基于单片机立定跳远红外线测距系统设计.doc

XXXX大学毕业设计（论文）基于单片机的立定跳远测距系统设计年级：XXXXX学号：XXXXX姓名：XXXXX专业：XXXXX指导老师：XXXXX二零一二年五月目 录摘 要本文论述立定跳远测距系统，介绍了红外线及红外传感器的分类和应用、AVR单片机系列的发展与应用，特别对ATmega16单片机进行了说明，本系统以AVR单片机为核心工作部件，并在硬件设计中详细介绍了红外线测距原理及各电路模块的工作方式，分别论述红外发射驱动电路、红外接收驱动电路、RS485通讯、报警电路、键盘、电源电路、LED显示电路工作原理及ATmega16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函数，设计过程中充分考虑了搞干扰措施。最后，得出整个设计的结论，说明了红外测距的可行，并且在运行中系统性能稳定，精度较高，误差小于1CM，系统比较实用。关键字：红外线；距离测量；ATmega16 AbstractThe article based on the design of a chip ATmega16 range of infrared distance measurement modules. On the infrared and infrared sensors and the application of the classification, the AVR Series of development and application, especially for ATmega16 conducted. AVR microcontroller as the core, in hardware design, In the hardware design introduced the principle and the infrared distance measurement circuit modules way of working, introduced the infrared range to achieve the vision is infrared range of hardware circuit. and that the infrared transmitter driver circuit, infrared receiver-driven circuit, RS485 communications, alarm circuits, keyboard, power supply circuit, LED Display Circuit and ATmega16 pin assignments. In software design, it shows how the process works, and the design program function and error analysis. The design process of fully considering make to interference measures. Finally, it is the whole design to the conclusion that the infrared range of feasibility. It has stable capability and high precession. The measure error is less than one centimeter. Keywords: Infrared；Distance measurement；ATmega16 1 绪论1.1 红外线概述1.1.1红外线简介 近二十年来，红外辐射技术已成为一门迅速发展的新兴技术科学。它已广泛应用于生产，科研，军事，医学等各个领域。红外辐射技术是发展测量技术、遥感技术和空间科学技术的重要手段。红外辐射俗称红外线，又称红外光，它是一种人眼看不见的光线。但实际上它和其他任何光线一样，也是一种客观存在的物质。任何物体，只要它的湿度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射。它的波长介于可见光和微波之间，它的波长范围大致在0.75um100um的频谱范围之内。相对应的频率大致在4101431011之间，红外线与可见光、紫外线、射线、射线和微波、无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱，在红外技术中，一般将红外辐射分为四个区域，即近红外区、中红外区、远红外区和极远红外区。0.77um3um为近红外区，3um30um为中红外区，30um1000um为远红外区。这里所说的远近是指红外辐射在电磁波谱中与可见光的距离。