摘要
本系统采用TI公司生产的M430F169作为控制芯片,设计并制作了一套红外通信装置，具有低功耗，性能优的特点。其中硬件电路由红外发射模块，中转模块，及红外接收模块构成，红外发射及接收模块按照题目要求采用普通的红外发射管和红外接收装置，用自身功耗低，更新内链增益可调整，电源电压范围大的音频集成功放LM386实现音频信号的放大,通过在发射端前加一个凸透镜，实现红外光在接收端的汇聚，达到了声音模拟信号可以在4米范围内传输，而无明显失真的目的。软件部分用M430F169作为主控部分设计了一套程序，在发射端用温度传感器DS18B20接收温度信号，经单片机将温度信号处理后发给接收端，并在接收部分用LCD1602在显示当前温度，延时很短，基本达到了题目的全部要求。
关键词：M430F169 红外发射红外接收 LM386 LCD1602
一：系统方案设计
本着题目要求设计，系统可由五个部分组成：红外传输模块、中继转发模块、红外接收模块、控制系统模块、显示模块。系统设计框图如图1所示：
图1：系统设计框图
传输的语音信号用直径为3.5mm的音频插孔线路输入，经集成运放LM386将音频信号放大后以模拟信号的形式传到中转部分，再传达接收端。同样，在接收端也用集成运放LM386将音频信号放大后由扬声器传出。控制系统模块用M430F169单片机作为主控芯片，显示模块采用LCD1602液晶屏在接收端显示温度，使用发光二极管提示接收端接收信号状态。
二：方案的比较与论证
2.1红外光通信方式选择
方案一：先将音频模拟信号调制为数字信号，通过红外发射管将数字信号发出，接收端通过红外光接收模块接收信号，经过解调电路解调，将数字信号转变为模拟信号，最后将得到的音频模拟信号通过扬声器播放。
方案二：将音频模拟信号经过功率放大后直接通过红外发射管发射，红外接收管接收到信号后，再经过功率放大直接将信号传给扬声器，将声音播放。
考虑到将声音模拟信号调制成数字信号，再解调成模拟信号存在失真问题，并且调制解调的过程复杂，不易操作，因此选择方案二。
2.2音频放大器选择
方案一：使用OP07作为音频放大器。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。但是，它的缺点是线性区间太小，单电源供电。
方案二：使用LM386作为音频放大器。LM386是专为低功耗电源所设计的功率放大器集成电路，内建增益20倍。通过引脚间电容的搭配，增益可达200倍。
LM386可用电池供电，它具有静态功耗小、外围元件少、失真低、工作电压范围宽（4V-12V）、具有电压增益可调等优点。
由于本设计中要用到音频专用放大器，并且要求减少失真，同时足以驱动小喇叭，采用LM368就可以实现，所以选择方案二。
2.3单片机控制方案选择
方案一：采用STC89C52单片机，STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，价格低廉，资料齐全。
方案二：采用M430F169单片机。M430F169单片机是16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器。自带12位A/D，有5种省电模式，且有51系列单片机不具有的片内比较器。具有低功耗，运行速度快的优点。
在实际测试中发现，用
M430F169更容易实现温度信号的实时传输，因此选择方案二。
三：理论分析与设计实现
3.1红外发射模块
前端采用音频插孔线路输入音频信号，经过LM386实现功率放大。如果不进行功率放大，模拟信号强度太弱将无法驱动红外管，LM386内置的增益为20，如果在芯片1脚和8脚增加适当的电阻和电容，增益可达到200。输入的音频信号，在经过电容滤波之后，将直流信号滤去，输入LM386将功率放大可以驱动红外管向外发射红外光。原理如图2：
图2：红外光发射模块电路图
3.2中继转发模块
中继转发的作用是通过改变光路，达到使通信方向改变90°的效果。这一模块需要既能接受从红外发射管发射的红外信号，又能向红外接收模块发射红外信号，在这个模块中，红外发射管和红外接收管要呈90°的位置关系，才可以实现通信方向的改变。
设计中采用红外接收管接收红外发射装置发来的音频信号，经过LM386进行功率放大驱动红外发光管发射，传给90°方向2m之后的红外接收装置。这样就能实现信号转发。
3.3红外接收模块
