1、本科毕业论文（20 届）基于单片机的红外通信测试系统设计所在学院 专业班级 应用物理学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 基于单片机的红外通信测试系统设计摘要随着科学技术的高速发展与进步，单片机依靠着它较高的稳定性和性价比，被广泛应用于各种高智能的家用电器、仪器仪表等设备。当前科技下单片机对这些智能设备的控制优点体现为：外型简单、功能多样、性能稳定。红外线通信是当前科学技术下应用比较广泛的一类通信方式。它通过调制红外线的频率振幅等方式来达到通信的目的。红外线可以用来传输语言、文字、数据、图像等信息。红外线通信设备具有结构简单、耗能低、通信能力强、生产成本低等特点。我们的日常生活
2、之中，身边的电视机、音箱、空调等都采用了红外通信控制。本论文先简单讲解了红外通信的原理，然后利用单片机设计红外通信系统，并描述了各部分组件和工作原理。并对红外通信系统之中的硬件还有软件进行设计和说明。使读者较对这一系统有比较直观的认知和理解。最后还利用本系统做实验来测试红外通信的特性。关键词：红外通信 单片机 硬件 软件 测试系统The design of infrared communication test system based on MCUABSTRACTWith the rapid development of science and technology, single chip
3、 with its high stability and cost, are widely used in all kinds of intelligent household appliances, instruments and other equipment. At the present stage of SCM control advantages of these smart devices include: the shape is simple, versatile, stable performance. Infrared communication is the use o
4、f a kind of means of communication widely under the current science and technology. It is through the modulation infrared frequency amplitude and other ways to achieve the purpose of communication. Infrared can be used to transfer language, text, data, images and other information. Infrared communic
5、ation equipment has the advantages of simple structure, low energy consumption, strong communication capability, low production cost. Our daily life, TV, air conditioning, side speakers have adopted infrared communication control.This paper briefly explains the principle of infrared communication, t
6、hen the use of single-chip design of infrared communication system, and describes the components and working principle. The infrared communication system hardware and software design and description. The reader is more intuitive understanding of the system. The characteristics also make use of the s
7、ystem to do experiments to test the infrared communication.Key Words：Infrared communication Hardware Software Testing system目 录第一章 绪论 .11.1 电磁波 .11.1.1 波动模型 .11.2 红外波及其应用 .21.2.1 红外波 .21.2.2 应用 .2第二章 红外通信基本原理 .32.1 通信原理 .32.2 红外材料特性 .32.2.1 红外辐射材料 .32.3 IrDA 标准系统 .42.4 载波调制方法 .5第三章 红外通信测试系统 .63.1 二极