红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。研究发现，太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内，因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。红外线在通过云雾等充满悬浮离子的物质时不易发生散射，有较强的穿透能力，还具有抗干扰能力强、易于产生、对环境影响小、不会干扰临近的无线电设备的特点，因而被广泛应用。目前红外发射器件（红外发光二极管）发出的是峰值波长0.88um0.94um之间的近红外光，红外接收器件（光敏二极管、光敏三极管）的受光峰值波长为0.88um0.94um之间， 恰好与红外发光二极管的光峰值波长相匹配。红外光具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。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。严格地讲，在自然界中，不存在黑体镜体和透明体。1.1.2红外传感器的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。1.热敏电阻型传感器热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧解而成的，热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻上，其温度升高，电阻值减少。测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射的红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外辐射物体的温度。 2.热电偶型传感器 热电偶是由热电功率差别较大的两种材料构成。当红外辐射到这两种金属材料构成的闭合回路的接点上时，该接点温度升高。而另一个没有被红外辐射辐照的接点处于较低的温度，此时，在闭合回路中将产生温差电流。同时回路中产生温差电势，温差电势的大小，反映了接点吸收红外辐射的强弱。利用温差电势现象制成的红外传感器称为热电偶型红外传感器，因其时间常数较大，相应时间较长，动态特性较差，调制频率应限制在10HZ以下。3.莱气动型传感器高莱气动型传感器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高，体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。它有一个气室，以一个小管道与一块柔性薄片相连。薄片的背向管道一面是反射镜。气室的前面附有吸收模，它是低热容量的薄膜。红外辐射通过窗口入射到吸收模上，吸收模将吸收的热能传给气体，使气体温度升高，气压增大，从而使柔镜移动。在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上。当柔镜因压力变化而移动时，栅状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光电管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生变化，这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。这种传感器的特点是灵敏度高，性能稳定。但响应时间性长，结构复杂，强度较差，只适合于实验室内使用。4.热释电型传感器热释电型传感器是一种具有极化现象的热晶体或称“铁电体”。铁电体的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外线辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时，引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的大小，取决于薄片温度变化的快慢，从而反映入射的红外辐射的强弱。由此可见，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射辐射变化的速率。当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时，传感器没有电信号输出。只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出。所以，必须对红外辐射进行调制（或称斩光），使恒定的辐射变成交变辐射，不断的引起传感器的温度变化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号。