單片機可見光通信設計源碼與論文-基于大功率白光LED與MSP430

ID:286077 · 發表于 2018-2-27 18:50

這是一個基于msp430f149做的可見光通信系統資料包含完整的程序源碼與設計論文，下面是內容預覽：

基于大功率白光LED的可見光通信

摘要
本系統設計以 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，實現了對兩路語音信號、m 序列信號和單音信號的無失真傳輸。該通信裝置由發送裝置和接收裝置兩部分組成。發送裝置和接收裝置由放大電路、音頻鎖相環 LM567、光電調制電路、電源電路等模塊構成，分別對信號進行放大、調制、解調與供電等，從而實現了可見光對信號的傳輸。同時使用 MSP430F149 為主控器，完成對發射裝置的溫度監測、電壓采集及信號傳輸記錄等功能。通過測試，本設計系統性能良好，各項指標均能較好地完成設計要求同時 MSP430 系列單片機功耗低，滿足當前低碳經濟的發展理念。

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 、系統方案設計思路 3
2 、方案設計與選擇 4
21 CPU 的選擇  4
22 鎖相環的選擇  4
23 光調制中放大器件的選擇  4
24 顯示模塊的選擇  4
3、系統方案詳細設計 5
31 可見光通信裝置電源模塊  5
32 可見光通信裝置發送端  5
321 信號調制電路  5
3 3 可見光通信裝置接收端  6
331 信號解調放大電路  6
4、系統軟件設計 8
5、測試結果與分析 8
51 儀器設備  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 10
參考文獻 11

1 、系統方案設計思路

本文所設計的可見光通信裝置以 MSP430F149 為控制核心，由發送端、接收端兩部分組成。使用 MSP430F149 產生 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。發送端由主控芯片組成的最小系統、前置放大電路、音頻調制電路、光調制電路、白光
LED 發射燈、顯示模塊、24V 電源等模塊組成。該部分實現了對兩路語音信號和 m 序列的調制并通過可見光發射給接收端的任務。
接收端由放大濾波電路、音頻信號功率放大電路、整形電路、音頻解調電路、PIIN 光電二極管等模塊組成。該部分實現了來自發送端信號的解調、放大和語音輸出，以及完成來自 m 序列發生器的波形輸出的任務。
總系統框圖如下：

2 、方案設計與選擇

2.1 CPU 的選擇
方案一：采用 51 系列單片機。采用現在比較通用的 51 系列單片機作為整個系統方案的主控 CPU。51 系列單片機應用比較廣泛，各種技術都比較成熟，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）結構，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數尋址、4 種目的操作數尋址）、簡潔的 27 條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據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；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，滿足當前低碳經濟的要求。
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 鎖相環的選擇

方案一：采用 CD4046 連成語音信號的收發電路。CD4046 是通用的 CMOS 鎖相環集成電路，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電路。LM567 是一塊鎖相環集成電路，采用雙列
直插式封裝。其靜態電流 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、靈敏度高的優點。
綜合以上方案，我們采用 LM567，選擇方案二。

2.3 光調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，調制頻率不夠高且發熱相當嚴重，致使放大效果及其不佳。
方案二：采用 TIP41C 器件。TIP141C 放大倍數達到 65，頻率轉換達到 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字，且屏幕過小以致于顯示的內容太少，不能同步顯示大容量的信息，若多次切換顯示會導致時間浪費。
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，可構成全中文人機交互圖形界面。不僅可以顯示數字、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、系統方案詳細設計
3.1 可見光通信裝置電源模塊
電源電路的任務是為可見光通信裝置提供電壓。該模塊將 220V 的市電轉化為 24V 的輸出電壓和 1A 的輸出電流。電源電路如下：

工作原理：220V 市電經整流橋將交流電信號轉化為直流電信號，經電容濾波減少信號波動，LM317 的穩壓范圍是 1.25~37V，最終輸出 24V 電壓，電流為 1A。
3.2 可見光通信裝置發送端
3.2.1 信號調制電路
信號調制電路的有兩個任務，一是接收語音信號及 M 序列信號，并將其轉化為電信號，二是通過光調制電路進行信號調制，由白光 LED 發光管將信號發送給接收端的 PIN 光電二極管。信號調制電路原理圖如下：

圖 3 信號調制電路
電路工作原理：A 路語音信號從 A singnal 端口，經 RP1 衰減由 Ca1 緩沖經 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 RP2 衰減后由 Cb1、Qb1 緩沖放大后從 Qb1 的發射極取出后經壓控振蕩器，D1、D2 對信號進行限幅。然后進入 LM567 可對 PLL 的頻率進行調制，當音頻信號處于上升段時，調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上增加，當音頻信號處于下降段時，調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上降低，從而實現頻率調制。由于采用了鎖相環壓控振蕩器，所以電路的調制線性較好。調制后的信號經 LM567 的 5 腳出，三路信號在 C 端混合，由光調制電路后經 Q2 放大后推動 LED 發送可見光。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 信號解調放大電路
信號解調電路的任務是利用 PIN 光電二極管接收來自發送端的可見光線，經音頻鎖相環解調和 LM386 放大功率后語音信號由揚聲器發出，m 序列信號則由示波器顯示。信號解調放大電路如下：

