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標(biāo)題: 單片機可見光通信設(shè)計源碼與論文-基于大功率白光LED與MSP430 [打印本頁]
作者: 菜鳥學(xué)生    時間: 2018-2-27 18:50
標(biāo)題: 單片機可見光通信設(shè)計源碼與論文-基于大功率白光LED與MSP430
這是一個基于msp430f149做的可見光通信系統(tǒng)資料包含完整的程序源碼與設(shè)計論文，下面是內(nèi)容預(yù)覽：

基于大功率白光LED的可見光通信
摘要
本系統(tǒng)設(shè)計以 TI 公司的 MSP430F149 為主控芯片，完成了基于大功率白光 LED 的可見光 通信，實現(xiàn)了對兩路語音信號、m 序列信號和單音信號的無失真?zhèn)鬏敗Ｔ撏ㄐ叛b置由發(fā)送裝 置和接收裝置兩部分組成。發(fā)送裝置和接收裝置由放大電路、音頻鎖相環(huán) LM567、光電調(diào)制 電路、電源電路等模塊構(gòu)成，分別對信號進行放大、調(diào)制、解調(diào)與供電等，從而實現(xiàn)了可見 光對信號的傳輸。同時使用 MSP430F149 為主控器，完成對發(fā)射裝置的溫度監(jiān)測、電壓采集及 信號傳輸記錄等功能。通過測試，本設(shè)計系統(tǒng)性能良好，各項指標(biāo)均能較好地完成設(shè)計要求 同時 MSP430 系列單片機功耗低，滿足當(dāng)前低碳經(jīng)濟的發(fā)展理念。

Abstract
This system designs with MSP430F149 as main control chip of TI company, completed the visible light communication, based on high power white LED for two way voice signal and m sequence signal without distortion of the transmissionThe communication device consists of two parts, the transmitting and receiving deviceSending device and receiving  device  by  amplifying  circuit,  audio  phase-locked  loop  LM567, electro-optical modulation circuit, power circuit, such as modules, respectively for signal amplification, modulation and demodulation, and electricity, etc, thus realize signal through visible light transmissionAt the same time use MSP430F149 complete temperature detection of device, voltage acquisition and signal transmission record, etcThrough testing, this design system performance is good, all the indexes can be well complete design requirements for MSP430 series MCU low power consumption at the same time, satisfy the current low carbon economy development concept

目錄
摘要 1
1 、系統(tǒng)方案設(shè)計思路 3
2 、方案設(shè)計與選擇 4
21 CPU 的選擇  4
22 鎖相環(huán)的選擇  4
23 光調(diào)制中放大器件的選擇  4
24 顯示模塊的選擇  4
3、系統(tǒng)方案詳細設(shè)計 5
31 可見光通信裝置電源模塊  5
32 可見光通信裝置發(fā)送端  5
321 信號調(diào)制電路  5
3 3 可見光通信裝置接收端  6
331 信號解調(diào)放大電路  6
4、系統(tǒng)軟件設(shè)計 8
5、測試結(jié)果與分析 8
51 儀器設(shè)備  8
52 各模塊測試  9
521 語音傳輸模塊測試  9
522 模擬信號傳輸測試  9
523 LED 照明模塊測試  9
524 電源模塊測試  10
6、總結(jié) 10
參考文獻 11

1 、系統(tǒng)方案設(shè)計思路

本文所設(shè)計的可見光通信裝置以 MSP430F149 為控制核心，由發(fā)送端、接收端兩部分組成。 使用 MSP430F149 產(chǎn)生 m 序列并完成對裝置的溫度檢測、電壓采集及信號傳輸記錄等功能，
并且實時在 12864 上顯示。 發(fā)送端由主控芯片組成的最小系統(tǒng)、前置放大電路、音頻調(diào)制電路、光調(diào)制電路、白光
LED 發(fā)射燈、顯示模塊、24V 電源等模塊組成。該部分實現(xiàn)了對兩路語音信號和 m 序列的調(diào)制 并通過可見光發(fā)射給接收端的任務(wù)。
接收端由放大濾波電路、音頻信號功率放大電路、整形電路、音頻解調(diào)電路、PIIN 光電 二極管等模塊組成。該部分實現(xiàn)了來自發(fā)送端信號的解調(diào)、放大和語音輸出，以及完成來自 m 序列發(fā)生器的波形輸出的任務(wù)。
總系統(tǒng)框圖如下：