8、管工作原理 .63.2 光电二极管工作原理 .63.3 测试系统组成 .73.3.1 单片机控制电路 .73.3.2 MAX7219 电路 .93.3.3 数码管显示电路 .103.3.4 红外收发电路 .123.3.5 蜂鸣器电路 .133.3.6 电源电路 .133.4 软件架构 .143.4.1 主流程图 .143.4.2 LCD1602 流程图 .163.5 硬件制作与调试 .173.5.1 硬件制作 .173.5.2 电路板的制作 .173.5.3 硬件调试 .173.5.4 软件调试 .183.5.5 整机调试 .18第四章 红外通信特性研究 .194.1 测量仪器 .194.2
9、材料红外特性的测量 .214.3 红外发射管角度特性测量 .21第五章 总结 .235.1 总结 .23参考文献 .24附录 A .25附录 B .261第一章 绪论1.1 电磁波所谓电磁波，通常也被人们称作电磁辐射。它是电场还有磁场在空间之中同相振荡而且互相垂直并且以波的形式传递的动量和能量，它传播的方向和电场与磁场在空间中震荡方向成的平面垂直。电磁波的载体是光子，其传播并不需要任何介质，电磁波在真空能以光速传播。电磁波可根据频率分类，由低频至高频，能分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X 射线以及伽马射线等。人类肉眼能够看到的电磁波的波长范围在 380nm 到 780nm 之间，人
10、们称之为可见光。只要物体自身的温度比绝对零度高的话，它就能够向周围环境发射电磁波，而在我们的认知中根本不存在温度比绝对零度还低的物体。1.1.1 波动模型频率是光波的一个主要的物理参数。通常所说的波的频率就是其振荡率，国际单位制中频率的单位是赫兹（Hz） 。每秒振荡多少次的频率就是多少赫兹。许多连续的波峰和波谷组成了波，波长是两个连续的波峰（或波谷）之间的距离。电磁波的波长差距很大，例如伽马射线的波长比原子的半径还要短，而无线电波的波长却可以达到有几十米。频率与波长成反比：V= (1)其中，V 是波速（在真空中等于光速；在其它介质中，略小于光速） ， 是频率， 是波长。当波从某类介质透射到其他
11、的介质中时，波速一般会有些改变，不过频率却不会改变。干涉是指有两个或者更多的波进行叠加后出现新的波样式。例如几个电磁波的电场是相同方向的，磁场也是同一方向的，那么这种干涉就是建设性的干涉；相反的，则是摧毁性干涉。电磁波的能量又被我们称为辐射能。这些辐射能一部分存在于电场中，另外一部分储存于磁场中。用方程表达（2）：(2)20201EBu（2）式中，u 是单位体积的能量，E 是电场的数值，B 表示是磁场， 是电常数，02是 磁常数 。01.2 红外波及其应用1.2.1 红外波红外线的波长一般在 760nm 到 1mm 之间，他是一种不可见光，波长长于可见光。物体所发射出来的热辐射的波段，穿透能力
12、比可见光要强，俗称红外光，它在医疗、通讯、军事、探测等各方面有非常广泛的用途。1.2.2 应用热作用强是红外线的一个重要特性。所以人们经常使用红外线来加热食品。家里会使用红外烤箱来烘烤食物，浴室的暖灯则使用红外线来取暖，医学上也能够使用红外线来理疗。根据前面的介绍，我们不难设想出，如果我们能过“看”到红外线，那么我们将会看到一个光亮的世界，每一个物体都在发光。不过，如果物体的温度比它所处环境的温度高，它就会比环境更亮一些。因此人们想到了在处于没有可见光光源的环境下，利用这一原理来成像，并采用一些特殊的手段使人眼能够识别红外线图像，这就是夜视仪的原理。利用红外光能够在大气中传播的原理，可以利用红
13、外测温仪来远程测量物体的温度。现代生活用有很多防盗器也都是利用这一原理设计的，以及一些生活中常见的装置如自动水龙头、自动灯、自动干手机等等。第二章 红外通信基本原理32.1 通信原理红外通信是使用波长为 950 纳米的红外辐射来当做传递信息的媒体。首先发射器把基带二进制的信号调制成一段连续的脉冲串信号，然后利用红外线发射器来发射红外线信号。接收端把所受到的光脉转变为电信号，然后通过放大、滤波等各种处理之后传输至解调电路来进行还原，从而解调成最初的二进制数字信号。一般使用的方式有两类，一是利用每一个脉冲串间的发射时间间隔来对红外线进行调制的脉时调制。另一类是改变脉冲的宽度进行红外线调制的脉宽调制
