【正文】 規(guī)模的產(chǎn)品，中國紅外產(chǎn)品與應(yīng)用市場(chǎng)日趨成熟，正逐漸普及。如果分析得當(dāng)將會(huì)少走許多彎路；（7） 系統(tǒng)的性能測(cè)試和電路的優(yōu)化，其主要是測(cè)試有效通信的距離及其傳輸波特率。 通過以上的過程基本上就能設(shè)計(jì)出能進(jìn)行紅外無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，并且可以通過串口傳輸?shù)诫娔X上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控。 在電腦技術(shù)發(fā)展的早期，當(dāng)時(shí)數(shù)據(jù)都是通過線纜傳輸?shù)模€纜傳輸連線比較麻煩，需要特制接口，非常不方便，并且采用有線線纜的成本也很高。紅外無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相對(duì)于別的無線傳輸技術(shù)有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：紅外線在傳輸過程中不受無線電干擾，而且它的使用不受國家無線管委會(huì)的限制，并不需要申請(qǐng)專門的頻點(diǎn)，因此具有很強(qiáng)的保密性和穩(wěn)定性；紅外線具有很好的方向性，所以它特別適合方向性很強(qiáng)的無線數(shù)據(jù)傳輸；紅外無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)相對(duì)于別的無線傳輸系統(tǒng)來說，結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單的多，因此可以降低整個(gè)系統(tǒng)的成本；其傳輸不受地域的限制既可以在室內(nèi)使用也可以在室外使用。但是紅外無線傳輸技術(shù)也有一些技術(shù)難題和缺點(diǎn)，例如紅外射束易受塵埃、雨水等物質(zhì)的吸收，如何在野外環(huán)境下克服這些物質(zhì)的吸收，增強(qiáng)紅外射束信號(hào)的強(qiáng)度是急需研究解決的課題。現(xiàn)在紅外通信技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，廣泛運(yùn)用于移動(dòng)設(shè)備、室內(nèi)辦公設(shè)備、各種近距離遙控系統(tǒng)以及電腦外圍設(shè)備等。所以，研究紅外無線數(shù)據(jù)傳輸是一個(gè)非常有意義的課題。發(fā)射部分：主要包括紅外發(fā)射器和編解碼控制器，其主要功能就是將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行編碼后再發(fā)射出去；信道部分：信道是傳輸信息的載體，本系統(tǒng)是以紅外線作為傳輸媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模唤邮詹糠郑褐饕t外接收器和解碼控制器，其主要功能就是完成接收信號(hào)的正確解調(diào)和解碼。圖21 紅外通信系統(tǒng)基本組成 紅外無線數(shù)據(jù)傳輸是利用950nm 近紅外波段的紅外線作為傳輸載體的一種無線通信技術(shù)。其實(shí)紅外通信的實(shí)質(zhì)就是對(duì)二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)，這樣可以增加信號(hào)的抗干擾能力，以便利用紅外信道進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)傳輸。以上四種方式中，相同的通信距離下發(fā)射光強(qiáng)排列為:散射方式寬視方式窄視方式=跟蹤方式。圖22 紅外信號(hào)按收發(fā)器位置不同的傳輸方式圖23 直射和反射式 紅外無線數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)通信速率的不同可分為：低速模式（SIR，Serial Infrared）,；中速模式（MIR，Medium Speed Infrared），；高速模式（FIR，F(xiàn)ast Speed Infrared）,通信速率為4Mbps；超高速模式（VFIR，Very Fast Speed Infrared），位速率為16Mbps。紅外數(shù)據(jù)委員會(huì)( IrDA) 作為一個(gè)工業(yè)機(jī)構(gòu)間協(xié)作組織于1993 年由HP、COMPAQ、INTEL等發(fā)起成立，旨在建立開放的紅外數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖24所示?！℃溌吩L問層協(xié)議是在物理層協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)一步規(guī)定了通信協(xié)議中堆棧的分配。紅外鏈路管理層協(xié)議為多個(gè)軟件應(yīng)用能夠獨(dú)立、同時(shí)地操作入口提供支持，從而共享一個(gè)IrLAP 連接。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了有更好的可操作性，將系統(tǒng)分為主控和受控兩個(gè)部分，在數(shù)據(jù)的傳輸過程中實(shí)行雙向通信，這樣更好的增加了雙機(jī)交互功能，在使用中也有很大的實(shí)用性。