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1、哈尔滨理工大学学士学位论文基于STM32的红外测距系统设计摘 要随着现代科学技术的发展，出现了很多新的领域，为了实现对物体近距离、高精度的无线测量，本论文对红外测距领域进行了研究。本论文采用单片机作为处理器，编写A/D转换程序及LCD显示程序，红外传感器作为工作模块，完成一套高精度显示、实时测量的红外测距系统。本系统结构简单、体积小、测量精度高、成本低、方便使用。本论文所介绍的是一种基于STM32单片机并运用日本夏普公司型号为GP2Y0A21的红外传感器所设计的红外测距系统。首先，介绍红外线及红外传感器的分类及应用、STM32单片机的简介与功能；其次，阐述红外测距系统工作原理及基本结构并对单片
2、机、红外传感器、LCD液晶显示屏的工作电路做了介绍；再次，对系统进行了整体设计构想，先后对系统硬件及软件进行设计，并对整个系统的功能进行了调试。最后对整个设计进行总结，说明红外测距系统实现的可行性。关键词红外测距；单片机；A/D转换；LCDSTM32-based infrared ranging system designAbstractWith the development of modern science and technology, there are many new areas, in order to achieve the object close range, high-
3、precision wireless measurement，this topic of infrared ranging is studied. This topic using SCM as the processor, to write A/D converter and LCD display program, an infrared sensor as a working module, complete set of precision display, real-time measurement of infrared ranging system. This system ha
4、s the advantages of simple structure, small size and high accuracy, low cost and convenient use.This paper introduced is based STM32 microcontroller and use of Japans Sharp Corporation model GP2Y0A21 infrared sensor designed infrared ranging system. Firstly, introduce the classification and applicat
5、ion of infrared distance measurement，it also introduces the function of STM32 microcontroller. Then illustrate the work theory and basic structure of it and introduce the LCD screen and work circuit. Again, the system has carried on the overall design idea, successively on the system hardware and so
6、ftware design, and probes into the function of the whole system debugging. Finally, summarize the entire design to illustrate the feasibility of infrared distance measurement.Keywords Infrared range, SCM, A/D converter, LCD村民建房委员会应建立村级农房建设质量安全监督制度和巡查制度，选聘有责任心和具有一定施工技术常识的村民作为义务巡查监督员，开展经常性的巡查和督查。- I -
7、目 录摘要IAbstractII第1章 绪论41.1 课题研究背景及意义41.2 本论文主要研究内容4第2章 红外测距系统硬件设计62.1 红外测距系统的工作原理62.1.1 时间差法测距原理62.1.2 反射能量法测距原理62.1.3 相位法测距原理62.1.4 三角法测距原理72.2 红外测距系统的基本结构72.2.1 红外传感器模块82.2.2 单片机处理模块92.2.3 LCD显示模块162.3 本章小结17第3章 红外测距系统的软件设计及功能调试183.1 红外测距系统工作流程183.2 软件程序设计193.3 硬件功能调试193.4 软件功能调试203.5 测量数据绘图203.6
8、本章小结23结论25致谢26参考文献27附录A29附录B35附录C38- III -第1章 绪论1.1 课题研究背景及意义随着科学技术的不断发展，在测距领域也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等方式。激光测距是以激光为传输信号对目标物体进行精确的测量。激光测距在工作开始瞬间向物体发射出一束很细的激光，并由接受端接收物体反射回来的激光束，同时计时器通过测定激光束从发射到接收的时间进而计算出从测量者到物体的距离。该方法对使用环境要求较高，应用范围较少。微波雷达测距是军事和工业上开发采用的技术，其技术要求严格和设备价格非常之高，在民用市场上几乎得不到应用。超声波测距原理与激光测
