红外线概述___avr单片机论述___红外测距

目录摘要1ABSTRACT21绪论311红外线概述3111红外线简介3112红外传感器的分类5113红外传感器的应用812AVR单片机概述8121AVR单片机及其发展8122AVR系列单片机的优势9123ATMEGA16单片机简介132红外测距的工作原理及基本结构1721红外线测距发射与接收器件介绍1722红外线测距的工作原理2123红外线测距的基本结构223红外测距的硬件设计2331红外测距的实现构想2332系统硬件结构电路图2433各硬件电路设计24331红外发射电路24332红外接收电路25333RS485通讯28334报警31335键盘31336电源31337LED显示说明35338ATMEGA16单片机364红外测距的软件设计3841系统软件结构框图3842各程序设计函数说明39421主程序模块39422设定输入/输出引脚41423A/D转换模块42424LED动态扫描显示模块43425UART操作的基本函数44426键盘处理模块4543误差分析48结论49谢辞50参考文献51摘要在可移动机器人避障系统中，一般采用超声波测距和红外来实现避障，但因为超声波测距存在盲区问题，所以在与障碍物距离达到一定范围时，将不能很好的实现避障，相反，红外测距的探测距离较短，一般在几十厘米之内，它可以在一定程度上弥补超声波近距离无法测量的缺点。因而为了提高可移动式机器人的躲避障碍物的能力，在该设计中，以AVR单片机为核心，设计了一种基于ATMEGA16芯片的红外测距模块。首先，在绪论中，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。其次，阐述了与红外测距的工作原理基本结构，对红外测距的发射与接收器件也做了详细说明。再次，介绍了红外测距的硬件设计和软件设计。在硬件设计中，介绍了红外测距实现的构想，给出红外测距硬件电路原理图，并说明了红外发射驱动电路、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和误差分析。最后，是对整个设计的结论，说明了红外测距的可行性。关键字红外线；AVR；ATMEGA16ABSTRACTABSTRACTINTHEMOBILEROBOTOBSTACLEAVOIDANCESYSTEM,INGENERAL,ULTRASONICANDINFRAREDRANGETOACHIEVEOBSTACLEAVOIDANCE,BUTBECAUSETHEREULTRASONICRANGINGBLINDSPOT,SOTHEDISTANCEBARRIERANDREACHACERTAINSCOPE,WOULDNOTACHIEVEVERYGOODOBSTACLEAVOIDANCE,ONTHECONTRARY,THEINFRAREDRANGEDETECTIONSHORTERDISTANCES,GENERALLYWITHINTENSOFCENTIMETERS,ITCANTOSOMEEXTENTMAKEUPFORASHORTDISTANCECANNOTBEMEASUREDULTRASONICFLAWTHUSTOENHANCEMOBILEROBOTOBSTACLEAVOIDANCECAPABILITYINTHEDESIGN,AVRMICROCONTROLLERCORE,BASEDONTHEDESIGNOFACHIPATMEGA16RANGEOFINFRAREDMODULESFIRST,THEOVERVIEWONTHEINFRAREDANDINFRAREDSENSORSANDTHEAPPLICATIONOFTHECLASSIFICATION,THEAVRSERIESOFDEVELOPMENTANDAPPLICATION,ESPECIALLYFORATMEGA16CONDUCTEDSECONDLY,EXPOUNDEDTHEINFRAREDRANGEWITHTHEWORKINGPRINCIPLEOFTHEBASICSTRUCTURERANGINGOFTHEINFRAREDEMISSIONANDRECEIVINGDEVICESHAVEALSODONEADETAILEDDESCRIPTIONAGAIN,INTRODUCEDTHEINFRAREDRANGEOFHARDWAREDESIGNANDSOFTWAREDESIGNINHARDWAREDESIGN,INTRODUCEDTHEINFRAREDRANGETOACHIEVETHEVISIONISINFRAREDRANGEOFHARDWARECIRCUITANDTHATTHEINFRAREDTRANSMITTERDRIVERCIRCUIT,INFRAREDRECEIVERDRIVENCIRCUIT,RS485COMMUNICATIONS,ALARMCIRCUITS,KEYBOARD,POWERSUPPLYCIRCUIT,LEDDISPLAYCIRCUITANDATMEGA16PINASSIGNMENTSFINALLY,ITISTHEWHOLEDESIGNTOTHECONCLUSIONTHATTHEINFRAREDRANGEOFFEASIBILITYKEYWORDSINFRARED；AVR；ATMEGA161绪论11红外线概述111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的频谱范围之内。相对应的频率大1075致在之间，红外线与可见光、紫外线、射线、射线和11403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。为近红外区，为中红外区，为远37030103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）发出的是峰值波长之间的近红外光，红外接收器件（光敏二极管、光敏三极管）9408的受光峰值波长为之间，恰好与红外发光二极管的光峰值波9408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。