基于单片机的红外测距系统设计-佳木斯大学本科毕业论文

学术诚信承诺 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得佳木斯大学或其 他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：_ 日期：_ 关于论文使用授权的说明 本人完全了解佳木斯大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：_导师签名：_ 日期：_ 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 I页 摘要 现代科学技术的发展，出现了很多新领域，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。我们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，完成了一套简易的家用红外距离测量系统设计，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远近皆宜，通常在几厘米到几米之间，超声波测距仪受外界因 素干扰较多，很难做到厘米级别的精度。激光红外一般用光速时间差方法，因光速太 快，时间差太小于较远距离的，高达几十米到几公里距离，短距离则精度较低。本文介 绍的红外测距系统是一种基于 STC89C52 单片机设计的红外测距仪，可以直接快速测量 出具体距离数据。首先，介绍了红外传感器和本课题相关内容，如传感器的分类、区 别。其次是对 STC89C52 单片机的应用与 A/D 转换应用。分析其工作原理与基本结构。 硬件电路设计和软件流程设计的介绍。在红外测距系统硬件设计中，提出了构想和可行 的方案，根据其绘画出硬件电路原理图，整个程序工作的流程及各程序设计。最后是对 整个系统设计的测试及总结。 关键词：红外测距；STC89C52 单片机；A/D 转换；LCD 显示 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 II页 Abstract The development of modern science and technology, into a lot of new areas, and successively appeared in respect of ranging laser ranging, microwave radar ranging, ultrasonic and infrared range. At close range, high precision in order to achieve the object of wireless measurement while using the infrared receiving module as distance sensor, single chip as the processor, write A/D conversion and display program, completed A set of the infrared distance measurement system, then push the system can real-time display of high-precision measuring distance, the system structure is simple and reliable, small volume, high measuring accuracy, easy to use. Infrared range is suitable for the detection of distance, usually between several centimeters to several meters, ultrasonic range finder by outside factors interference is more, its hard to do centimeter level accuracy. Laser infrared generally time difference method with the speed of light, because of the speed too fast, time is less than the more distant, as high as dozens of meters to several kilometers distance, short distance, low precision. This paper introduces the