利用89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)紅外線通信接口電路控制

　　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(jī)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(hào)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(dòng)電路。紅外發(fā)光耳機(jī)光首先要滿足其調(diào)制帶寬大于信號(hào)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(zhǎng)應(yīng)與接收端的光電探測(cè)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(jìn)行數(shù)字信號(hào)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(hào)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(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將紅外脈沖信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)念l域均衡后進(jìn)行碼元判決，碼元判決電路是接收器設(shè)計(jì)的核心部分。由于信號(hào)采用紅外無線進(jìn)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(hào)經(jīng)自適應(yīng)碼元判決后變成數(shù)字信號(hào)，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕獯a轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡的信號(hào)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(hào)的介入，信號(hào)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(chǎng)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(hào)采用紅外線進(jìn)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(hào)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(jì)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(chǎng)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(dòng)跟蹤輸入信號(hào)電平的變化，得到最佳的閾值電平，并根據(jù)此閾值電平對(duì)信號(hào)進(jìn)行判決，將其變換為數(shù)字電平之后進(jìn)行解碼，恢復(fù)原始信號(hào)。同時(shí)，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(shí)視場(chǎng)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(jì)

　　單片機(jī)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(jī)89C51三部分組成，單片機(jī)本身并不具備紅外通信接口，可以利用單片機(jī)的串行接口與片紅外發(fā)射和接收電路，組成一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)的紅外串行通信接口。

　　2．1 發(fā)射部分設(shè)計(jì)

　　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(shí)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(hào)，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(jī)的串行輸出端TXD送出并驅(qū)動(dòng)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(hào)，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(jì)

　　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(gè)三端元件，使用單電源+5V供電，具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、輸入靈敏度高、對(duì)其他波長(zhǎng)(950 nm以外)的紅外光不敏感的特點(diǎn)，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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由前置放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理。然后，通過帶通濾波器進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)由解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)。最后，由輸出級(jí)電路進(jìn)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(gè)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(jī)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(shí)，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(shí)，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(jì)

　　有8個(gè)發(fā)光二極管與單片機(jī)的P1口相連，二極管的正極與電源正極相連，負(fù)極串聯(lián)一個(gè)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(jì)

　　有四個(gè)按鍵與單片機(jī)的P3口相連，按鍵的一邊接地，另外一邊與單片機(jī)的P3．2、P3．4、P3．5口相連。單片機(jī)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：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(hào)，通過紅外發(fā)射管將信號(hào)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(hào)，再經(jīng)過發(fā)大、濾波等處理后送給解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，還原為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)后輸出到單片機(jī)的RXD口。單片機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上。這樣，一個(gè)單片機(jī)控制的紅外通信系統(tǒng)就實(shí)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(hào)的頻率應(yīng)盡可能接近38 kHz，因此在設(shè)計(jì)脈沖震蕩器時(shí)，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(duì)應(yīng)14個(gè)載波脈沖，這就要求傳輸?shù)牟ㄌ芈什荒艹^2 400 bps。

　　3 單片機(jī)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(rèn)鍵

　　4 結(jié)束語

　　單片機(jī)控制的紅外通信系統(tǒng)具有硬件電路簡(jiǎn)單、成本低廉、編程方便、通信可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了通信雙方非接觸的數(shù)據(jù)，在遙控、遙測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用