红外遥控的优点1采用红外线发光二极管，结构简单，易于小型化，且成本底。2红外线调制简单，依靠调制信号编码可实现多路控制。3红外线不能通过阻挡物，不会产生信号串扰等误动作。4功率消耗小，反映速度快。5对环境无污染，对人、物无损害。6抗干扰能力强，工作可靠。红外辐射的基本定律1基尔霍夫定律基尔霍夫定律指出，一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能。如果几个物体处于同一温度场中，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领，这就是基尔霍夫定律，可由下式表示式中物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能；物体的吸收系数；常数，其值等于黑体在相同条件下发出的辐射能。2斯蒂芬玻尔滋蔓定律物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单位面积辐射的总能量为4式中物体的绝对温度，273K；斯蒂芬玻尔滋蔓常数，；42/106758KW比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领的比值，黑体的。13维恩位移定律热辐射发射的电磁波中包含各种波长。实验证明物体峰值辐射波长M与物体自身的绝对温度T成反比。即/2897M该式称为维恩位移定律。红外传感器（也称为红外探测器）是能将红外辐射能转换为电能的光敏器件，它是红外探测系统的关键部件，它的性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。因此，选择合适的、性能良好的红外传感器，对于红外探测系统是十分重要的。112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）C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）U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，响应波段可达左右，时间常数小，响应速度7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。113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。12AVR单片机概述121AVR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RISCREDUCEDINSTRUCTIONSETCPU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。IAP的功能使得我们可以用任何AVR的接口（包括接口的扩展和延伸，比如串口控制GPRS模块而变成无线接口）在应用中更改程序，从而使系统灵活性更大。TINY虽然功能小，不过速度可不低。TINY系列一样能够工作于16MHZ，接近16MIPS的运算速度，所有的AVR单片机都支持ISP。其中MEGA16、MEGA32、MEGA64、MEGA128、MEGA162、MEGA169这些型号和一些和它们兼容的旧型号支持JTAG仿真。现在又有了MEGA48,MEGA168等新的型号支持DEBUGWIRE是单线的JTAG仿真器。其它的单片机如果需要调试器，就需要ICE了，价格一般还是比较贵的。整个开发环境还没有集成到一起。因此必须分开说了。调试程序一般使AVRSTUDIO这是ATMEL自己的调试环境，也是免费的可以到他们的网站下载。这个调试环境支持软件模拟（就是程序不能下载到单片机，只是在计算机中模拟运行），JTAG调试，和ICE调试。同时能够处理汇编代码。自由软件的GDB可以模拟和调试AVR单片机，不过我们还没有学会。汇编器AVRSTUDIO已经有了就不多说了。接着一个重要的开发环境是C编译器，现在有很多种。最贵的，据说最好的是IAR，太贵了国内用的人不多。还有ICC、CODEVISION都是商业软件。我们没有怎么用过。他们的网站也都有一定代码量限制的使用版可以使用。我们使用的编译器是自由软件AVRGCC，当然它是免费的。它的使用还是比较复杂，我们准备写一本这方面的书了，这里不多介绍。最后就是下载程序的软件AVRSTUDIO自己带一个AVRISP软件可以通过串口下载程序，JTAG接口也会把程序下载到支持JTAG的单片机中。ISP的软件也不只一种，我们常用的是POLYPRO，也是免费软件。使用还是很方便的，具体的使用要说也比较多，大家先知道一下吧。下载线，JTAG仿真器可以买，也可以自己做。这方面的资料也比较多，网上搜索就会很有收获。我们做了这方面的工作，下载线，串口JTAG仿真器，USB接口JTAG仿真器都有了。122AVR系列单片机的优势单片机种类很多，在简易机器人制作和创新中，为什么选用AVR单片机呢一、进入AVR单片机门槛低一线打天下1反复擦写，无报废产品。AVR单片机的程序存储器是用FLASH闪烁存储器像闪电一样快或称快速擦写构成的,可擦写1000次以上,新工艺AVR器件,程序存储器的擦写可达1万次以上,不再有报废品产生。有的单片机,只能烧录一次,不能更改,烧录错了产品就报废。2有多种编程方式。AVR程序写入可以并行写入用万用编程序器,也可用串行ISP通过PC机RS232口或打印口在线编程擦写。也就是说可以不必将IC芯片拆下拿到万用编程上擦写,而可直接在电路板上进行程序修改、烧录等操作,方便产品升级。ISP、JTAG这是今后单片机编程的发展方向。3有多种免费编程语言供选择。青少年学习单片机用什么语言编程也是至关重要。有一种台湾及国产的用宏指令方法设计的单片机学习板,优点简单易学,适合小学生用缺点不可搞复杂控制,与大专院校学习单片机知识不衔接,又要从头开始学习,人们称这是不论不类的语言,与现实社会科研应用不能接轨。4有多种器件供选择。AVR单片机系列齐全,可适用于各种不同场合的要。