2 、方案設(shè)計與選擇

2.1 CPU 的選擇
方案一：采用 51 系列單片機。采用現(xiàn)在比較通用的 51 系列單片機作為整個系統(tǒng)方案的 主控 CPU。51 系列單片機應(yīng)用比較廣泛，各種技術(shù)都比較成熟，但此系列單片機是 8 位機， 處理速度不是很快，I/O 端口較少，資源不夠充足。
方案二：采用 MSP430 系列單片機。TI 公司的 MSP430 系列單片機是一種 16 位超低功耗 的混合信號處理器，采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數(shù) 尋址、4 種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以 及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度；接口 方便開發(fā)；而且 MSP430 系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便， 滿足當(dāng)前低碳經(jīng)濟的要求。
綜合以上方案，我們采用 TI 公司的 MSP430 系列單片機，選擇方案二。

2.2 鎖相環(huán)的選擇

方案一：采用 CD4046 連成語音信號的收發(fā)電路。CD4046 是通用的 CMOS 鎖相環(huán)集成電路， 采用 16 腳雙列直插式封裝，其特點是電源電壓范圍寬（為 3V—18V），輸入阻抗高（約為
100MΩ），動態(tài)功耗小，在中心頻率 f0 為 10KHz 下功耗僅為 600 μW，屬微功耗器件。 方案二：采用 LM567 連成語音信號的收發(fā)電路。LM567 是一塊鎖相環(huán)集成電路，采用雙列
直插式封裝。其靜態(tài)電流 8mA，最高工作頻率 500KHz，其中心工作頻率 f0 由 5 腳和 6 腳外
接定時電阻電容決定。其計算公式 f0   1 / (1.1RC ) 。另外 LM567 還具有抗光電干擾性能好， 接收角度寬、低功耗、靈敏度高的優(yōu)點。
綜合以上方案，我們采用 LM567，選擇方案二。

2.3 光調(diào)制中放大器件的選擇
方案一：采用 LM317 線性放大器件。LM317 除了有穩(wěn)壓功能外還有線性放大功能，它的 輸出電壓范圍是 1.2V 至 37V，負載電流最大為 1.5A。但是 LM317 效率不高，調(diào)制頻率不夠高 且發(fā)熱相當(dāng)嚴重，致使放大效果及其不佳。
方案二：采用 TIP41C 器件。TIP141C 放大倍數(shù)達到 65，頻率轉(zhuǎn)換達到 3MHZ,不僅能使音 頻信號放大還能放大功率。 與 LM317 做放大器件相比來說，性價比高。
綜合以上方案，我們采用 TIP41C 器件，選擇方案二。

2.4 顯示模塊的選擇

方案一：采用 1602 液晶屏顯示。液晶顯示屏具有微耗低，但是 1602 沒有字庫只能顯示 字母和數(shù)字，且屏幕過小以致于顯示的內(nèi)容太少，不能同步顯示大容量的信息，若多次切換 顯示會導(dǎo)致時間浪費。
方案二：采用帶字庫的 12864 液晶屏顯示。12864 顯示分辨率為 128×64,內(nèi)置 8192 個 16*16

點漢字，和 128 個 16*8 點 ASCII 字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指 令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。不僅可以顯示數(shù)字、字母和漢字還能顯示圖形，且低 功耗是其一大特點。
綜合以上方案，我們采用 12864，選擇方案二。

3、系統(tǒng)方案詳細設(shè)計
3.1 可見光通信裝置電源模塊
電源電路的任務(wù)是為可見光通信裝置提供電壓。該模塊將 220V 的市電轉(zhuǎn)化為 24V 的輸出 電壓和 1A 的輸出電流。電源電路如下：

