一种红外发射电路的设计

王玉巧,潘杰

(1.黄河科技学院 信息工程学院,河南 郑州 450008；2.郑州升达经贸管理学院 信息工程系,河南 郑州 451191)

一种红外发射电路的设计

王玉巧1,潘杰2

(1.黄河科技学院 信息工程学院,河南 郑州 450008；2.郑州升达经贸管理学院 信息工程系,河南 郑州 451191)

文中设计了一种以红外光作为信息载体的红外发射与接收系统,给出了一种红外发射与接收电路,搭建了与之相应的驱动电路和保护电路,通过电压放大、带通滤波、功率放大等模块,使系统稳定可靠的工作。通过定向传输信号,实现一定范围内的无线信息传输,实验检测证明该系统能稳定可靠地向外发射红外信号,供接收机接收。

红外发射；放大；滤波；无线传输

红外通信作为一种无线传输方式,由于4M传输速率的成功运用,使其正在得到日益广泛的应用,从家用小电器到计算机设备都在不断的研发新产品。红外发射接收装置电路简单、易于实现、便于维护,在某些应用场合,综合应用比无线电射频通信方式具有更好的效果。红外发射模块是红外光通信的主要组成部分,它的功能主要是完成电光信号的转换,选用780～950 nm的波段将信号以红外脉冲的形式向空间发射。

1 红外发射系统设计方案

红外发射系统的关键是发射管和驱动电路。红外发射管的工作电流小,传输距离近。当电流过大的时候信号会发射的更远,但是发射管容易损坏。红外光在通信时,很容易受到太阳光、荧光灯、热源等干扰。在此系统中我们考虑两种方案。

方案一:利用单片机处理输入信号,考虑到输入信号小,要实现系统要求,就要对信号进行放大及进行A/D转换,将模拟信号转换为数字信号。在实际操作中电路比较复杂,且模拟信息小容易引起信号失真。综合考虑要体现红外光通信系统的简便性,最终排除了这个方案［5］。

方案二:信号源经过三极管放大之后,通过带通滤波器,再次进行功率放大,之后由发射电路发射。语音信号的频带集中在300 Hz～3 kHz之间,带通滤波器通频带频率设计要与此相符合。

本系统主要是用来定向传输信号,利用红外光作为载体实现2 m内的信息传输。信号源提供的信号经过三极管的放大,然后进行带通滤波处理,再经过专用音频信号放大器LM386进行功率放大,最后发射管将音频信号向空间发射。接收管接收到的信号由三极管9014放大,再经过LM386功率放大,两级放大滤波之后将信号还原输出。

2 红外发射电路设计

信号源在发射之前要经过电压放大电路、带通滤波电路、功率放大电路之后发射。

2.1 电压放大电路

电压放大电路采用共射放大电路,如图1所示。R1、R2,R3提供偏置电压,发射结正偏,集电结反偏,此时三极管处于放大状态。调整R3改变三极管静态工作点,使信号处于不失真的合适工作状态。C1是一个耦合电容,起着一个简单的隔直流通交流的作用。在此选取的三极管9014是一个小功率管子,为了让三极管放大状态下信号的合理输出,选取R1=10 kΩ, R3=100 kΩ,R5=1 kΩ。考虑到语音信号频带处300 Hz～3 kHz,所以带通滤波器的通频带为300 Hz～3 kHz。

2.2 带通滤波电路

带通滤波电路如图2所示。此带通滤波器是由二阶有源高通滤波器和二阶有源低通滤波器级联组成。根据高通滤波器,低通滤波器。信号通过带通滤波器之后必须经过一次功率放大才能驱动发射管,本系统可采用LM386音频专用放大芯片,这是一种专门用来放大音频的芯片。在LM386的1,8脚加入可调电阻和10 μF的电容,使LM386的增益在20～200之间可调。微弱信号经过放大之后,过大的功率会烧毁电路中的器件,所以在LM386的3脚接10 kΩ可调电阻的作用是控制发射功率保护电路,对整个电路信号的稳定性及安全性起着重要作用,不可缺少。

图1 三极管放大电路Fig.1 Triode amplifying circuit

图2 带通滤波器电路Fig.2 Band pass filter circuit

2.3 功率放大电路

信号通过带通滤波器之后必须经过一次功率放大才能驱动发射管,本系统采用LM386音频专用放大芯片,这是一款极为常见的芯片专用来放大音频。图3所示是增益可调的LM386经典音频放大电路。

