CN212161087U - 一种基于led的可见光传输演示仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于LED的可见光传输演示仪，包括壳体，在壳体上设置LED光源和用于接收LED光源光线的光敏元件，在壳体上还设置用于改变LED光源和光敏元件距离和角度的驱动机构；所述的驱动机构包括往复运动机构和转动机构；往复运动机构包括丝杆、丝杆滑块和用于驱动丝杆转动的丝杆步进电机；LED光源设置在丝杆滑块上；转动机构包括舵机连杆和驱动舵机连杆转动的舵机，光敏元件设置在舵机连杆上；本方案一方面可以展现出利用已打开LED灯进行照明同时进行信号传输的基本功能，另一方面则可以演示距离和角度变化对接收信号强度的影响，演示效果明显且直观。

Description

一种基于LED的可见光传输演示仪

技术领域

本实用新型涉及光通信技术领域，尤其是一种利用LED光进行通信的可见光传输演示仪。

背景技术

可见光通信（VLC）在全球已经成为了研究的热点，不同于光纤通信和红外通信，可见光通信不但要实现最基本的通信功能，还要为环境提供照明，这就使得可见光通信系统有许多不同于前两种通信系统的地方。作为一种照明和通信结合的新型模式，它能够实现“精确限域”通信——其通信范围能够精确限制在光束照射区域内。目前业界对可见光通信系统的研究集中于室内可见光无线系统和水下可见光无线通信系统两方面，但对可见光原理演示仪方面的研究和成果转化则相对较少。

实用新型专利（公开号CN203773827U）一种短距离LED可见光音频传输演示仪，其中公开了“本实用新型由发射模块、接收模块和电源模块构成，其中发射模块包括LED灯支架、LED矩阵灯、LED灯驱动电路、放大电路、T-Flash卡、89C52RC单片机与控制电路、Sigmatel3510解码器，接收模块包括PIN光电二极管支架、PIN矩阵光电二极管、扬声器、功率放大器、多级放大电路、DA转换器，电源模块包括5V直流电源适配器、开关。” 但该演示仪的光传输距离和夹角无法控制，不能直观地进行调整；并且且输入信号的来源与类型相对单一，不便于在演示过程中灵活选择。

实用新型内容

本方案针对上述不足，提供了一种基于LED的可见光传输演示仪的方案，本方案的演示仪通过交互控制部分控制信源类型参数以及机械动作部分的状态；由信号发射部分的LED将电信号转化为光信号实现可见光传输；由信号接收部分的PIN硅光电池实现光信号到电信号的转化，最后由扬声器输出接收到的经可见光传输的声音信号。该演示仪一方面可以展现出利用已打开LED灯进行照明同时进行信号传输的基本功能，另一方面则可以演示距离和角度变化对接收信号强度的影响，演示效果明显且直观。

本方案是通过如下技术实现的：一种基于LED的可见光传输演示仪，包括壳体，在壳体上设置LED光源和用于接收LED光源光线的光敏元件，在壳体上还设置用于改变LED光源和光敏元件距离和角度的驱动机构；有LED光源和光敏元件，这样可以用于进行光通信，驱动机构用于改变LED光源和光敏元件的距离和相对的角度。

驱动机构包括往复运动机构和转动机构；往复运动机构包括丝杆、丝杆滑块和用于驱动丝杆转动的丝杆步进电机；LED光源设置在丝杆滑块上；转动机构包括舵机连杆和驱动舵机连杆转动的舵机，光敏元件设置在舵机连杆上；往复运动机构采用丝杆与丝杆滑块结合，丝杆步进电机驱动丝杆转动，进而推动丝杆滑块前后运动；这样能够准确的控制往复的距离，实现LED光源和光敏元件距离的控制调节，舵机可以控制舵机连杆转动，实现角度变化的控制调节。LED光源和光敏元件分别设置在丝杆滑块和舵机连杆相向的一侧，这样保证了LED光源发出的光能被光敏元件接收到。