工作原理：220V 市電經(jīng)整流橋?qū)⒔涣麟娦盘栟D(zhuǎn)化為直流電信號，經(jīng)電容濾波減少信號波 動，LM317 的穩(wěn)壓范圍是 1.25~37V，最終輸出 24V 電壓，電流為 1A。
3.2 可見光通信裝置發(fā)送端
3.2.1 信號調(diào)制電路
信號調(diào)制電路的有兩個任務(wù)，一是接收語音信號及 M 序列信號，并將其轉(zhuǎn)化為電信號， 二是通過光調(diào)制電路進行信號調(diào)制，由白光 LED 發(fā)光管將信號發(fā)送給接收端的 PIN 光電二極 管。信號調(diào)制電路原理圖如下：

圖 3 信號調(diào)制電路
電路工作原理：A 路語音信號從 A singnal 端口，經(jīng) RP1 衰減由 Ca1 緩沖經(jīng) Qa1、Qa2 放 大后從 C 端輸入與其他兩路信號混合。B 路語音信號從 B singnal 端口輸入，經(jīng) RP2 衰減后 由 Cb1、Qb1 緩沖放大后從 Qb1 的發(fā)射極取出后經(jīng)壓控振蕩器，D1、D2 對信號進行限幅。然 后進入 LM567 可對 PLL 的頻率進行調(diào)制，當(dāng)音頻信號處于上升段時，調(diào)制頻率受壓控振蕩器
（LM567 的 2 腳）控制，在壓控振蕩器中心工作頻率的基礎(chǔ)上增加，當(dāng)音頻信號處于下降段 時，調(diào)制頻率受壓控振蕩器（LM567 的 2 腳）控制，在壓控振蕩器中心頻率的基礎(chǔ)上降低， 從而實現(xiàn)頻率調(diào)制。由于采用了鎖相環(huán)壓控振蕩器，所以電路的調(diào)制線性較好。調(diào)制后的信 號經(jīng) LM567 的 5 腳出，三路信號在 C 端混合，由光調(diào)制電路后經(jīng) Q2 放大后推動 LED 發(fā)送可見 光。m 序列信號由 MSP430F149 輸入，其他部分與 B 路語音信號相同，在接收端由示波器顯示 信息。

3. 3 可見光通信裝置接收端
3.3.1 信號解調(diào)放大電路
信號解調(diào)電路的任務(wù)是利用 PIN 光電二極管接收來自發(fā)送端的可見光線，經(jīng)音頻鎖相環(huán) 解調(diào)和 LM386 放大功率后語音信號由揚聲器發(fā)出，m 序列信號則由示波器顯示。信號解調(diào)放 大電路如下：

圖4.1  B路信號和 m 序列信號接收電路


圖 4.2   A路信號接收電路

電路工作原理：可見光光信號由 LED2 接收，經(jīng)放大濾波電路后，A 路語音信號經(jīng)單 管放大電路放大，由 LM386 進行功率放大后由揚聲器發(fā)聲，而 B 路語音信號和 M 序列信號則 進入 LM567 解調(diào)，信號解調(diào)后，B 路語音信號由 LM386 放大功率又揚聲器發(fā)，對于 M 序列信 號則由示波器顯示信號。

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計
TI 公司研發(fā)的 430 系列單片機功耗極低，應(yīng)用 MSP430F149 可實現(xiàn)通信裝置功能的實現(xiàn)。 系統(tǒng)軟件設(shè)計的整體思路：使用 MSP430F149 在發(fā)送端產(chǎn)生 M 序列，通過 LM567 和光調(diào)制電路 由發(fā)光管發(fā)送，在接收端由示波器觀測，同時采集發(fā)光管 LED 的溫度，若當(dāng)前溫度過高不利 于通信則報警提示，應(yīng)用芯片自帶的 ADC12 采集 LED 兩端的電壓，通過按鍵可調(diào)當(dāng)前時間， 并且記錄發(fā)送的語音信息的時間，以上信息通過 12864 顯示，另外在液晶屏上也可顯示本隊 詳細信息。


