紅外線(xiàn)光發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文

1、<p>　　紅外線(xiàn)光發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　紅外技術(shù)在科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展使用到了各行各業(yè)。隨著多媒體技術(shù)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展,多媒體娛樂(lè)、信息高速公路等不斷對(duì)信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸提出了更高的要求。應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，現(xiàn)在社會(huì)對(duì)即時(shí)傳輸也就有了更高的要求。本設(shè)計(jì)利用射機(jī)將接入的音頻信號(hào)通過(guò)紅外光發(fā)射機(jī)產(chǎn)生微

2、弱的電信號(hào)，再通過(guò)放大器進(jìn)行放大驅(qū)動(dòng)發(fā)射端工作，最終變?yōu)榧t外光信號(hào)傳輸給紅外接收機(jī)除此外，本次設(shè)計(jì)針對(duì)紅外發(fā)射要求頻率高這一特點(diǎn)做出相應(yīng)的改良，在發(fā)射端電路中運(yùn)用三級(jí)放大，對(duì)初始化的電流信號(hào)進(jìn)行放大，以便于其驅(qū)動(dòng)發(fā)射端的兩個(gè)發(fā)射頭工作。該課題主要目的就是設(shè)計(jì)一個(gè)紅外光發(fā)射機(jī)，能鍛煉制板和焊接等基本技能。紅外技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)品種類(lèi)繁多，主要有紅外傳感器、紅外通信、紅外熱像、紅外光譜儀等。本設(shè)計(jì)主要運(yùn)用紅外通信技術(shù)來(lái)完成本次設(shè)計(jì)。紅外光發(fā)射機(jī)的通

3、信系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，它主要就是對(duì)信號(hào)經(jīng)過(guò)三級(jí)放大來(lái)傳輸給接收端，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸。</p><p>　　關(guān)鍵詞：紅外技術(shù)，光發(fā)射機(jī)，EDA仿真技術(shù)。</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 選題背景及目的</p><p>　　紅外發(fā)射機(jī)是實(shí)現(xiàn)紅外通信的關(guān)鍵器件，紅外光

4、發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)可以對(duì)光發(fā)射機(jī)的組成部分、采用的元器件和應(yīng)用到的科技技術(shù)深入理解，進(jìn)而為實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。紅外線(xiàn)屬于一種電磁射線(xiàn)，他的特性就等同于無(wú)線(xiàn)電或X射線(xiàn)。1672年，牛頓使用了可以分光切帶有棱角的鏡子吧太陽(yáng)光分解成為7種顏色的單色。1800年，在英國(guó)物理學(xué)家F.W.郝胥爾從熱的觀點(diǎn)來(lái)研究各種光色的時(shí)候，偶爾發(fā)現(xiàn)在光帶紅光外的一個(gè)溫度計(jì)比其他光的顏色的溫度都要高，這個(gè)高溫區(qū)總是衛(wèi)浴光帶的最邊緣處紅光外邊。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，于是他宣布：因?yàn)?/p>

5、總是位于紅光的外側(cè)，所以叫紅外線(xiàn)，又稱(chēng)紅外光輻射。這種紅外線(xiàn)具有熱效應(yīng)：生物體中的偶極子和自由電荷在電磁場(chǎng)的作用下，就按照電磁場(chǎng)的方向排列的趨勢(shì)，在這個(gè)排列的過(guò)程中，引發(fā)了分子和院子沒(méi)有規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，就加劇而產(chǎn)生了熱。當(dāng)紅外輻射到達(dá)一定額度的時(shí)候，超過(guò)了這個(gè)生物體的散熱能力，它就會(huì)使被照射的物體局部溫度升高，這就是紅外線(xiàn)的熱效應(yīng)。紅外線(xiàn)的最大特點(diǎn)就是普遍存在于大自然之中。紅外線(xiàn)色彩是多彩多姿的，紅外線(xiàn)的最長(zhǎng)波長(zhǎng)是最短波長(zhǎng)的10倍【4】。紅

6、外線(xiàn)在短距離、室內(nèi)應(yīng)用中有著非常大的優(yōu)勢(shì)。紅外通信成本低速度快，而且?guī)拵缀醪?lt;/p><p>　　紅外技術(shù)在科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)得到了充分的認(rèn)可發(fā)展使用到了各行各業(yè)，在紅外成像、紅外傳感和紅外通信等軍用和民用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，具有體積小、損耗低、功能強(qiáng)、準(zhǔn)確率高、速度快等優(yōu)點(diǎn)。紅外通信技術(shù)發(fā)展的早期，存在有幾種不同的通信標(biāo)準(zhǔn)，不同標(biāo)準(zhǔn)之間的通信設(shè)備并不能進(jìn)行紅外通信，為了統(tǒng)一紅外通信標(biāo)準(zhǔn)，于1993年，一些廠(chǎng)商成立了紅

