张笑航，武向农，周 明，乔印雪

（上海师范大学 信息与机电工程学院，上海200234）

基于51单片机的LED可见光点对点通信实验研究

张笑航，武向农，周 明，乔印雪

（上海师范大学 信息与机电工程学院，上海200234）

可见光通信技术是一种新型带宽无线通信技术，其采用发光二极管（LED）作为光源，利用LED灯光承载的高速明暗闪烁信号来传输信息。根据可见光通信原理，基于51单片机提出一种LED可见光通信系统设计方案。该系统采用点对点的定向视距链路通信方式，发射端选用OOK-NRZ脉冲调制方式对LED发光阵列进行调制并发送信号，接收端采用光强度调制-直接检测技术对接收信号进行解调，然后通过1602字符型液晶显示器显示接受信息。实验中，系统在30cm距离范围内，可以实现基本英文字符的发送、接收与显示。实验结果表明，该系统能够通过可见光实现简单的单工数据通信功能，具有低成本、低功耗及体积小等优点。

可见光通信；51单片机；LED；LCD1602；单工数据通信

1 引 言

2000年可见光通信技术（VLC）作为一种新的带宽无线通信技术横空出世，它采用发光二极管（LED）作光源，利用LED发出的高速明暗闪烁灯光来调制和传输信息，接收端则使用光电二极管实现光电转换，获取 LED灯光中承载的信息[1-4]。白光LED现在已经被广泛应用于信号发射、显示、照明等领域。相比于其它光源，白光LED具有更高的调制带宽，并且它还具有调制性能好、响应灵敏度高的优点，利用这些特性，可以实现可见光的高速通信。

目前，国内关于可见光通信技术的研究主要集中在理论研究和仿真分析方面，也有一些机构进行了可见光通信系统的设计研究，但因为存在一些限制因素，所以距离实际应用还存在一定的距离，如白光LED有限的带宽严重限制了传输速率，编码与信号处理芯片性能和集成度较低，阻碍了可见光通信技术的发展[1]。因此，本文立足于国内室内可见光通信研究现状，基于51单片机研究和设计了一种LED可见光通信系统，初步实现了LED可见光单工数据通信。系统采用了STC89C52RC单片机芯片，完成了LED可见光通信系统发射机与接收机的设计和实现。实验测试结果表明，系统设计合理，运行稳定，证明了本系统设计方案的可行性和有效性。最后，总结了本系统的性能，并对本系统的不足进行了说明，给出了改进的方法。

2 系统原理与结构

基于51单片机的LED可见光通信系统主要由信号发射机，传输信道和信号接收机构成。在发送端，原始数据经过预处理以及存储与编码之后，通过LED驱动电路，对LED进行脉冲调制，从而将电信号转换为强弱变化的光信号。承载着传输数据的光信号在室内自由空间光信道中进行传输，到达接收端后，接收机通过光电二极管，将光信号转换成电信号，然后对电信号进行信号处理、解调与解码之后，恢复出相应的原始传输数据，并将结果显示在字符型液晶显示器上。LED可见光通信系统原理框图如图1所示[1]。

图1 LED可见光通信系统原理框图

3 系统设计

3.1 VLC系统发射机设计与现实

VLC系统发射机电路原理如图2所示。

图2 VLC系统发射机电路原理图

1.串口通信模块：本模块串行口工作模式为模式1:8位UART（通用异步收发传输器），波特率可根据需要进行改变。同时，系统产生信源信息时使用了串口通信模块，并对得到的二进制字符序列进行了编码调制。系统选用的是OOK-NRZ脉冲调制方式，该调制方式实现简单，常用于可见光通信系统的性能测试。

2.发射模块：本模块核心器件为STC89C52RC单片机，特点为抗干扰性强，高速且低功耗，是一种增强型8051单片机。STC89C52RC单片机作为主控芯片，同时具有复位电路、时钟电路以及程序下载调试电路。需要传输的数据信息通过串口通信传送给主控芯片，然后在STC89C52RC单片机的控制下驱动LED驱动模块[5]。

3.LED驱动模块：由于串口通信模块输出的信号经过调制后的电流很小，不足以驱动LED阵列工作，所以需要设计专门的LED驱动电路来为LED的正常工作提供恒定的驱动电流。白光LED阵列驱动电路原理如图3所示，系统光源采用直径5mm的3×8LED阵列，使用强度调制将电信号转为光信号，光信号随输入电信号的强弱变化而变化，并通过室内自由空间光信道传递可见光数据。