third type of infrared rangefinder based on STC89C52, which can measure the specific distance data directly. Firstly, this paper introduces the infrared sensors and the relevant content of the subject, such as the classification and the difference of the sensor. Second, the application of the STC89C52 single chip microcomputer and the A/D conversion application. Analyze its working principle and basic structure. Introduction of hardware circuit design and software process design. In infrared ranging system hardware design, and puts forward the idea and feasible scheme, according to the drawing out of the hardware circuit principle diagram, the process working process and the program design. Finally, a test and summary of the overall system design. Key Words: infrared ranging; STC89C52 single chip microcomputer; A/D conversion; LCD display 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 III页 目录 摘要I Abstract.II 第 1 章绪论. 1 1.1课题的目的和意义 1 1.1.1课题的目的. 1 1.1.2课题的意义. 1 1.2课题背景 1 1.3文献综述 2 1.3.1国外研究热点及发展现状. 2 1.3.2国内研究热点及发展现状. 2 1.4本领域存在的问题 3 1.5本课题主要研究内容 3 第 2 章系统总体方案设计. 4 2.1方案及设计思想 4 2.2元器件选择 5 2.2.1单片机选择. 5 2.2.2A/D 转换器选择5 2.2.3LCD 模块选择 5 2.3红外测距系统的基本结构 5 第 3 章硬件电路设计. 7 3.1单片机最小系统 7 3.1.1STC89C52 概述 7 3.1.2复位电路设计. 7 3.1.3时钟电路设计. 8 3.1.4电源电路设计. 8 3.2红外测距模块 9 3.3LCD 显示电路设计. 9 3.4按键电路 10 3.5A/D 转换模块电路设计.11 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 IV页 第 4 章系统软件设计. 12 4.1主程序流程 12 4.2红外传感器流程 12 4.3A/D 转换程序流程.13 4.4LCD 液晶显示流程. 13 第 5 章系统仿真及硬件测试. 15 5.1仿真测试 15 5.2硬件测试 16 结论. 19 致谢. 20 参考文献. 21 附录 1. 22 附录 2. 23 附录 3. 24 附录 4. 35 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 1页 第 1 章 绪论 1.1课题的目的和意义 1.1.1课题的目的 众所周知，自动控制化，简单化已经在生活中无处不在，而我们的生活中还是用原 始的方法去测距，只有工程测距或者一些科技领域才运用到自动测距仪。本课题就是研 究一款成本低、易操作、体积小、精度高的单片机测距仪，让生活更方面快捷。通过红 外传模块、A/D 转换、单片机、LCD 显示去完成本课题的制作。在制作过程中去更深层 次的了解红外传模块、A/D 转换、单片机、LCD 显示的工作原理及工作方式。 1.1.2课题的意义 本课题做的是红外测距，其所具有的研究意义。方向在 于制作一个家用，简单小工 程使用，如房屋测量，木工测量，家具测量等家用，民用的自动测距仪器。它需要具备 的条件有使用简单，测量直接，成本小，体积小，能耗低，测量准确等条件。而红外测 距具有我们所需要的优点。同时红外线还具备集成化程度高、感应灵敏、抗干扰能力 强、精度高、抗强光、等激光测距和超声波测距没有的优势。 1.2课题背景 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1。