9、距原理相似，只不过是以声音为传输介质，但是此方法灵活性差、组件造价相对昂贵，在市场开拓空间并不大。作为一种应用广泛、测量精度高的测量方式，红外测距利用红外线传播时不扩散、折射率小的特性，根据红外线从发射模块发出到被物体反射回来被接受模块接受所需要的时间，采用相应的测距公式来实现对物体距离的测量。红外测距最早出现于上世纪60年代，是一种以红外线作为传输介质的测量方法。红外测距的研究有着非比寻常的意义，其本身具有其他测距方式没有的特点，技术难度相对不大，系统构成成本较低、性能良好、使用方便、简单，对各行各业均有着不可或缺的贡献，因而其市场需求量更大，发展空间更广。红外测距仪是指用调制的红外光进行精
10、密的距离测量，测量范围一般为1-5公里，在100米以内的范围内则超声波测距更有优势，但是超声波测距无法检测到1米以内的区域距离，而红外测距可以精准的测出这一段距离，本论文研究的就是这一种情况的红外线测距。1.2 本论文主要研究内容红外线别名红外光或者热辐射线，是一种波长比红色可见光（约）较长、比微波（约）较短的电磁波。以波长长度为基准，红外线可分为三部分，即近红外线是波长为之间；中红外线是波长为之间；远红外线是波长为之间。物质本身温度在不低于绝对零度（-273.15）的情况下均可以产生红外线。它不能引起人的视觉反应，有显著的热效应（易被物体吸收而转化为内能）。能产生反射、折射、干涉、衍射等光学
11、现象。不易被云雾等悬浮微粒散射而具有较强的穿透力。凭借着诸多优点，红外线在军事、人造卫星以及工业、卫生、科研等工作领域方面的应用日益广泛，有着不可替代的作用及研究价值。红外测距传感器是以红外线为传输介质的精确测量系统，主要应用于现代科学技术、国防军队建设、工业和农业等领域。按照其功能可以分为五种类型：（1）辐射计，又称“发射计”，是一种用于电磁辐射和光谱测量的装置。（2）搜寻和锁定系统，具有寻找和锁定红外目标的功能，确定其空间位置并对它的运动进行追踪。（3）热成像系统，通过辐射的分布图像。（4）红外测距系统。（5）综合系统，是集于两个或者多个的系统功能的组合系统。本论文选用的红外测距传感器GP
12、2Y0A21是由日本夏普公司推出的一款性价比高、最常用的红外测距传感器，与其前身GP2D12相比，测量射程相同，但探测面积略有增加，可用来对物体的距离进行测量。具有体积小、功耗低、价格便宜等优点，而且测量效果好适合在小范围内高精度测量物体的实时距离。红外传感器GP2Y0A21技术规格如表1所示。表1 红外传感器GP2Y0A21技术规格测量射程范围10-80cm最大允许角度40电源电压4.5-5.5V平均功耗33-40mA峰值功耗200mA更新频率/周期25Hz/40ms模拟输出噪声200mV单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RA
13、M、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。本论文选用的单片机型号为STM32F103RBT6，其中STM32代表ARM Cortex-M内核32位微控制器；F代表芯片子系列；103代表增强型系列；R表示芯片有64个引脚；B代表内嵌Flash容量为128K字节；T代表芯片封装为LQFP封装；6代表工作温度范围为-4085。第2章 红外测距系统硬件设计2.1 红外测距系统的工作原理2.1.1 时间差法测距原理 时间差法测距原理是将红外测距传感器的红
14、外发射端发送信号与接收端接受信号的时间差t写入单片机中，通过光传播距离公式来计算出传播距离L，见公式（2-1）。 （2-1）式中c是光的传播速度为 。2.1.2 反射能量法测距原理反射能量法是由发射控制电路控制发光元件发出信号（通常为红外线）射向目标物体，经物体反射后传回系统的接收端，通过光电转换器接收的光能量大小进而计算出目标物体的距离L，见公式（2-2）。 （2-2）式中P为接收端接收到的能量，K为常数，其大小由发射系统输出功率、转换效率决定，d为被测目标漫反射率。2.1.3 相位法测距原理相位测距法是利用无线电波段的频率，对红外激光束进行幅度调制并测定调制光往返一次所产生的相位延迟 ，再
15、根据调制光的波长，换算出此相位延迟所代表的距离D，此方式测量精度非常之高，相对误差可以保持在百分之一以内，但要求被测目标必须能主动发出无线电波产生相应的相位值。见公式（2-3）。 （2-3）式中c是光的传播速度为， 是调制信号的角频率。2.1.4 三角法测距原理三角法测距原理是由一个红外发射管和一个PSD（Position Sensing Device 位置敏感检测装置）以及相应的计算电路来实现的。而夏普公司的PSD具有更优良的性能，它可以检测到光点落在它上面微小的位移，分辨率达微米，红外传感器GP2Y0A21正是利用了这个特性来实现对目标物体距离的精确测量。如图1所示。图1 三角法测距原理红外测距传感器首先通过红外发射管发出红外线，遇到障碍物反射回来落在PSD上形成了一个等腰三角形。而两个底角是固定的，由发射管来确定，且红外发射管到PSD的距离为已知，此时便可运用三角函数来推算出高，
