基于单片机的红外测距系统设计

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

目录

第1章绪论 (1)

1.1 课题研究的背景和意义 (1)

1.2 本课题研究的热点及发展现状 (2)

1.3 本课题研究的目的 (2)

1.4 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 (4)

2.1.方案及设计思想： (4)

2.2 红外测距系统的基本结构 (5)

第3章红外测距的硬件设计 (6)

3.1红外收发模块 (6)

3.2 A/D转换模块 (7)

3.3 LCD显示模块 (11)

3.4 AT89C52单片机概述 (12)

3.5整个红外测距系统显示 (16)

第4章红外测距的软件设计 (18)

4.1 程序流程图 (18)

第5章系统软硬件调试 (20)

5.1 硬件调试 (20)

5.2 软件调试 (20)

5.3测试结果绘图 (20)

5.4 调试中遇到的问题 (22)

结论 (23)

参考文献 (24)

附录 (25)

后记 (32)

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0.75μM~1000μM的频谱范围之内。相对应的频率在

4?14

10HZ之间，红外线可分为三部分，即近红外线，近红外线波长范围为10~3?11

0.77μM~3μM，中红外线波长范围为3μM~30μM，远红外线波长范围为

30μM~1000μM。

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。

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。

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。

图2.1 时间差测距法原理

方案二、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。

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^(-μd)，其中I是光强度，μ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。ε是光子能量，Iε就是光束的能量。要求得耗损的能量ΔE，则可通过计算：

ΔE=ΔIε=(I-I’)ε=I[1-e^(-μd)]ε=E[1-e^(-μd)]

其中E是激光能量。不过，10cm的衰减是很弱的，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：

表3.1 红外传感器参数

参数符号条件等级单位电源电压Vcc 4.5-5.5 V

3.2 A/D转换模块

A/D 转换器按照转换的原理可分为直接A/D 转换器和间接A/D 转换器两种类型。直接A/D 转换器，就是把模拟信号直接转换成数字信号，比如逐次逼近型。间接A/D 转换器是先把模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量，如电压/时间转换型，电压/频率转换型，电压/脉宽转换型等。其中积分型A/D 转换器的电路简单，抗干扰的能力强，而且能做到高分辨率，但是转换速度较慢。有些转换器还将多路开关、基准电压源、时钟电路、译码器和转换电路集成在一个芯片内，已经远超出了单纯A/D 转换功能，使用十分方便。

A/D 转换器转换原理:

一个完整的A/D转换过程中，必须包括取样、保持、量化与编码等路。

取样与保持

由于取样的时间极短，取样输出为一串断断续续的窄脉冲。要把每个取样的窄脉冲信号数字化，需要一定的时间。因此在两次取样之间，应将取样的模拟信号暂时储存直到下个取样脉冲到来，我们把这个动作称之为保持。

在模拟电路设计中，需要增加一个取样-保持电路。为了保证正确转换，模拟电路要保留着还未转换的数据。

量化与编码

量化与编码电路是A/D转换器的核心组成部分，量化方法：

先取最小量化单位Δ=U/2n，当输入模拟电压U在0~Δ之间时，则归入0Δ，当

U在Δ~2Δ之间时，则归入1Δ。如果量化单位Δ=2U/(2 n+1–1)，当输入电压U在0～Δ/2之间

时，归入0Δ，当U在Δ/2~3/2Δ之间时，就要归入1Δ。

分辨率

分辨率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量,定义为满刻度与2n的比值。分辨率又称精度,通常以数字信号的位数来表示。位数越高，分辨率就越高。若小于最小变化量的输入模拟电压的任何变化，将不会引起输出数字值的变化。

不需要分辨率高的场合，所得到到的就大多是噪声。

分辨率太低，就会有无法取样到所需的信号。

转换速率

转换速率(Conversion Rate)是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。为了保证转换的正确完成,采样速率(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。

