基于C8051F120的红外光通信装置设计

陈雨

（上海大学通信与信息工程学院，上海200444）

基于C8051F120的红外光通信装置设计

陈雨

（上海大学通信与信息工程学院，上海200444）

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。

红外线通信；设计方法；C8051F120单片机；红外接收管

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Silicon Lab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。

图1 红外发射电路设计

图2 红外接收电路设计

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

图3 系统的工作流程图

1.3.2 A/D控制

1.3.3 A/D中断控制

1.3.4 温度读取

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。

表1 电压有效值

表2 温度有效值

表3 加中继后接收端电压有效值

表4 加中继后接收端温度有效值

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。

[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.

Design of infrared communication device based on C8051F120

CHEN Yu
（School of Communication and Information Engineering，Shanghai University，Shanghai 200444，China）

Based on fundamental principle of infrared communication，an infrared communication device was designed，in which C8051F120 microcomputer，infrared luminotron and receiving tube were adopted.Test results show that the device can re⁃alize the function of voice signal directional transmission，and transmission distance is 2 m.The transmission performance of the device can be improved by relay device.

infrared communication；design method；C8051F120 microcomputer；infrared receiving tube

TN974⁃34

A

1004⁃373X（2015）13⁃0033⁃03

2014⁃12⁃21