丝杆步进电机和舵机分别与控制器连接；丝杆步进电机和舵机连杆受CPU的控制，CPU通过发送相应的旋转角指令和旋转相位节拍来控制舵机和丝杆步进电机的工作。

控制器通过信号发射部分与LED光源连接，信号发射部分的信号发生器、选择开关模块分别有控制器连接，选择开关模块与音频接口连接，信号发生器与选择开关模块连接，所述选择开关模块与调制模块连接，调制模块通过功放电路与LED光源连接，所述的选择开关模块还与输入波形探测接口连接；在壳体上还设置显示屏、键盘、USB接口，所述显示屏、键盘、USB接口分别与控制器连接，信号发生器和音频接口两者可供选择，控制器控制选择开关模块，即可实现信号源的选择；可通过键盘选择信号发生器这一信号源波形的类型（正弦波、方波和三角波）以及频率，选择过程中上述参数在显示屏上实时显示；控制器采用STC8A单片机，功放电路采用甲类线性功放对LED光源进行驱动，具有线性度好、失真小的优点，能够使发送的音频信号的音质保持在较高水平；USB接口用于连接计算机，以实现计算机与演示仪之间的数据通信；音频接口供输入外界的音频，可通过音频线与手机终端连接；输入波形探测接口用于连接外部的示波器，可以在示波器上观察到发送前后信号的波形特征。

光敏元件与信号接收部分连接，其中信号接收部分的放大器与与光敏元件连接，放大器与解调模块连接，解调模块通过音频功放与扬声器连接，解调模块还与输出波形探测接口连接，放大器和解调模块用于放大光敏元件的微弱信号，同时重建和恢复出原始的电信号；该电信号一路被送到输出波形探测接口用于外接示波器观察波形，一路则被送至音频功放，经过功率放大后推动扬声器发声。

音频接口、输入波形探测接口和输出波形探测接口设置在壳体上， 这样便于与外部的音频、示波器连接。

在壳体上设置用于对丝杆滑块进行限位的限位器，所述的限位器设置在丝杆远离舵机一端，限位器与控制器连接，当丝杆滑块滑到此处时，限位器给控制器信号，控制器控制丝杆步进电机停止工作，这样使得丝杆滑块在丝杠的行程之内，并且此处为LED光源与光敏元件的最远位置，防止丝杆滑块滑出预设的位置。

丝杆与舵机连杆共线，这样保证了两者在一条直线上，使得LED光源发出的光线能直接照射到光敏元件上；并且以光敏元件与LED光源正对的角度为零度，光敏元件的转动角度为负九十度到正九十度，即光敏元件可以左右旋转九十度，光敏元件与LED光源在同一水平面。所述的光敏元件为光电二极管或者硅光电池；这样可以实现对光线的转换。

通过上述描述可以看出，本实用新型提供了一种基于LED的可见光传输演示仪；该演示仪的功能更加完善，信号源的选择更加灵活，系统的控制也更加精确和便捷。在使用时，演示仪一方面可以展现出利用已打开LED灯进行照明同时进行信号传输的基本功能，另一方面则可以演示距离和角度变化对接收信号强度的影响，演示效果明显且直观。

附图说明

图1为本实用新型具体实施方式的结构示意图。

图2为驱动机构的结构示意图。

图3为本实用新型具体实施方式的电控图。

图中，1为LED光源，2为丝杆，3为光电二极管，4为舵机连杆，5为键盘，6为输入波形探测接口，7为输出波形探测接口，8为音频接口，9为USB接口，10为显示屏，11为丝杆滑块，12为限位器，13为CPU，14为丝杆步进电机，15为舵机，16为信号发生器，17为选择开关模块，18为调制模块，19为功放电路，20为放大器，21为解调模块，22为音频功放，23为扬声器。