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。1.外光电传感器（器件）当光辐射在某些材料的表面上时，若入射光的光子能量足够大时，就能使材料的电子逸出表面，这种现象叫外光电效应或光电子发射效应。光电二极管、光电倍增管等便属于这种类型的电子传感器。它的响应速度比较快，一般只需几个毫微秒。但电子逸出需要较大的光子能量，只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用。2.光电导传感器（器件）当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时，半导体材料中有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自由状态，使半导体的导电率增加，这种现象叫光电导现象。利用光电导现象制成的传感器称为光导传感器，如硫化铅、硒化铅、锑化铟、碲隔汞等材料都可制光电导传感器。使用光电导传感器时，需要制冷和加一定的偏压，否则会使响应率降低，噪声大，响应波段窄，以致使红外线传感器损坏。1. 光生伏特传感器（器件） 当红外辐射照射在某些半导体材料的PN结上时，在结内电场的作用下，自由电子移向N区，如果PN结开路，则在PN结两端便产生一个附加电势，称为光生电动势。利用这个效应制成的传感器或PN结传感器。常用的材料为砷化铟、锑化铟、碲化汞、碲锡铅等几种。2. 光磁电传感器（器件）当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时，半导体材料中有些电子和空穴将向内部扩散，在扩散中若受强磁场的作用，电子与空穴则各偏向一方，因而产生开路电压，这种现象称为光磁电效应。利用此效应制成的红外传感器，叫做光磁电传感器。光磁电传感器不需致冷，响应波段可达7um左右，时间常数小，响应速度快，不用加偏压，内阻极低，噪声小，有良好的稳定性和可靠性。但其灵敏度低，低噪声前置放大器制作困难，因而影响了使用。1.1.3红外传感器的应用 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。1.2 AVR单片机概述1.2.1 AVR单片机及其发展电子技术的迅猛发展,尤其AVR单片机更广泛地应用于军事、工业、家用电器、智能玩具、智能机器人、便携式智能仪表等领域,使产品功能、精度和质量大幅度提高,电路简单、故障率低、可靠性高且成本低廉。ATMEL公司把51内核与其擅长的FLASH制造技术相结合, 推出可重复擦写1000次以上低功耗的89C51/52/1051/2051等产品,取代其它8751系列,称霸单片机市场数年。1997年,由 ATMEL挪威设计中心的A先生与V先生,利用ATMEL的Flash新技术, 共同研发RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精简指令集高速嵌入式8位单片机,简称AVR。 AVR单片机主要分为tiny, mega两个系列，现在还有一些90s的型号但是据说都会逐渐被mega的相应型号替代，另外有一些以AVR为CPU核的SOC器件比如带有USB的，带有RF的，还有带有FPGA的，这些不好分类。ATMEL自己也是有时候分到AVR一类，有时候又放到别的类，或者单独给出。一般的说mega系列比tiny系列功能更强大，flash更多RAM更大，其它资源也更多。最根本的区别在于mega支持 IAP（在应用编程）和ISP，而tiny只支持ISP。1.2.3 ATmega16单片机简介ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR 内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻辑单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10倍的数据吞吐率。常见的ATmega16单片机封装形式如图1所示：图1ATmega16单片机引脚说明引脚符号引脚名称与功能VCC数字电路的电源GND地端口PA(PA7.PA0)端口A为A/D 转换器的模拟输入端，端口A 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A 处于高阻状态端口B(PB7.PB0)端口B 为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B 处于高阻状态。端口B 也可以用做其他不同的特殊功能端口C(PC7.PC0)端口C 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C 处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口C 也可以用做其他不同的特殊功能.