圖31 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖 整個(gè)系統(tǒng)分為兩部分：主機(jī)部分和從機(jī)部分。并且每一種模式都是通過主機(jī)發(fā)射指令來確保兩機(jī)的模式同步。最后，就是主機(jī)的通信部分，它主要包括發(fā)射和接收兩部分；發(fā)射部分：主要利用單片機(jī)串口具有自動(dòng)編碼功能，在發(fā)射時(shí)單片機(jī)自動(dòng)加上幀的起始位和結(jié)束位，然后將其調(diào)制到555振蕩器產(chǎn)生的38KHZ載波上，再通過紅外發(fā)射管進(jìn)行發(fā)射；接收部分：采用一體化的紅外接收頭來對(duì)接收到的紅外信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、解調(diào)，最后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理執(zhí)行相應(yīng)的功能。二、紅外無線通信的受控部分（從機(jī)）；它除了沒有與PC機(jī)通信的串口接頭和不能發(fā)送控制命令外，其余部分的結(jié)構(gòu)和功能與主機(jī)基本相同。其次，為了增加系統(tǒng)的實(shí)用性，可以將PC機(jī)與整個(gè)系統(tǒng)連接起來；這樣更加符合現(xiàn)代通信要求。因此，根據(jù)以上要求設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的性能指標(biāo)如下：（1）系統(tǒng)能正確的通過紅外線進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)射和接收；（2）采集的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位；（3）紅外的有效傳輸距離S，在傳輸速率為1200bps時(shí)，S7m；2400bps時(shí)，S6m；（4）實(shí)現(xiàn)雙機(jī)雙向通信的功能；（5）實(shí)行主、從機(jī)設(shè)計(jì)，主機(jī)單端全程控制整個(gè)系統(tǒng)；（6）顯示部分準(zhǔn)確顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)、工作模式、溫度數(shù)據(jù)等；（7）系統(tǒng)具有超時(shí)差錯(cuò)報(bào)警功能，良好的人機(jī)交互界面；（8）具有自動(dòng)搜索一組數(shù)據(jù)標(biāo)志位的能力，即使在某一時(shí)刻數(shù)據(jù)被打亂，接下來只要通信信道通常，系統(tǒng)就能自動(dòng)搜索正確數(shù)據(jù)的起始位。通過上面的介紹，可以大體上了解整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，接下來將進(jìn)行具體的電路原理圖設(shè)計(jì)。在主機(jī)部分，為了能與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)紅外無線通信，特增加了串口轉(zhuǎn)換接頭和電平轉(zhuǎn)換部分來實(shí)現(xiàn)功能的多樣化。接下來就是電路的分塊設(shè)計(jì)。℃，現(xiàn)場(chǎng)溫度直接用“一線總線”的方式傳輸，大大的提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，它還可以程序設(shè)定9~12位的分辨率，因此使用非常方便。DS18B20管腳排列如圖41，從左到右管腳分別為GND；I/O；VDD。由于光刻ROM使每一個(gè)DS18B20都相互不同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。內(nèi)部高速暫存器包含8個(gè)連續(xù)字節(jié)，前兩個(gè)是測(cè)得的溫度信息，第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低8位，第二個(gè)字節(jié)是溫度的高8位，第4個(gè)是TH、TL的易失性拷貝，第5個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這3個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新。第9個(gè)字節(jié)是冗余字節(jié)。表41 DS18B20寄存器分布字節(jié)序號(hào)寄存器名稱0溫度最低數(shù)據(jù)位1溫度最高數(shù)據(jù)位2高溫限制3低溫限制4保留5保留6計(jì)數(shù)剩余值7計(jì)數(shù)器/℃8CRC校驗(yàn) DS18B20使用12位的二進(jìn)制數(shù)來存儲(chǔ)溫度值，最高位為符號(hào)，其中，低8位的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存順序?yàn)椋?