5.2 各模塊測試
5.2.1 語音傳輸模塊測試 為了在調(diào)試電路的過程中更方便的調(diào)整電路參數(shù)，在測試語音信號之前先進行音頻范圍
內(nèi)不同頻率的正弦波的測試。然后，我們分別通過 MP3、麥克向輸入端輸入聲音信號，通過 揚聲器實際觀測其失真情況。
在使用正弦波測試時，首先使用函數(shù)信號發(fā)生器向發(fā)送端輸入不同頻率的正弦波信號，然 后用示波器檢測接收端分別接收到的波形，檢測輸出電壓的幅值，發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)射端輸入語音信 號為 300Hz、1000Hz、8000Hz 單音信號時，在 8Ω 電阻負載上，接收裝置的輸出電壓有效值 大于 0.4V，并且在更高的頻率上也能達到 0.4V。不改變電路原有狀態(tài)，減小發(fā)射端輸入信號 的幅度至 0V，采用低頻毫伏表測量此時接收端輸出端噪聲電壓，讀數(shù)基本維持在 0V。檢測結(jié) 果表明輸出電壓能夠超過題目所要求的電壓。將它與輸入波形進行比對，發(fā)現(xiàn)波形無明顯失 真。
在使用MP3、麥克向輸入端輸入聲音信號時，通過揚聲器實際體驗該設(shè)備的性能指標(biāo)，聲 音清晰度良好，基本無失真。通過對MP3輸出波形和接收端輸出波形對比，也沒有明顯失真之 處。

5.2.2 模擬信號傳輸測試

在 A 路傳輸 2000Hz、B 路傳輸 8000Hz 單音信號時，在 8Ω負載上，A 路、B 路的輸出電 壓有效值均不小于 0.4V。A 路、B 路分別輸入 1000Hz 頻率以下的方波、鋸齒波時，在接收裝 置的 8Ω負載上，A 路、B 路的輸出電壓有效值均不小于 0.4V，甚至在更低頻率下，也能保持 不小于 0.4V 的水平。
將 m 序列信號加于 A 路的輸入端，用示波器觀察發(fā)端設(shè)備的輸入波形以及收端設(shè)備的輸 出波形，沒有出現(xiàn)無明顯的碼間串?dāng)_。

5.2.3 LED 照明模塊測試
在 10W 白光 LED 只用于照明的情況下，滿足 I2=1±0.01A 的前提下，由 24 V 電源的供電 電流 I1 約為 1.12A

5.2.4 電源模塊測試
接通電路后，在測試點處用萬用表對電源電壓和電流進行測量，兩者均滿足題目要求， 且無明顯波動，非常穩(wěn)定。

6、總結(jié)
本系統(tǒng)設(shè)計以 TI 公司的 MSP430F149 為主控芯片，完成了基于大功率白光 LED 的可見光 通信，實現(xiàn)了對兩路語音信號和 M 序列的無失真?zhèn)鬏敚⑶覒?yīng)用該芯片采集 LED 發(fā)光管的溫 度和其兩端的電壓，并且記錄發(fā)送信息等。在設(shè)計中，我們既考慮了系統(tǒng)的功耗，又充分發(fā) 揮了系統(tǒng)中芯片的高性能。通過測試，系統(tǒng)不但完成了題目要求，而且還擴展了相應(yīng)功能。 經(jīng)過幾天不斷的改進程序和電路，一點點的攻克難關(guān)，最終很好的完成了設(shè)計，在比賽過程 中，首先要感謝指導(dǎo)老師對我們的幫助和指導(dǎo)，也要感謝我們的隊員，有了他們，我們才能 更好的完成設(shè)計。對自身能力來說也是一種質(zhì)的提高，也充分體現(xiàn)了團隊合作的重要性。在 以后的學(xué)習(xí)和生活中我們還需繼續(xù)努力，不斷學(xué)習(xí)，不斷改善自己，以創(chuàng)造更好的成績。

單片機源程序如下:

  2. #include "control.h"
  3. #include "key.h"
  4. #include "LCD12864.h"
  5. #include "ADC12.h"
  6. #include "DS18B20.h"