端口D(PD7.PD0)端口D 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D 处于高阻状态。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能RESET复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端XTAL2反向振荡放大器的输出端AVCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC 连接AREFA/D 的模拟基准输入引脚ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32个通用I/O 口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。 工作于空闲模式时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声；Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash 允许程序存储器通过ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(Application lash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C语言编译器、宏汇编、 程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。2.红外测距的工作原理及基本结构2.1 红外线测距发射与接收器件介绍红外线测距是利用红外光来传送控制指令信号，因此，作为红外测距中的红外光发射器件的红外发光二极管和红外光接收器件的红外光敏管，是构成红外测距系统的基本器件。 一、红外线发射器件1.红外线发射器件的结构与原理红外线发射器件是最长用的为红外发光二极管，它与普通发光二极管的结构 原理以及制作工艺基本相同，是只有一个PN结的半导体器件，只是所有的材料不同，制造红外发光二极管砷化钾，砷铝钾等，其中应用最多的是砷化钾。红外发光二极管一般采用环氧树脂，玻璃，塑料等封装，除白色透明材料封装外，还可见到用蓝色透明材料封装的，。红外发光二极管按发光功率的大小，可分为小功率，中功率，大功率三种。另外，红外发光二极管除顶面发光型外，还有侧面发光型。小功率管一般采用全塑封装，也有部分是采用陶瓷底座，顶端用玻璃或环氧树脂透镜封装的，中大功率管一般采用带螺纹金属底座，以便安装散热片。随着发光功率得提高，相应体积的管子也增大。2.红外发光二极管的主要参数（1）正向工作电流是指红外发光二极管长期工作时，允许通过的最大平均电流，因为电流通过PN结时，要消耗一定的功率而引起管子发热，如管子长期超过运行，会因过热而烧毁，因此，使用的最大平均正向工作电流不得超过。(2)光功率是指输入到发光二极管的电功率转化为光输出功率的那一部分。光功率越大，发射距离越远。（3）峰值波长是指红外发光二极管所发出近红外光中，光强最大值所对应的发光波长，在选用红外接收管时，其受光峰值波长应尽量靠近。(4)反向漏电流是指管子未被反向击穿时反向电流的大小，希望它越小越好。（5）响应时间t0由于红外发光二极管PN结电容的存在，影响了它的工作频率。现在，红外发光二极管的相应时间一般为10-6s10-7s最高工作频率为几十。 3.红外发光二极管使用事项及简易测试（1） 正向平均工作电流不要太大管子的正向平均工作电流不得超过产品参数给出的工作电流。（2） 加装散热片对中大功率管，工作电流一般较大，为了管子不因发热损坏，应根据实际使用电流的大小，考虑加装散热片。（3） 防水、防油污、防机械损伤有些红外发光二极管在制作时管芯装在管座上，未加装帽封装，使用时要注意防水、防油污及机械损伤，如作为远距离控制，可加装聚光透镜，这样不仅可以大大提高作用距离，同时聚光透镜也是管子的一种封装保护。（4） 红外发光二极管安装方法红外发光二极管安装在发射器上时，应有发射窗口，窗口可用红色或白色透明有机玻璃封口，以便能够透过红外线，又能防尘。当然，红外发光二极管也裸露在外。（5） 红外发光二极管测试方法红外发光二极管测试方法非常简单，用万用表R X 1K档测量，正向电阻在30K左右，反向电阻在200K以上的管子是好的。反向电阻越大，漏电流越小，质量越好。若反向电阻只有几十K，说明管子质量不好，但可使用。若管子的正向的反向电阻都为无穷大或为零，说明管子是废品，不能使用。二.红外光敏二极管1. 