7、外線(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（IrDA，infrared data association）。IrDA是目前紅外無(wú)線(xiàn)通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，你可以使用它與打印機(jī)、傳真機(jī)、modem、其它計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信[1]。</p><p>　　紅外技術(shù)最先是被使用于紅外探測(cè)器，它是紅外技術(shù)的先導(dǎo)。1800年，F(xiàn)·W·赫歇爾發(fā)現(xiàn)紅外輻射時(shí)使用的是水銀溫度計(jì)，這是最原始的熱敏型紅外探測(cè)器。1830年以后，相繼研制出溫差電偶的熱敏探測(cè)器

8、、測(cè)輻射熱計(jì)等。在1940年以前，研制成的紅外探測(cè)器主要是熱敏型探測(cè)器[2]。19世紀(jì)，科學(xué)家們用熱敏型紅外探測(cè)器，認(rèn)識(shí)了紅外輻射的特性及其規(guī)律，證明了紅外線(xiàn)與可見(jiàn)光具有相同的物理性質(zhì)，遵守相同的規(guī)律。它們都是電磁波之一，具有波動(dòng)性，其傳播速度都是光速、波長(zhǎng)是它們的特征參數(shù)并可以測(cè)量。20世紀(jì)初，測(cè)量了大量的有機(jī)物質(zhì)和無(wú)機(jī)物質(zhì)的吸收、發(fā)射和反射光譜，證明了紅外技術(shù)在物質(zhì)分析中的價(jià)值[3]。30年代，首次出現(xiàn)紅外光譜帶，以后，它發(fā)展成在物

9、質(zhì)分析中不可缺少的儀器。 40年代初，光電型紅外探測(cè)器問(wèn)世，以硫化鉛紅外探測(cè)器為代表的這類(lèi)探測(cè)器，其性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)牢靠。50年代，半導(dǎo)體物理學(xué)的迅速發(fā)展，使光電型紅外探測(cè)器得到新的推動(dòng)。到60年初期，對(duì)于1～3、3～5和8～13微米三個(gè)重要的大氣窗口都有了性能優(yōu)良的紅外探測(cè)器。在同一時(shí)期內(nèi)，固體物理、光學(xué)、電子學(xué)、精密機(jī)械和微型致冷器等方面的發(fā)展，使紅外技術(shù)在軍、民兩</p><p>　　在紅外技術(shù)的發(fā)展中，60

10、年代激光的出現(xiàn)極大地影響了紅外技術(shù)的發(fā)展，很多重要的激光器件都在紅外波段，其相干性便于移用電子技術(shù)中的外差接收技術(shù)，使雷達(dá)和通信都可以在紅外波段實(shí)現(xiàn)，并可獲得更高的分辨率和更大的信息容量[4]。在此之前，紅外技術(shù)僅僅能探測(cè)非相干紅外輻射，外差接收技術(shù)用于紅外探測(cè)，使探測(cè)性能比功率探測(cè)高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，由于這類(lèi)應(yīng)用的需要，促使出現(xiàn)新的探測(cè)器件和新的輻射傳輸方式，推動(dòng)紅外技術(shù)向更先進(jìn)的方向發(fā)展。</p><p>

11、　　紅外線(xiàn)光發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，它可以提升我們自身的動(dòng)手能力和鞏固知識(shí)。該系統(tǒng)要求技術(shù)指標(biāo)相對(duì)簡(jiǎn)單并且具備紅外通信的所涉及的主要技術(shù)，因此該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有可行性。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　紅外光通信已經(jīng)漸漸的替代了傳統(tǒng)線(xiàn)纜通信，被用來(lái)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，因?yàn)榧t外光通信技術(shù)具有短距離、小角度、傳輸速率高等特點(diǎn)紅外線(xiàn)是現(xiàn)在在世界范圍都是被大

12、家普遍運(yùn)用的一種無(wú)線(xiàn)連接的技術(shù)，由于紅外線(xiàn)的波長(zhǎng)較短，對(duì)障礙物的衍射共能比較差，所以紅外線(xiàn)傳輸技術(shù)更適合應(yīng)用在短距離無(wú)線(xiàn)通信的情況。紅外線(xiàn)通信技術(shù)通過(guò)數(shù)據(jù)電脈沖的方式和紅外光脈沖之間的方式相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)的數(shù)據(jù)收發(fā)，主要采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的的運(yùn)行模式。功能較為單一，擴(kuò)展性差。但是由于成本低，營(yíng)運(yùn)方便，已被全世界大多數(shù)的軟件和硬件的生產(chǎn)公司支持和采用。目前，紅外技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，在美、英、法、德、日、以色列等發(fā)達(dá)國(guó)家的軍隊(duì)中，紅外熱像儀

