紅外線測距系統(tǒng)

1、紅外線測距系統(tǒng)試驗方案專業(yè)：電子1201組員：劉強(2012010527) 朱鈺(2012010950)時間： 2014, 6, 9指導(dǎo)老師：常志強摘要紅外測距的探測距離較短，一般在幾十厘米之內(nèi)，本文介紹一種基于AT89C 52單片機設(shè)計的紅外測距儀，可以測量距離，以及計算出被測物體的面積或體 積。首先，在緒論中，介紹了紅外線及紅外傳感器的分類和應(yīng)用、AT89C52單片 機的應(yīng)用與說明以及ADC0804芯片的簡介。其次，闡述了與紅外測距的工作原理 基本結(jié)構(gòu)，對紅外測距的發(fā)射與接收器件也做了詳細說明。再次，介紹了紅外測 距的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。在硬件設(shè)計中，介紹了紅外測距實現(xiàn)的構(gòu)想，給出紅 外測

2、距硬件電路原理圖，并說明了紅外發(fā)射驅(qū)動電路、紅外接收驅(qū)動電路、鍵盤、 A/D轉(zhuǎn)換電路、LCD顯示電路工作原理及AT89C52單片機的管腳分配。在軟件設(shè) 計中，說明了整個程序流程及各程序設(shè)計函數(shù)。最后，是對整個設(shè)計的結(jié)論，說 明了紅外測距的可行性。關(guān)鍵字：紅外線 單片機ADC0804i目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 一.紅外測距的工作原理與基本結(jié)構(gòu)4 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 1.1紅外線發(fā)射器件的結(jié)構(gòu)與分類4 HYPERLINK l bookmark2

3、7 o Current Document 1.2紅外線測距的工作原理5 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 1.3紅外測距系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)5 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 二紅外測距的硬件設(shè)計6 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 2.1紅外測距的實現(xiàn)構(gòu)想6 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 2.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)電路圖6 HYPERLINK l bookmark42 o Current Documen

4、t 2.3各硬件電路設(shè)計7 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 紅外測距的軟件設(shè)計9 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 3.1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖9 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 3.2誤差分析19實驗心得20 HYPERLINK l bookmark57 o Current Document 參考文獻21附錄21紅外測距的工作原理與基本結(jié)構(gòu)1.1紅外線發(fā)射器件的結(jié)構(gòu)與分類紅外線發(fā)射器件是最長用的為紅外發(fā)光二極管，它與普通發(fā)光二極管的結(jié) 構(gòu)原理以及

5、制作工藝基本相同，是只有一個PN結(jié)的半導(dǎo)體器件，只是所有的材 料不同，制造紅外發(fā)光二極管神化鉀，神鋁鉀等，其中應(yīng)用最多的是神化鉀。 紅外發(fā)光二極管一般采用環(huán)氧樹脂，玻璃，塑料等封裝，除白色透明材料封裝外， 還可見到用藍色透明材料封裝的，。紅外發(fā)光二極管按發(fā)光功率的大小，可分為 小功率，中功率，大功率三種。另外，紅外發(fā)光二極管除頂面發(fā)光型外，還有側(cè) 面發(fā)光型。小功率管一般采用全塑封裝，也有部分是采用陶瓷底座，頂端用玻璃 或環(huán)氧樹脂透鏡封裝的，中大功率管一般采用帶螺紋金屬底座，以便安裝散熱片。 隨著發(fā)光功率得提高，相應(yīng)體積的管子也增大。1.1.1紅外發(fā)光二極管測試方法用萬用表R X 1K檔測量，正

6、向電阻在30KQ左右，反向電阻在200KQ以上 的管子是好的。反向電阻越大，漏電流越小，質(zhì)量越好。若反向電阻只有幾十K 。，說明管子質(zhì)量不好，但可使用。若管子的正向的反向電阻都為無窮大或為零， 說明管子是廢品，不能使用；還可以先把紅外發(fā)光二極管接到電路中，接通電源 后再用手機的攝像頭對準(zhǔn)紅外發(fā)光管?？梢钥吹焦茏影l(fā)出淡粉色的光，則紅外發(fā) 光二極管好使。1.1.2紅外光敏二極管原理與分類我們知道半導(dǎo)體具有光電效應(yīng)，即用光照半導(dǎo)體，可使半導(dǎo)體的電阻率發(fā)生 變化。利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)可以制成光電二極管，不同的半導(dǎo)體材料對不同波 長的入射光的響應(yīng)是不同的。光敏二極管有頂面受光和側(cè)面受光兩種形式。它也是采

