基于单片机的红外测距系统的设计

1基于单片机的红外测距系统摘要【摘要】：红外线传感器在生产和生活中有着广泛的应用，如红外测温仪、红外夜视仪、红外遥感、红外摄像仪、红外望远镜、红外线追踪等等。本文利用红外线传感器的原理及应用设计出红外线测距系统，红外线测距硬件系统由单片机模块电路、红外测距及A/D转换模块、基准电源模块和显示模块电路组成，软件开发流程包括LCD初始化、显示测试开始提示、检测距离、在LCD上显示提示信息。【关键词】:红外线；测距；A/D转换；单片机2Abstract:Theinfraredsensoriswidelyusedinproductionandlifesuchasinfraredthermometer,infrarednightvision,infraredremotesensinginfraredcamera,infraredtelescope,infraredraytracingetc.Inthispaper,ittakeadvantageofthedesignprincipleandapplicationofinfraredsensortodesigntheinfraredmeasuringsystemwhichrangeofhardwaresystemiscomposedofMCUmodulecircuit,infraredrangingandA/Dconversionmodule,areferencepowersupplymoduleanddisplaymodulecircuit.ThedevelopmentprocessofthesoftwareincludesLCDinitialization,displaytestprompted,detectiondistancewhichdisplayamessageintheLCD.keywords:infrared；ranging；A/Dconversion；single-chipmicrocomputertracing3目录前言.3第1章绪论.4第1.1节红外线测距仪的定义.4第1.2节红外线测距仪的分类.4第1.3节红外线测距仪与超声波测距仪的区别.4第2章系统硬件设计.5第2.1节红外线测距原理.5第2.2节硬件设计方案.6第2.3节AT89C52单片机简介.6第2.4节GP2D12型红外测距传感器.10第2.5节TLC154910位串行A/D转换器.11第2.6节LCD1602.13第2.7节基准电源电路.15第2.8节总体硬件电路.16第3章系统软件设计.17第3.1节MCS-51单片机C语言简介.17第3.2节系统软件开发流程.17第3.3节A/D转换模块.18第3.4节液晶显示模块.20第4章实物调试与结果分析.21第4.1节实物的制作与调试.21第4.2节测试结果及结果分析.21第4.3节，测量误差检测与分析.23结论.24参考文献.25致谢.26附录.27附录1：实物图.27附录2：原理图.28附录3：源程序.284前言本次毕业设计的课题为基于单片机的红外测距系统，及利用单片机相关知识设计出一个红外线测距仪，要求采用红外传感器测距，通过单片机实现基本设置、数据采集与计算以及液晶显示。基于论文要求制定出这样一套方案：红外测距仪通过红外传感器完成对障碍物距离的检测，然后通过A/D转换器将传感器输出的模拟量转换为数字量后，通过LCD显示。传感器选用SHARP公司生产的GP2D12，这也是常用的红外线传感器。A/D转换采用的是TLC1549，显示模块选用的是LCD1602,能够完成两行信息的显示。以下为本次毕业设计中各章节的主要内容介绍第一章为绪论，主要从功能，分类，应用场合及其与超声波测距仪的区别等方面对红外线测距仪进行了介绍，第二章则进入系统的硬件设计部分，在这一章节中，主要对电路所需器件，以及各模块电路进行了说明与表述，第三章则为软件部分，主要根据软件流程图编写出了A/D转换模块及液晶显示模块的子程序，最后一章为实物调试与结果分析，这一章节主要对实物的制作流程以及检测过程进行了图文说明，并且进行了误差分析。在论文的结尾还另外附上了设计过程中的硬件原理图，实物图，源程序等内容。本次的设计基于单片机的红外测距系统，最终实现了短距离的测距。第1章绪论第1.1节红外线测距仪的定义测距仪作为一种精密的测量工具，已被广泛应用到各个领域，它可分为超声波测距仪，红外线测距仪，激光测距仪。由于精度不够且测量距离的局限性，前两个测距仪已5被限制不再被生产。目前所述的红外线激光测距仪是指红外线测距仪，红外测距仪就是利用调制的红外光进行测距的精密仪器，其测量范围一般为一至五公里。其使用非扩散红外传播的原理因为在穿越障碍物时，红外折射率小，所以在测量距离较长时，一般都会使用红外线测距仪，但红外线传输是需要时间的，所以当测距仪发射出的红外线碰到障碍物时会被障碍物反射回来，在根据红外线从发射到被接受时所用的时间以及红外线的传播速度可推算出障碍物的距离。