AVR有三个档次低档TINY系列AVR单片机主要有TINY11/12/15/26/28等；中档AT90S系列AVR单片机主要有AT90S1200/2313/8515/8535等；高档ATMEGA系列AVR单片机主要有ATMEGA8/16/32/64/128,ATMEGA8515/8535等。AVR器件价格从几元到近百元,引脚从8脚到64脚,还有各种不同封装供选择。5有多种开发实验器配合你学习开发。双龙电子的散件组装SLDIY021AVR单片机积木化开发实验器,提供了一个廉价的学习AVR单片机的软件、硬件开发平台,通过自己组装单片机实验器硬件,只要接上PC机及5伏直流电源,他什么事都能做,是青少年参加电子大奖赛的廉价工具及助手。双龙电子还有各种配套积木化应用板供选择SLDIY022组态开发板,SLDIY023带A/D开发实验板,SLDIY026机器人板具有多个红外传感器、光电传感器、接触传感器、稳压滤波电路、直流减速电机及驱动电路、电池匣、遥控接口遥控为选件,SLDIY021接口插座等。SLDIY021或3开发实验板,插在SLDIY026机器人板插座上,组成SL积木式机器人。二、AVR是属高速单片机1一个时钟周期执行一条指令。AVR是高速单片机硬件应用哈佛结构,具有预取指令功能,即在执行一条指令时,预先把下一条指令己取进来,使得指令可以在一个时钟周期内执行。2多累加器型、数据处理速度快。超功能精简指令具有32个通用工作寄存器,相当于有32条立交桥,可以快速通行。相当多的单片机只有一个累加器,就像一条独木桥,什么事都要通过累加器,真是又累又慢,吃力不讨好,速度快不了。AVR单片机系列中有128B到4KB的SRAM静态随机数据存储器,可灵活使用指令运算,存放数据。3中断响应速度快。AVR像8051一样,有多个固定中断向量入口地址,可快速响应中断。而PIC只有一个中断入口,要查询后才能响应中断,失去了最佳响应中断时间。4高级C语言编程效率高。从高级语言C代码完成同一任务实例比较,8MHZAVR速度要相当224MHZ80C51,AVR比80C51快28倍。看各种单片机性能比较68HC11代码效率高，但是处理能力只有AVR的1/10，功耗却高25倍PIC速度快,但是在相同功耗下AVR性能比其高35倍三、AVR是低功耗单片机具有休眠省电功能POWERDOWN及闲置IDLE低功耗功能。一般耗电在125MA,典型功耗情况,WDT关闭时为100NA,更适用于电池供电的应用设备。四、高度保密LOCK,可保护你的科研成果不可破解的位加密锁LOCKBIT技术；不像有的单片机那样可通过电子显微镜看到保密位方式破解；FLASH保密位单元深藏于芯片内部,无法用电子显微镜看到保密位；可多次烧写的FLASH且具有多重密码保护锁死LOCK功能,因此可快速完成产品商品化,并可多次更改程序产品升级而不必浪费IC芯片或电路板,大大提高产品质量及竞争力。五、I/O口功能强、驱动能力大,1个I/O口,至少可驱动3只伺服电机。AVR的I/O口是真正的I/O口,能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。I/O口有输入/输出,三态高阻输入,也可设定内部拉高电阻作输入端的功能,便于作各种应用特性所需多功能I/O口。工业级产品具有大电流灌电流1040MA,可直接驱动可控硅SSR或继电器,节省了外围驱动器件。六、具有A/D转换电路,可作数据采集闭环控制AVR内带模拟比较器,I/O口可作A/D转换用,可组成廉价的A/D转换器。AT90S4434/8535具有8路10位A/D；AT90S2333/4433具有6路10位A/D；功能更强的ATMEGA128有FLASH128KB,EEPROM4KB、RAM4KB、I/O端口48个、中断源16个、外中断8个、SPI,UART、8路10位A/D、ISP。七、有的AVR单片机可组成零外设元件单片机系统AT90S1200/2343/ATTINY15/ATMEGA8等部分AVR器件具有内部RC振荡器，18MHZ的工作频率,使该类单片机成为无外加元器件即可工作,就是一片芯片,可谓简单方便又省钱,作加密器件使用更妙。八、单片机工作可靠性强可重设启动复位。AVR系列有内部电源开关启动计数器,可将低电平复位/RESET直接接到VCC端。当电源开时,由于利用内部RC的看门狗定时器,可延迟MCU启动执行程序。这种延时使I/O口稳定后执行程序,以提高单片机工作可靠性。有的AVR单片机还有复位电压调节功能供选择,适用于单片机使用不同电源电压的场合。有看门狗定时器WDT,安全保护,防止程序走乱飞,提了高产品的抗干扰能力。工作电压范围宽2760V,电源抗干扰性强。AT90LXX为低电压器件2760V,AT90SXX电压为4060V,最低器件ATTINY12己到18V55V。九、有功能强大的计数器/定时器C/T计数器/定时器,有8位和16位,可作比较器计数器外部中断和PWM也可当D/A用于控制输出,有的有34个PWM,作电机无级调速是理想器件。十、有异步、同步串行通讯接口有串行异步通讯UART接口,不占用定时器和SPI同步传输功能,因其高速故可以工作在一般标准整数频率,而波特率可达576K。十一、AT90S4414/AT90S8515具有可扩展外部数据存储器达64KB。它们的引脚排列及功能与8051相似,即可替代替8051系列单片机8751或8752的应用系统。仅差复位电平,只需对调复位电阻、电容位置。还增加很多新功能,WDT,A/D,PWM等。十二、并具有较大容量、可擦写10万次的EEPROM,对掉电后数据保存带来方便,来电后能记住掉电时的工作状态,EEPROM64B4KB。十三、ATMEGA16/32/64/128等单片机,还具有JTAG边界扫描芯片内部功能检测、仿真、编程功能,大大降低了单片机开发成本。十四、单片机可做硬件软化,软件硬化。电子设计、电子制作、智能电子、机器人制作等，化很少钱就可用AVR单片机来方便、简捷、快速、高效完成。