图3 LM386音频功率放大电路Fig.3 LM386 audio power amplifier circuit

在LM386的1,8脚加入可调电阻和10 μF的电容,使LM386得增益在20～200之间可调。微弱信号经过放大之后,过大的功率会烧毁电路中的器件,所以在LM386的3脚接10K可调电阻的作用是控制发射功率保护电路,对整个电路信号稳定性安全性起着重要作用,不可缺少。

2.4 发射管保护电路

红外光发射管工作电流小,传输距离短,当电流过大容易损坏发射管,所以需要采用过载保护电路如图4所示。

图4 发射管保护电路Fig.4 The launch tube protection circuit

三极管BG2和电阻R2构成发射管保护电路,由于三极管BG2偏置电阻R2很小,所以,在正常情况下三极管BG2截止。当三极管BG1集电极电流突然增大,在电阻R2上的压降增加,当电压达到一定程度时候三极管BG2导通,对发光二极管起到分流作用,然后流过发射管电流下降,从而对发射管起到保护作用。发射管可以并联或者串联多个,提高发射功率,增加通信距离。在实验室实际操作中很多人没有注意保护发射管的安全。实际上微弱的信号经过三极管放大及LM386的功率放大之后,信号已经变得足够大,如果在此时不注意保护发射管的情况下,因为其能够承受的电流强度有限,所以发射管很容易损坏。这是一个不得不重视的问题。研究表明,如果在接收信号比较弱的情况下,可以将发射管并联或者串联,者能够起到非常明显的效果。

2.5 电源模块设计

78xx系列电源芯片具有悠久的历史,而且在现在众多的电路中依然可以经常见到,其应用之广泛可见一斑。电子电路中,常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78xx系列和负电压输出的79xx系列。三端稳压顾名思义具有3个引脚,如图5所示3个引脚依此分别为输入端、接地端、输出端。三端稳压芯片组成稳压电源所需外围元件极少,芯片内部具有过热、过流和调整管的保护电路。

实际应用中,当三端稳压处于大功率的稳压电路时,应该装上散热器。在实验中曾经做过用78xx系列芯片驱动电机,当输出电流增大时候芯片会发热,芯片的输出电压会变小,此时芯片发烫。

在红外发射和接收部分采用了LM741、LM386芯片, LM741芯片需要+9 V电压供电而LM386需要+5 V电压供电。因此,本系统需要两个独立的不同电压的供电部分,红外发射部分需要+9 V电压供电,红外接收部分需要+5 V电压供电。

图5 7805组成的+5 V供电电源Fig.5 7805 is composed of+5 V power supply

7805组成的+5 V供电模块为接收部分供电；将图中7805换成7809即可得到+9V电压,用其给发射部分供电。但是,三端稳压芯片也有不足之后,其输出电压线性不好,输出电流不足。但是在本系统中对电源要求不高所以78xx系列芯片能够满足设计使用。

3 发射部分总体电路

发射部分总体电路结构图如图6。

图6 红外发射部分总体电路Fig.6 Infrared emission part of the overall circuit

LM386组成的音频放大器的增益在20—200范围内可调,为了保证信号不失真放大。经过耦合电容C9隔直通交后信号便由红外发光二极管发射。红外发射管接收的信号与音频信号变化规律相同,红外发射管的发光强度会受到音频信号的调制,此时音频信号会对其大小进行同步调制并转换成红外信号发射。微弱信号经过电容C1耦合到三极管Q1进行一级放大,被放大的电压信号通过电容C2之后进入由LM741组成的带通滤波器,带通滤波器的通频带为300HZ-3KHZ,可以滤除频带外的干扰信号,使信号更加纯净,而后信号进入由LM386组成的音频放大电路,考虑信号放大到比较强之后会对发射部分器件造成损坏,因此在进LM386前加上10K滑动变阻器。LM386组成的音频放大器的增益在20～200范围内可调,为了保证信号不失真放大。经过耦合电容C9隔直通交后信号便由红外发光二极管发射。红外发射管接收的信号与音频信号变化规律相同,红外发射管的发光强度会受到音频信号强弱的调制,此时音频信号会对其大小同步调制并转换成红外信号发射。