7、用塑料、玻璃、環(huán)氧樹脂 等材料封裝。1.1.3光敏二極管的簡單測試一般用萬用表R X 1K檔，光敏二極管的正向電阻較普通二極管大些，約十幾 KQ左右，反向電阻隨光照變化。無光照時（用物體將管子擋住，不讓光照射）， 反向電阻接近無窮大，說明漏電流大。管子的反向電阻至少應(yīng)在500KQ以上， 有光照射時（在較強日光或燈光下），反向電阻越小越好，一般應(yīng)在20KQ以下。若有光照射時反向電阻為窮大或為零，說明管子是壞的。光敏二極管的引線較長 的一根是正極。1.2紅外線測距的工作原理對某一特定物體距離的測量是光學(xué)儀器領(lǐng)域的熱門課題之一。紅外傳感器的 測距基本原理為紅外發(fā)射電路的紅外發(fā)光管發(fā)出紅外光，由紅外接

8、收電路的光敏 接收管接收發(fā)射光。根據(jù)發(fā)射光的強弱可以判斷所測的距離，由于接收管接收的 光強是隨與發(fā)光管的距離變化而變化的，因而，距離近則接收光強，距離遠則接 收光弱。因為紅外線是介于可見光和微波之間的一種電磁波，因此，它不僅具有可見 光直線傳播、反射、折射等特性，還具有微波的某些特性，如較強的穿透能力和 能貫穿某些不透明物質(zhì)等。紅外傳感器包括紅外發(fā)射器件和紅外接收器件。自然 界的所有物體只要溫度高于絕對零度都會輻射紅外線，因而，紅外傳感器須具有 更強的發(fā)射和接收能力。1.3紅外測距系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)主要由紅外發(fā)射電路、紅外接收電路、A/D轉(zhuǎn)換電路，AT89C52芯片、 鍵盤接口電路及LCD顯

9、示電路等組成。其組成框圖如圖2所示：圖2其工作原理為：單片機上電發(fā)射紅外信號，由鍵盤控制紅外接收電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路的工作，將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過單片機處理后送到LCD顯示屏，顯示被測距離。如有需要，也可通過鍵盤控制測量被測物體的長于寬，從而計算出被測物體的 面積或體積，最后將結(jié)果顯示到LCD顯示屏上。紅外測距的硬件設(shè)計2.1紅外測距的實現(xiàn)構(gòu)想為了實現(xiàn)紅外測距，在硬件設(shè)計中，我們可以使紅外發(fā)射驅(qū)動電路驅(qū)動發(fā)射 頭的紅外二極管發(fā)出紅外光，當(dāng)紅外光由紅外接收驅(qū)動電路驅(qū)動紅外接收頭的光 敏二極管接收到，并通過電壓轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為可測量的電壓值，因為紅外光的 強度會隨距離的縮小而增強，紅外接收電路轉(zhuǎn)化的電壓

10、值會隨之增強。又因為電 壓與距離成比例，通過對轉(zhuǎn)換的電壓的計算，我們可以知道紅外發(fā)射模塊與接收 模塊的距離。我們采用LCD顯示屏動態(tài)顯示變化中的距離，LCD顯示器與AT89C52芯片的P0 口與P2.0-2.2接口相接，在紅外接收模塊運動過程，AT89C52芯片內(nèi)部會將電 壓模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)化為可顯示的數(shù)字量，然后通過LCD顯示器顯示出。 鍵盤與AT89C52芯片的P3.4、P3.5、P3.6、P3.7引腳相接，通過鍵盤接口可以 實現(xiàn)距離的測量與面積的計算。2.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)電路圖整個紅外測距系統(tǒng)由AT89C52芯片、紅外發(fā)射驅(qū)動電路、紅外接收驅(qū)動電路、2.3各硬件電路設(shè)計2.3.1