  8. unsigned  char mark=1;
  9. extern    unsigned  char flag;
  10. unsigned  char     sign=0;


  13. void  control()
  14. {           
  15.        Settime();  
  16.        ADC12CTL0 |=ENC;
  17.        ADC12CTL0 |=ADC12SC;
  18.       while(1)  
  19.      {               
  20.           wait();                                    
  21.           system_info1();               
  22.           if(flag==0)
  23.             system_info2();   
  24.          if(mark==0&&flag==0)
  25.             system_info2();                    
  26.      }

  28. }
  29.       
  30. void  wait()
  31. {
  32.      
  33.        while(1)   
  34.      {   
  35.             Key4Scan();
  36.            if(key!=0)
  37.            {                 
  38.                 flag=0;        
  39.                LCD_clear();        
  40.                 break;           
  41.            }
  42.      }
  43. }
  44. void system_info1()
  45. {   
  46.        LCD_write_str(2,1,"系統(tǒng)信息");
  47.        LCD_write_str(0,2,"1.電壓：");     
  48.        LCD_write_str(0,3,"2.電流：");  
  49.        LCD_write_str(0,4,"3.LED");
  50.        LCD_write_str(4,3,"1A");                 
  51.        LCD_write_str(3,4,"溫度:");            
  52.      while(1)
  53.      {  
  54.          sign=1;      
  55.          LCD_write_str(4,2,tempda);      
  56.          LCD_show_T();
  57.          ADC12CTL0 |=ENC;
  58.          ADC12CTL0 |=ADC12SC;      
  59.          Key4Scan();                                    
  60.          if(key==3)
  61.          {      flag=0;        
  62.                 LCD_clear();               
  63.                 sign=0;
  64.                 break;      
  65.          }      
  66.          else if(key==4)
  67.           {      sign=0;         
  68.                  flag=1;                           
  69.                  break;           
  70.          }               
  71.     }
  72. }

  74. void system_info2()
  75. {     
  76.        mark=1;
  77.        LCD_clear();
  78.        LCD_write_str(2,1,"系統(tǒng)信息");
  79.        LCD_write_str(0,2,"1.系統(tǒng)時間");   
  80.        LCD_write_str(0,3,"2.序列信息");
  81.        LCD_write_str(0,4,"3.音頻傳送記錄");   
  82.        while(1)   
  83.        {   
  84.             Key4Scan();
  85.            if(key==1)
  86.             {   mark=0;           
  87.                 flag=0;                    
  88.                 LCD_clear();      
  89.                 timeshow();                              
  90.             }      
  91.          else if(key==2)
  92.            {   
  93.                mark=0;            
  94.                flag=0;
  95.                LCD_clear();
  96.                LCD_write_str(1,1,"m");
  97.                LCD_write_str(2,1,"序列為:");                                    
  98.                LCD_write_str(0,2,"000111101011001");            
  99.            }      
  100.          else  if(key==3)
  101.             {   
  102.                 mark=0;
  103.                 flag=0;
  104. ……………………

  106. …………限于本文篇幅 余下代碼請從51黑下載附件…………
復(fù)制代碼



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作者: 18907733004    時間: 2018-4-12 09:55
有完整原理圖嗎
作者: guochaoxxl    時間: 2018-5-8 06:46
感覺原理圖不全阿
作者: adslvcd    時間: 2018-5-8 22:30
這要用光纖嗎
作者: 17809267337    時間: 2018-5-10 16:19
這個程序應(yīng)該是兩部分吧？這個只是接收部分的，發(fā)送部分呢？
作者: tacorob2009    時間: 2018-5-12 14:13
有完整原理圖嗎
作者: 175852    時間: 2019-4-12 19:57
嗯~~~大佬
作者: zslp2019    時間: 2019-11-11 00:22
非常感謝分享。
作者: f556    時間: 2019-11-19 09:23
看見“白光”以為是烙鐵，以為是HAKKO
作者: Corrys    時間: 2021-9-27 18:31
插個眼，邏輯上可行



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