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2。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3。 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 2页 1.3文献综述 1.3.1国外研究热点及发展现状 最近 Google 提交了一份新的专利，该专利描述的是一项放置在天花板上的免穿戴传 感器专利。传感器通过红外线监测用户睡眠情况，并且还可以跟踪用户的心率和呼吸的 应用。这可能与大多数人熟悉的睡眠监测器和跟踪器不同，通常我们所使用的睡眠监测 设备一般都是需要佩戴在睡眠中；或者作为手机上的应用程序，用户在使用过程中必须 放在枕头旁边，这会让使用者感到不适和不便。Google 的这款专利旨在通过睡眠者在睡 眠的过程中，频繁向人体发射红外线来检测用户睡眠质量，通过红外线反射回来的波 长，传感器就能识别各种相关数据。根据专利描述，由于这种设备能发出人类用肉眼看 不见的波长，所以它其实对用户的睡眠没有影响。不过关于这个潜在的产品目前还存在 一些争议，从提供的专利图像上来看，这款设备会安装天花板上，这引起了人们对隐私 的关注；还有另一种说法觉得红外线监测装置在测量数据上应该会有很大的误差。不过 谷歌并没有在该项专利中解释太多设备的工作原理，而且考虑到它是一款专利，能否实 际运用在产品上目前还是个未知数。当下睡眠监控产品变得非常受欢迎，许多智能穿戴 厂商都推出了很多监测产品，包括 Fitbit 手环、小米手环等，苹果最近也收购了一家研究 睡眠监测的公司，根据谷歌的作风与时俱进地出一款同类产品不足为奇，不过是否会使 用到这个技术只能等待时间来验证了。 1.3.2国内研究热点及发展现状 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4。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。针对温室 内移动机器人的应用需求,提出了一种基于红外线测距的温室机器人自主导航算法，并使 用模糊算法对导航误差进行控制，实现了温室机器人的精确自主移动功能。温室机器人 导航过程中，当红外线接收管接受到红外线信号时，会产生一个光强电流，电流放大后 可以输出一个模拟电压；根据电压值，通过编程计算，利用电压和距离的对应关系，可 以得到机器人和标志物的距离误差；距离信息通过串口传输到 PC 机上，PC 机利用模糊 控制原理对距离误差进行判断，发出控制指令5。实验测试发现：机器人导航的距离偏差 平均值为-1.28cm，均方差为 2.68，超调较小，可以实现较为精确的导航。 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 3页 1.4本领域存在的问题 本课题用的红外测距模块发出的光是在空气中传播，如遇见水、烟雾、大雨等情况 会影响其发射管发射时回收的光的强弱，从而影响测量距离的数据。因为本课题采取的 是红外光发射遇到反射后得到数据，也就是说如果光不反射就不能得到数据，从而不能 测出距离。所以在空闲无反射物的空间不能测量距离，或者需要设置一个物体来反射红 外光，这样测量的时候就较为麻烦。还有距离限制问题，一百米至几公里的测量，需要 用激光红外模块，而本课题采用简单的红外模块，只能测量几十厘米到几米之间的距 离，只能满足日常普通需求。红外线应用速度测量领域时，受强太阳光等外界光源多种 含有红外线光源的干扰，这种干扰是无法解决的一大问题。 1.5本课题主要研究内容 本课题理论上的基本原理为：红外模块发射电路端的红外发光管发出红外光，红外 接收电路端的光敏接收管接收发射光，根据其发射后接收后光的强弱判断，发出去强的 光有一个固定的电压值，反射接收弱的光形成一个较弱的电压值，然后根据程序得出所 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： （1）红外模块发出并接收到红外线信号得到一个相应光强度的模拟信号。 （2）A/D 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。 （3）单片机得到由 A/D 转换后的数字信号，再由软件中距离公式进行计算、判别。 （4）单片机发送处理后距离数并送给 LCD 显示。 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 4页 第 2 章系统总体方案设计 2.1方案及设计思想 方案一：时间差测距法：如字面意思，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。