高8位的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存順序?yàn)?SSSSSS代表溫度的正負(fù)，S=1，代表接收到的為負(fù)溫度；S=0，代表接收到的為正溫度；結(jié)合上面的順序就可以將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為溫度，例如，0550H為85℃，0191H為+℃，但要注意的是，負(fù)溫度是以二進(jìn)制的補(bǔ)碼形式存在的，因此在轉(zhuǎn)換時(shí)要將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行取反加1后再進(jìn)行操作。 DS18B20與單片機(jī)相連主要有兩種方法，一種是VCC接外部電源，GND接地，DQ與單片機(jī)的I/O口相連；另外一種是用寄生電源供電，此時(shí)，VCC和GND都接地，DQ口與單片機(jī)的I/O相連。其典型電路如圖42所示。因此，在溫度采集的軟件編寫過程中一定要注意好時(shí)序邏輯的控制，否則將采集不到正確的數(shù)據(jù)。 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用的是Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)，它是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)編程，在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52單片機(jī)為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。圖43 AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)AT89S52單片機(jī)為用戶提供了豐富的資源：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器、串口、中斷繼續(xù)工作，掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 在單片機(jī)的內(nèi)部有一個(gè)高增益反向放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為XTAL2，在芯片的外部通過這兩個(gè)引腳跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。圖44 AT89S52外部時(shí)鐘源電路圖電路中的電容一般取22PF左右，～12MHZ，但我們必須注意的是振蕩脈沖經(jīng)過二分頻才作為系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)，在二分頻的基礎(chǔ)上再三分頻產(chǎn)生ALE信號(hào)，在二分頻的基礎(chǔ)上再進(jìn)行六分頻就得到機(jī)器周期信號(hào)。 RST引腳是單片機(jī)復(fù)位信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩脈沖周期（即2個(gè)機(jī)器周期）以上，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)的電路如圖45所示。 在這個(gè)系統(tǒng)中報(bào)警部分主要采用蜂鳴器報(bào)警，當(dāng)系統(tǒng)在傳輸數(shù)據(jù)的過程中其信號(hào)被阻擋超過一定的時(shí)間時(shí)，蜂鳴器就會(huì)報(bào)警來提示信號(hào)傳輸不正常，蜂鳴器電路如圖46所示。 在單片機(jī)的按鍵部分采用按鈕型按鍵，按鍵未按下時(shí)其輸出端為高電平，按鍵按下時(shí)輸出端為低電平；為了增加電平的準(zhǔn)確性，可以在按鍵的輸出端加上拉電阻來確保其高低電平的正確，這樣通過單片機(jī)來檢測(cè)I/O口的電平狀況，然后執(zhí)行不同的操作，這樣就實(shí)現(xiàn)了按鍵的控制功能，電路如圖47所示。因此，下面主要從這兩個(gè)方面來說明電路的設(shè)計(jì)。 NE555定時(shí)器是一種將模擬功能與邏輯功能相結(jié)合的多用途單片集成電路，可以產(chǎn)生時(shí)間遲延和脈沖信號(hào)，由555構(gòu)成的時(shí)基電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：定時(shí)精度高，工作速度快；使用電壓范圍寬，為2V～18V；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活；有一定的輸出功率，可以直接驅(qū)動(dòng)小型繼電器、指示燈及微電機(jī)；工作可靠性高，使用范圍廣；只要在外部配上幾個(gè)適當(dāng)?shù)淖枞菰涂梢詷?gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與整形電路，在工業(yè)自動(dòng)化控制、定時(shí)、測(cè)量及家用電器等方面廣泛的應(yīng)用。圖48 NE555管腳圖各引腳的功能如表42所示。它包含兩個(gè)電壓比較器、一個(gè)基本的RS觸發(fā)器、泄放電管和三個(gè)5K電阻構(gòu)成的分壓器。比較器一共有兩個(gè)輸入端，分別標(biāo)有“+”和“?”。比較器的參考電壓由電阻分壓器決定?；居|發(fā)器的RS端為直接清零端，低電平有效，平時(shí)可以接高電平；放電管提供外接電容的放電回路；控制電壓輸入端CV端平時(shí)可以對(duì)地接一個(gè)去耦電容。