第1.2节红外线测距仪的分类（1）手持式激光红外线测距仪测量距离通常在200米以内，精度通常为2毫米。这是目前使用范围最广泛且最为常用的红外测距仪。它不仅能准确计算出障碍物的距离，还能准确计算出障碍物的体积大小。（2）望远镜式激光红外线测距仪测量距离通常在600-3000米，此种红外线测距仪测量距离较远但精度很低，通常为1米左右。主要用于长距离测量，但其存在较大误差，户内使用相对较少。但其作为为远距离红外线测距仪，测量精准，反应速度快，在户外使用相当广泛第1.3节红外线测距仪与超声波测距仪的区别超声波测距仪上设置了瞄点装置，当对准被测的目标时，测距仪的显示屏幕上就会出现一点，超声波测距仪主要是通过声速来进行测距的，它所射出的线是人眼看不见的，超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度，声波在被发射后遇到障碍物后反射回来的时间，利用发射和接收的时间之差计算出发射点到障碍物的距离。超声波测距主要应用于汽车防撞、建筑工地、等领域。超声波测距的优点是指向性强，能量消耗缓慢，缺点是精度较低，且成本较高。红外测距的优点是便宜，易制，安全，缺点是精度低，距离近，方向性差。6第2章系统硬件设计第2.1节红外线测距原理在物理上，定义波长在0.76400um之间的光成为红外线，它是一种看不见的光线。红外线在生产和生活中有着广泛的应用，如红外测温仪、红外夜视仪、红外遥感、红外摄像仪、红外望远镜、红外线追踪等等。红外线传播时发散度小、折射率低的特点，很多长距离的测量仪也是采用红外线设计的。红外线测距的方式与激光测距的方式是一样的，也是脉冲法和相位法两种方式，但是在测量GP系列红外测距传感器通常用三角测量原理。下面就来介绍这种测量原理。如图2-1所示，红外线发射器按照一定角度发送红外光束，如果在有效的测量范围内测量到障碍物后，光束会按照一定角度再反射回来。反射后的光束经过滤镜后送入PSD位置传感器中，经过处理会得到一个偏移量L，从图中的三角形关系可看出，当已知红外线光束的发射角，中心距X，透镜的焦距f结合PSD测量得到L时，就可以计算出传感器到障碍物的距离D了。应当注意的是，这种测量方法在障碍物距离传感器太近时测量精度较低，只有测量距离在一定范围内时才能获得准确的测量值。原理图如图2-1所示。障碍物PSD位置传感器红外线发射器中心线中心线LXDf发射光线反射光透镜图2-1红外测距原理图(三角测量)7第2.2节硬件设计方案红外测距仪通过红外传感器完成对障碍物距离的检测，然后通过A/D转换器将传感器输出的模拟量转换为数字量后，通过LCD显示。传感器选用SHARP公司生产的GP2D12，这也是常用的红外线传感器。A/D转换采用的是TLC1549，显示模块选用的是LCD1602,能够完成两行信息的显示。，系统框图如图2-2所示。单片机复位电路时钟电路显示模块A/D转换模块红外收发模块图2-2系统框图第2.3节AT89C52单片机简介MCS-51单片机是由美国Intel公司生产的一系列单片机的总称，是在我国使用最广泛的单片机之一，它们为单片机的普及和推广立下了汗马功劳。MCS-51单片机包括很多品种，如8031、8051、8751、8032、8052、8752、89C51、89C52、89C2051等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其他单片机都是在8051的基础上进行功能的增减改变而来的，所以人们习惯于用8051或者51来称呼MCS-51单片机系列。8031是最早在我国流行的单片机，所以在很多场合会看到8031的名称。Intel公司将MCS-51的核心技术授权给了很多公司，所以有许多公司在做以8051位核心的单片机，当然功能或多或少有些改变，以满足不同的需求。其中AT89C52是近几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的，该系列常用的单片机还有89C2051和89C52等。82.3.1AT89C52单片机的内部结构8051单片机内部包含了微型计算机所必需的基本功能部件，各部件相互独立地集成在一块芯片上，其基本功能有：8位CPU；32条双向可独立寻址的I/O线；4KB程序存储器（ROM），外部可扩充至64KB；128个字节数据存储器（RAM）,外部可扩充至64KB;2个16位定时/计数器；5个中断源；全双工的串行通信口；具有布尔运算能力。2.3.2AT89C52单片机的引脚40条引脚共分为电源线、端口线、控制线和其他电源复用线3类，具体的功能说明如下。电源线Vcc为+5V电源线，GND为接地线。