11、紅外發(fā)射電路（1）電路組成：紅外發(fā)射驅(qū)動電路是由一個簡單的共射放大電路和一個作為開關(guān) 的三極管電路組成的模塊。電路原理如圖4所示：（2）電路工作原理：在共射放大電路中，紅外發(fā)光二極管TLN205接于共射放大電路的集電極，與基極和發(fā)射極相接的二極管起溫度補償作用。控制管腳Vin 與At89C52芯片管腳P3.3相接。當(dāng)控制管腳Vin有信號輸入時，控制電路的三極 管導(dǎo)通，同時整個電路導(dǎo)通，紅外發(fā)光二極管TLN205發(fā)射出紅外光。2.3.2紅外接收電路（1）電路組成:紅外接收驅(qū)動電路是由紅外接收管TPS708和兩個電壓串聯(lián)負反饋模擬運算放大電路組成的模塊。紅外接收驅(qū)動電路設(shè)計為兩極放大是因為在許多情

12、況下，輸入信號是很微弱的， 要把這樣微弱的信號放大到足以帶動負載，僅用一級電路放大定是做不到的，必 須經(jīng)多級放大，以滿足放大倍數(shù)和其他性能方面的要求。并且，根據(jù)信號源和負 載性質(zhì)的不同，對各級電路有不同要求，輸入級一般要求有盡可能高的輸入電阻 和較低的靜態(tài)工作電流。電路圖如圖5所示：(2)電路工作原理：紅外發(fā)光管TLN205發(fā)射出的紅外光，由紅外接收管TPS708接收，此時TPS708 會產(chǎn)生一個與光強相對應(yīng)的電流。電流經(jīng)由LM358兩級放大后，在輸出端可以得 到一個約為03.52V的模擬電壓，作ADC0804的VIN 口模擬輸入量，進行A/ D 轉(zhuǎn)換，重復(fù)等待與檢查轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志值是否已為零，

13、最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果在LCD上顯 示出來。2.3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換電路如圖6所示，由于PROTUES仿真軟件不能仿真紅外線的發(fā)射與 接收，故在A/D0804的輸入端加一滑變電阻器，來代替紅外接收電路產(chǎn)生的0 3.52V模擬電壓，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送到單片機的P1 口，從而實現(xiàn)電路的仿真。2.3.4 LCD顯示電路LCD與單片機的接口電路如圖7所示，單片機通過P0 口向LCD輸送數(shù)據(jù)， 顯示測得的距離。值得注意的是，P0 口要接上拉電阻來保證對LCD的成功驅(qū)動。2.3.5鍵盤接口電路該系統(tǒng)由4個按鍵控制對距離的測量，如圖8所示，按鍵分別接單片機的P 3.4-P3.7 口，低電平有效，分別實現(xiàn)

14、長、寬、高的測量以及面積或體積的計算。三.紅外測距的軟件設(shè)計3.1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)在整個系統(tǒng)運行過程中。當(dāng)紅外系統(tǒng)被啟動后，首先，對AT89C52單片機進 行初始化。然后，當(dāng)AT89C52單片機接收到紅外接收電路傳輸?shù)碾妷盒盘柡?，?jīng) A/D轉(zhuǎn)換程序，將片外的模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機可識別的數(shù)字信號，并經(jīng)電壓一 距離轉(zhuǎn)換子程序，將變化的電壓轉(zhuǎn)換為距離。最后，在動態(tài)掃描LCD顯示器上顯 示出來。主程序流程圖如圖9所示。LrOffiWiK圖9單片機程序如下：#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int #defi

15、ne ulong unsigned longsbit RS=P20; /LCD 命令/數(shù)據(jù)端sbit RW=P21; /LCD 讀/寫端sbit LCDE=P22; /LCD 使能端sbit MCP_CS=P23; /MCP3001 與 AT89S52 的管腳接線定義sbit MCP_DO=P24;sbit MCP_CLK=P25;uint measure;uchar flag; /Busy 標(biāo)志uchar code dis=Measure Start; /顯示uchar code dis1Distance:; /uchar code dis1Distance:; /顯示表頭uchar cod

16、e dis2 = 0123456789.cm; /顯示代碼uchar code dis3=Out Measure!; /顯示uchar dis_buf6; /顯示緩沖區(qū)void L_delay(void); /短延時void delay_ms(uint n); /延時函數(shù)uint read_MCP(void); /讀 MCP3001void init_1602(void); /1602 初始化函數(shù)void busy(void); /LCD忙標(biāo)志判斷函數(shù)void dat_wrt(uchar dat); /寫數(shù)據(jù)子函數(shù)void cmd_wrt(uchar cmd); /寫命令子函數(shù)uint dis