表43 NE555邏輯功能表輸入輸出正跳變觸發(fā)（6）負(fù)跳變觸發(fā)（2）復(fù)位（4）放電管輸出（3）XX0導(dǎo)通02/3Vcc1/3Vcc1截止12/3Vcc1/3Vcc1導(dǎo)通02/3Vcc1/3Vcc1不變不變 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用NE555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器來產(chǎn)生38KHZ載波。由于這種矩形波中含有很多諧波分量，因此就稱之為多諧振蕩器。圖410 NE555定時(shí)器電路在電路設(shè)計(jì)過程中，首先必須掌握555振蕩頻率的計(jì)算。圖411 NE555的輸入與輸出波形555定時(shí)器輸出信號(hào)波形的高低電平持續(xù)時(shí)間與充放電的電容、電阻有直接關(guān)系，其中高電平持續(xù)時(shí)間TW1≈*R12*C5(由于接有高速開關(guān)管IN4148，因此在充電時(shí)R13會(huì)被短路掉，這樣可以調(diào)整輸出波形的占空比。 下面主要分析信號(hào)是怎樣調(diào)制到載波上去的。這樣一個(gè)過程就完成了將要發(fā)射的TXD基帶信號(hào)調(diào)制到38KHZ載波信號(hào)上的任務(wù)，然后再用調(diào)制好的信號(hào)再去控制三極管的導(dǎo)通與截止，導(dǎo)通時(shí)紅外發(fā)射二極管就會(huì)發(fā)射波長(zhǎng)為940nm左右的紅外線，具體的波形轉(zhuǎn)換如圖412所示。紅外發(fā)光二極管的反向擊穿電壓較低，約為5~30V，因此在平時(shí)的使用過程中其反向電壓不得超過5V。若脈沖電流的平均值與恒定的直流值相等，則脈沖電流的幅度要比允許的工作電流大得多，其發(fā)射效率也較高。其中R1R20 為限流電阻，以防止流過SE303的電流過大而圖413 紅外發(fā)射電路圖損壞管子。則發(fā)射時(shí)紅外二極管的功率為P=UI=*=，又因?yàn)槊}沖占空比q≈，所以平均功率為P/2=105mW,電阻R17的功率Pr=20*,因此R17必需用一個(gè)大功率的電阻。而這個(gè)放大器除了應(yīng)有高的放大倍數(shù)外，還應(yīng)該是低噪聲并具有對(duì)信號(hào)波的解調(diào)能力（濾除信號(hào)載波，只留下有用的調(diào)制信號(hào)）。圖414 HS0038B管腳圖HS0038B是集成紅外接收、放大、濾波和比較器輸出的模塊，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)我坏慕邮掌骱颓爸梅糯笃鞯慕M合；靈敏度高；內(nèi)置濾波器；抗干擾強(qiáng)；與TTL及CMOS兼容，適用于微處理器操作與控制。其內(nèi)部原理框圖和典型應(yīng)用電路如圖415所示。由于接收頭輸出的信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平；因此，我們可以直接將接收到的信號(hào)送入單片機(jī)的接收端RXD進(jìn)行信號(hào)處理。圖416 HS0038B的接收與輸出波形正因?yàn)橐惑w化紅外接收頭有如此多的有點(diǎn)，所以它在紅外通信中得到了越來越來廣泛的應(yīng)用。為了使單片機(jī)能夠與PC機(jī)進(jìn)行紅外無線通信，在設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)特增加了串口電路，串口通信部分只設(shè)在主機(jī)電路部分，在從機(jī)電路中不設(shè)此模塊。因?yàn)殡娔X的串口是RS—232C接口，是符合EIA（美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)）RS—232C規(guī)范的外部總線標(biāo)準(zhǔn)接口。而CMOS電平邏輯“1”，邏輯“0”；TTL電平的邏輯“1”和“0”。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用的是MAXIM公司的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，MAX232C屬于MAXIM公司的通用串行接收/發(fā)送驅(qū)動(dòng)芯片，芯片引腳如圖417所示。MAX232C的主要特點(diǎn)有：符合所有的RS—232C技術(shù)規(guī)范；只要單一+5V電源供電；片載電荷泵，具有升壓、電壓極性翻轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V和?10V電壓；低功耗，典型供電電流5mA；內(nèi)部集成了2個(gè)RS—232C驅(qū)動(dòng)器。圖418 MAX232典型應(yīng)用原理圖 PC機(jī)和MAX232接口的連接非常簡(jiǎn)單，在一般的應(yīng)用中，只需有三條線即可完成通信，分別是串口接頭DB9的第2腳RXD與MAX232的輸出相連，第3腳TXD與MAX232的輸入相連，然后在共地，最后，通過串口線連接到電腦的串口上就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的串行通信了，不過在通信的過程中一定要特別注意雙方的波特率一定要相同，否則，通信是不可能成功的，具體的電路如圖419所示。液晶顯示器具有體積小、重量輕、功耗極低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應(yīng)用。圖420 TS1