123ATMEGA16单片机简介ATMEGA16是基于增强的AVRRISC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PAPA7PA0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BPB7PB0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CPC7PC0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PC5TDI、PC3TMS与PC2TCK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DPD7PD0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ISPFLASH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APPLICATIONLASHMEMORY。在更新应用FLASH存储区时引导FLASH区BOOTFLASHMEMORY的程序继续运行，实现了RWW操作。通过将8位RISCCPU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21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F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F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P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。P4反向漏电流R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最高工作频率为几十。S76103红外发光二极管使用事项及简易测试（1）争相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RX1K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01A。（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02A03A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088M094M。3光敏二极管的简单测试（1）电量测量法一般用万用表RX1K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05V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03V04V，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BC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。MW10（2）最高工作电压UBRCE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KR1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A30A305可达122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。各种测距方法很多,目前应用较多的主要有PSD测距法、超声时间法、带运动机构的双象比较法和反射能量法。PSD测距法利用三角测距原理,用一种称之为位置敏感器件POSITIONSENSITIVEDEVICE的PSD元件来获得二路输出信号,根据这二路信号来获得物体的距离量值。超声时间法测量一束超声波从发射到反射回仪器的时间来判断被测距离。带运动机构的双象比较法则比较复杂,系统中有二套光路对被测物体成像，其中一套光路是经过可运动的反光镜获得的,接收系统及时比较二套光路来的图像,当二者一致时,就可根据可运动反光镜的位置来获得物体的距离信息。反射能量法中仪器发射一束光通常是近红外光照射到被测物体表面,仪器同时接收被测物体的反射光能量,根据接收到的反射光能量来判断被测物体的距离。我们在红外测距系统就是采用反射能量法。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，据此判断前方是否有障碍物。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。23红外线测距的基本结构在自主移动机器人的实时避障和路径规划过程中，机器人须依赖于外部环境信息的获取，感知障碍物的存在，测量障碍物的距离。目前，机器人避障和测距传感器有红外、超声波、激光及视觉传感器。激光传感器和视觉传感器价格贵，对控制器的要求较高，因而，在移动机器人系统中多采用红外及超声波传感器。越障机器人在行进过程中需要不断地获取关于前方障碍的信息，从而对机器人进行有效地控制。由于机器人体积小，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MCUATMEGA16红外发送电路红外接收电路报警RS485LED显示键盘接口图23红外测距的硬件设计31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。32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、下载接口、键盘、报警电路与LED显示器构成。硬件结构电路图如图3所示图3硬件结构电路图33各硬件电路设计331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332红外接收电路1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2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1FFA求对的导数，得FA21FDF即