17、tance(void); /距離計算函數(shù)void lcd_start(uchar start); /設(shè)定顯示位置函數(shù)void LCD_Clear(void); /LCD 清屏函數(shù)uchar dat_adj(uint dat1); /顯示數(shù)據(jù)調(diào)整函數(shù)void print(uchar *str); /字符串顯示函數(shù)void disp(uint dat); /顯示子函數(shù)uint average(void); /算術(shù)平均濾波程序*main()init_1602();print(dis); /顯示測量開始delay_ms(1000);while(1)(measure二distance。；disp(mea

18、sure); /顯示高度delay_ms(100);/*延時函數(shù) *void delay_ms(uint n)(uint j;while(n-)(for(j=0;j125;j+);*void L_delay(void)(uchar i;for(i=0;i5;i+)_nop_();/*讀 MCP3001 函數(shù)*uint read_MCP(void)(uchar i;uint temp=0;MCP_CS=1;L_delay();MCP_CS=0; /CS置低，開始采樣數(shù)據(jù)for(i=0;i13;i+) /讀轉(zhuǎn)換的10位數(shù)據(jù)(MCP_CLK=0;L_delay();MCP_CLK=1;temp160

19、)&(temp1960) /在正常測量范圍？(temp1=13569/(temp1+7)-4; /轉(zhuǎn)換測量數(shù)據(jù) else(temp1=0 x00ff; /超出測量范圍，返回錯誤標(biāo)志return(templ);/*算 術(shù)平均濾波程序 *uint average(void)(uchar i;uint av_dat;ulong ave=0;for(i=0;i10;i+) /連續(xù)讀取10個數(shù)據(jù)值(ave+=read_MCP(); /讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)L_delay();av_dat=(uint)(ave/10); /求平均值return(av_dat);/*1602 初始化函數(shù)*/void init_1602

20、(void)cmd_wrt(0 x01); /清屏cmd_wrt(0 x0c); /開顯示，不顯示光標(biāo)，不閃爍cmd_wrt(0 x06); /完成一個字符碼傳送后，光標(biāo)左移，顯示不發(fā)生移 位cmd_wrt(0 x38); /16X2 顯示，5X7 點陣，8 位數(shù)據(jù)接口 /* 設(shè)定顯示位置函數(shù) *void lcd_start(uchar start)(cmd_wrt(start|0 x80);/* *lcd 清屏函數(shù) */void LCD_Clear(void)(cmd_wrt(0 x01); /寫入清屏指令delay_ms(1);/* 顯示數(shù)據(jù)調(diào)整函數(shù) */uchar dat_adj(uin

21、t dat1)(uchar i;dis_buf0 = (uchar)(dat1/10); /十位dis_buf1 = (uchar)(dat1%10); /個位dis_buf2=11;dis_buf3=12;if(dis_buf0=0)i=1;return(i);/*字符串顯示函數(shù) *void print(uchar *str)(while(*str!=0) /直到字符串結(jié)束(dat_wrt(*str);str+; /指向下一個字符/* 顯示子函數(shù) */void disp(uint dat)(uchar temp,j;if(dat!=0 x00ff)(temp二dat_adj(dat);LCD

22、_Clear();lcd_start(0 x00);print(disl); /顯示文字lcd_start(0 x45+temp); /確定顯示起始位置for(j=temp;j4;j+) /寫顯示數(shù)據(jù)dat_wrt(dis2dis_bufj);else(LCD_Clear();lcd_start(0 x42+temp); /確定顯示起始位置print(dis3);3.2誤差分析由于紅外接收管相當(dāng)于一個光敏二極管，因此系統(tǒng)受外界光線的干擾很大。 自然界的所有物體只要溫度高于絕對零度都會輻射紅外線，如果陽光或者其他較 強的光線照射在接收器上，有可能會使內(nèi)部器件處于飽和狀態(tài)，從而也會導(dǎo)致傳 感器發(fā)生錯報情況，另外，日光燈也會產(chǎn)生紅外噪聲信號。因此，所設(shè)計的系統(tǒng) 在不同的條件下所測量的結(jié)果會有所差別。圖10是用matlab軟件畫出的所測電壓對應(yīng)的不同距離值，圖中橫坐標(biāo)代表電壓 值，縱坐標(biāo)是距離，單位是cm。從圖中可以看出，電壓與距離并不是線