消除碼間干擾常采用均衡技術，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透鏡。這些措施都是將有利于紅外無線通信質量的提高。

　　2 紅外串行通信接口電路設計

　　單片機控制的紅外通信系統主要有紅外發射器，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射和接收電路，組成一個單片機控制系統的紅外串行通信接口。

　　2．1 發射部分設計

　　紅外發送電路包括脈沖振蕩器、三極管和紅外發射管等部分。其中脈沖振蕩器有NE555定時器、電阻和電容組成，用于產生38 kHz的脈沖序列作為載波信號，紅外發射管HG選用Vishay公司生產的TSAL6238，用來向外發射950 nm的紅外光束。其發送的過程為：串行數據有單片機的串行輸出端TXD送出并驅動三極管，數位“O”使三極管導通．通過有NE555構成的多諧振蕩電路調制成38 kHz的載波信號，并利用紅外發射管以光脈沖的形式向外發送。數位“l”使三極管截止，紅外發射管不發射紅外光。NE555構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 紅外接收器的設計

　　紅外接收電路選用Vishay公司生產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，其內部結構框圖如圖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電路進行解調。最后，由輸出級電路進行反向放大輸出。

　　2．3 數碼顯示部分

　　在系統中，選用一個雙七段數碼管來顯示發送和接收的數據。數碼管采用DPY雙位七段共陽數碼管。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口控制數碼管的陰極，P2．6，P2．7口分別控制數碼管的高位和低位，當P2口輸出數位“0”時，相應的三極管導通。根據PO口輸出不同數位，數碼管顯示不同的數字，當P2口輸出數位“l”時，三極管截止，數碼管不顯示。

　　2．4 發光二極管顯示部分設計

　　有8個發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。

　　2．5 按鍵部分設計

　　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發出串行數據，通過由NE555構成的多諧震蕩電路產生38 kHz脈沖序列作為載波信號，通過紅外發射管將信號以950 nm的紅外光束發出，紅外接收模塊TOSPl738將接收到的光脈沖轉換成電信號，再經過發大、濾波等處理后送給解調電路進行解調，還原為二進制數字信號后輸出到單片機的RXD口。單片機對接收到的數據進行處理，將相應的數據顯示在數碼管上。這樣，一個單片機控制的紅外通信系統就實現了通信。

　　為了保證紅外接收模塊TSOPl738接收的準確性，要求發送端載波信號的頻率應盡可能接近38 kHz，因此在設計脈沖震蕩器時，要選用精密元件并保證電源電壓穩定。還有，發送的數位“O”至少要對應14個載波脈沖，這就要求傳輸的波特率不能超過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 結束語

　　單片機控制的紅外通信系統具有硬件電路簡單、成本低廉、編程方便、通信可靠性高等優點，實現了通信雙方非接觸的數據，在遙控、遙測等應用場合得到廣泛應用

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