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，經放大濾波電路后，A 路語音信號經單管放大電路放大，由 LM386 進行功率放大后由揚聲器發聲，而 B 路語音信號和 M 序列信號則進入 LM567 解調，信號解調后，B 路語音信號由 LM386 放大功率又揚聲器發，對于 M 序列信號則由示波器顯示信號。

4、系統軟件設計
TI 公司研發的 430 系列單片機功耗極低，應用 MSP430F149 可實現通信裝置功能的實現。系統軟件設計的整體思路：使用 MSP430F149 在發送端產生 M 序列，通過 LM567 和光調制電路由發光管發送，在接收端由示波器觀測，同時采集發光管 LED 的溫度，若當前溫度過高不利于通信則報警提示，應用芯片自帶的 ADC12 采集 LED 兩端的電壓，通過按鍵可調當前時間，并且記錄發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試電路的過程中更方便的調整電路參數，在測試語音信號之前先進行音頻范圍
內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，首先使用函數信號發生器向發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，發現當發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，減小發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，讀數基本維持在 0V。檢測結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，發現波形無明顯失真。
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備的性能指標，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，用示波器觀察發端設備的輸入波形以及收端設備的輸出波形，沒有出現無明顯的碼間串擾。

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，非常穩定。

6、總結
本系統設計以 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，實現了對兩路語音信號和 M 序列的無失真傳輸，并且應用該芯片采集 LED 發光管的溫度和其兩端的電壓，并且記錄發送信息等。在設計中，我們既考慮了系統的功耗，又充分發揮了系統中芯片的高性能。通過測試，系統不但完成了題目要求，而且還擴展了相應功能。經過幾天不斷的改進程序和電路，一點點的攻克難關，最終很好的完成了設計，在比賽過程中，首先要感謝指導老師對我們的幫助和指導，也要感謝我們的隊員，有了他們，我們才能更好的完成設計。對自身能力來說也是一種質的提高，也充分體現了團隊合作的重要性。在以后的學習和生活中我們還需繼續努力，不斷學習，不斷改善自己，以創造更好的成績。

單片機源程序如下:

#include "control.h"
#include "key.h"
#include "LCD12864.h"
#include "ADC12.h"
#include "DS18B20.h"
unsigned char mark=1;
extern unsigned char flag;
unsigned char sign=0;
void control()
{
Settime();
ADC12CTL0 |=ENC;
ADC12CTL0 |=ADC12SC;
while(1)
{
wait();
system_info1();
if(flag==0)
system_info2();
if(mark==0&&flag==0)
system_info2();
}
}
void wait()
{
while(1)
{
Key4Scan();
if(key!=0)
{
flag=0;
LCD_clear();
break;
}
}
}
void system_info1()
{
LCD_write_str(2,1,"系統信息");
LCD_write_str(0,2,"1.電壓：");
LCD_write_str(0,3,"2.電流：");
LCD_write_str(0,4,"3.LED");
LCD_write_str(4,3,"1A");
LCD_write_str(3,4,"溫度:");
while(1)
{
sign=1;
LCD_write_str(4,2,tempda);
LCD_show_T();
ADC12CTL0 |=ENC;
ADC12CTL0 |=ADC12SC;
Key4Scan();
if(key==3)
{ flag=0;
LCD_clear();
sign=0;
break;
}
else if(key==4)
{ sign=0;
flag=1;
break;
}
}
}
void system_info2()
{
mark=1;
LCD_clear();
LCD_write_str(2,1,"系統信息");
LCD_write_str(0,2,"1.系統時間");
LCD_write_str(0,3,"2.序列信息");
LCD_write_str(0,4,"3.音頻傳送記錄");
while(1)
{
Key4Scan();
if(key==1)
{ mark=0;
flag=0;
LCD_clear();
timeshow();
}
else if(key==2)
{
mark=0;
flag=0;
LCD_clear();
LCD_write_str(1,1,"m");
LCD_write_str(2,1,"序列為:");
LCD_write_str(0,2,"000111101011001");
}
else if(key==3)
{
mark=0;
flag=0;
……………………
…………限于本文篇幅余下代碼請從51黑下載附件…………

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ID:217743 · 發表于 2018-4-12 09:55

有完整原理圖嗎

ID:314910 · 發表于 2018-5-8 06:46

感覺原理圖不全阿

ID:168408 · 發表于 2018-5-8 22:30

這要用光纖嗎

ID:326642 · 發表于 2018-5-10 16:19

這個程序應該是兩部分吧？這個只是接收部分的，發送部分呢？

ID:324955 · 發表于 2018-5-12 14:13

有完整原理圖嗎

ID:424127 · 發表于 2019-4-12 19:57

嗯~~~大佬

ID:467222 · 發表于 2019-11-11 00:22

非常感謝分享。

ID:282850 · 發表于 2019-11-19 09:23

看見“白光”以為是烙鐵，以為是HAKKO

ID:581979 · 發表于 2021-9-27 18:31

插個眼，邏輯上可行

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