具体实施方式

为了清楚描述本方案，下面结合附图对本方案进行进一步的描述。

通过附图可以看出，本方案的可见光传输演示仪，包括壳体，在壳体上设置LED光源1和用于接收LED光源1光线的光敏元件，在壳体上还设置用于改变LED光源1和光敏元件距离和角度的驱动机构；本实施例中，光敏元件为光电二极管3。

驱动机构包括往复运动机构和转动机构；往复运动机构包括丝杆2、丝杆滑块11和用于驱动丝杆2转动的丝杆步进电机14；LED光源1设置在丝杆滑块11上；转动机构包括舵机连杆4和驱动舵机连杆4转动的舵机15，光敏元件设置在舵机连杆4上；LED光源1和光电二极管3分别设置在丝杆滑块11和舵机连杆4相向的一侧。所述的丝杆2与舵机连杆4在同一直线上。以光电二极管3与LED光源1正对的角度为零度，光电二极管3的转动角度为负九十度到正九十度。

丝杆步进电机14和舵机15分别与控制器连接，本方案的控制器CPU采用STC8A单片机；控制器分别与信号发生器16、选择开关模块17连接，选择开关模块17与音频接口8连接，信号发生器16与选择开关模块17连接，所述选择开关模块17与调制模块18连接，调制模块18通过功放电路19与LED光源1连接，所述的选择开关模块17还与输入波形探测接口6连接；光电二极管3通过放大器20与解调模块21连接，解调模块21通过音频功放22与扬声器13连接，解调模块21还与输出波形探测接口7连接。

音频接口8、输入波形探测接口6和输出波形探测接口7设置在壳体上，在壳体上还设置显示屏10、键盘5、USB接口9，所述显示屏10、键盘5、USB接口9分别与控制器连接。在壳体上设置用于对丝杆滑块11进行限位的限位器12，所述的限位器12设置在丝杆2远离舵机15一端，限位器12与控制器连接。

使用时，在演示过程中的信号源类型和信号发生器16的状态参数通过交互控制部分来决定，即通过选择开关模块17来实现，选择开关模块可以使用常用的选择开关模块。在设备启动并完成上电初始化后，显示屏10上会显示此时信号发射部分内信号源的来源，即来自于信号发生器16或是音频接口8，如果来自信号发生器16，则显示信号发生器16产生信号的参数（波形种类、频率、幅度）。此后用户可以通过键盘5进行信号发生器16参数的输入和信号源的选取，在该过程中，送入调制模块18的信号由选择开关模块17决定，完成信号来源选择后，这路信号将会在调制模块18中进行调制，同时送往输出波形探测接口用于连接外部的示波器，观察波形特征，完成调制的信号由功放电路19进行功率放大，随后被送入LED光源1，LED光源的发光强弱将随着输入电信号强度的变化而变化，此时含有信息的光信号即被送入空间当中；随后光电二极管3将会从空间中捕获这个光信号，并将其转换为较为微弱的电信号，这路电信号被送入高增益低噪声的放大器20当中进行放大，输出的信号随之送入解调模块21，用于恢复出原始信号源发射的信息。

恢复出的信号其中一路被送往音频功放22，再由扬声器23转换为声音信号；另一路则被送往输出波形探测接口7用于连接外部的示波器，可以在示波器上观察到发送前后信号的波形特征。

光电二极管3与LED光源1之间的距离由丝杆滑块11的位置决定，丝杆滑块11固定在丝杆2上，丝杆2的旋转带动丝杆滑块11在丝杆2上来回移动；丝杆滑块11上固定有LED光源1；丝杆2在丝杆步进电机14的驱动下运转，丝杆步进电机14的旋转状态（正反转以及旋转的角度数）受控制器，即CPU 13发出的一系列命令字串决定；由于丝杆步进电机14旋转角度数与丝杆滑块11位移之间存在着严格的线性关系，进而控制了丝杆滑块11的位置，实现了精准控制；丝杆滑块11运动到限位器12所在位置时，限位器12发出的信号由送至CPU 13，CPU 13发出的命令控制丝杆步进电机14停止转动，使得此时丝杆滑块11停在限位器12的位置上；其中限位器12的安装于丝杆滑块11的行程之内使得LED和光电二极管的中心距离最远的位置，用于防止丝杆滑块11的位置超出规定的区域。