13、已配置在陸、空、海軍等各個(gè)軍種中，例如海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中平均每個(gè)美國(guó)士兵配備1.7具紅外熱像儀[5]。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，目前我國(guó)軍隊(duì)中紅外熱像儀的應(yīng)用相對(duì)較少，其市場(chǎng)需求量相當(dāng)巨大。當(dāng)然紅外技術(shù)也在遙感、交通、醫(yī)學(xué)、石化、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、電力、安全監(jiān)控與防范和科學(xué)研究等民用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，根據(jù)美國(guó)Maxtech International 發(fā)布的紅外市場(chǎng)報(bào)告，2006年全球民用紅外熱像儀的銷(xiāo)售額為16.3億美元[6]。近</p><

14、p>　　1.3 課題研究思路及方法簡(jiǎn)介</p><p>　　紅外通信其實(shí)顧名思義它就是利用紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)之間的近距離保密通信和信息轉(zhuǎn)發(fā)。它一般由紅外發(fā)射和接收系統(tǒng)兩部分組成。紅外通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是光通信系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，紅外通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和目前世界上所采用的骨干通信網(wǎng)的光纖通信系統(tǒng)有相同之處，唯一比較重要的差別就是它們二者所采用的傳輸媒質(zhì)不同，一個(gè)是大氣，一個(gè)則是光纖。在短距離傳輸?shù)臈l件下，紅外通信

15、屬于無(wú)線(xiàn)通信，避免了連線(xiàn)和接口等不必要的設(shè)施，所以比較方便。語(yǔ)音和音樂(lè)等所產(chǎn)生的電信號(hào)，一般不直接進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，而是經(jīng)過(guò)放大后對(duì)發(fā)射機(jī)的高頻震蕩進(jìn)行調(diào)制，然后將此攜帶有低頻信號(hào)的高頻已調(diào)制信號(hào)，通過(guò)大氣傳輸出去。這次的設(shè)計(jì)采用了紅外技術(shù)從而最終實(shí)現(xiàn)紅外音頻通信。具體研究方法如下：首先要在紅外發(fā)射機(jī)直接引入音頻信號(hào)，在發(fā)射端產(chǎn)生微弱電流信號(hào)，經(jīng)發(fā)射電路放大，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射頭工作，紅外發(fā)射頭將放大后的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為紅外光信號(hào)，通過(guò)空氣傳播，

16、接收端此時(shí)的紅外接收頭收到紅外光信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為微弱電流信號(hào)，經(jīng)接收電路進(jìn)行音頻放大后，最終還原為音頻信號(hào)，經(jīng)喇叭傳輸，在接收端可以清晰聽(tīng)到聲音。</p><p><b>　　2 紅外技術(shù)簡(jiǎn)介</b></p><p>　　2.1 紅外線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)</p><p>　　紅外通信技術(shù)，顧名思義就是利用紅外線(xiàn)進(jìn)行通信傳輸技術(shù)。所以，要了解它還得從紅外線(xiàn)

17、講起。人的眼睛能看到的可見(jiàn)光，若按波長(zhǎng)排列，依次（從長(zhǎng)到短）為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，如圖1所示。由圖可見(jiàn)，比紅光波長(zhǎng)還長(zhǎng)的光叫紅外線(xiàn)。紅外線(xiàn)是波長(zhǎng)介乎微波與可見(jiàn)光之間的電磁波，波長(zhǎng)在0.75微米（μm）至1毫米之間，在光譜上位于紅色光外側(cè)。紅外線(xiàn)具有很強(qiáng)的熱效應(yīng)，易于被物體吸收，通常被作為熱源。另外，它的透過(guò)云霧能力比可見(jiàn)光強(qiáng)，在通訊、探測(cè)、醫(yī)療、軍事等方面有廣泛的用途，俗稱(chēng)紅外光[8]。公元1666年，牛頓發(fā)現(xiàn)光譜并測(cè)量出390

18、0?！?600埃（400nm～700nm）是可見(jiàn)光的波長(zhǎng)。1800年4月24日，英國(guó)倫敦皇家學(xué)會(huì)（ROYAL SOCIETY）的威廉·赫歇爾發(fā)表太陽(yáng)光在可見(jiàn)光譜的紅光之外還有一種不可見(jiàn)的延伸光譜，具有熱效應(yīng)。他所使用的方法很簡(jiǎn)單，用一支溫度計(jì)測(cè)量經(jīng)過(guò)棱鏡分光后的各色光線(xiàn)溫度，由紫到紅，發(fā)現(xiàn)溫度逐漸增加，可是當(dāng)溫度計(jì)放到紅光以外的部份，溫度仍持續(xù)上升，因而斷定有紅外線(xiàn)的存在。</p><p>　　2.2