转换时间

转换时间是指A/D转换器完成一次A/D转换所需的时间。

从启动信号开始到转换结束并得到稳定的数字输出值为止的时间间隔。转换时间越短，转换速度就越快。

精准度

对于A/D转换器来说，精准度指的是在输出端产生所设定的数字数值，相对精准度指的是满刻度值校准以后，任意数字输出所对应的实际模拟输入值与理论值之差。对于线性A/D转换器，其相对精准度就是它的线性程度。由于电路制作上的影响，会产生像是非线性误差，或是量化误差等减低相对精准度的因素。

MCP3001特性：

10位分辨率

±1 LSB DNL(最大值)

±1 LSB INL(最大值)

片上采样和保持电路

SPI 串行接口

单电源供电的电压范围:2.7V至5.5V

5V时的采样速率为200 ksps

2.7V时的采样速率为75 ksps

低功耗CMOS技术

一5 nA典型待机电流，2 μA(最大值)

一5V时，工作电流的最大值为500 μA

8引脚PDIP， SOIL, MSOP和TSSOP封装

说明：

Microchip的MCP3001，是一款具有片上采样和保持电路的10位逐次逼近型A/D 转换器（ADC）。该器件提供一个伪差分输入通道:指定差分非线性( DNL) 和积分非线性(INL)的最大值为±1 LSB。它使用符合SPI协议的简单串行接口与器件通信。当时钟速率为2.8 MHz时，该器件的采样速率最大数值可为200 ksps。MCP3001器件的工作电压范围很宽，为2.7V一5.5V 。低电流设计允许器件在典型待机电流为5 nA和典型工作电流为400μA条件下工作。该器件以8引脚PDIP, MSOP, TSSOP和150 mil SOIL 封装形式提供。

图3.3 MCP3001引脚图图3.4 protues中MCP3001接线图

表3.3 MCP3001引脚

名称功能

V 2.7至5.5V电源

DO

V地线

SS

IN+ 正模拟输入

IN- 负模拟输入

CLK 串行时钟

D串行数据输入

OUT

CS/SHDN 片选输入/关闭

V基准电压输入

REF

如图3.4所示，mcp3001的VREF接vcc，IN+接GP2Y0A02YK0F红外测距传感器的Vo，CLK接单片机上的P2.2，DO接单片机上的P2.1，CS接单片机上的P2.0。

MCP3001具有片上采样和保持电路的10位逐次逼近型A/D转换器（ADC）,逐次逼近型A/D转换器的工作原理是将待换的模拟输入信号与一个推测信号进行比较，根据二者大小决定增大还是减小输入信号，以便向模拟输入信号逼近。推测信号由D/A转换器输入的数字信号就对应的时模拟输入量的数字量。这种A/D转换器一般速度很快，但精度不高。A/D转换器的主要性能指标中以分辨率和转换速率最为重要，分辨率越

高，就能把满量程里的电平分出更多份数，得到的转换结果就越精确，得到的数字信号再用DAC转换回去就越接近原输入的模拟值（10位ADC能分辨2的10次方）。

MCP3001分辨率：10位ADC能分辨出满刻度的1/1024.MCP3001转换速率：速度很快。由上可知，MCP3001的性能相比其他ADC要好很多。

3.3 LCD显示模块

图3.5 protues中LCD显示模块LCD与单片机的接口电路如图3.5所示，单片机P0分别接D1-D7，同时接上排阻，而在排阻另一端接上vcc。单片机上的P2.5接E，P2.6接RW，P2.7接RS，单片机通过P0口向LCD输送数据，显示测得的距离。值得注意的是，P0口要接上拉电阻来保证对LCD的成功驱动。

LCD1602已很普遍了，可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。字符型LCD通常有14条引脚线或l6条引脚线的LCD,多出来的2条线是背光电源线Vcc(（15脚)和地线GND（16脚 )，其控制原理与14脚的LCD完全一样，定义如下表所示:

表3.4 LED引脚功能