红外光敏二极管原理与结构我们知道半导体具有光电效应，即用光照半导体，可使半导体的电阻率发生变化。利用半导体的光电效应可以制成光电二极管，不同的半导体材料对不同波长的入射光的响应是不同的。光敏二极管有顶面受光和侧面受光两种形式。它也是采用塑料、玻璃、环氧树脂等材料封装。2.光敏二极管的主要参数（1）光电流IL是指在一定反向电压下，入射光强为某一定值时流过管子的电流。光敏二极管的光电流一般为几十A，并与入射光强成正比。（2）暗电流ID 是指在一定反向电压下，无光照时流过管子的电流。一般在50V反压下，ID小于0.1A。（3）反向工作电压UR 是指在无光照时，光敏二极管反向电流小于0.2A-0.3A时，允许的最高反向工作电压，一般在10V左右，最高可达几十伏。（4）峰值波长p 是指光敏二极管光谱响应最灵敏的波长范围，一般为0.88M-0.94M。3.光敏二极管的简单测试（1）电量测量法 一般用万用表R X 1K档，光敏二极管的正向电阻较普通二极管大些，约十几K左右，反向电阻随光照变化。无光照时（用物体将管子挡住，不让光照射），反向电阻接近无穷大，说明漏电流大。管子的反向电阻至少应在500K以上，有光照射时（在较强日光或灯光下），反向电阻越小越好，一般应在20K以下。若有光照射时反向电阻为穷大或为零，说明管子是坏的。光敏二极管的引线较长的一根是正极。（2）电量测量法一般用万用表电压档0.5V或1V档测量，万用表的“+”、“-”分别与光敏二极管“+”、“-”相连，在光照下，电压表指示一般可达0.3V-0.4V，说明光敏二极管是好的。三.红外光敏三极管光敏二极管的光电流仅为A级，光敏灵敏度还不够高，而光敏三极管的光电流可达MA级，且具有较高的灵敏度。1. 红外光敏三极管的结构与原理红外光敏三极管与普通三极管结构一样，具有两个PN结，一般基极无引线，它可以等效成一个b c结是光敏二极管的三极管。无光照时，只有很小的集电极-基极漏电流，所以光敏三极管暗电流很小。在光照时，集电极-基极的反向电流就会因光照增大很多。当三极管的电流放大系数为时，光敏三极管的光电流要比相应光敏二极管的光电流大。2. 红外光敏三极管的主要参数（1）最大功耗是指光敏三极管能够安全工作而不致损坏的最大耗散功率，光敏三极管的最大功耗一般为几十。（2）最高工作电压是指在光照射时，在管子不被击穿的前提下集电极与发射极之间的最高工作电压，一般为10V-几十V。光电三极管的其它参数，如光电流IL暗电流ID等与光敏二极管定义相同3. 红外光敏三极管的简单测试（1）电阻测量法用万用表档，首先，万用表红表笔接C极，黑表笔接E极（管子长脚为E极，短脚为C极），由于这种接法管子所加电压极性（E为“+”、C为“-”）不符合正常工作条件，因此无论是有光照还是无光照，管子两端电阻都是非常大的，一般应接近无穷大。然后将红、黑笔调换，这种接法下所加符合正常工作条件，当无光照时（用物体遮住管子，使其不受任何光照），电阻多在无穷大附近，否则认为漏电流太大。当有光照时（将管子移致强光线下），电阻应从原来的无穷大变为几百欧，至少也应有几千欧以下，否则说明管子灵敏度太底；若电阻为无穷大，说明管子是坏的。（2）电量测量法将光敏三极管的C极与E极之间接上10V左右的工作电压（C为“+”、E为“-”） 并在回路里接上电流表，当无光照射时，电流指示为暗电流，小于。当有光照时，电流指示光电流；一般在之间，有的管子可达 2.2立定跳远红外线测距的工作原理对某一特定物体距离的测量是光学仪器领域的热门课题之一。在机器人视觉方面,快速精确的测距系统使机器人迅速准确地判断目标与机器人的距离,以便使机器人迅速做出相应的判断和动作。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，经障碍物反射后，由红外接收电路的光敏接收管接收前方物体反射光，据此判断跳远的距离。根据发射光的强弱可以判断物体的距离，由于接收管接收的光强随是随反射物体的距离变化而变化的，因而，距离近则反射光强，距离远则反射光弱。因为红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波，因此，它不仅具有可见光直线传播、反射、折射等特性，还具有微波的某些特性，如较强的穿透能力和能贯穿某些不透明物质等。红外传感器包括红外发射器件和红外接收器件。自然界的所有物体只要温度高于绝对零度都会辐射红外线，因而，红外传感器须具有更强的发射和接收能力。2.3 红外线测距的基本结构对传感器要求精度高，因此采用单片机进行控制。ATmega16芯片内有8通道、具有10位精度的A/D转换模块，我们利用这种单片机设计了一个红外测距系统。由于超声波测距存在盲区问题，故为了解决超声波传感器的盲区问题,系统加入了红外测距传感器模块。该模块由红外发射电路、红外接收电路、RS485通讯、ATmega16芯片、键盘接口电路、报警电路及LED显示电路等组成。