19、 紅外線(xiàn)的劃分</p><p>　　紅外線(xiàn)按其波長(zhǎng)不同可劃分為三種，即：近紅外線(xiàn)、中紅外線(xiàn)和遠(yuǎn)紅外線(xiàn)。其劃分的范圍大致如下：近紅外線(xiàn)，波長(zhǎng)為(0.75-1)～(2.5-3)μm之間；中紅外線(xiàn)，波長(zhǎng)為(2.5-3)～(25-40)μm之間；遠(yuǎn)紅外線(xiàn)，波長(zhǎng)為(25-40)～l000μm 之間。而在我們的周邊，紅外線(xiàn)無(wú)處不在，除非絕對(duì)零度（-273.15℃），因?yàn)樗懈哂诮^對(duì)零度的任何物體都可以產(chǎn)生紅外線(xiàn)。其中，波長(zhǎng)為

20、 8-14μm的遠(yuǎn)紅外線(xiàn)是生物生存必不可少的因素。而這段遠(yuǎn)紅外線(xiàn)也有一個(gè)單獨(dú)的名字，叫“生命光波[9]。</p><p>　　2.3 紅外線(xiàn)和紅外通信的的特點(diǎn)</p><p>　　紅外線(xiàn)的特點(diǎn)是不干擾其他電器設(shè)備工作，也不會(huì)影響周邊環(huán)境。電路調(diào)試簡(jiǎn)單，若對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行編碼，可實(shí)現(xiàn)多路紅外遙控功能。利用紅外線(xiàn)進(jìn)行通信具有以下特點(diǎn):</p><p>　?、?紅外線(xiàn)是

21、人體肉眼不可見(jiàn)的光線(xiàn)，保密性強(qiáng)，選用它作為信息載體，裝置工作時(shí)不存在視覺(jué)污染，對(duì)人體沒(méi)有傷害。</p><p>　?、?傳播范圍不受限制，不存在頻率干擾問(wèn)題，與無(wú)線(xiàn)電波方式相比，不必就頻率資源向有關(guān)部門(mén)進(jìn)行申請(qǐng)和登記，易于實(shí)施。</p><p>　?、?具有良好的指向性，當(dāng)傳送設(shè)備和紅外接收端口排成直線(xiàn)，角度不超過(guò)15度得時(shí)候，紅外裝置運(yùn)行效果最好。</p><p&

22、gt;　?、?由于紅外線(xiàn)波長(zhǎng)較長(zhǎng)所以其穿透能力較弱，不能穿過(guò)人體和和物體，在進(jìn)行傳輸時(shí)不能阻斷光路。</p><p>　?、?目前產(chǎn)生和接受紅外線(xiàn)的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，元器件體積小，成本低。</p><p>　?、?紅外線(xiàn)由于其傳輸介質(zhì)是大氣，所以其再傳播時(shí)的衰減系數(shù)較小，可以保證信號(hào)的有效傳送。</p><p>　　⑦ 紅外通信系統(tǒng)有著制作簡(jiǎn)單，易于產(chǎn)生和調(diào)

23、制的優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　紅外線(xiàn)的以上特點(diǎn)決定了它適用于教室、會(huì)議室等場(chǎng)所。同時(shí)紅外線(xiàn)傳播主要采取的是直線(xiàn)傳播，所以有物體位于發(fā)射端和接收端之間時(shí)，傳輸就會(huì)受到影響。當(dāng)然，它可以通過(guò)墻壁反射來(lái)進(jìn)行傳輸，但是對(duì)于音頻通信來(lái)說(shuō)，這種方式會(huì)有一定的延遲，而導(dǎo)致聲音效果不佳[10]。</p><p>　　3 EDA圖像仿真</p><p>　　EDA是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化

24、（Electronic Design Automation）的縮寫(xiě)。EDA技術(shù)其實(shí)都是用電腦為工具，使用者用電腦來(lái)做電路仿真用的。用硬件描述語(yǔ)言HDL（Hardware Description Language）完成設(shè)計(jì)文件，然后由電腦自己自主的完成點(diǎn)子電路的邏輯編譯、邏輯簡(jiǎn)化、邏輯分割、邏輯綜合（布局以及布線(xiàn)），以及邏輯優(yōu)化和仿真測(cè)試，一直到實(shí)現(xiàn)既定的電子路線(xiàn)系統(tǒng)功能?！?】使用EDA可以進(jìn)行的范圍非常的廣闊。在通信、機(jī)械、電子、醫(yī)學(xué)