采用红外接收装置接收传来的音频模拟信号，由于凸透镜的作用，基本可以保证传来的信号不失真。在红外接收装置接收到音频信号后，将信号通过集成功率放大器LM386进行功率放大，最后传给扬声器进行音频信号的输出。原理图如图3：
图3： 红外光接受模块电路图
3.4温度传感器模块
温度传感器模块采用DS18B20温度传感器。DS18B20温度传感器是常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。用它来组成一个测温系统，具有线路简单，分辨率高等特点。设计中将DS18B20安装在发射端上，来检测发射端的温度，发射端单片机将温度信号进行处理后，
以数字通信的方式传给接收端单片机处理，最终在接收端LCD1602显示屏上实时显示当前温
度。
四：程序设计
见附二
五：测试方案与测试结果
5.1测试仪器
(1)直流稳压电源
(2)Agilent MSO-X200A示波器 (3)FLUKE 手持万用表 (4)温度计
5.2 测试方案
开始测试时 ，先用5V稳压电源给单片机和装置供电，将MP3插入装置的音频插孔线路，输入音频信号，测试其输出口喇叭处音频信号音质情况，用示波器将发射端和接收端的语音信号显示出来，观察失真情况。最后通过改变环境温度，测试接收端显示的温度值，数字信号传输时延，将测量值通过LCD1602显示出来，并保留最近三次数据。 5.3测试结果
表1发射端温度测量表
环境温度 26° 29° 27°
表2 接收装置输出电压有效值测量表
环境温度 26° 29° 27°
800Hz信号输800Hz信号输出电压(V) 出电压(V)
0.5 0.4 0.6
0.5 0.5 0.8
表3 中继转发输出电压有效值测量表
环境温度
28° 29°
800Hz信号输800Hz信号输出电压(V) 出电压(V)
0.5
0.7
0.6 0.6
800Hz信号输出电压(V)
0.5 0.4
误差
>0.4V >0.4V
是否失真
否 否
800Hz信号输出电压(V)
0.6 0.5 0.5
误差 >0.4V >0.4V >0.4V
是否失真 否 否 否
测量值1 26° 30° 26°
测量值2 27° 28° 26°
测量值3 27° 29° 27°
误差
传输时延 6s 5s 7s
六：误差分析
由于红外发射装置与红外接收装置无法精确对准，并且受传输距离与功率放大的影响，音频信号无法在传输过程中不衰减，因此接收装置在接收信号时，会
存在一些失真问题。同时仪表也存在误差，但只要注意，实验结果跟预想的一样，指标都达到要求，误差都在允许范围内。
七．实验结论
采用M430F169单片机为主控芯片，语音信号采用音频插孔线路输入，实现了音频信号红外光通信，通信方向的改变，温度传输，并且测量数据可以在LCD1602显示屏上实时显示。
1、基本部分
传输的语音信号采用音频插孔线路输入，频率范围可达到300—3400Hz。接受的声音无明显失真，当发射端输入语音信号改为800Hz单音信号时，在8欧电阻负载上，接收装置的输出电压有效值大于0.4V,减小发射端输入信号的幅值至0V，采用低频毫伏表，测量接收装置输出端噪声电压小于0.1V。当接收装置不能接收发射端发射的信号时，接收端的发光管点亮指示没有接收到信号。
2、发挥部分
中继转发部分：中继转发装置由5V直流电源供电，能改变传输方向90°，红外接收装置能接收到音频信号，没有明显失真，且达到了基本要求的音频要求，噪声电压小于0.1V,当输入信号改为800Hz单音信号时，在8Ω的电阻负载上，接收装置的输出电压有效值小于0.4V达到要求。
温度传输：能实时测量出传输发射端环境温度。当发射端温度发生改变，接收端能实时监测到并在LCCD1602液晶屏上面显示，且语音信号能和温度信号同时传输，不需要独立，传输时延小于10s。测量温度误差小于2摄氏度，满足要求。
八：参考文献
[1] 阎石. 数字电子技术基础[M]. 高等教育出版社, 2006. [2] 童诗白. 模拟电子技术基础[M]. 高等教育出版社, 2001.
[3]吴炳胜.80C51 单片机原理与应用技术[M]. 冶金工业出版社, 2003.
[4] 张迎新. 单片微型计算机原理应用及接口技术[M]. 国防工业出版社, 1993. [5] 何希才, 电子技术. 新型集成电路及其应用实例[M]. 科学出版社, 2002.
[6] 徐爱钧. 智能化测量控制仪表原理与设计: 单片微型计算机实用技术[M]. 北京航空航天大学出版社, 1995.
[7] 孙肖子.电子设计指南[M]. 高等教育出版社, 2006.