14、。总体来说，红外通讯的根本本质是通过对二进制的数字信号进行调制和解调，然后使用红外线进行传输。2.2 红外材料特性红外辐射也就是红外线(IR)。它和其它的可见光一样，虽然是一种人通过肉眼看不到的光线，但却也是客观存在的物质。不论何种物质，如果其温度比绝对零度(-273)要高，它便会往四周空间放射红外线。红外线的波长大约在 760 到 1000 纳米之间。人们在应用红外线时，通常把它分成近红外区、中红外区、远红外区以及极远红外区这四个区域。而其中的远、中、近红外分别是指红外线在波谱中与可见光之间的距离的大小。红外线的波长、能量还有温度的关系可以用普朗克定律表示出来。红外辐射拥有比较好的穿透性，在
15、穿透雾状或存在悬浮微粒的其它介质时，不太容易发生散射，并且能量消耗较小。所以红外辐射也被广泛应用于遥感、遥测夜视和光纤通讯等方面。2.2.1 红外辐射材料理论上，任何物体在绝对零度以上都可以向外辐射出红外线，不过通常所说的红外辐射材料是能够吸收热物体辐射，然后发射出大量红外线的物质。红外辐射材料通常可以包括三类：热型、 “发光”型以及热“发光”混合型。红外加热的技术一般都会选用第一类材料。该材料的辐射特性是由红外辐射温度和材料的发射率的来确定的。其中发射率是这类材料的一个主要参数，发射率是相对于热平衡辐射体所提出的一个概念。热平衡辐射体，是指该物质在向四周环境发射辐射的时候同样在吸收着其他物质
16、所发射出的辐射能量。当这个物体与外界进行能量交换速率慢到使物体在任何短时间内自身温度基本没有变化时，这个过程被看作是热平衡。实际上物体发射辐射的性能并没有黑体那么理想，在受到外界辐射源照射的时候，它并不能完全吸收一定波长的能量。因此，某一固定温度时，把物体实际发射出的辐射出射度和在同一温度时黑体所发射出的辐射出射度的比定义为发射率 ，也叫作全发射4率。把各个波长的辐射的出射度与同波长、同温度时黑体发出辐射的出射度的比定义为光谱发射率 （） ，通常可叫做单色发射率。图 2.1 辐射体的单色发射率Fig.2.1 The radiator monochromatic emission rate2.3
17、 IrDA 标准系统国际红外数据协会(Infrared Data Association) 通常被简称为 Irda，Irda 先后发布了许多红外通信的协议，其中一部分地协议针对传输速率，也包括一部分针对红外通讯低功耗的。IrDA 建立以后，为了使各种红外通讯产品都可以得到较好的数据传输，规定使用波长范围在 850 到 900 纳米之间的红外线。通常我们把符合 IrDA 红外通信协议的设备叫做 IrDA 器件。图 2.2 Irda 标准系统5Fig.2.2 Irda standard system2.4 载波调制方法信道编码中很重要的一部分就是把载波进行数字信号的调制，由于通道及其相对应地设备对
18、将要传送的数字信号有一些特殊要求，没有经过处理的数字信号源并不能够适应这些特殊的要求。于是我们必须要在在传输通道与信源编码之间插入信道编码。因为传输信道的频率带范围是有一定限度的，所以数据传递的快慢是通信系统中一个十分重要的参数。模拟通信并不能有效地控制传输效率，平时最多使用的残留边带调幅（VSB ）和单边带调幅（ SSB）可以使传送频带节省出大概一半的空间。但由于数字信号只存在“0”和“1” ，于是数字调制就好像电报员按开关键来控制载波的方式，而数字信号地调制手段也就显得更为简单。在使用传输信道地每一个单位时能够组成许多不相同地调制方式，而且还能够详细的传送与描述其数学模型。现阶段，四维调制
19、这类高维调制方式也有了非常快的进步，并且已经被加入到了高速调制解调器之中，为了能够更进一步地提升传送速率提供了牢靠的基础。简而言之，以数字通信进行的数据传送速度要远高于一般的模拟通信，调制技术的方式也要比模拟通信多，很大程度上提升了用户依靠实际的需求来选择系统配置的灵活性。第三章 红外通信测试系统3.1 二极管工作原理二极管是一种被广泛应用的半导体原件，大部分的半导体材料是用掺杂的半导体材料制成( 原子以及其它物质)。它的材料一般是铝砷化稼，在这种物质中，各个原子都能够完全和它们的邻居相结合，不会存在自由电子来传输电流。然而在掺杂物质中，会有一个多余的原子来改变电平衡，它要么增加自由电子要么创建出能使电子流通的空洞。这两个条件都能够使材料具有更高的导电率。半导体材料中有多余电子的称为 N 型半导体，因为它有一个多余的负电荷的粒子，因此在 N 型半导体材料中，电子从负电区域流向正电区域。半导体材料中带有多余电子空穴的称为 P 型半导体，因为这种材料中带有正电粒子，电子能够从一个空穴跳到另一个空穴。所以，电子空穴本身就显现出自由电