25、、軍事等各個(gè)領(lǐng)域，都有EDA的使用空間?，F(xiàn)在EDA這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在各種大型公司，科研教學(xué)部門(mén)廣泛的在使用。</p><p>　　3.1 EDA技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)</p><p>　　一般情況的時(shí)候，使用EDA技術(shù)是進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最后目標(biāo)，都是用來(lái)完成專(zhuān)用電路集成ASIC（Application Specific Integrated Circuit）的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，ASIC將是最終的物理平臺(tái)，采

26、集容納了使用者通過(guò)EDA技術(shù)將電子應(yīng)用系統(tǒng)中的既定功能還有技術(shù)基表具體實(shí)現(xiàn)的一個(gè)硬件的實(shí)體。</p><p>　　3.2 硬件的描述語(yǔ)言VHDL</p><p>　　硬件的寫(xiě)入語(yǔ)言HDL是EDA技術(shù)非常重要的組成部分，常見(jiàn)的就有一下這幾種：VHDL、Verilong HDL、System C。其中VHDL、Verilog在現(xiàn)在EDA常用的電子電路制圖設(shè)計(jì)中，使用的最多[8]。VHDL的英文

27、全稱(chēng)是VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)Hardware Description Language,于1983年由美國(guó)國(guó)防部(DOD)發(fā)起創(chuàng)建。從此，VHDL成為硬件描述語(yǔ)言界的標(biāo)準(zhǔn)之一。</p><p>　　3.3基于VHDL的自上到下設(shè)計(jì)的方法</p><p>　　應(yīng)用VHDL進(jìn)行自上而下的設(shè)計(jì)，就是說(shuō)在使用VHDL創(chuàng)建模型在全部的綜合級(jí)

28、別上對(duì)設(shè)計(jì)圖上硬件的設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明、建模還有仿真測(cè)試。正因?yàn)檫@樣，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，要根據(jù)EDA仿真出來(lái)的結(jié)果不斷地進(jìn)行設(shè)計(jì)修改、優(yōu)化和不斷升級(jí)，可以非常及時(shí)的對(duì)模型進(jìn)行修改，更正在設(shè)計(jì)中所犯下的錯(cuò)誤，提高設(shè)計(jì)目標(biāo)的工作速率，是其展現(xiàn)的能力最大化。在這一系列過(guò)程中，用自上而下的方法設(shè)計(jì)，使他以后每一步的設(shè)計(jì)都是基于上一步的設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行。即時(shí)發(fā)現(xiàn)在這幾種有問(wèn)題或是需要修改，也不影響整體的設(shè)計(jì)成果。自上而下的設(shè)計(jì)包括以下的幾個(gè)階段：</p&g

29、t;<p>　　圖1VHDL的自上到下設(shè)計(jì)的方法</p><p>　　將電路系統(tǒng)以一定的表達(dá)方式輸入計(jì)算機(jī)，是在EDA軟件平臺(tái)上對(duì)FPGA/CPLD開(kāi)發(fā)的最初步驟。一般情況下，在使用EDA軟件工具的設(shè)計(jì)輸入的時(shí)候大概可以分為兩種種類(lèi)：1.圖形輸入2.HDL文本輸入。</p><p>　　自頂向下的設(shè)計(jì)流程按照以下步驟進(jìn)行：（1）提出設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，（2）建立VHDL模型（3）VH

30、DL行為仿真（4）VHDL-RTL級(jí)建模（5）前端功能仿真（6）邏輯綜合（7）測(cè)試向量生成（8）功能仿真（9）綜合結(jié)構(gòu)（10）門(mén)及時(shí)序仿真（11）軟件測(cè)試。</p><p>　　4紅外光發(fā)射機(jī)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架及思路</p><p>　　紅外光發(fā)射機(jī)屬于一種無(wú)線(xiàn)光通信電路。目前，這種通信方式主要應(yīng)用于室內(nèi)，如構(gòu)成無(wú)繩電話(huà)及無(wú)繩耳

31、機(jī)系統(tǒng)等。紅外線(xiàn)的傳輸距離雖然不遠(yuǎn)，但應(yīng)用于辦公室和家庭已綽綽有余。由于可免去布線(xiàn)的麻煩，故它具有有線(xiàn)光通信無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)為紅外光發(fā)射器，即：通過(guò)紅外線(xiàn)傳送音頻信號(hào)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制作、無(wú)干擾、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。本方案設(shè)計(jì)框圖如下：</p><p>　　圖2紅外光發(fā)射器框圖</p><p>　　該系統(tǒng)發(fā)射端和接收端均接入5V穩(wěn)壓電源，

32、音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)射電路時(shí)產(chǎn)生電流很微弱，所以發(fā)射端采用三級(jí)放大電路，但是過(guò)大的發(fā)射功率會(huì)燒壞其中部分器件。因此，我們?cè)陔娐分屑尤肟烧{(diào)電阻，以便控制發(fā)射功率。</p><p><b>　　4.2 電路原理</b></p><p>　　該電路設(shè)計(jì)是根據(jù)光纖通信中光發(fā)射機(jī)原理而制定，不同的就是光纖通信系統(tǒng)是通過(guò)“光纖”為介質(zhì)而進(jìn)行傳輸?shù)?，而本系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)則為“大氣”，不受