4 红外接收部分总体电路设计

红外接收部分总体电路如图7所示,红外接收管接收到信号之后将光信号转换成微弱的电信号,必须要经过两级放大之后才能完整的输出。第一级采用三极管9014,第二级采用LM386音频放大电路。

红外线接收管在接收红外光之后将光信号转换成微弱的电信号,在三极管9014放大之后直接经过电容C2输入到LM386组成的功率放大电路,极性电容C2起隔直流通交流的作用,在功率放大之前先滤除恒定的外界低频信号的干扰,提高接收效果,最后由喇叭输出。三极管9014的放大电路和功率放大电路两级放大之间加上10k滑动变阻器,防止信号过大损坏器件以及信号无失真放大［7］。

图7 红外接收部分总体电路Fig.7 Infrared receiving part of the overall circuit

5 系统测试与分析

将红外发射和接收部分接上电源之后,给发射部分提供300～3 400 Hz音频信号,调节发射和接收部分的功率,在距离发射部分2M处接收部分能够接收到信号,但是声音较小伴有轻微杂音。在1.5M处测试接收部分声音明显变大,但是杂音问题依然存在。当发射端输入语音信号改为800 Hz单音信号时,在8 Ω电阻负载上,接收装置的输出电压有效值为0.2 V。不改变电路状态,减小发射端输入信号的幅度至0 V,低频毫伏表显示的电压为0.5 V［8］。

用万用表测试电源电压及各部分电路的电流电压值,发现电源电压不稳,导致各部分的电压有波动,电路会产生噪声但是不影响其正常工作［10］。在发射部分加上一个正弦信号之后,在其两端用示波器观察信号,通过调节滑动变阻器RV1和RV2,计算可以得出放大倍数在100—250之间信号有比较明显的失真,在放大倍数在250—35之间信号有明显失真。在接收部分输入端接入正弦信号,输出端输出的信号波形没有较明显的失真情况。

6 结 论

在电路调试的过程中,为了达到使放大器增益变大的目的,不断增大信号驱动功率,导致射管不断地烧坏。解决方案为:接三极管BG1和BG2,组成了一个非常有效地保护电路即发射管保护电路。在使用该电路之后发射管就不再容易被烧坏,效果十分明显。以上设计的红外发射电路结构简单,原理清晰,性价比高,具有很强的实用价值。

［1］原东昌,李晋炬.通信原理与电路实验指导书［M］.北京:北京理工大学出版社,2000.

［2］陈永甫.红外辐射红外器件与典型应用［M］.北京:电子工业出版社,2004.

［3］李钟实.实用电子报警器精选百例［M］.北京:科学技术文献出版社,1999.

［4］高茹云.通讯电子线路［M］.西安:西安电子科技大学出版社,1999.

［5］李明妮.电子电路综合设计实验教程［M］.北京:北京邮电大学电路中心,2010.

［6］康华光.电子技术基础(数字部分)［M］.4版.北京:高等教育出版社,2000.

［7］朱欣荣.智能仪器原理与设计［M］.1版.北京:中国计量出版社,2002.

［8］王俊峰.电子产品开发设计与制作［M］.北京:北京人民邮电出版社,2005.

［9］陈大钦.电子技术基础实验 ［M］.北京:高等教育出版社, 2000.

［10］肖景和.实用遥控电路［M］.北京:人民邮电出版社,1998.

An infrared emission circuit design

WANG Yu-qiao1,PAN Jie2
（1.Information Engineering of Huanghe Science and Technology College,Zhengzhou 450008,China；2.Department of Electrical Engineering of Zhengzhou Shengda Economic Management College,Zhengzhou 451191,China）

This paper introduces a design of infrared light as the carrier of information in the infrared emitting and receiving system,gives a kind of infrared emitting and receiving circuit,drive circuit and protection circuit is built and the corresponding,through the voltage amplification,band-pass filter,power amplifier module,which makes the system stable and reliable work.Through the directional signal transmission,transmit information within a certain range,the results indicate that the system can stably and reliably transmit infrared signal outwards,for the receiver to receive.

infrared emission；amplification；filter；wireless transmission

TN38.4

：A

：1674-6236（2015）18-0144-04

2014-11-18稿件编号：201411135

郑州市嵌入式系统应用技术重点实验室建设项目(121PYFZX177)

王玉巧(1980—),女,河南郑州人,硕士,教师。研究方向:智能信息检测与处理。