【正文】 在此，我向給位老師和同學表示衷心的感謝和崇高的敬意。感謝社員學弟學妹、一起做畢業(yè)設計的伙伴們的陪伴。感謝大余、小于老師在我做設計過程中的關懷。 設計也存在許多可以完善和改進的地方，如溫度信號與語音信號區(qū)分方式、濾波性能、液晶顯示界面、電路板抗干擾處理、信號傳輸端口等。 （ 8） 進一步掌握了 C 語言，軟件編程能力得到了提高；能夠調試代碼并改正錯誤和警告。 （ 6） 研究了 TFT 液晶的操作控制時序，了解了 STM32 單片機時鐘源的分配和使用。 （ 4） 了解了紅外信號發(fā)射與接收過程，知道了外界環(huán)境對紅外信號傳輸的影響。 （ 2） 熟悉了系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境，能夠創(chuàng)建完整工程并添加文件，能夠借助軟件查看單片機硬件寄存器內容，對程序進行調試和下載。 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設計（接收部分） 33 表 不同輸入頻率單音信號下接收部分負載上直流有效值表 信號輸入頻率（ Hz） 0 300 600 800 1200 1600 2020 2500 3000 3400 直流有效值（ mv） 60 680 960 1020 1060 1102 1190 1320 1400 1480 環(huán)境溫度測試 環(huán)境溫度 顯示溫度 26 26 26 26 26 測量誤差 % % % % % 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設計（接收部分） 34 結論 如今，紅外通信發(fā)展迅猛，廣泛運用與軍事保密、家用電器控制、工業(yè)遙感等領域。 輸入 1KHz 單音正弦波（上）情況下接收部分負載喇叭上的輸出波形（下） 可以看出本設計輸出波形無明顯失真，共模塊工作情況正常。 圖 中繼模塊 PCB 圖 紅外接收模塊 紅外發(fā)光管 鋰電池供電模塊 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設計（接收部分） 32 鋰電池充電板實物圖如圖 所示。 圖 發(fā)送端采樣單音正弦信號（上）與接收端功率放大輸出信號（下）對比 中繼 電路檢測 中繼轉發(fā)電路實物圖如圖 所示。 輸入波形 輸出波形 輸入波形 輸出波形 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設計（接收部分） 30 圖 發(fā)射端串口波形（上）與接收端串口波形（下）對比 圖 TFT 液晶顯示屏顯示溫度值 信號調理電路測試 信號調理電路的目的是將濾波器輸出的雙極性信號變成單極性信號，并有一定的放大功能，檢測結果如圖 所示。 圖 3400Hz LTC106825 低通濾波器截止頻率后輸出波形 單片機處理模塊測試 本設計單片機處理電路需要檢測 STM32 單片機外部中斷是否將串口數據恢復出來，顯示屏溫度顯示情況，利用示波器檢測 DAC 輸出波形。 圖 300Hz LF353 高通濾波器截止頻率后輸出波形 低通濾波器截止頻率前輸出波形如圖 所示。 高通濾波器截止頻率前輸出波形如圖 所示。檢測結果如圖 、 所示。 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設計（接收部分） 26 圖 底層 PCB 線路圖 本設計工作情況如圖 所示。 電路硬件整體 檢測 首先要檢查電路整個電路布線情況，本設計用 Altium designer 軟件制作 PCB，然后將其腐蝕在一整塊銅板上面，整個模塊利用萬用表找出可能虛焊、斷路的地方，并確保各模塊供電線路合理、順暢，排除短路、元器件位置錯誤的狀況。 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設計（接收部分） 25 第 5 章 系統(tǒng)測試 對于本設計的各個模塊都需要進行檢測，判斷其工作是否正常、穩(wěn)定。 圖 mcuisp 啟動界面 這里 mcuisp 具有智能串口搜索功能，每次打開軟件的時候， mcuisp 會自動搜索當前電腦上可用的串口。本設計的硬件平臺 ALIENTEK 戰(zhàn)艦 STM32 開發(fā)板是由自帶的 USB 轉成串口下載的，上面通過 BOOT0 和 BOOT1 設置成一鍵下載電路，代碼下載完成后不需按復位就可執(zhí)行程序。 