其组成框图如图2所示： 图23 红外测距的硬件设计3.1 红外测距的实现构想在机器人制作中，多数系统采用单一传感器进行信息采集，超声波传感器因为存在测量盲区的问题，测距范围一般在30300cm之间；因而，在距离障碍物025cm之间时，超声波传感器将出现盲区。相反，红外测距传感器的探测距离较短，一般在几十厘米之内，它可以在一定程度上弥补超声波传感器近距离无法测量的缺点。所以，在可移动机器人避障系统中我们装上红外传感器进行测距。在近距离时，红外传感器对距离信息进行测量和采集。为了实现红外测距，在硬件设计中，我们在可移动机器人前方安装一个红外发射头与一个红外接收头，并在电路板上将红外发射驱动电路与红外接收电路ATmega16芯片的PC4、PC5口相接， 并且让ATmega16芯片与RS485通讯、下载接口、键盘、报警电路与LED显示器相连接，从而构成完整的红外测距系统。具体实现原理为红外发射驱动电路驱动发射头的红外二极管发出红外光，当红外光在遇到障碍物后反射回来，反射回来红外光由红外接收驱动电路驱动红外接收头的光敏二极管接收到，并通过电压转换，将其转换为可测量的电压值，因为红外光的强度会随距离的缩小而增强，红外接收电路转化的电压值会随之增强。又因为电压与距离成比例，通过对转换的电压的计算，我们可以知道可移动机器人与障碍物之间的距离。当可移动机器人与障碍物之间的距离达到危险范围时，由报警电路发出报警信号。我们采用LED显示器动态显示可移动机器人与障碍物之间的距离， LED显示器与ATmega16芯片的PA0PA7、PC0PC3接口相接，在可移动机器人运动过程，ATmega16芯片内部会将电压模拟量通过A/D转换将其转化为可显示的数字量，然后通过LED显示器显示出。报警电路与ATmega16芯片的PC6引脚接口相接。RS485通讯接口一头与ATmega16芯片的PD0、PD1引脚相接，另一头与上位机相接，实现ATmega16芯片与上位机之间的通讯。下载接口一头与ATmega16芯片的PB5、PB6、PB7、RESET引脚相接，另一头与电脑连接，电脑在编写的程序经下载口下载到ATmega16芯片中。键盘与ATmega16芯片的PB5、PB6、RESET引脚相接，通过键盘接口可对下载口进行复位。3.2系统硬件结构电路图整个红外测距系统由ATmega16芯片、红外发射驱动电路、红外接收驱动电路、RS485通讯接口电路、ISP下载电路、键盘电路、报警电路与LED显示电路构成。 3.3 各硬件电路设计3.3.1红外发射电路(1)电路组成：红外发射驱动电路是由一个简单的共射放大电路和一个作为开关的三极管电路组成的模块。电路原理如图4所示图4 红外发射电路（2）电路工作原理：在共射放大电路中，红外发光二极管TLN205接于共射放大电路的集电极，与基极和发射极相接的二极管起温度补偿作用。控制管脚Vin与Atmega16芯片管脚PC4相接。当控制管脚Vin有信号输入时,控制电路的三极管导通,同时整个电路导通,红外发光二极管TLN205发射出红外光.3.3.2 红外接收电路电路组成，红外接收驱动电路是由红外接收管TPS708和两个电压串联负反馈模拟运算放大电路组成的模块。 红外接收驱动电路设计为两极放大是因为在许多情况下，输入信号是很微弱的，要把这样微弱的信号放大到足以带动负载，仅用一级电路放大定是做不到的，必须经多级放大，以满足放大倍数和其他性能方面的要求。并且，根据信号源和负载性质的不同，对各级电路有不同要求，输入级一般要求有尽可能高的输入电阻和较低的静态工作电流。电路图如图5所示：电路工作原理:红外发光管TLN205 发射出的红外光,在遇到前面的障碍物反射后,由红外接收管TPS708 接收,此时TPS708 会产生一个与光强相对应的电流。电流经由LM358 两级放大后,在输出端可以得到一个03V 的模拟电压,作ATmega16单片机PC4的模拟输入量。单片机在完成初始化和端口选择后,即开始进行A/ D 转换,重复等待与检查转换完成标志值是否已为零,最后将转换结果在LED上显示出来。图5 红外接收电路（3）运算放大电路定量分析：我们采用负反馈模拟运算放大电路，是因为负反馈具有提高增益稳定性、展宽放大器通频带与减少非线性失真和噪音三大优点，并且负反馈还有对相应的输出量进行自动调节作用。根据闭环增益方程求对的导数，得 即微分 闭环增益的相对变化量为 上式表明，负反馈的引入使放大器的放大倍数稳定性提高到了倍，而且负反馈越深，稳定性越高。输入信号加在集成运放同相输入断的电路称为同相比例运算电路，在红外接收驱动电路中就采用同相比例运算进行两级放大。下面对同相比例运算电路进行定量分析： 图6由图6可知而 所以 整理得 式子表明，输出电压与输入电压之间存在着比例运算关系，比例系数由与的值决定。与集成运放本身的参数无关。 因为输入端通过集成运放的输入电阻接地，故同相比例运算电路的输入电阻很大，的大小对信号源影响不大，但如果太小，当很小时，会影响输出电压。 