基于夏普红外传感器物体测距系统设计

中北大学 2013 届毕业设计说明书基于夏普红外传感器物体测距系统设计摘 要随着现代科学技术的飞速发展，科学在原有的基础之上增加了许多新领域。传感器，作为基础学科中有着突出地位的一门研究，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等不同方式，各种方式各有优势，也有不足。为了实现物体近距离、高精度的无线测量，我采用夏普红外测距系统作为距离传感器，Atmel 公司的 AT89S51 单片机作为核心处理器与 ADC0809 转换、LCD1602 显示共同组成了一套简单红外距离测量系统。本设计详细介绍了夏普红外传感器 GP2D12 的原理和特性，并在分析了红外测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，综合这些问题，给出了以 AT89S51 单片机为核心的低成本简单的一套系统。关键词：红外测距,单片机,A/D 转换中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书Sharp objects based on infrared sensors Ranging System DesignAbstractWith the rapid development of modern science and technology, the scientific basis of the original increase in a number of new fields. Sensors, as a basis for discipline has a prominent place in a study has appeared in the ranging aspects of laser ranging, microwave radar ranging, ultrasonic ranging and infrared ranging in different ways, a variety of methods have their own advantages and shortcomings .In order to achieve the object at close range, high-accuracy wireless measurement, I use Sharp IR ranging system as a distance sensor, Atmels microcontroller AT89S51 with ADC0809 conversion as a core processor, LCD1602 displays together to form a simple infrared distance measurement system. The design details of the Sharp GP2D12 infrared sensor principle and characteristics, and the analysis of the infrared range, based on the principle, that the ranging system design ideas and issues need to be considered, combination of these problems are given to AT89S51 microcontroller as the core of a simple, low-cost systems.Key words: infrared distance, SCM,A / D converter中北大学 2013 届毕业设计说明书目 录1 绪 论 .11.1 课题背景 .11.2 红外测距与其他测距方式的比较 .11.2.1 其他测距方式的优劣 .11.2.2 红外传感器的优势 .11.3 红外传感器分类 .21.4 国内外红外线传感器应用现状 .22 夏普红外测距原理 .42.1 夏普红外测距要求 .42.2 红外传感器 GP2D12 基本参数 .42.3 夏普红外测距原理 .42.4 线性化方法 .62.5 线性化过程 .73 红外测距的硬件设计 .83.1 红外测距的系统结构框图和硬件电路概述 .83.1.1 系统结构框图 .83.1.2 硬件电路概述 .83.2 各部分电路图详解 .103.2.1 红外发射与接受模拟模块 .103.2.2 A/D 转换模块 .103.2.3 主控电路模块 单片机最小系统 .123.2.4 显示模块 .143.2.5 报警电路模块 .164 夏普红外测距的软件设计 .184.1 程序设计步骤 .184.2 系统软件结构框图 .184.3 仿真及编译软件简介 .195 软硬件调试 .21中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书6 总结 .23参考文献 .24附录 .26致谢 .35中北大学 2013 届毕业设计说明书1 绪 论1.1 课题背景在基础学科研究中传感器具有突出的地位。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。红外线作为一种特殊的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成本低廉性能优良便于民用推广。1.2 红外测距与其他测距方式的比较1.2.1 其他测距方式的优劣激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距四种测距方式各有优劣，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，现在几乎还没有开拓民用市场。超声波测距在国内外已有人做过研究，由于采用特殊专用元件使其价格高，难以推广。1.2.2 红外传感器的优势而我采用的红外线传感则有如下优点：红外线作为一种特殊的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成本低廉性能优良便于民用推广。红外线测距传感器有它的几个特点远距离测量在无反光板和反射率低的情况下能测量较远的距离有同步输入端可多个传感器同步测量，测量范围广、响应时间短、外形设计紧凑、易于安装、便于操作，所以它的应用价值比较高。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。当前红外测距仪的发展趋势是向测量更安全、测量精度高、系统能耗小、体积小型化方向发展。红外测距传感是用红外线为介质的测量系统，按照功能可分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。 按探测机理可分成为光子探测器和热探测器。红外传感技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，利用的红外测距传感器 GP2D12 发射出一束红外光，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到传感器后接收信号，由于距离与测到的电压值成一定比例关系，所以将得到的电压信号用信号处理器处理后计算出物体的距离。这不仅可以使用于自然表面，也可用于加反射板。测量距离远，很高的频率响应，适合于恶劣的工业环境中。特点：1）远距离测量，在无反光板和反射率低的情况下能测量较远的距离；2）有同步输入端，可多个传感器同步测量；3) 测量范围广，响应时间短；4) 外形设计紧凑，易于安装，便于操作；1.3 红外传感器分类常见红外传感器可分为热传感器和光子传感器。一、热传感器热传感器是利用入射红外辐射引起传感器的温度变化，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。