STM32 串口下載的標準步驟為： 把 BOOT0 接 電壓，BOOT1 接 GND； 按一下復位按鍵。 STM32 的程序下載有多種方法， STM32 可通過 USB、串口、 JTAG、SWD 等方式下載代碼。軟件中耗時最多的就是液晶顯示程序，耗時大約 2ms，所以要避免過于頻繁調用液晶顯示函數，否則會降低 DA 轉換頻率，影響信號輸出。 LCD 顯示 對于 TFT液晶屏的初始化，本設計參考了戰(zhàn)艦 STM32開發(fā)板配套的參考例程，并關閉了液晶屏的觸摸功能。 DAC 控制 STM32 的 DA 轉換在本設計中設置成最快速度，由 APB2ENR 控制寄存器設置。本設計設置兩個外部中斷搶占優(yōu)先級為 1，子優(yōu)先級分別為 1 和 2；其次 是串口中斷，它可以被外部中斷打斷，但不能被定時器中斷打斷，設置搶占優(yōu)先級為 2，子優(yōu)先級為 3；最后是定時器 3 溢出中斷，它用來判斷紅外光通信的進行，控制指示燈的亮滅，優(yōu)先級最低，設置搶占優(yōu)先級為 3，子優(yōu)先級為 3。每個中斷可基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設計（接收部分） 23 以設置搶占優(yōu)先級為 07，響應優(yōu)先級為 1/0，搶占優(yōu)先級的級別高于相應優(yōu)先級，數值越小所代表的優(yōu)先級越高。 STM32 單片機系統(tǒng)時鐘通過函數 Stm32_Clock_Init(9)進行設置，單片機晶振頻率 8MHz，對其進行 9 倍頻供系統(tǒng)使用；串口波特率由函數 uart_init(72， 115200)進行設置，在 72MHz 系統(tǒng)時鐘下設置波特率 115200bps；延時函數 delay_init(72)可以進行精確短暫延時； LED 硬件連接接口函數 LED_Init()設置控制指示燈的單片機管腳；函數 EXTIX_Init()設置單片機外部中斷接口及中斷優(yōu)先級；函數Dac1_Init()設置 DAC 轉換速率、通道及方式； TIM4_Int_Init(4999,7199)設置定時器定時時間，設置定時間隔為 5ms；函數 TIM3_PWM_Init(846,0)用來控制 PWM占空比和頻率，本設計使用 85KHz，占空比 30%的 PWM 波作為濾波器 LTC1068的時鐘信號； LCD_Init()用于液晶顯示初始化。圖 為軟件仿真下的界面。對于本設計所使用的 STM32F103ZET6芯片， ST 公 司提供了 3 個啟動文件 。[12]RealView MDK 支持 ARM ARM9 和最新的 CortexM3 核處理器，自動配置啟動代碼，提供 ARM C 庫，內含標準 C 函數及 C++使用的輔助函數，能大大縮短開發(fā)周期，提高開發(fā)效率，開發(fā)設計人員甚至可以在擺脫硬件的情況下開始軟件開發(fā)和調試；擁有強大的 Simulation 設備模擬，性能分析等功能，集成 Flash 燒寫模塊，與 ARM 之前的工具包 相比 RealView 編譯器具有更高的性能、更小的代碼密度等優(yōu)點；支持用戶自行添加 FLASH 編程算法，能對 FLASH 進行扇區(qū)刪除、整片刪除、編程前自動刪除以及編程后自動校驗等功能；。中繼電路如圖 所示。廣泛應用于移動電源或 IPAD 及其他數碼設備的備用電源。它包括橫流充電、涓流充電和恒壓充電全過程的充電方式； 系統(tǒng)在充電狀態(tài)下會關閉輸出放電路徑，當去掉外部輸入電源時， FM6316BE 由電池向外部設備供電；橫流充電電流和升壓限流值通過外加電阻編程，若沒有檢測到外部設備的接入，則系統(tǒng)進入待機狀態(tài)，整個系統(tǒng)待機電流為 16uA。常用鋰電池輸出電壓為 ，不足以給中繼供電，鋰電池充電電路補充了這個缺陷，還可以給鋰電池充電，使得同一塊鋰電池可循環(huán)使用。 [10] 紅外通信中繼電源設計 中繼模塊供電需要 5V，電路板上焊有 穩(wěn)壓芯片，輸出 電壓供 RPM882H7 使用。本模塊設計的難點是合理設計發(fā)光管驅動電路，使紅外光傳輸距離滿足兩米的要求。它們 公用地址數據總線等信號，具有不同的 CS 片選位加以區(qū)分不同的設備，本設計要控制的 TFTLCD 就是當成 SRAM 來控制。其模塊原理圖如圖 所示。