由于 光速过快，很难得到准确的测量，适合超远距离的测量，不适合本系统的设计要求6。 方案二：能量反射法，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7。 通过方案比较：方案分析上述两类，我们可以看到，由于光的速度的一个方法是非 常快的，这么短的距离测量误差较大。由于红外器件的测量距离近，和光的速度很快， 所以单片机的信号在很短的时间内，单计算机芯片是很难测量出准确时间和做出准确的 处理。在一般情况下，光的速度太快而短距离很难得到准确时间差，所以误差较大，并 根据距离=光速*时间，要想测 10 米时间至少要精确到 0.0000001s，显然与单片机是很难 做到的。方案二是在单片机实验一数据录入，即使短的光反射的能量，即使是体现在短 距离的光的强度也可以更准确的数据（电压），所以测量误差比较小。而本课题要制作 的就是一个家用的短距离测距仪，综合考虑，最终选择方案二，原理如图 2-1 所示。 障 碍 物 红外传感器A/D 转换 STC89C52 图图 2-1能量反射法原理图能量反射法原理图 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 5页 2.2元器件选择 2.2.1单片机选择 本系统就 STC89C51 和 STC89C52 两种单片机而言，STC89C52 本身就是 STC89C51 单片机的增强版，基本功能和原理同 STC89C51 单片机一样，在价格上也基本一样。市 面上基本使用的都是 STC89C52 这一型号单片机，出于综合方面的角度，购买的方便与 否问题，最终选择了 STC89C52 单片机。 2.2.2A/D 转换器选择 ADC0832 和 ADC0809 相比较，本系统选择的是 ADC0832，因为相比其 ADC0809 在 成本方面低很多，而且 ADC0809 的外围电路比价复杂；虽然运行速度较 ADC0832 快一 些，不过本系统运行数据量不大，使用 ADC0832 已足够，电路设计方面也能简单很多。 2.2.3LCD 模块选择 LCD1602 和 LCD12864 的区别首先在成本上，LCD12864 基本是 LCD1602 的 6 倍到 7 倍左右，在功能上，LCD12864 能显示图像，LCD1602 只能显示文字。本系统是用于测 距，显示模块显示数字就足够了，没必要显示图像；其次成本低是本系统的一个特点， 所以本系统选择 LCD1602 液晶显示模块。 2.3红外测距系统的基本结构 该系统结构主要由红外测距传感器、A/D 转换电路，STC89C52 芯片、键盘接口电路 及 LCD 显示电路等组成。其组成框图如图 2-2 所示：红外测距模块把收到的模拟信号传 送到 A/D 转换电路，经过模数转换成单片机识别的数字信号，通过单片机处理发送到 LCD 显示。 STC89C52 复位电路 时钟电路 按键电路组 A/D 转换红外传感器 L C D 显 示 蜂 鸣 器 图图 2-2红外测距系统基本结构图红外测距系统基本结构图 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 6页 复位电路是当单片机处理出现问题时可以将单片机的数据刷新为默认数据，增加了 系统的稳定性。时钟电路驱动单片机按一定周期无限循环的执行处理任务，稳定了单片 机的工作顺序8。本课题在测距的系统中增加了四个按钮，一个是复位按钮，另外三个是 LCD 显示模块上的数值设置按钮。在 LCD 显示模块除了显示出所测得距离外，还另外加 了两个数值显示，一个是测量最小值，一个是测量最大值。最大值和最小值形成一个可 调的区间，当测量值在区间内时候正常，超出区间就会反馈到单片机，然后控制蜂鸣器 发出警报，这是本系统的一个小设计。 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 7页 第 3 章硬件电路设计 3.1单片机最小系统 3.1.1STC89C52 概述 本课题采用的是 STC89C52 单片机，相比 STC89C51 单片机的优势：定时器多一个 T2，RAM 是 STC89C51 的两倍为 256B，ROM 也是 STC89C51 的两倍为 8K，中断多 2 个，多一个看门狗，S52 的最高外接晶振可以达到 33MHz，在掉电、数据指针等方面也 改进了，并且价格和 STC89C51 基本差不多。 单片机是系统的核心，所以的模块全部连接单片机，由单片机读取和发送各种指令 给各个模块，并且对各个数字信号进行处理、加工、存储9。 3.1.2复位电路设计 复位电路的作用是初始化单片机的，使单片机每次运行都在一个设定的初始化值。 单片机在时钟电路工作以后, 在 RESET 端持续给出 2 个机器周期的高电平时，就可以完 成复位操作。