附录
附一：中继转发原理图
附二：主程序流程图
附三：单片机最小电路图
摘要
本系统采用TI公司生产的M430F169作为控制芯片,设计并制作了一套红外通信装置，具有低功耗，性能优的特点。其中硬件电路由红外发射模块，中转模块，及红外接收模块构成，红外发射及接收模块按照题目要求采用普通的红外发射管和红外接收装置，用自身功耗低，更新内链增益可调整，电源电压范围大的音频集成功放LM386实现音频信号的放大,通过在发射端前加一个凸透镜，实现红外光在接收端的汇聚，达到了声音模拟信号可以在4米范围内传输，而无明显失真的目的。软件部分用M430F169作为主控部分设计了一套程序，在发射端用温度传感器DS18B20接收温度信号，经单片机将温度信号处理后发给接收端，并在接收部分用LCD1602在显示当前温度，延时很短，基本达到了题目的全部要求。
关键词：M430F169 红外发射红外接收 LM386 LCD1602
一：系统方案设计
本着题目要求设计，系统可由五个部分组成：红外传输模块、中继转发模块、红外接收模块、控制系统模块、显示模块。系统设计框图如图1所示：
图1：系统设计框图
传输的语音信号用直径为3.5mm的音频插孔线路输入，经集成运放LM386将音频信号放大后以模拟信号的形式传到中转部分，再传达接收端。同样，在接收端也用集成运放LM386将音频信号放大后由扬声器传出。控制系统模块用M430F169单片机作为主控芯片，显示模块采用LCD1602液晶屏在接收端显示温度，使用发光二极管提示接收端接收信号状态。
二：方案的比较与论证
2.1红外光通信方式选择
方案一：先将音频模拟信号调制为数字信号，通过红外发射管将数字信号发出，接收端通过红外光接收模块接收信号，经过解调电路解调，将数字信号转变为模拟信号，最后将得到的音频模拟信号通过扬声器播放。
方案二：将音频模拟信号经过功率放大后直接通过红外发射管发射，红外接收管接收到信号后，再经过功率放大直接将信号传给扬声器，将声音播放。
考虑到将声音模拟信号调制成数字信号，再解调成模拟信号存在失真问题，并且调制解调的过程复杂，不易操作，因此选择方案二。
2.2音频放大器选择
方案一：使用OP07作为音频放大器。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。但是，它的缺点是线性区间太小，单电源供电。
方案二：使用LM386作为音频放大器。LM386是专为低功耗电源所设计的功率放大器集成电路，内建增益20倍。通过引脚间电容的搭配，增益可达200倍。
LM386可用电池供电，它具有静态功耗小、外围元件少、失真低、工作电压范围宽（4V-12V）、具有电压增益可调等优点。
由于本设计中要用到音频专用放大器，并且要求减少失真，同时足以驱动小喇叭，采用LM368就可以实现，所以选择方案二。
2.3单片机控制方案选择
方案一：采用STC89C52单片机，STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，价格低廉，资料齐全。
方案二：采用M430F169单片机。M430F169单片机是16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器。自带12位A/D，有5种省电模式，且有51系列单片机不具有的片内比较器。具有低功耗，运行速度快的优点。
在实际测试中发现，用
M430F169更容易实现温度信号的实时传输，因此选择方案二。
三：理论分析与设计实现
3.1红外发射模块
前端采用音频插孔线路输入音频信号，经过LM386实现功率放大。如果不进行功率放大，模拟信号强度太弱将无法驱动红外管，LM386内置的增益为20，如果在芯片1脚和8脚增加适当的电阻和电容，增益可达到200。输入的音频信号，在经过电容滤波之后，将直流信号滤去，输入LM386将功率放大可以驱动红外管向外发射红外光。原理如图2：
图2：红外光发射模块电路图
3.2中继转发模块
中继转发的作用是通过改变光路，达到使通信方向改变90°的效果。这一模块需要既能接受从红外发射管发射的红外信号，又能向红外接收模块发射红外信号，在这个模块中，红外发射管和红外接收管要呈90°的位置关系，才可以实现通信方向的改变。
设计中采用红外接收管接收红外发射装置发来的音频信号，经过LM386进行功率放大驱动红外发光管发射，传给90°方向2m之后的红外接收装置。这样就能实现信号转发。
3.3红外接收模块