2、端口线P0端口：P0端口是开漏双向口，可以写为“1”使其状态为悬浮，用作高阻输入。P0端口也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节，在访问外部数据存储器时作数据总线，此时通过内部强上拉传送“1”。P1端口：P1端口是带内部上拉的双向I/O端口。向P1端口写入“1”时，P1端口被内部上拉为高电平，可用作输入端口。当作为输出脚时，被外部拉低的P1端口会因为内部上拉而输出电流。P2端口：P2端口是带内部上拉的双向I/O端口。向P2端口写入“1”时，P2端口被内部上拉为高电平，可用作输入端口。当作为输出脚时，被外部拉低的P2端口会因为内部上拉而输出电流。在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和16位地址（MOVXDPTR）,此时通过内部强上拉传送“1”。当使用8位寻址方式（MOVRi）访问外部数据存储器时，P2端口发送P2特殊功能寄存器的内容。P3端口：P3端口是带内部上拉的双向I/O端口。向P3端口写入“1”时，P3端口被内部上拉为高电平，可用作输入端口。当作为输出脚时，被外部拉低的P3端口会因为内部9上拉而输出电流。P3端口的引脚更多使用其第二功能，如表2-1所示。表2-1单片机引脚功能图P3端口的位第二功能注释P3.0RXD串行数据接收口P3.1TXD串行数据发送口P3.2INT0外部中断0输入P3.3INT1外部中断1输入P3.4T0计数器0计数输入P3.5T1计数器1计数输入P3.6WR外部存储器写选通信号P3.7RD外部存储器读选通信号AT89C52引脚图如图2-3所示。图2-3AT89C52单片机引脚图2.3.3单片机最小系统单片机最小系统：所谓单片机最小系统，是指在尽可能少的外部电路条件下，形成一个可以独立工作的单片机系统，也就是说为了保证单片机能够工作，所必需的最小系统配置，它所包含的电路如下：首先要保证各部分电路能够工作，必须要有电源。其次，单片机都是数字电路，其工作离不开时钟，所以要为单片机配置时钟电路。另外，为保证单片机可靠工作，还需配置复位电路。在以上三个必要条件下，可以加上系统所需的控制电路。10单片机最小系统电路图如图2-4所示。图2-4单片机最小系统11第2.4节GP2D12型红外测距传感器2.4.1GP2D12的主要参数GP2D12型红外测距传感器是SHARP公司生产的一款具有内部处理电路、模拟信号输出的红外测距传感器。该传感器具有不需要外部控制电路、物体测量值对测量值无影响等特点，其性能参数如下。测量射程范围：1080cm；最大允许角度：40；电源电压：4.55.5V；平均功耗电流：35mA；峰值功耗电流：约200mA；更新频率/周期：25Hz/40ms；模拟输出噪声电压：200mv;测量距离与输出模拟电压关系：2.40.4V模拟信号对应的测量距离为1080cm,输出电压与测量距离成反比非线性关系。2.4.2GP2D12型传感器内部结构及引脚GP2D12型红外测距传感器由红外线发射电路、PSD位置传感器及信号处理电路、电压校正电路、晶振电路和信号输出电路部分构成。该信号传感器采用的是在前面介绍的三角测量原理，使用红外发射电路按照一定时间发射红外线，当遇到障碍物后反射回来并由PSD位置传感器接收。PSD的输出信号经过处理后以模拟信号的形式输出。GP2D12型红外测距传感器各引脚功能如表2-2所示。表2-2GP2D2型红外测距传感器引脚功能引脚号名称功能1VO信号输出2GND电源地3VCC逻辑电源GP2D12型红外测距传感器的测量不是连续的，并且上电后需要经过一定的时间才能输出稳定的测量值，这些都需要在使用GP2D12时注意。122.4.3GP2D12硬件原理图GP2D12硬件原理图如图2-5所示。图2-5GP2D12硬件原理图第2.5节TLC154910位串行A/D转换器2.5.1TLC1549的主要参数TLC1549C、TLC1549I、和TLC1549M是一个十位开关电容器，逐次逼近型的AD转换器，这个芯片有两个数字输入端，一个三态输出口（CS），一个I/OCLOCK端口和一个数字输出端（DATAOUT）,可以实现一个三总线接口到总控制器的串行口的数据传输。内部具有自动采样保持，可按比例量程校准转换范围，抗噪声干扰功能，而且开关电容设计使在满刻度时总误差最大仅为1LSB（4.8mv）,因此可广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。十位分辨率的A/D转换器内部取样保持功能总共不可调最大误差为1LSB片内系统时钟管脚兼容TLV1549CMOS工艺132.5.2TLC1549引脚功能ANALOGIN:模拟信号输入，电源阻抗应该小于18K欧。外部电源到该引脚的电流应大于10mA。CS：片选。