《基于单片机的红外测距系统设计[33页]》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的红外测距系统设计[33页]（33页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、保密类别 编号 20100802041武汉大学珞珈学院毕 业 论 文基于单片机的红外测距系统设计系 别 电子信息科学系 专 业 通信工程 年 级 10级02班 学 号 20100802041姓 名 钱源 指导教师 崔黎 武汉大学珞珈学院2014 年5 月22 日摘要现代科学技术的发展，进入了很多新领域，而在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外光测距。为了实现物体近距离、高精度的无线测量而采用了红外发射接收模块作为距离传感器，单片机作为处理器，编写A/D转换和显示程序，完成了一套便推式的红外距离测量系统，系统可以高精度的实时显示所测的距离，本系统结构简单可靠、体积小、测量精
2、度高、方便使用。红外测距的探测距离较短，一般在几十厘米之内，本文介绍的一种基于AT89C52单片机设计的红外测距仪，可以测量距离。首先，在绪论中，介绍了红外线及红外传感器的分类和应用、AT89C52单片机的应用与说明以及MCP3001芯片的简介。其次，阐述了与红外测距的工作原理基本结构，对红外测距传感器也做了详细说明。再次，介绍了红外测距的硬件设计和软件设计。 在硬件设计中，介绍了红外测距实现的构想，给出红外测距硬件电路原理图，并说明了红外测距传感器、键盘、A/D转换电路、LCD显示电路工作原理及AT89C52单片机的管脚分配。在软件设计中，说明了整个程序流程及各程序设计的函数。最后，是对整个
3、设计的结论，说明了红外测距实现的可行性。关键词： 红外测距 A/D转换 实时显示 红外线 单片机 武汉大学珞珈学院本科毕业论文目 录第1章 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 本课题研究的热点及发展现状21.3 本课题研究的目的21.4 本课题研究的内容3第2章 红外测距的工作原理与基本结构42.1.方案及设计思想：42.2 红外测距系统的基本结构5第3章 红外测距的硬件设计63.1红外收发模块63.2 A/D转换模块73.3 LCD显示模块113.4 AT89C52单片机概述123.5整个红外测距系统显示16第4章 红外测距的软件设计184.1 程序流程图18第5章 系统软硬件调试2
4、05.1 硬件调试205.2 软件调试205.3测试结果绘图205.4 调试中遇到的问题22结 论23参考文献24附录25后 记32武汉大学珞珈学院本科毕业论文第1章 绪论红外线（Infrared）是波长介乎微波与可见光之间的电磁波，其波长在760纳米（nm）至1毫米（mm）之间，是波长比红光长的非可见光。所有高于绝对零度（-273.15）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。含热能，太阳的热量主要通过红外线传到地球。它的波长介于可见光和微波之间，范围大致在0.75M1000M的频谱范围之内。相对应的频率在43HZ之间，红外线可分为三部分，即
5、近红外线，近红外线波长范围为0.77M3M，中红外线波长范围为3M30M，远红外线波长范围为30M1000M。红外光具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。它能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为黑体；能全部反射的物体称为镜体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体。严格地来讲，在自然界中，不存在黑体镜体和透明体。1.1 课题研究的背景和意义红外线是不可见的光，是电磁波的一种形式，可以用来进行距离的测量，其应用历史可以追溯到上世纪60年代。现代科学技术的发展进入了许多新领域，而在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距。其中激光测距是靠激光束照射在物体上反射回来的激光束
6、探测物体的距离。由于受恶劣的天气、污染等因素影响，使反射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少一半左右，损失很大，影响探测的精确度；微波雷达测距技术为军事和某些工业开发采用的装备和振荡器等电路部分价格昂贵，现在还没有开拓民用市场；超声波测距在国内外已有很多人做过研究，由于采用特殊专用组件使其价格高，难以推广；红外线作为一种特殊光波，具有光波的基本物理传输特性反射、折射、散射等，且由于其技术难度相对不太大，构成的测距系统的成本低廉，性能优良，便于民用推广。另外红外测距的应用越来越普遍。在很多领域都可以用到红外测距仪。红外测距一般具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优
7、点，因而应用领域广、行业需求众多，市场需求空间大。红外测距的研究就非常有意义。红外线测距仪指的就是激光红外线测距仪,红外测距仪-用调制的红外光进行精密测距的仪器，测程一般为1-5公里。在100米以内则超声波测距更有优势,但是超声波测距的距离一般无法测量1米以内,而红外测距则可以测出这一段距离,而且有着不错的精度,在本课题中研究的就是这一类情况的红外线测距。1.2 本课题研究的热点及发展现状常见的红外传感器可分为热传感器和光子传感器。根据国内近年来红外光电测距仪的发展情况，由于国家对外开放政策的实施和测量工作的需要,近年来国内一些光学仪器厂和电子仪器厂分别从瑞典、瑞士和日本等国引进几种红外测距仪