若要获得闭环电压放大倍数，由电压放大倍数定义可得： 若 则 即输出电压与输入电压相等，相位相同，此时同相比例运算电路称为电压跟随器。3.3.3 RS485通讯（1）电路组成：在可移动机器人红外测距系统运行过程中, 通信传输采用标准的RS485计算机数据串行通信方式，通过串口按一定的通信协议接收来自计算机串口RS485的信号，经过处理后按一定的规律传送到显示屏上显示。ATmega16单片机通过RS485通讯系统将红外发射与红外接收等信息传送给上位机，同时上位机的控制信息通过下行链路发送给主控板。RS485通讯接口如图7所示:图7 RS485通讯（2）电路工作原理介绍: RS485通讯在应用过程中,采取命令控制字格式与数据传输格式两种合理化建议控制格式。1)命令控制字格式“命令控制字”主要用于上位机对采集模块进行参数设置,工作方式设置以及一些必要的命令。命令控制字格式如表1所示:2)数据传输格式表1命令控制字格式帧头命令字命令字反码0x7eCommandCommand_V通讯格式为定长命令,即传输的数据内容字节数为固定长度(22Bytes) 。格式如下:表2数据传输格式帧头B0B1、B2、B3B4B11B12B19校验B20帧尾B210xfe传感器状态超声波距离红外距离B1、B2、B3异或0xfcB1对应超声波传感器状态, B2对应红外传感器状态,B3对应碰撞开关状态。a)通信方式 字串5 考虑到红外光反射的原因，在全双工方式下发送的信号也可能会被本身接收，因此红外通信需采用异步半双工方式，即通信的某一方发送和接收是交替进行的。这里设置单片机的串行口采用方式3通信；通信的数据格式为每帧11位，包括1位起始位、8位数据位、1位奇偶校验位和1位停止位；片内定时器T1作为波特率发生器，选择传送的波特率为1200bps，则定时器T1的初值应设置为TL1=TH1=E8H，另外应禁止定时器T1中断，以免因定时器T1溢出而产生不必要的中断。 b)通信协议 字串9进行红外通信之前，通信双方首先要根据系统的功能要求制订某种特定的通信协议，然后才能编写相应的通信程序。(3) RS485介绍RS485是一种低成本、易操作的通信系统，RS485总线收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出；在接收端，接收器将差分信号变成TTL电平，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mV的电压，故数据传输可达千米以外。RS485总线采用二线方式，为保持总线平衡传输需要在传输线两端并接一个电阻。 由于RS-485无标准通信协议，协议应自定义，RS-485总线的协议制定和软件编程对系统传输的可靠性有很大影响。另外RS-485总线是异步半双工的通信总线，在某一个时刻，总线只能呈现一种状态，所以这种方式一般适用于主机对分机的查询方式通信，总线上必然有一台始终处于主机地位的设备在巡检其它的分机。因此采用RS-485总线连接的多个站点，任意时刻只能有一个站点在“说”，其它站点只能处于“听”状态。如果有多于1个的站点在“说”，数据将在通信总线上碰撞，结果使处于接收状态的站点收不到正确的数据。为保证数据传输质量，对每个字节进行校验的同时，应尽量减少特征字和校验字。所以需要制定一套合理的通信协议来协调总线的分时共用。这里采用的是数据包通信方式，通信数据是一帧或一包地发送，每包数据都有引导码、长度码、地址码、命令码、内容、校验码等部分组成。其中引导码是用于同步每一包数据的引导头；长度码是这一包数据的总长度；命令码是主机对分机(或分机应答主机)的控制命令；地址码是分机的本机地址号；“内容”是这一包数据里的各种信息；校验码是这一包数据的校验标志，采用和校验方式。 为了可靠的工作，在RS-485总线状态切换时需要做适当延时，再进行数据的收发。具体的做法是在数据发送状态下，先将控制端置“1”，延时lms左右的时间，再发送有效的数据，一包数据发送结束后再延时lms后，将控制端置“0”。这样的处理会使总线在状态切换时，有一个稳定的工作过程。通讯速率快慢在我们通讯系统中是以波特率的高低来衡量。在选择通讯系统时我们选择的原则是：距离短可以选择较高的波特率，距离长则选择较低的波特率。当我们选择较低的波特率时，如果发现比正常速度（同样波特率相比较）慢得多，很可能线路已受到干扰，数据校验经常出错，不断重传，造成通讯速度特慢，此时应检查网络是否采取本文所提到的抗干扰措施，同时还可以采取提高通讯波特率的方法，以快速通过线路的方式，减少干扰的影响。 RS485是采用平衡式（差分式）线路，对同时出现在两条信号线DATA+和DATA-的干扰有较强的抑制能力，当两条线绞在一起时，对通讯各种分布参数耦合过来的干扰信号则可平均地分配到这两条线上，因此对RS485的平衡式线路而言，用双绞线可获得抗干扰能力。