33、無(wú)線(xiàn)電波的干擾，但室內(nèi)光線(xiàn)也會(huì)對(duì)它有一定的影響。</p><p>　　紅外光發(fā)射機(jī)發(fā)射系統(tǒng)，如圖3所示。</p><p>　　圖3 紅外光發(fā)射機(jī)原理圖</p><p>　　圖3為紅外光發(fā)射電路，我們將外界的音頻信號(hào)通過(guò)迷你話(huà)筒直接傳入發(fā)射電路，此時(shí)發(fā)射電路將其轉(zhuǎn)化為微弱電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)三級(jí)管BC547、9012和運(yùn)算放大器LM386放大后驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管工作。由于紅外發(fā)

34、射管的發(fā)射強(qiáng)度和電流成正比，所以發(fā)射頭VD1和VD2所發(fā)出的紅外光便受到音頻信號(hào)的調(diào)制（直接調(diào)制）。由于本系統(tǒng)為音頻通信系統(tǒng)，所以必然存在失真的問(wèn)題，所以在發(fā)射端電路中應(yīng)加入偏置電阻和濾波電容，以便調(diào)節(jié)它的發(fā)射功率同時(shí)抑制失真。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)物如圖4所示：</p><p>　　圖4 紅外音頻通信系統(tǒng)實(shí)物參照?qǐng)D</p><p>　　4.3 主要元器件</p><p>

35、;　　4.3.1 發(fā)射端所用元器件及其參數(shù)</p><p>　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)射端主要用到以下元器件，如表1所示：</p><p>　　表1 發(fā)射系統(tǒng)所需元器件列表</p><p>　　4.4 LM386功能簡(jiǎn)介</p><p>　　LM386是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品。它是一種音頻集成功放，

36、具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真度低等很多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中[11]。其電源電壓4—12V（本設(shè)計(jì)采用5V電源），音頻功率0.5W，所以本設(shè)計(jì)中喇叭也采用0.5W的，以便使其正常工作。LM386是由NSC制造的，它的電源電壓范圍非常寬，最高可使用到15V，消耗靜態(tài)電流為4mV，當(dāng)電源電壓為12V時(shí)，在8歐姆的負(fù)載情況下，可提供幾百mW的功率，它的典型輸入阻抗為50K。同時(shí)其電壓增益

37、也是可調(diào)的，通過(guò)引腳之間加入電阻和旁路電容可使其電壓增益在20—200之間隨意調(diào)節(jié)，但是為了減少其外圍元件，LM386內(nèi)置電壓增益為20。 在6V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24mW，使得LM386特別適用于電池供電的場(chǎng)合。下面我們以圖片形式介紹LM386的一些典型應(yīng)用電路：</p><p>　　圖6放大增益=20電路</p><p>　　圖7 放大增益=200電路</p>

38、<p>　　圖8低頻提升放大電路</p><p>　　LM386引腳如圖10所示，它具有8個(gè)引腳，其中引腳2為反相輸入端，3為同相輸入端；引腳5為輸出端；引腳6和4分別為電源和地；引腳1和8為電壓增益設(shè)定端；使用時(shí)在引腳7和地之間接旁路電容，通常取10μF。</p><p>　　圖9 LM386引腳圖</p><p>　　LM386與通用型集成運(yùn)算放大電路

39、一樣，它也是一個(gè)由差分放大電路、共射放大電路和OTL放大電路構(gòu)成的三級(jí)放大電路。其內(nèi)部電路如圖11所示：</p><p>　　圖10 LM386內(nèi)部原理圖</p><p>　　第一級(jí)：差分放大電路。該電路中由T1和T3、T2和T4分別構(gòu)成復(fù)合管，作為差分放大電路的放大管；T5和T6組成鏡像電流源作為T(mén)1和T2的有源負(fù)載；T3和T4信號(hào)從管的基極輸入，從T2管的集電極輸出，為雙端輸入單端輸出

40、差分電路。使用鏡像電流源作為差分放大電路有源負(fù)載，可使單端輸出電路的增益近似等于雙端輸出電容的增益。</p><p>　　第二級(jí)：共射放大電路。該電路由T7作為放大管，恒流源作為有源負(fù)載，以增大放大倍數(shù)。</p><p>　　第三級(jí)： OTL(Output transformerless )放大電路（無(wú)輸出變壓器功率放大電路）。該電路中由T8和T9管復(fù)合成PNP型管，與NPN型管T10構(gòu)成