例如使用晶振频率为 12MHz 时，则复位信号持续时间应不小于 2us，单片 机系统自动复位10。复位电路由一个电容、一个电阻和按钮构成，一端接 VCC，一端接 单片机引脚 9，VCC 端接+5V 电压，上下值浮动不超过 0.5V，如图 3-1 所示。 图图 3-1复位电路图复位电路图 复位电路在系统正常运行的时候基本不运行，一般情况下只有在连接打开电源的时 候自动运行一次。虽然在系统运行时复位电路不工作，却是单片机最小系统必不可少的 部分，复位电路是维持单片机最小系统稳定运行的第一步。复位电路除了在电源接头时 运行一次，也可以根据个人或者系统的情况，按下按钮 S4 进行手动复位。例如当单片机 +5v 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 8页 出现运算错误、死机，又或者想要使用初始时系统的值等，均可以进行手动复位。LCD 显示第一行显示测量值，而第二行是手动设置的一个测量区间值，当手动设置过后，不 想用设置过后的值，便可以用复位按钮一键复位到默认的初始值。 3.1.3时钟电路设计 复位电路是系统稳定运行的第一步，而时钟电路就是保持系统持续稳定运行的重要 部分。时钟电路原理：因为一个机器周期含有 6 个状态周期，而每个状态周期为 2 个振 荡周期，所以一个机器周期共有 12 个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为 12MHZ，一个振荡周期为 1/12us，故而一个机器周期为 1us。时钟电路由两个电容和一个 晶振构成，时钟电路一端接地，另外两端分别接单片机的 18 和 19 引脚。电容 C2 和 C3 对频率有微调作用，电容容量的范围一般在 30pF10pF 之内11。振荡频率的选择范围为 1.212MHz，如图 3-2 所示。时钟电路就是以发送稳定周期指令的方式协调单片机内部 各部分稳定的。 图图 3-2时钟电路图时钟电路图 3.1.4电源电路设计 本系统没有设置电源，而是设计了一个开关按钮，如图 3-3 所示。 图图 3-3电源接口和开关图电源接口和开关图 接口端使用 USB 线连接，可以直接连接一个输出为 5V、2A 的手机充电头，也可以 直接连接电脑 USB 接口，也可以用手机移动电源直接使用更为方便。 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 9页 3.2红外测距模块 红外测距模块由红外光发射管和红外光接收管两部分组成，红外测距模块是本课题 的主要设计核心，其型号是 GP2Y0A02YK0F，整个系统就是围绕此元器件设计的。红外 测距模块的原理就是发射管发射一个固定强度（设固定电压值 v）的红外光，遇到所需测 量点障碍物后返回到接收管，接收管接收到的红外光较弱，形成一个新的较小电压值。 红外测距模块有三个连接点，两个分别是接电源和 GND 的，一个就是接 A/D 转换模块 的，电路如图 3-4 所示。 图图 3-4红外测距模块电路图红外测距模块电路图 红外测距模块电路图体现不是特别明显，没有形象的模块，在 protues 较为直观，模 拟元器件中有两个红色的按钮，分别是调节模拟电压，VO 接 A/D 模块的 2 引脚，输出一 个模拟信号传送到 A/D 模块中。转换为模拟信号好发送给单片机。然后单片机将收到的 数据经过处理、加工和整改程序，将最终得到的值发送给 LCD 显示模块，就可在显示模 块上直观的得出红外接收管接收的信号强度对应的距离值，从而实现距离测量。 红外测距模块工作原理：红外模块的工作原理就是围绕着接收管收到发射管反射回 来的红外光，由红外光的强弱程度得到不同的电压值，这些电压值对应的信号就是所测 距离的长短12。 3.3LCD 显示电路设计 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13。 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 Vcc15 脚端 和地线 GND16 脚端，其控制原理与 14 脚的 LCD 完全一样14。其电路如图 3-5 所示。 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 10页 D5 12 GND 1 VCC 2 VL 3 R/S 4 R/W 5 KN 6 D0 7 D1 8 D2 9 D3 10 D4 11 D6 13 D7 14 B_VCC 15 B_GND 16 LCD1602 LCD_1602 a20 a21 a22 a00 a01 a02 a03 a04 a05 a06 a07 VCC +5V 图图 3-5LCD 显示模块电路图显示模块电路图 系统使用的是 LCD1602 字符型液晶显示模块，1602 字符型液晶显示模块是一种专门 用于显示字母、数字、符号等点阵式 LCD，目前常用 16*1，16*2，20*2 和 40*2 行等的 模块。