图3 LED阵列驱动电路原理图

3.2 VLC系统接收机设计与现实

VLC系统接收机电路原理如图4所示。

图4 VLC系统接收机电路原理图

1.光电转换模块：在接收端系统中，光电探测器采用光强度调制-直接检测技术，利用光电二极管接收可见光数据，同时将光信号转换为电信号。同时，考虑到PIN型光电二极管的光电转换线性度好，响应速度较快，无需高工作电压且价格较低，因此系统中选择了PIN型光电二极管。

2.字符型液晶显示器模块：本系统使用的是1602字符型液晶显示器，基本参数为：（1）显示容量16×2个字符；（2）芯片工作电压4.5-5.5V；（3）工作电流2.0mA；（4）字符尺寸2.95×4.35(W×H)mm。1602字符型液晶显示器实物图及其电路原理图如图5和图6所示。

图5 1602字符型液晶显示器实物图

图6 1602字符型液晶显示器电路原理图

3.光数据接收模块：当接收端光敏二极管检测到LED光强度的变化时，将光信号通过光电转换得到电信号，之后电信号还需要进行滤波、信号放大等处理过程才能进入解调模块，经过解调出的信号为0、1序列，经过串口通信传送至接收端主控芯片，至此还原出发射端传送的数据[6-7]。光数据接收电路原理图如图7所示。

图7 光数据接收电路原理图

4 系统应用测试

系统设计中，发射板是通过USB接口连接PC机供电，接收板则是通过3节5号电池供电。本系统电路实物图如图8所示。

图8 基于51单片机的VLC系统电路实物图

我们对系统进行了如下测试，并观察了信号的发射接收状况。

4.1 测试准备

1.检查发射板和接收板是否供电：发射板供电时，无论发射端有没有数据传输，LED阵列常亮，此时为待传送数据状态；接收板供电时，1602字符型液晶显示屏被点亮，显示字符：“Receive Data：”，此时为待接收数据状态。

2.接收板调试：在室内环境下，接收板上的红色发光二极管是熄灭状态；同时，在不同环境下，可通过小螺丝刀调节微调电位器，控制接收板芯片电压输出大小。

3.检测通信状态：接收板调试好后，打开发射板的LED阵列，调整发射板和接收板的距离 （约20cm），当接收板上的红色发光二极管为点亮状态，则表明可以进行可见光数据通信。

4.2 测试步骤

1.数据通信测试：发射板上有S1-S6共6个按键，分别控制a-f 6个小写英文字符的发送。测试时，我们依次按下6个按键，观察接收板上的数据接收状况。

2.遮挡物干扰测试：测试时，在发射板和接收板之间加设一个遮挡物（如：白纸），通过按键改变发射板发射的数据内容，观察接收板上的数据接收状况。

3.通信链路测试：测试时，改变发射板的位置，使发射板与水平线呈一定角度，通过按键改变发射板发射的数据内容，观察接收板上的数据接收状况。

4.通信距离测试：测试时，不断增加发射板与接收板之间的距离，通过按键改变发射板发射的数据内容，观察接收板上的数据接收状况。

4.3 测试结果分析

1.数据通信测试：测试中，按下发射板的S1键，其对应的数据“No.1：a”经过系统传输后，接受板的1602字符型液晶显示屏上准确显示出“Receive Data：No.1：a”，测试中，系统将待传输数据经过脉冲编码调制，通过可见光通信信道，从发射端传输至接收端，且接收数据准确无误。测试结果表明，本实验设计的可见光通信系统实现了简单的实时单工数据通信。测试观察结果如图9所示。

图9 数据通信测试结果图

2.遮挡物干扰测试：测试中，当遮挡物阻断可见光通信信道时，通信中断。测试结果表明，本实验设计的可见光通信系统仅适用于室内无阻隔条件下的点对点通信，当发射端和接收端之间无障碍物时，通信效率较高。此时接收板上的红色发光二极管是熄灭状态。测试中，我们改变发送的数据内容，虽然发射板仍在发送光信号，但接收板的1602字符型液晶显示屏上的接收数据内容没有改变，说明通信中断；移除遮挡物后，通信恢复正常，这也说明观察到的接受数据是从可见光通信信道传输后收到的。测试结果如图10所示。