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的照射下，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灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率。但其一般须在低温下工作，探测波段较窄。按照光子传感器的工作原理，一般可分为内光电和外光电传感器两种，后者又分为光电导传感器、光生伏特传感器和光磁电传感器等三种。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书1.4 国内外红外线传感器应用现状2 0 世纪 5 O 年代红外光电测距技术的问世 ，使测距手段上产生重大变革 ，红外测距技术开始大量应用于大地测量、工程勘测设计。此后在民用上也有了很大的发展，如李彬等把红外测距应用于智能灭火机器人，邓韶斌等把红外测距应用于智能清洁机器人口，石剑锋等提出了红外测距在瞄准镜中的应用口。 红外技术是最近几十年中发展起来的一门新兴技术。它已在科技、国防和工农业生产等领域获得广泛的应用。红外传感器的应用主要体现在以下几个方面：1. 红外辐射计：用于辐射和光谱辐射测量。2. 搜索和跟踪系统：用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对其运动进行跟踪。3. 热成像系统：能形成整个目标的红外辐射分布图像。4. 红外测距系统：实现物体间距离的测量。5. 通讯系统：红外线通信作为无线通信的一种方式。6. 混合系统：是指以上各类系统中的两个或多个的组合。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书2 夏普红外测距原理2.1 夏普红外测距要求根据要求设计一个基于夏普红外传感器物体测距硬件电路系统，实现最基本的测量物体距离的功能。要求对被测物体与红外传感器之间的距离进行实时监测，并将测量数据传送至单片机，然后由单片机对检测的各种数据进行处理，从显示屏上显示出来。当检测到外传感器前方有物体是，系统能够自动发出提示警告。2.2 红外传感器 GP2D12 基本参数GP2D12 实物如图 2.1：图 2.1 gp2d12 实物之所以选择 GP2D12 红外传感器，理由如下：首先查阅资料发现，在红外测距方面，这个传感器最常用，几乎所有的配件市场都可提供，而且在机器人测距论文方面的应用非常广泛。其次，GP2D12 的测量距离是10cm-80cm，这与毕业设计的要求和进行测量的范围都相当吻合。下面是 GP2D12 的一些参数：测量范围：10cm-80cm； 刷新频率/周期：25Hz/40ms；峰值功耗：about 200mA； 平均功耗： 35mA；最大允许角度：40 度 ； 电源电压： 4.5 到 5.5v；模拟输出噪音：#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned longsbit RS=P20; /LCD 命令/数据端sbit RW=P21; /LCD 读/写端sbit LCDE=P22; /LCD 使能端sbit OUTPUT=P0; sbit ST = P30; /ADC0809 与 AT89S52 的管脚接线定义sbit OE = P31;sbit EOC = P32;sbit CLK = P33;sbit SPEAKER = P37;uint measure;uchar flag; /Busy 标志uchar code dis=Measure Start; /显示uchar code dis1 = Distance:; /显示表头uchar code dis2 = .cm; /显示代码uchar code dis3=Out Measure!; /显示uchar dis_buf6; /显示缓冲区void L_delay(void); /短延时void delay_ms(uint n); /延时函数uint read_ADC(void); /读取 ADC0809void init(); /中断函数中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书void init_1602(void); /1602 初始化函数void busy(void); /LCD 忙标志判断函数void dat_wrt(uchar dat); /写数据子函数void cmd_wrt(uchar cmd); /写命令子函数uint distance(void); /距离计算函数void lcd_start(uchar start); /设定显示位置函数void LCD_Clear(void); /LCD 清屏函数uchar dat_adj(uint dat1); /显示数据调整函数void print(uchar *str); /字符串显示函数void disp(uint dat); /显示子函数void delay(uint);uint average(void); /算术平均滤波程序/*主函数*/main()init();init_1602();lcd_start(0x00);print(dis); /显示测量开始delay_ms(1000);while(1)measure=distance();disp(measure); /显示距离delay_ms(100);/*延时函数*/中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书void delay_ms(uint n)uint j;while(n-)for(j=0;j=105)&(vol256) /在正常测量范围？temp=vol-25;temp=6790/temp-4; /转换测量数据elsetemp=0x00ff; /超出测量范围，返回错误标志return(temp);/*1602 初始化函数*/void init_1602(void)cmd_wrt(0x01); /清屏cmd_wrt(0x0c); /开显示，不显示光标，不闪烁cmd_wrt(0x06); /完成一个字符码传送后，光标左移，中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书显示不发生移位cmd_wrt(0x38); /162 显示，57 点阵，8 位数据接口/*设定显示位置函数*/void lcd_start(uchar start)cmd_wrt(start|0x80);/*LCD 清屏函数*/void LCD_Clear(void)cmd_wrt(0x01); /写入清屏指令delay_ms(1);/*显示数据调整函数*/uchar dat_adj(uint dat1)uchar i;dis_buf0=(uchar)(dat1/10); /十位dis_buf1=(uchar)(dat1%10); /个位dis_buf2=11;dis_buf3=12;if(dis_buf0=0)i=1;return(i);/*字符串显示函数*/void print(uchar *str)中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书while(*str!=0) /直到字符串结束dat_wrt(*str); str+; /指向下一个字符/*LCD 忙标志判断函数*/void busy(void)flag=0x80; /赋初值 高位为 1 禁止while (flag&0x80) /读写操作使能位禁止时等待 继续检测P1=0xff;RS=0; /指向地址计数器RW=1; /读LCDE=1; /信号下降沿有效flag=P1; /读状态位 高位为状态LCDE=0;/*写数据子函数*/void dat_wrt(uchar dat)busy(); /检测 读写操作使能吗LCDE=0;RS=1; /指向数据寄存器RW=0; /写P1=dat; /写数据中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书LCDE=1; /高电平有效LCDE=0;/*写命令子函数*/void cmd_wrt(uchar cmd)LCDE=0;busy(); /检测 读写操作使能吗P1=cmd; /命令R