8、组装线,组装测距仪,我国有关工厂和院校近年来也研制出一些产品。由于微处理机在国产测距仪上的应用,大大缩小仪器的体积,同时也减少出故障的几率,使得国产测距仪的性能和质量都较过去有很大的提高。在国家“六五”计划攻关中,常州第二电子仪器厂研制的DCHZ型多功能红外测距仪就是一个很好的例证。该产品经国家测绘局测绘科学研究所光电测距仪检测巾心进行全面质量鉴定后认为:该仪器的外型美观、体积小、重量轻、操作方便、精度高和性能稳定,并通过国家有关部门组织的鉴定。目前已经开始小批量试生产。 在进行侧距仪研制同时,国家有关部门也组织大量力量对红外光电测距仪的检测方法进行研究。一、热传感器热传感器是利用入射红外辐射
9、引起的传感器的温度变化，进而使有关物理参数发生相应的变化，通过测量有关物理参数的变化来确定红外传感器所吸收的红外辐射。热探测器的主要优点是相应波段宽，可以在室温条件下工作，使用简单。但是，热传感器相应时间较长，灵敏度较低，一般用于低频调制的场合。热传感器主要类型有：热敏传感器型，热电偶型，高莱气动型和热释放电型四种类型。二、光子传感器光子传感器是利用某些半导体材料在入射光照射下，产生光子效应，使材料电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。利用光子效应所制成的红外传感器，统称光子传感器。光子传感器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率。但由于其一般要在低温
10、下工作，导致探测波段较窄。按照光子传感器的工作原理，一般分为内光电和外光电传感器两种，后者又可分为光电导传感器、光生伏特传感器和光磁电传感器等三种。1.3 本课题研究的目的我们所进行的课题便是做一个简易的，精确的，近距离的距离检测仪，这也是对我们所学知识的一种考验方法，从中我们可以更系统的认识单片机，了解AD转换和红外收发模块。1.4 本课题研究的内容红外传感器的测距基本原理为：红外发射电路的红外发光管发出红外光，红外接收电路的光敏接收管接收发射光，根据发射光的强弱判断出所测的距离。由于接收管接收的光强度是随着发光管与测量物的距离变化而变化的，因而，与测量物的距离近则接收光强，距离远则接收光弱
11、。具体方法如图1所示，红外模块发出并接收到红外线信号；AD转换模块将接收到的模拟信号转换成数字信号再交给单片机, 启动单片机中断程序,此时单片机得到数字信号也就是电压值,再由软件进行判别、计算，得出距离数并送给LED/LCD显示。 单片机红外模块AD模块电压距离公式 显示模块图1.1 反射能量法原理第2章 红外测距的工作原理与基本结构2.1.方案及设计思想：方案一、时间差测距法：此方案是将红外发射管发送信号与接收管接收信号时间差写入单片机中，在单片机中用光传播距离公式算法将距离计算出来。原理图如图2.1所示。 AT89S52红外模块时间差距离S=c*t显示距离 图2.1 时间差测距法原理方案二
12、、反射能量法：此方案是用红外发射管发射信号，然后用红外接收管接收信号，将接收的信号强度经过AD转换，录入单片机中显示出来，并将对应的距离记录下来。完成一段范围内的测量，将所记录下的数据写入单片机中，然后便可进行测量距离了。原理图如图2.2所示。 显示距离AT89S52 红外模块 实验资料 图2.2 反射能量法原理光的衰减是呈线性关系的，公式是I=Ie(-d)，其中I是光强度，是光在介质中线性衰减系数，d是光走过的路程，e是自然对数底数。是光子能量，I就是光束的能量。要求得耗损的能量E，则可通过计算：E=I=(I-I)=I1-e(-d)=E1-e(-d)其中E是激光能量。不过，10cm的衰减是很
13、弱的，可以忽略。方案比较：通过以上两种方案分析，我们可以看到方案一的误差很大，由于红外装置测的距离比较近，而光速很快，因此回馈到单片机中的时间很短，单片机很难测出准确的时间并准确处理，而在一般情况下的光速不太准确，因此误差较大，而且根据距离=光速*时间，要想测10米时间至少要精确到0.0000001s，显然用单片机是很难做到的。方案二是先将实验数据录入单片机中，因此在测量时存在的误差就会相对较小，综合考虑，选择方案二可行。2.2 红外测距系统的基本结构该系统主要由红外测距传感器、A/D转换电路，AT89C52芯片、键盘接口电路及LCD显示电路等组成。其组成框图如图2.3所示：图2.3 红外测距
14、系统的基本结构第3章 红外测距的硬件设计3.1红外收发模块红外发送管是用于发送信号,经过障碍物将信号反射,红外接收管接收到反射回来的信号,然后根据信号强弱将对应的电压值显示在显示模块上,并将此时的距离记录下来。然后整改程序，用红外收发模块进行测距，就可在显示模块上显示出红外接收管接收的信号强度对应的距离值。GP2Y0A02YK0F 红外测距传感器 20-150cm 图3.1 红外传感器结构图 图3.2 protues中红外传感器如图3.2所示GP2Y0A02YK0F有3个端口，其中VCC接信号输入，VO接MCP3001的IN+，GND接地线。GP2Y0A02YK0F测量范围在20cm-150cm之间，测量误差小于0.5cm。是一个距离测量传感器单元，PSD的集成组合构成 （位置敏感探测器），IRED（红外发光二极管）和信号原理电路。由于采用三角测量方法，各种物体的反射率，对环境温度和工作时间距离检测不容易产生影响。推荐工作条件：参数符号条件等级单位电源电压Vcc4.5-5.5V表3.1 红外传感器参数绝对最大额定值：表3.2 红外传感器参数参数符号等级单位电源电压Vcc-0.3+7V输出端电压Vo-0.3+0