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙 标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也 就是告诉模块在哪里显示字符。 3.4按键电路 系统一共 5 个按键，一个是复位按键，在单片机最小系统中已经说明：一个是电源 按键，另外三个就是为系统设计的按键。它们的功能是控制 LCD 显示模块上的数值，在 LCD 显示上除了距离的显示，还设置了一个距离的可测范围区间数值，而按键就是设置 这个区间数值的大小。它的工作过程就是当你设置测量区间假设为 8085 时，系统测得 距离如果不在此区间范围内，那么蜂鸣器就会发出一个警报。此处是系统的一个小设 计，具体用处还等使用者去扩展，按键电路设计如图 3-6 所示。 图图 3-6按键电路图按键电路图 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 11页 3.5A/D 转换模块电路设计 系统采用的是美国国家半导体公司生产的一种型号是ADC0832的A/D转换芯片。 ADC0832的特点：8 位分辨率、双通道 A/D 转换、体积小、兼容性强、性价比高等。最 大分辨率可达到256级，可调整为正常模拟转换要求。其内部功率输入和参考电压复用， 使芯片能够模拟；在05 V输入电压下，芯片的开关时间仅为32s，双输出数据可作为校 验，减少数据误差，转换速度快，性能稳15。 系统A/D转换模块的电路设计如图3-7所示：CS、CLK、D0、D1分别接单片机，CLK 芯片时钟输入。 图图 3-7A/D 转换电路图转换电路图 正常情况下 ADC0832 与单片机的接口应为 4 条数据线，分别是 CS、CLK、DO、 DI。但由于 DO 端与 DI 端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电 路设计时可以将 DO 和 DI 并联在一根数据线上使用16。当 ADC0832 未工作时其 CS 输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和 DO/DI 的电平可任意。当要进行 A/D 转换 时，须先将 CS 使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转 换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端 CLK 输入时钟脉冲，DO/DI 端则使用 DI 端 输入通道功能选择的数据信号。在第 1 个时钟脉冲的下沉之前 DI 端必须是高电平，表 示启始信号，在第 2、3 个脉冲下沉之前 DI 端应输入 2 位数据用于选择通道功能17。 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 12页 第 4 章系统软件设计 4.1主程序流程 在整个系统运行过程中。当红外系统被启动后，首先，对 STC89C52 单片机进行初 始化。然后，当 STC89C52 单片机接收到红外接收电路传输的电压信号后，经 A/D 转换 程序，将片外的模拟信号转换为单片机可识别的数字信号，并经电压距离转换子程 序，将变化的电压转换为距离。最后，在动态扫描 LCD 显示器上显示出来。主程序流程 图如图 4-1 所示。 开始 单片机初始化 LCD 初始化 A/D 转换 结束 电压值对应距离 输出转换信号 图图 4-1主程序流程图主程序流程图 4.2红外传感器流程 红外模块由两部分组成，发射管和接收管。当系统开始正常运行后，红外传感器开 始工作，对准要测量的点，发射管发射出一个不可见的红外光，接收管接收发射管发射 后遇到障碍物返回红外光，接收返回的是一个较弱的红外光。此时红外传感器会将得到 的信号传送到 A/D 转换模块（信号分别是发射管发射时的一个固定电压值 V 和接收管接 收到一个比发射光较弱的反射光后的电压值）18。这两种不同强度的光信号以电压的方 式传送到 A/D 转换器，转换成单片机能处理的数字信号后发送到单片机，如图 4-2 所 示。 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 13页 传感器（初始化） A/D 转换器 单片机 红外发射管 红外接收管 开始 图图 4-2红外模块流程图红外模块流程图 4.3A/D 转换程序流程 A/D 主要的作用就是数字信号和模拟信号间的相互转换，本课题主要运用的是模拟信 号转数字信号后传送给单片机。A/D 转换的流程较为单一，初始化后读取数据转换，反复 进行。如图 4-3 所示。 