图10 遮挡物干扰测试结果图

3.通信链路测试：测试中，当发射端与水平线偏离达30°时，通信中断。测试结果表明，本实验设计的可见光通信系统仅适用于直射式视距链路，当发射端和接收端对准时，链路的功率利用率较高。经实际测量，发射板与水平线偏离达30°时，接收板上的红色发光二极管为熄灭状态，此时，接收数据内容不再变化，通信中断。测试结果如图11所示。

图11 通信链路测试结果图

4.通信距离测试：测试中，当发射端与接收端之间的距离超过30cm，通信中断。测试结果表明，实验设计的可见光通信系统仅适用于室内近距离通信，当发射端与接收端之间的距离在30cm以内，通信成功率较高。我们发现在室内环境下，发射板与接收板之间的距离在30cm以内，可以实现有效的可见光通信；若距离超过30cm，接收板上的红色发光二极管为熄灭状态，通信中断。测试结果如图12所示。

图12 通信距离测试结果图

5 结束语

本文设计并实现了一种基于51单片机的LED可见光通信系统，采用抗干扰、高速且低功耗的STC89C52RC单片机进行控制，利用串口通信实现传输数据的发送和接收，且系统使用USB和5号电池供电，体积小，便于携带。系统测试结果表明，本系统操作方便，能够通过可见光实现简单的单工数据通信，可以应用于室内视距可见光通信系统。

虽然本文基本实现了LED室内可见光通信，但仍存在以下问题：（1）本文中的发射板是通过USB供电，接收板是通过5号电池供电，不是很方便，后续工作可以优化供电问题。（2）系统采用的脉冲编码方式，虽简单易行，但没有考虑码间干扰等影响，后续可利用正交频分复用（OFDM）调制技术，有效抵抗多径干扰，提高频带利用率。

[1]迟楠.LED可见光通信技术[M].北京：清华大学出版社，2011：12-15.

[2]俞洋.基于白光LED的可见光通信系统设计[J].光通信技术，2014，31(4)：50-52.

[3]王涛.基于51单片机的LED可见光通信系统[J].电视技术，2013，37(9)：61-63.

[4]DIMITROV S,SINANOVIC Sinan,HA-AS H,et al. Signal shaping and modulation for optical wireless communication[J].Journal of Lightwave Technology,2012, 30(9):1319-1328.

[5]孙新凤，张健，王新娜，等.LED点阵书写显示屏的系统设计[J].电视技术，2010，34(S1)：121-123.

[6]吴瑕.基于LED的室内可见光通信系统的研究与设计[D].武汉：华中师范大学，2014.

[7]骆汉光，何志毅，何宁.大功率LED无线光通信的高速脉冲调制技术研究[J].光通信技术，2013，37(4)：43-46.

责任编辑：胡德明

An Experimental Research on Point-to-Point Communication of LED Visible Light Based on 51 Microcontroller

Zhang Xiaohang,Wu Xiangnong,Zhou Ming,Qiao Yinxue
(College of Information,Mechanical and Electrical Engineering, Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

Visible light communication technology is a new kind of bandwidth wireless communication technology,which uses light-emitting diode (LED)as light source,the information transmitted by highspeed flash signals carried by white LED.According to the theory of the visible light communication and based on 51 single chip microcomputer,a design scheme of LED visible light communication system is put forward.The system uses the communication mode based on point-to-point directional line-of-sight link. The transmitter chooses OOK-NRZ pulse modulation mode to modulate the LED array and transmit signals, and the receiver demodulates the received signal through the light intensity modulated-direct detection technology,and then the received information will be displayed on the 1602 character-type LCD.In experiments,system can send,receive and display basic English characters within the range of 30cm.The experimental results indicate that the system is able to achieve the function of simple data communication through visible light,with the advantages of low cost,low power consumption and small in size.

visible light communication;51 microcontroller;LED;LCD1602;simple data communication

TN929.1

A

1672-447X(2016)05-0013-05

2016-05-27

上海市自然科学基金（13ZR1430400）；上海市教育委员会科研创新项目（14YZ070）

张笑航(1992-)，安徽黄山人，上海师范大学，硕士研究生，研究方向为光纤传感，可见光通信；

武向农(1970-)，安徽合肥人，上海师范大学信息与机电工程学院副教授，研究方向为光纤通信，光纤传感，光载无线通信；

周明(1990-)，安徽六安人，上海师范大学，硕士研究生，研究方向为光纤传感与解调；

乔印雪(1992-)，新疆乌鲁木齐人，上海师范大学，研究方向为可见光通信。