光电二极管3与LED光源1之间的夹角由舵机15的旋转的角度决定，CPU通过发送一路占空比与舵机旋转夹角成正比的矩形波信号，即可控制舵机15的旋转角度，使得光电二极管3与LED光源1之间的夹角可以在-90°至90°的范围之内任意地选择。舵机连杆4的一段与舵机15连接，舵机连杆4的另一端固定与光电二极管3，光电二极管3与信号接收部分中的放大器20连接。

LED光源1与光电二极管3之间的距离控制通过机械动作部分和交互控制部分实现。首先，在整套设备开始工作前的初始化阶段，CPU发出初始化命令，使得丝杆滑块11运动至限位器12处，即光电二极管3与LED光源1之间的距离到达固定的最大值；同时CPU给出的方波信号使得舵机旋转角度归零，即光电二极管3与LED光源1之间的夹角为0；完成复位后夹角和距离的初始值将会显示在显示屏10上，此后，用户可以通过键盘5的输入来选取在规定的距离和角度范围内任意的角度距离参数。该过程中，当光电二极管3与LED光源1之间的距离变为0后，CPU将会禁止用户输入小于0的距离值，用户将无法继续缩小二者的距离，避免了因操作不当造成的演示仪故障。显然，为了达到控制的精确性，LED光源1的中心点与光电二极管3的中心点必须位于同一水平面上，且二者连线与丝杆2的轴线平行。

上述的具体实施方式仅仅是本实用新型的一种具体实施方式，而不是全部的实施方式。基于上述的实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于LED的可见光传输演示仪，其特征是：包括壳体，在壳体上设置LED光源和用于接收LED光源光线的光敏元件，在壳体上还设置用于改变LED光源和光敏元件距离和角度的驱动机构；

所述的驱动机构包括往复运动机构和转动机构；

往复运动机构包括丝杆、丝杆滑块和用于驱动丝杆转动的丝杆步进电机；LED光源设置在丝杆滑块上；

转动机构包括舵机连杆和驱动舵机连杆转动的舵机，光敏元件设置在舵机连杆上；

LED光源和光敏元件分别设置在丝杆滑块和舵机连杆相向的一侧。

2.根据权利要求1所述的基于LED的可见光传输演示仪，其特征是：

所述的丝杆步进电机和舵机分别与控制器连接；

控制器分别与信号发生器、选择开关模块连接，选择开关模块与音频接口连接，信号发生器与选择开关模块连接，所述选择开关模块与调制模块连接，调制模块通过功放电路与LED光源连接，所述的选择开关模块还与输入波形探测接口连接；

光敏元件通过放大器与解调模块连接，解调模块通过音频功放与扬声器连接，解调模块还与输出波形探测接口连接。

3.根据权利要求2所述的基于LED的可见光传输演示仪，其特征是：

所述的音频接口、输入波形探测接口和输出波形探测接口设置在壳体上，在壳体上还设置显示屏、键盘、USB接口，所述显示屏、键盘、USB接口分别与控制器连接。

4.根据权利要求3所述的基于LED的可见光传输演示仪，其特征是：

在壳体上设置用于对丝杆滑块进行限位的限位器，所述的限位器设置在丝杆远离舵机一端，限位器与控制器连接。

5.根据权利要求1所述的基于LED的可见光传输演示仪，其特征是：

所述的丝杆与舵机连杆共线。

6.根据权利要求5所述的基于LED的可见光传输演示仪，其特征是：

以光敏元件与LED光源正对的角度为零度，光敏元件的转动角度为负九十度到正九十度,并且光敏元件与LED光源在同一水平面。

7.根据权利要求1所述的基于LED的可见光传输演示仪，其特征是：

所述的光敏元件为光电二极管或者硅光电池。

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