开始 启动 A/D 转换（初始化） 读取数据 是否接收？ 单片机 LCD 显示 结束 否 是 图图 4-3A/D 程序流程图程序流程图 4.4LCD 液晶显示流程 LCD 液晶显示模块初始化（复位）过程：延时 15mS；写指令 38H（不检测忙信 号）；延时 5mS；写指令 38H（不检测忙信号）；延时 5mS；写指令 38H（不检测忙信 结束 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 14页 号）；以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号；写指令 38H：显示模式设 置；写指令 08H：显示关闭；写指令 01H：显示清屏；写指令 06H：显示光标移动设置； 写指令 0CH：显示开及光标设置19。其程序流程如图 4-4 所示。 显示第二行内容 设置第二行显示 开始 LCD 初始化 延时 设置第一行显示 显示第一行内容 图图 4-4LCD 液晶显示软件流程图液晶显示软件流程图 系统设置了三个按键控制 LCD 液晶显示的第二行数据，在软件流程中就多了一个按 键与 LCD 显示的过程，此过程较为简单，就是按键设置数值的区间大小。 结束 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 15页 第 5 章 系统仿真及硬件测试 5.1仿真测试 仿真运行一切正常，运行状态下调节红外元器件的输出信号值就能得到 LCD 显示元 器件测量距离的变化，模拟正常，控制 LCD 显示元器件测量区间大小的按钮和复位按钮 都能正常使用，没有出现不良状态。如图 5-1 所示是正常系统仿真正常运行状态，调节图 下方 U2 的数值大小就能发送不同大小的模拟信号到 ADC，经过单片机处理加工后传送 指令到 LCD 显示模块，显示模块第一行显示的就是所测得距离的结果。 图图 5-1仿真默认状态仿真默认状态 左边的三个按键，是控制 LCD 显示元器件上的第二行数字，如图 5-2 所示，将前三 个数字设置成 40，后面三个数字不变，此时形成了一个 40100 的区间。假如第一行的距 离测量数字超出了第二行设置的区间数值大小，那么系统将会做出一个蜂鸣器和指示灯 亮的警报提示。这个区间可以设置到本系统范围测量的任意数值。 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 16页 图图 5-2仿真设置状态仿真设置状态 5.2硬件测试 表 5-1 是系统硬件最终测试的数据，表中所测距离和实际距离的比较，可以看出，所 测量的距离与实际距离的大小出入，结果出入最多在一个厘米左右，准确率能满足日常 的需求。 表表 5-1 测试结果表测试结果表 测量距离 cm实际距离 cm 1920 3030 6160 9090 101100 121120 131130 151150 如图 5-3 所示是本次课题设计最终成功图，LCD 液晶显示模块上面是红外传感器模 块，传感器模块分别有两个黑色的部分就是红外光发射管和接收管，也就是测量距离时 用上端对准测量点就能测量出相应的距离值。将红外发模块面对墙面距离 37 厘米的时 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 17页 候，LCD 液晶显示模块第一行显示的距离是 37 厘米，基本没有误差。第二行有两个三位 数数值，默认是 0 到 100 的区间。不过当测量距离低于 15 厘米的时候，测量距离显示就 不稳定，上下波动较大，误差会达到两个厘米左右。 图图 5-3实物默认状态实物默认状态 如图 5-4 所示，按动 100 数值下面的三个按钮设置 LCD 液晶显示第二行的数值，设 置区间为 40100，然后再次测量距离，如果所测距离在区间内，那么系统正常运行，无 任何反应。如果所测量的距离不在第二行设置数值的区间内，如图 5-2 所示，LCD 液晶 显示模块显示的状态，第一行数值 33，第二行区间数值 40100，那么开关旁边的蜂鸣器 和指示灯就会发出警报，提示所测距离不再设置要求的区间内。此功能是红外测距系统 外的一个设置。其具体作用就需要使用者去开发，比如说倒车系统就可以运用到此功 能，一些工业上也能用到这一功能。也可以做成一张防盗报警器。对准门或窗户，当门 或窗户被打开，那么测距仪就的距离就会发生变化，超出所设置的区间要求大小，从而 发出警报。 图图 5-4实物设置状态实物设置状态 如图 5-5 所示，LCD 液晶显示模块第一行显示一个 481 的数值，此时并不是真的测 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 18页 量数值，而是测量距离超过了 200 厘米，系统接收管接收的红外光强度已经微弱到忽略 不计，因此不能得到准确的测量距离值，所以显示了一个默认最大值 481。