可見光傳聲機系統(tǒng)的設(shè)計

亓振宇

摘 要：本文介紹了利用可見光發(fā)射接收器件制作一個無線傳聲機的基本方法，光耦合作為傳話途徑。主要內(nèi)容包括系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)需硬件、系統(tǒng)電路設(shè)計及調(diào)試方法。電路簡單，能利用LED（發(fā)光二極管）發(fā)出的可見光傳遞聲音信息，使LED（發(fā)光二極管）在照明的同時進(jìn)行聲音的傳輸。

關(guān)鍵詞：聲音；可見光；傳聲

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.121

0 引言

眾所周知，光是一種電磁波，能傳遞信息和能量，可以在真空中傳播，但不能在金屬中傳播；聲是一種波，和電磁波一樣他也能傳遞信息和能量，可以在固、液、氣三態(tài)中傳播，但不能在真空中傳播。如果聲和光能互相轉(zhuǎn)換，可以克服他們的缺點，充分發(fā)揮優(yōu)點。

LED具有高亮度、低功耗、靈敏度高、調(diào)制特點好等優(yōu)點，利用這些特性可以實現(xiàn)在照明的同時，把聲音信號調(diào)制到LED光中進(jìn)行傳輸。實現(xiàn)利用可見光為聲音載體，在空氣中直接傳送光信號的方式，即可見光傳聲。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)整體組成：發(fā)聲設(shè)備----光信號發(fā)射器------光信號接收器-------聲音放大設(shè)備。

發(fā)聲設(shè)備：指能直接發(fā)出聲音的設(shè)備，如：收音機、手機、MP3等。

光信號發(fā)射器：把聲音信號轉(zhuǎn)變成可見光的變化，主要由聲音信號接收裝置（耳機） 和聲音信號轉(zhuǎn)化成光信號電路（LED、電源、電阻等）組成。

光信號接收器：把光的變化轉(zhuǎn)變成電信號的變化，主要由光電轉(zhuǎn)換電路組成（光電轉(zhuǎn)換器件：光電池、光敏二極管、光敏三極管）。

聲音放大設(shè)備：把光信號接收器接收的聲音電信號放大傳遞出來，主要用已有的能放大聲音的設(shè)備（收音機、收錄機、手機等）。

2 系統(tǒng)所需硬件

發(fā)聲設(shè)備（手機、電腦、簡易助聽器、收音機等）。

聲音放大設(shè)備（手機、電腦、簡易助聽器、收音機等）。

LED（發(fā)光二極管）。

電感線圈（可用小型變壓器的原線圈，其直流電阻很小）。

光電池（光敏電阻、光敏三極管）導(dǎo)線若干。

耳機插頭。

電源（光信號發(fā)射器可用LED照明設(shè)備上的電源；光信號接收器可用聲音放大設(shè)備上的電源，也可單獨接電源）。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計

發(fā)聲設(shè)備和聲音放大設(shè)備采用的是已有的電子設(shè)備，整個系統(tǒng)只需自己設(shè)計光信號發(fā)射器和光信號接收器電路。

（1）光信號發(fā)射器電路設(shè)計。設(shè)計思路是利用正在使用的LED照明電路，把聲音信號接入，使LED發(fā)出的光亮度隨聲音變化而變化。

將LED照明電路中串一電感線圈，電感線圈的作用：①濾波：其目的可以濾掉電源中的交流部分，使電源電壓更加穩(wěn)定，防止電源中的交流信號干擾聲音信號；②通直流阻交流：LED照明電路為直流電路，所以不影響電路正常發(fā)光。在線圈兩端引出兩根導(dǎo)線與一耳機插頭相連，將耳機插頭插入發(fā)聲設(shè)備耳機插孔中，當(dāng)發(fā)聲設(shè)備發(fā)出聲音時，放大的聲音電信號引入光信號發(fā)射器電路，由于線圈對交流聲音信號有較大的阻礙作用，因此信號電流將從發(fā)光二極管、限流電阻和電池這一路通過，這樣發(fā)光二極管在原有直流電流的基礎(chǔ)上，又通過了與聲音信號對應(yīng)的交流電流，因此它的亮度隨聲音信號而改變。

（2）光信號接收電路設(shè)計：（可用光電池，也可用光敏三極管、光敏二極管作為光電轉(zhuǎn)換元件）。

硅光電池光信號接收器。

硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件，受到光照時產(chǎn)生電動勢。

圖1為硅光電池光信號接收器電路，將硅光電池（小型太陽能電池）的兩極接入聲音放大設(shè)備（收音機、手機等）拾音器插孔中，這樣當(dāng)光電池接收到帶有聲音信息的光信號后，光電池兩端電壓就會隨之改變，通過聲音放大設(shè)備進(jìn)行聲音放大，最后推動揚聲器發(fā)出聲音。

光敏二極管光信號接收器。

光敏二極管又叫光電二極管（英語：photodiode ）是一種能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)換成電流或者電壓信號的光探測器，對光的變化非常敏感，具有單向?qū)щ娦裕夜鈴姴煌臅r候會改變電學(xué)特性，因此，可以利用光照強弱來改變電路中的電流。光敏二極管的輸出特性線性度好，響應(yīng)時間快。

光敏二極管的選擇：光敏二極管的種類很多，而且參數(shù)相差較大，根據(jù)電路的要求，應(yīng)選擇對可見光靈敏度高的，例如BS120型號的。

光敏三極管光信號接收器。

光敏三極管又稱光電三極管，和普通三極管相似，可以等效的看作是由一個光敏二極管和一只半導(dǎo)體三極管結(jié)合而成，因此光敏三極管不但具備光敏二極管的光電轉(zhuǎn)換特性，同時也有電流放大作用，故靈敏度高。但光敏晶體管輸出特性線性度差。

4 系統(tǒng)調(diào)試

將電路接好后，調(diào)節(jié)LED燈的位置，使光線聚焦于光電轉(zhuǎn)換元件（光電池，光敏三極管、光敏二極管）的接收面上，如果在LED燈前放一個聚光鏡聚光效果更好。打開發(fā)聲設(shè)備，可以看到發(fā)光二極管有微弱的閃爍現(xiàn)象，打開聲音放大設(shè)備開關(guān)，從揚聲器中可聽到相同的聲音。如果此時用手截斷光線，使光不能照射在光電轉(zhuǎn)換元件上，揚聲器中的聲音也會消失；將手移開，又可以聽到聲音。通過對三種光接收電路調(diào)試，從結(jié)果看光敏三極管接收器實現(xiàn)光電傳聲時聲音最大，但失真大；光電池、光敏二極管實現(xiàn)光電傳聲音時聲音小，但失真小。

5 結(jié)束語

本文給出了一種可行的LED可見光聲音傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方案，實現(xiàn)了直接將聲音信號轉(zhuǎn)化為光信號的強度變化進(jìn)行傳輸，系統(tǒng)成本低，易實現(xiàn)。該系統(tǒng)雖然還存在著傳輸距離短，傳輸角度小等缺點，但為提升光電傳聲的實用性提供了一種可行性方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝自美.電子線路設(shè)計·實驗·測試[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002：79-81.

[2]張晨亮，蘇學(xué)軍，王文等.基于白光LED的可見光通信系統(tǒng)研究[J].光通信技術(shù)，2015（05）：44-46.