41、準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)。二極管D1和D2為輸出級(jí)提供合適的偏置電壓，可以消除交越失真。其中引腳2為反相輸入端，引腳3為同相輸入端。電路由單電源供電，故為OTL電路。輸出端（引腳5）應(yīng)外接輸出電容后再接負(fù)載。電阻R7從輸出端連接到T2的發(fā)射極，形成反饋通路，并與R5和R6構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，從而引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使整個(gè)電路具有穩(wěn)定的電壓增益[12]。</p><p>　　4.5 電路工作原理</p><

42、;p>　　圖11 紅外音頻發(fā)射系統(tǒng)原理圖</p><p>　　這次設(shè)計(jì)中紅外音頻發(fā)射系統(tǒng)如圖12所示，音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)話(huà)筒引入發(fā)射端，經(jīng)該系統(tǒng)中0.1uF電容耦合至三極管BC547進(jìn)行一級(jí)放大，被放大的電壓信號(hào)流經(jīng)運(yùn)放LM386，因?yàn)長(zhǎng)M238本身帶有功率放大作用所以我們可以通過(guò)該電路中的10K滑動(dòng)變阻器對(duì)其放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以避免電流過(guò)大損壞電路，電壓信號(hào)經(jīng)運(yùn)放后再通過(guò)隔直電容（33uF）流經(jīng)三極管9012，

43、經(jīng)耦合電容隔直后會(huì)在9012三極管的基級(jí)加上一組和音頻信號(hào)相同變化規(guī)律的電流，再由9012的放大作用以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)紅外發(fā)射管VD1和VD2工作，而VD1和VD2的發(fā)光強(qiáng)度受到音頻信號(hào)強(qiáng)弱的直接調(diào)制，所以此時(shí)音頻信號(hào)會(huì)對(duì)其進(jìn)行大小同步調(diào)制并轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外信號(hào)發(fā)射出去。該電路中，為了提高兩個(gè)紅外發(fā)射管的發(fā)射功率，我們選擇將發(fā)射管VD1和VD2并聯(lián)，同時(shí)為了避免電流過(guò)大，應(yīng)該在發(fā)射端加入一個(gè)降流電阻。</p><p>　　4.

44、6 系統(tǒng)調(diào)試及調(diào)試結(jié)果</p><p>　　將發(fā)射系統(tǒng)和接受系統(tǒng)接入5V直流電源，確定其正常通電的情況下，在該系統(tǒng)發(fā)射端的話(huà)筒處引入MP3聲源，將接收端放于離發(fā)射端6米范圍內(nèi)，并將發(fā)射管對(duì)準(zhǔn)接收管偏差不大于60度的情況下，均可清晰聽(tīng)到聲音。經(jīng)測(cè)試該系統(tǒng)在5V工作電壓下，傳輸距離不大于6米的情況下測(cè)試成功。 </p><p>　　5 設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的故障及問(wèn)題分析</p>

45、<p>　　本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，在焊接萬(wàn)用板時(shí)，由于電路較為復(fù)雜，為了使其變得美觀，我省去了后面的連接短線(xiàn)，而是用焊錫焊接成為流線(xiàn)型的，使得萬(wàn)用板看起來(lái)不是很亂，但是在這個(gè)過(guò)程中，我常常出現(xiàn)連焊的情況，如圖14所示，一次又一次的焊接完成之后卻發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)功能，后來(lái)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的排查才發(fā)現(xiàn)是因?yàn)樵诤附訒r(shí)出現(xiàn)了連焊，使得電路發(fā)生改變，甚至是短路。</p><p><b>　　圖12 連焊面板&

46、lt;/b></p><p>　　再者就是在選材方便，初次做萬(wàn)用板的時(shí)候我購(gòu)買(mǎi)紅外接收管時(shí)，沒(méi)有注意型號(hào)，后來(lái)等焊接好了萬(wàn)用板之后發(fā)現(xiàn)不能實(shí)現(xiàn)該功能，花費(fèi)了我很長(zhǎng)時(shí)間也找不出是哪一塊出錯(cuò)，后來(lái)?yè)Q了一種型號(hào)的接收管，系統(tǒng)功能便可以實(shí)現(xiàn)。還有焊接三極管時(shí)，應(yīng)該注意其引腳，在整個(gè)焊接過(guò)程中因?yàn)闆](méi)有注意三極管引腳位置，幾次鑄成大錯(cuò)。</p><p>　　最后，本次設(shè)計(jì)的局限性就是傳輸距離較短