因此，建议采用无屏蔽的双绞线，如果有条件可采用屏蔽双绞线，但屏蔽线两端要接好地，才有屏蔽效果。如果距离较短，可采用一般的电话线。如果线中有多股双绞线，应采用其中一对双绞线；如果距离较长时，网线的电阻不容忽视，网线存在的电阻会使信号衰减，降低网络通讯的可靠性。因此距离较长，应选用铜芯较粗的绞线，理论上讲一根线两端电阻不应超80。 3.3.4报警（1） 电路组成：报警电路将扬声器接于PNP三极管的发射极，在基极与集电极之间接有一个10K电感，基极电感为1K。电路如图8所示：图8 报警电路（2）电路工作原理：红外接收传感器接收到反射回来的红外光，通过光强转换的电压可判断出可移动机器人与障碍物之间的距离，当可移动机器人与障碍物之间的距离到达危险距离时，通过软件编程实现，由Atmega16单片机给报警电路的输入口输出一个电压信号，这时PNP三极管导通，有电流流过扬声器，使扬声器发出报警信号。3.3.5 键盘(1)电路组成:我们将键盘设定为对下载数据进行复位,所以键盘输入单元采用独立式键盘，由3个按键组成，其中两个按键与Atmega16芯片的PB5、PB6口相接，另一个按键与Atmega16芯片的RESET口相接。电路如图9所示：图9 键盘（2）电路工作原理：键盘在下载出现问题或芯片需要复位时，可通过程序设定进行复位。3.3.6 电源 1电路组成：该稳压电源由变压电路、整流电路、滤波电路、和稳压电路四大部分组成。电路图如图10所示： 图10 电源2电路工作原理：该电路为交直转换电源电路，首先，由变压器将市电220V交流电变成9V的交流电，再经单相桥式整流电路将交流电变为所需要的直流电，后再经滤波电路、7805稳压器把不稳定的直流电压变为稳定的直流5V电压输出，供整个红外测距模块使用。3各部分的工作原理：1. 单相桥式整流电路a) 桥式整流电路如图11所示，4个整流二极管组成一个电桥，变压器的次级和电容C5分别接到电桥的两个对角线的两端，b) 桥式整流工作原理当变压器的次级处于正半周期时，二极管VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，当变压器的次级处于负半周期时，二极管VD2、VD4导通， 图11 整流桥电路截止VD1、VD3，R1上所加电压为U0，经整流后，电流由交流电变为直流电。以上分析可知，桥式整流电路的整流平均值比半波整流时增加1倍，即通过负载电阻的直流也增加1倍，即 因为每两个二极管串联轮换半个周期，因此，每个二极管中流过的平均电流只有负载电流的一半，即 整流二极管承受的最大反向电压 因为单相桥式整流电路在变压器次级电压相同情况下，输出电压平均值高，脉动系数小，虽然二极管用了4个，但小功率二极管体积小，价格低廉，因此全波桥式整流得到广泛应用。2. 滤波电路a) 整流输出的电压是一个单方向脉动电压，虽然是直流，但脉动较大，为了得到平滑的直流电压波形，必须采用滤波电路，以改善输出电压的脉动性，常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、复式滤波等，此处采用电容滤波。b) 单相半波整流电容滤波电路如图所示，由于电容两端电压不能突变，因而负载两端的电压也不会突变，使输出电压得以平滑，达到滤波目的。3. 7805稳压电路a) 通过整流滤波电路所获得的直流电源电压是比较稳定的，当电网电压波动或负载电流变化时，输出电压会随之改变。电子设备一般都需要稳定的电源电压。如果电源电压不稳定会引起直流放大器的零点漂移、交流燥声增大、测量仪表的测量精度降低等。因此，必须进行稳压，目前，中小功率设备中广泛采用的稳压电源有并联型稳压电源、串联型稳压电源、集成稳压电路及开关型稳压电路。在此电路中我们采用集成稳压器7805b) 7805稳压电路如图12所示，型号7805稳压器中，78表示输出为正电压值，05表示输出电压的稳定值。输入端电容C3用来减小输入电压中的波纹。输出端电容C4用来改善瞬态负载响应特性。因为要求输出电压为5V，所以选择7805集成稳压器。图12 7805集成稳压电路3.3.7 LED显示说明（1） 电路组成：LED动态显示电路如图13所示，其控制字接口与Atmega16芯片的PA0PA7管脚相接，其控制位接口与Atmega16芯片的PC0PC3管脚相接。 图13 LED动态显示电路（2） 电路工作原理：单片机应用系统中常使用LED作为显示器,在需多位LED显示时,为了简化电路,降低成本,常将所有门的选线并联在一起,由一个8位I/O口控制,而共阴(阳)I/O线受控制,实现各部分时选通。显示单元由4个8段数码管组成，为了减少整个系统的功耗，采用了由单片机软件译码，动态显示，实时显示每个断点到起点的距离以及整个运行过程的时间。在红外测距系统中，我们采用LED共阳型接法， LED动态显示可移动机器人与障碍物