经过了我多次 的实验，发现当距离超过 200 厘米后就不能正常测量距离。对此问题，通过查阅资料和 对红外模块的电压值研究，这并不是系统本身的问题，而是红外传感器模块中发射管红 外光发射问题，因其发射的红外光强度最大值固定不变，只能在 200 厘米距离内正常反 射足够强的红外光给接收管。要解决测量距离限制这一问题，就要红外传感器模块发射 管能发射更强的红外光，才能使测量距离增加。 图图 5-5实物运行超出测量值状态实物运行超出测量值状态 本次系统最初的要求是做出一个几厘米到十米左右的一个测距系统，由于红外模块 硬件的购买原因，没有达到最初的测量长度要求。因为本系统采用的是能量反射法测距 方案，红外模块发射管发射的红外光强弱决定了真个系统能测量的长度最大值有决定性 的作用；而这一点是我没有预料到的问题，在最后测试的结果才出现的问题。对于这一 问题，也试着去修改，但是因为买不到合适的红外模块，所以在实物硬件上无法修改。 只有在仿真上去试着解决这一问题。仿真上的红外模块也是固定的发射管红外光的强 度，因此我做了一个变相的修改，不使用红外发送模块，直接用一个滑动变阻器代替红 外模块输出相印的电压值。结果显示，当直接调节滑动变阻器的更高电压值发送更高的 信号，能使系统测距量值达到更高，证明了系统的可行性。 在准确性上，系统设计达到了预计的要求，准确率保持在正负一个厘米之间，准确 性上已经能满足正常使用的要求。相比激光和超声波，短距离测距系统准确率是本系统 的最大优势所在。 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 19页 结论 对所设计的电路进行测量、校准发现其测量范围在 10cm200cm 内的平面物体做了 多次测量发现，其最大误差为 0.5cm，且重复性好。该测距仪稳定性比较高、灵敏度比较 高，测量时在红外线测距仪周围没有其它物体。 本课题运用的是能量反射法，红外发射管发射出固定强度的红外光，接收返回的红 外光。开始的目标是制作一个十米以内的测量，可最终因为红外模块发射红外光的强度 不够，导致最终结果在 200cm 后收到的红外光强度小道忽律不计，无法继续准备测量数 据。在资料查询的时候，考虑到了红外模块发射光距离问题，可忽略了光的衰减问题， 反射衰减更大的问题，最终结果不达标。以至于制作出的设计在 2 米内能准确的测量， 误差小于 0.5cm，在精确度上达到了预期的要求。红外测距模块发出的光是在空气中传 播，如遇见水、烟雾、大雨等情况会影响其发射管发射时回收的光的强弱，从而影响测 量距离的数据。因为本课题采取的是红外光发射遇到反射后得到数据，也就是说如果光 不反射就不能得到数据，从而不能测出距离。所以在空闲无反射物的空间不能测量距 离，或者需要设置一个物体来反射红外光，这样测量的时候就较为麻烦。如果这些问题 我都能解决，那么本课题预期的要求就能成功。 本电路设计由于元器件及其成板误差，测量最大距离未能达到设计初衷要求，但对 测量距离结果的误差影响不大，能满足日常生活、工业生产的测量要求，因此此设计有 着很大的意义。通过本次的系统设计，我更深层次的了解了单片机最小系统、LCD 显示 和、A/D 转换的工作原理，也对红外传感器有了一定的了解，可以通过对红外传感器不同 方向的功能，去做不同方向的设计；比如说红外防盗方向，红外图像方向等很多方面， 给我以后的设计提供了很多的思路。 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 20页 致谢 从最开始的选题目。提出了几个相应的选题，都得到老师的认可，在自己最终确定 题目的时候，我选择了红外测距这个题目。因为这算是我从小的一个小理想，我父亲是 木工工人，经常需要距离方面的测量，我就想做一个简易的自动测距器，到最后的完成 制作，都可以说困难重重。如今能亲手实现自己的想法，心里激动不已。在孙老师的带 领和悉心指导下，本次实验因个人和元器件的一些问题没有达到最初的效果，不过也算 是顺利完成。在课题的选择、进展及论文的撰写上无不倾注着孙老师的心血。孙老师渊 博的知识、严谨的治学态度、诲人不倦的精神、平易近人的人生态度，将使我终生受 益。老师在实验中的帮助与指导，使我对单片机和红外传感模块及别的元器件有了一定 的认识，在实验中也增加了自己的动手能力，在实物制作方面有了一定的了解，受益匪 浅。在今后的工作中，一定要把老师传授给我们的知识与实际结合起来，更好的处理工 作中的事务。在此衷心地感谢孙老师悉心的指导。 佳木斯大学本科毕业论文（设计） 第 21页 参考文献 1高林.单片机原理与微机原理综合仿真系统的设计及应用J.实验技术与管理,2014,(03):91-94. 2薛均义,张彦斌. 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