47、，希望在以后的學(xué)習(xí)過(guò)程中能夠通過(guò)自己學(xué)習(xí)的知識(shí)改變或者彌補(bǔ)這一缺憾。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　通過(guò)對(duì)本設(shè)計(jì)的完成，，我的收獲很大，學(xué)會(huì)了運(yùn)用已經(jīng)學(xué)過(guò)的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)去分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)對(duì)于設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題能積極的去思考、解決。使我了解并掌握了音頻紅外通信原理，了解了紅外發(fā)射機(jī)和紅外接收機(jī)的功能及其工作原理，同時(shí)掌握了

48、它的內(nèi)部元件LM386的功能和內(nèi)部電路，這是我完成本次設(shè)計(jì)必不可少的因素。將自己設(shè)計(jì)的電路焊接在電路板上并完成調(diào)試工作，使我更加熟練的掌握了在焊接方面的技術(shù)，于此同時(shí)也提高了自己的動(dòng)手能力。此外，我還學(xué)會(huì)了用萬(wàn)用表檢查電路的連接狀況和調(diào)試電路。</p><p>　　此外，在完成本次設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的過(guò)程中，我了解到了很多以前不知道的知識(shí)，比如紅外通信的很多用途等等。比如：在機(jī)場(chǎng)和飯店等地點(diǎn)使用步行傳真機(jī)和打印機(jī)，在這些

49、地方利用紅外技術(shù)，掌上計(jì)算機(jī)用戶(hù)可以利用這些外設(shè)而勿需電纜。銀行的ATM(柜員機(jī)) 也可以采用紅外接口裝置。</p><p>　　所以在本次設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中我受益匪淺。雖然，在本次設(shè)計(jì)中遇到很多困難，但是通過(guò)努力和細(xì)心的排查，都能一一解決，這也使得我明白不管做什么都要細(xì)心，否則再簡(jiǎn)單的事都會(huì)做錯(cuò)。</p><p><b>　　致謝</b></p>

50、<p>　　在本次設(shè)計(jì)的制作和撰寫(xiě)論文的過(guò)程中，從選材、焊接、電路調(diào)試和撰寫(xiě)論文對(duì)我來(lái)說(shuō)都是一次又一次的自我挑戰(zhàn)，從拿到這個(gè)題目時(shí)，我很迷茫、彷徨不知道該從哪下手。但是，在這一系列的過(guò)程中，李利平老師一直不斷的指導(dǎo)我，對(duì)我的輔導(dǎo)甚至是從零開(kāi)始，從最開(kāi)始的對(duì)設(shè)計(jì)題目的理解以及制作方案，都在李利平老師的指導(dǎo)下，我才能將其和理論知識(shí)貫穿，從而完成實(shí)物制作。在這段時(shí)間里，由于我們馬上畢業(yè)，我們小組的很多同學(xué)都在外面上班，所以平時(shí)沒(méi)

51、有很多時(shí)間和李利平老師見(jiàn)面，所以老師常常在下班后在網(wǎng)上對(duì)我們進(jìn)行指導(dǎo)和交流，也有很多時(shí)候?yàn)榱四軌蜃尨蠹以谝黄鹛接懡涣?，李老師?huì)在周末時(shí)候取消自己的休假時(shí)間過(guò)來(lái)指導(dǎo)我們。而我，基本每天都會(huì)去找老師，隨時(shí)碰到問(wèn)題就去找李老師尋求幫助，而老師一直很耐心的指導(dǎo)我。在撰寫(xiě)論文時(shí)，李老師嚴(yán)格要求我們要做好格式，很多我們不會(huì)的老師會(huì)專(zhuān)心教我們，不但教會(huì)我們?cè)趺赐瓿勺约旱漠厴I(yè)設(shè)計(jì)，同時(shí)也教會(huì)了很多計(jì)算機(jī)知識(shí)給我們。</p><p&g

52、t;　　本次設(shè)計(jì)的完成都是在xx老師的細(xì)心指導(dǎo)下完成的，她為人隨和，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)心，工作作風(fēng)精益求精。在此，我謹(jǐn)向李利平老師致以崇高的敬意和誠(chéng)摯的謝意，也謹(jǐn)向大學(xué)四年教給我知識(shí)的老師們致以崇高的敬意，你們教給我很多知識(shí)，也教會(huì)我做人的道理，在次，我向全體老師道一聲：“老師，您辛苦了”。與此同時(shí)也感謝在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中給我建議和幫助我的同學(xué)們，有了你們的幫助我才能完成本次設(shè)計(jì)，也是因?yàn)槟銈兊膸椭业脑O(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)才能更完善。</p>

53、<p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]蘇長(zhǎng)贊.紅外線(xiàn)與超聲波遙控[M].北京:人民郵電出版社,1998。</p><p>　　[2]楊宜禾,岳敏,周維真.紅外系統(tǒng)[M].北:國(guó)防工業(yè)出版,1995。 [3]潘松,黃繼業(yè).EDA技術(shù)使用教

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