CS从高电平到低电平跳变可以复位内部计数器并在一个最大的启动时间加上两个内部时钟的下降沿时间内控制和使能DATAOUT、I/OCLOCK.在一个启动时间加上两个内部时钟的下降沿时间内CS从低电平到高电平可以禁止I/OCLOCK.DATAOUT:当CS为高时AD转换结果为高阻抗，当CS为低时AD转换结果有效，在有效C下，该引脚输出值为上次转换结果的最高有效位（MSB）的数字量，在下一个时钟下降沿输出次高位数字量，以此顺序输出直到第9个下降沿输出最低有效位（LSB），在第十个时钟下降沿，该引脚被拉低以确保串行数据口传输超过10个时钟周期。GND：该引脚和内部电路的地相连，除非有特殊要求，否则所有的地都跟该引脚相连。I/OCLOCK:输入/输出时钟口。该引脚作为串行时钟的输入口有以下3个功能：在第三个时钟下降沿时，模拟输入电压开始给阵列电容充电，一直到第10个时钟下降沿；之前转换结果的9个剩余位随着该引脚在DATAOUT引脚上逐位输出；在第10个时钟下降沿，该引脚可以控制转换结果传输到内部控制器。REF+:正参考电压的值（通常接VCC）接到REF+引脚上。最大输入电压的范围是REF+电压和REF-电压之间的差值。REF-:负参考电压的值（通常接地）接到REF-引脚上。VCC:正电源电压。2.5.3TLC1549硬件原理图TLC1549硬件原理图如图2-6所示。14图2-6TLC1549硬件原理图第2.6节LCD16022.6.1LCD1602的主要参数显示容量:162个字符芯片工作电压:4.55.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.954.35(WH)mm2.6.2引脚功能第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。15第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。2.6.3LCD1602硬件原理图LCD1602硬件图如图2-7所示。图2-7LCD1602硬件原理图16第2.7节电源电路电源模块：几乎所有的数字仪表都用到电压源，它们可以是独立地，也可以集成在芯片中，在A/D转换器中，由电压源提供一个参考电压，与输入电压进行比较后确定输出数据。本次设计中A/D转换的参考电源由电源模块提供。电源模块是以LM2940为核心构成，LM2940是一种输出电压固定的低压差三端稳压器，输出电压5V，输出电流1A，输出电流1A时，最小输入输出电压差小于0.8V，最大输入电压26V，工作温度-40+125V，内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。电源电路如图2-8所示。图2-8基准电源电路17第2.8节总体硬件电路总体硬件电路是由单片机最小系统、A/D转换电路、电源电路、红外测距电路四者共同构成，最终可实现红外线测距。其具体共工作流程为红外线测距仪通过红外线传感器完成收发红外线完成对障碍物的检测及定位，然后通过TLC1549将传感器输出的模拟量转换为数字量后，再通过LCD1602显示。总体硬件电路如图2-9所示。图2-9总体硬件电路18第3章系统软件设计第3.1节MCS-51单片机C语言简介C语言以其结构化和能产生高效代码等优势满足了开发人员的需求，成为了开发人员进行单片机编程的首选开发语言，得到了广泛的支持。C语言具有汇编语言所不可比拟的优势，如下所示：可以大幅度加快开发速度，特别是开发一些复杂的系统。可以实现软件的结构化编程。C语言使得软件的逻辑结构变得清晰省去了人工分配单片机资源的工作。可移植性很好，只要将一些与硬件相关的代码作适度的修改，就可以方便的移到其他种类的单片机上。第3.2节系统软件开发流程3.2.1系统主程序流程图如图3-1所示，在主程序中，首先液晶显示器进行初始化，然后显示提示文字“MeasureStart”,进入循环程序后调用距离测量及显示程序。系统主程序流程图如图所示。开始LCD初始化显示测试开始开始检测在LCD上显示结束19图3-1系统主程序流程图第3.3节A/D转换模块A/D转换换句话说就是数模转换，也可以说成整流，就是把模拟信号转换为数字信号，其一般步骤为初始化、采集模拟量（采样）、保持、量化、编码。串行本次试验中利用A/D转换及数据处理子程序主要实现A/D转换后数字量的读取，采集距离信号的滤波处理、距离计算。其程序流程图如图3-2所示。初始化采集距离信号滤波距离计算开始结束图3-2A/D转换流程图sbitCLK=P20;sbitDATA=P21;sbitCS=P22;unsignedintADConvert(void)inti;unsignedintad;ad=0;CS=1;CS=0;for(i=0;i#include#defin