采用红外接收装置接收传来的音频模拟信号，由于凸透镜的作用，基本可以保证传来的信号不失真。在红外接收装置接收到音频信号后，将信号通过集成功率放大器LM386进行功率放大，最后传给扬声器进行音频信号的输出。原理图如图3：
图3： 红外光接受模块电路图
3.4温度传感器模块
温度传感器模块采用DS18B20温度传感器。DS18B20温度传感器是常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。用它来组成一个测温系统，具有线路简单，分辨率高等特点。设计中将DS18B20安装在发射端上，来检测发射端的温度，发射端单片机将温度信号进行处理后，
以数字通信的方式传给接收端单片机处理，最终在接收端LCD1602显示屏上实时显示当前温
度。
四：程序设计
见附二
五：测试方案与测试结果
5.1测试仪器
(1)直流稳压电源
(2)Agilent MSO-X200A示波器 (3)FLUKE 手持万用表 (4)温度计
5.2 测试方案
开始测试时 ，先用5V稳压电源给单片机和装置供电，将MP3插入装置的音频插孔线路，输入音频信号，测试其输出口喇叭处音频信号音质情况，用示波器将发射端和接收端的语音信号显示出来，观察失真情况。最后通过改变环境温度，测试接收端显示的温度值，数字信号传输时延，将测量值通过LCD1602显示出来，并保留最近三次数据。 5.3测试结果
表1发射端温度测量表
环境温度 26° 29° 27°
表2 接收装置输出电压有效值测量表
环境温度 26° 29° 27°
800Hz信号输800Hz信号输出电压(V) 出电压(V)
0.5 0.4 0.6
0.5 0.5 0.8
表3 中继转发输出电压有效值测量表
环境温度
28° 29°
800Hz信号输800Hz信号输出电压(V) 出电压(V)
0.5
0.7
0.6 0.6
800Hz信号输出电压(V)
0.5 0.4
误差
>0.4V >0.4V
是否失真
否 否
800Hz信号输出电压(V)
0.6 0.5 0.5
误差 >0.4V >0.4V >0.4V
是否失真 否 否 否
测量值1 26° 30° 26°
测量值2 27° 28° 26°
测量值3 27° 29° 27°
误差
传输时延 6s 5s 7s
六：误差分析
由于红外发射装置与红外接收装置无法精确对准，并且受传输距离与功率放大的影响，音频信号无法在传输过程中不衰减，因此接收装置在接收信号时，会
存在一些失真问题。同时仪表也存在误差，但只要注意，实验结果跟预想的一样，指标都达到要求，误差都在允许范围内。
七．实验结论
采用M430F169单片机为主控芯片，语音信号采用音频插孔线路输入，实现了音频信号红外光通信，通信方向的改变，温度传输，并且测量数据可以在LCD1602显示屏上实时显示。
1、基本部分
传输的语音信号采用音频插孔线路输入，频率范围可达到300—3400Hz。接受的声音无明显失真，当发射端输入语音信号改为800Hz单音信号时，在8欧电阻负载上，接收装置的输出电压有效值大于0.4V,减小发射端输入信号的幅值至0V，采用低频毫伏表，测量接收装置输出端噪声电压小于0.1V。当接收装置不能接收发射端发射的信号时，接收端的发光管点亮指示没有接收到信号。
2、发挥部分
中继转发部分：中继转发装置由5V直流电源供电，能改变传输方向90°，红外接收装置能接收到音频信号，没有明显失真，且达到了基本要求的音频要求，噪声电压小于0.1V,当输入信号改为800Hz单音信号时，在8Ω的电阻负载上，接收装置的输出电压有效值小于0.4V达到要求。
温度传输：能实时测量出传输发射端环境温度。当发射端温度发生改变，接收端能实时监测到并在LCCD1602液晶屏上面显示，且语音信号能和温度信号同时传输，不需要独立，传输时延小于10s。测量温度误差小于2摄氏度，满足要求。
八：参考文献
[1] 阎石. 数字电子技术基础[M]. 高等教育出版社, 2006. [2] 童诗白. 模拟电子技术基础[M]. 高等教育出版社, 2001.
[3]吴炳胜.80C51 单片机原理与应用技术[M]. 冶金工业出版社, 2003.
[4] 张迎新. 单片微型计算机原理应用及接口技术[M]. 国防工业出版社, 1993. [5] 何希才, 电子技术. 新型集成电路及其应用实例[M]. 科学出版社, 2002.
[6] 徐爱钧. 智能化测量控制仪表原理与设计: 单片微型计算机实用技术[M]. 北京航空航天大学出版社, 1995.
[7] 孙肖子.电子设计指南[M]. 高等教育出版社, 2006.
附录
附一：中继转发原理图
附二：主程序流程图
附三：单片机最小电路图