在液晶屏的每一個像素都可通過薄膜晶體管的設置，有效克服非選通時的串擾，是液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線數無關，大大提高了圖像質量，支持 65K色顯示，接口為 16 位 80 并口，顯存驅動芯片為 ILI9320，總顯存大小為 172820（ 240*320*18/8），即 18 位模式下的顯存量，模塊 16 位數據線與顯存對應關系為565 方式，自帶觸摸屏功能。能夠驅動 8 歐負載，電路圖如圖 所示： 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設計（接收部分） 16 圖 功率放大電路 液晶顯示模塊設計 溫度顯示部分使用戰(zhàn)艦開發(fā)板配套的 TFT 液晶 LCD 顯示屏，其全稱為 Thin Film TransistorLiquid Crystal Display。 [9] 功率放大模塊 經過一系列的處理，語音信號被還原出來并被調整為合適波形，將其送至功率放大電路，驅動喇叭發(fā)聲。該模塊用電壓反饋型運放 NE5532 構成一個偏置電路和反相放大電路，電路圖如圖 所示： 圖 信號調理電路 NE5532 的單位增益帶寬（ GBW）為 10MHz，壓擺率 9V/ms，輸入噪聲低，適于放大低頻小信號，是高性能低噪雙運算放大器集成 電路，具有良好的驅動能力，很適合應用 于 專業(yè) 和 高品質的音響設備、控制電路 、 儀器及電話通道放大器。 圖 LTC106825低通濾波器電路 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設計（接收部分） 15 其電路輸出常配有一個運放電路，作為寬帶反相緩沖，常使用壓擺率高的運算放大器， 這里我們使用的是 LF353。本設計利用它設計 8 階截止頻率3400Hz 的低通濾波器，阻帶衰減 40dB，時鐘信號 85kHz，由 STM32 單片機定時器3 產生。LF353 是單片集成雙運算放大器，輸入噪聲電壓 18nV/Hz Typ，壓擺率 13V/ms Typ，適合對信號質量要求比較高的電路； [15]設計電路由專門的濾波器設計軟件 filter 基于單片機的紅外光通信系統(tǒng)設計（接收部分） 14 solution 生成，電路圖如圖 所示： 圖 高通濾波器電路 該濾波器的電路結構是無限增益多端反饋（ MFB），開環(huán)增益為無窮大，它對外圍器件的精度和穩(wěn)定度要求比較高，濾波效果不錯。 濾波電 路模塊設計 處理器的 DAC 輸出模擬信號后還有高頻成分，需要將其濾除，只留 300Hz 到3400Hz 的語音信號，本設計分別設計了高通濾波器和低通濾波器，組成帶通濾波器來對 DA 的模擬信號進行處理，通帶內的增益均為 1 。本設計用定時器 4 中斷來判斷紅外信號是否進行傳輸，通過與單片機 IO 口 PB5 控制的 LED 燈顯示。通用定時器可以 選擇內部時鐘、外部輸入時鐘、外部觸發(fā)時鐘和內部觸發(fā)時鐘，即使用一個定時器作為另一個定時器的與分頻器。通用定時器框圖如圖 所示。 [5]STM32 的每個通用定時器包含（ TIMx_CH14） 4 個獨立通道，并且沒有互相共享的資源，完全獨立。本設計中使用了通用定時器3 和通用定時器 4， STM32 的通用定時器通過可編程預分頻器驅動的計數器構成，具有 16 位向上、向下、向上 /下自動裝載功能，計數器可設置 165526 之間任何值的時鐘頻率分頻系數，它可以應用于：產生輸出波形（比較和 PWM）或測量輸入信號的脈沖長度（輸入信號捕獲）等多種場合。 對于溫度信號，發(fā)射端使用的傳感器傳輸的就是 8 位溫度數據，不用擔心與串口數據位數不一致的問題。本設計在程序中將接收到的 8 位的語音數據向左移動了 4 位，擴展成 12 位數據，這樣就可以送給 DAC進行轉換。本設計對兩種方法都做了設置，即設置了 DAC 緩存位，也用 NE5532 運放設計了電壓跟隨器，可以根據需要做調整。[5]每個 DAC通道可以通過設 置 DAC_CR寄存器的 BOFFx位來使能或者關閉輸出緩存。本設計用的是 DAC 通道 1 的 12 位右對齊數據保持寄存器 DAC_DHR12R1,向其寫入12 為數據，由單片機 PA4 管腳輸出轉換結果。 DAC 的精確轉換結果可以通過引腳輸入參考電壓 VREF+來獲得，而且具有噪聲波形和三角波形生成功能。 STM32 的 DAC 數字 /模擬轉換模塊是電壓輸出型的 DAC， 12 位的數字輸入，它可以配置為 8 位或 12 位