基于stm32的红外测距系统设计

基于STM32的红外测距系统设计摘要随着现代科学技术的发展，出现了很多新的领域，为了实现对物体近距离、高精度的无线测量，本论文对红外测距领域进行了研究。本论文采用单片机作为处理器，编写A/D转换程序及LCD显示程序，红外传感器作为工作模块，完成一套高精度显示、实时测量的红外测距系统。本系统结构简单、体积小、测量精度高、成本低、方便使用。本论文所介绍的是一种基于STM32单片机并运用日本夏普公司型号为GP2Y0A21的红外传感器所设计的红外测距系统。首先，介绍红外线及红外传感器的分类及应用、STM32单片机的简介与功能；其次，阐述红外测距系统工作原理及基本结构并对单片机、红外传感器、LCD液晶显示屏的工作电路做了介绍；再次，对系统进行了整体设计构想，先后对系统硬件及软件进行设计，并对整个系统的功能进行了调试。最后对整个设计进行总结，说明红外测距系统实现的可行性。关键词红外测距；单片机；A/D转换；LCDSTM32BASEDINFRAREDRANGINGSYSTEMDESIGNABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFMODERNSCIENCEANDTECHNOLOGY,THEREAREMANYNEWAREAS,INORDERTOACHIEVETHEOBJECTCLOSERANGE,HIGHPRECISIONWIRELESSMEASUREMENT，THISTOPICOFINFRAREDRANGINGISSTUDIEDTHISTOPICUSINGSCMASTHEPROCESSOR,TOWRITEA/DCONVERTERANDLCDDISPLAYPROGRAM,ANINFRAREDSENSORASAWORKINGMODULE,COMPLETESETOFPRECISIONDISPLAY,REALTIMEMEASUREMENTOFINFRAREDRANGINGSYSTEMTHISSYSTEMHASTHEADVANTAGESOFSIMPLESTRUCTURE,SMALLSIZEANDHIGHACCURACY,LOWCOSTANDCONVENIENTUSETHISPAPERINTRODUCEDISBASEDSTM32MICROCONTROLLERANDUSEOFJAPANSSHARPCORPORATIONMODELGP2Y0A21INFRAREDSENSORDESIGNEDINFRAREDRANGINGSYSTEMFIRSTLY,INTRODUCETHECLASSIFICATIONANDAPPLICATIONOFINFRAREDDISTANCEMEASUREMENT，ITALSOINTRODUCESTHEFUNCTIONOFSTM32MICROCONTROLLERTHENILLUSTRATETHEWORKTHEORYANDBASICSTRUCTUREOFITANDINTRODUCETHELCDSCREENANDWORKCIRCUITAGAIN,THESYSTEMHASCARRIEDONTHEOVERALLDESIGNIDEA,SUCCESSIVELYONTHESYSTEMHARDWAREANDSOFTWAREDESIGN,ANDPROBESINTOTHEFUNCTIONOFTHEWHOLESYSTEMDEBUGGINGFINALLY,SUMMARIZETHEENTIREDESIGNTOILLUSTRATETHEFEASIBILITYOFINFRAREDDISTANCEMEASUREMENTKEYWORDSINFRAREDRANGE,SCM,A/DCONVERTER,LCD目录摘要IABSTRACTII第1章绪论411课题研究背景及意义412本论文主要研究内容4第2章红外测距系统硬件设计621红外测距系统的工作原理6211时间差法测距原理6212反射能量法测距原理6213相位法测距原理6214三角法测距原理722红外测距系统的基本结构7221红外传感器模块8222单片机处理模块9223LCD显示模块1623本章小结17第3章红外测距系统的软件设计及功能调试1831红外测距系统工作流程1832软件程序设计1933硬件功能调试1934软件功能调试2035测量数据绘图2036本章小结23结论25致谢26参考文献27附录A29附录B35附录C38第1章绪论11课题研究背景及意义随着科学技术的不断发展，在测距领域也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方式。激光测距是以激光为传输信号对目标物体进行精确的测量。激光测距在工作开始瞬间向物体发射出一束很细的激光，并由接受端接收物体反射回来的激光束，同时计时器通过测定激光束从发射到接收的时间进而计算出从测量者到物体的距离。该方法对使用环境要求较高，应用范围较少。微波雷达测距是军事和工业上开发采用的技术，其技术要求严格和设备价格非常之高，在民用市场上几乎得不到应用。超声波测距原理与激光测距原理相似，只不过是以声音为传输介质，但是此方法灵活性差、组件造价相对昂贵，在市场开拓空间并不大。作为一种应用广泛、测量精度高的测量方式，红外测距利用红外线传播时不扩散、折射率小的特性，根据红外线从发射模块发出到被物体反射回来被接受模块接受所需要的时间，采用相应的测距公式来实现对物体距离的测量。红外测距最早出现于上世纪60年代，是一种以红外线作为传输介质的测量方法。红外测距的研究有着非比寻常的意义，其本身具有其他测距方式没有的特点，技术难度相对不大，系统构成成本较低、性能良好、使用方便、简单，对各行各业均有着不可或缺的贡献，因而其市场需求量更大，发展空间更广。红外测距仪是指用调制的红外光进行精密的距离测量，测量范围一般为15公里，在100米以内的范围内则超声波测距更有优势，但是超声波测距无法检测到1米以内的区域距离，而红外测距可以精准的测出这一段距离，本论文研究的就是这一种情况的红外线测距。12本论文主要研究内容红外线别名红外光或者热辐射线，是一种波长比红色可见光（约）较长、比微波（约）较短的电磁波。以波长长度为基准，475101红外线可分为三部分，即近红外线是波长为之间；3307510中红外线是波长为之间；远红外线是波长为3204之间。物质本身温度在不低于绝对零度（27315）的情2况下均可以产生红外线。它不能引起人的视觉反应，有显著的热效应（易被物体吸收而转化为内能）。能产生反射、折射、干涉、衍射等光学现象。不易被云雾等悬浮微粒散射而具有较强的穿透力。凭借着诸多优点，红外线在军事、人造卫星以及工业、卫生、科研等工作领域方面的应用日益广泛，有着不可替代的作用及研究价值。红外测距传感器是以红外线为传输介质的精确测量系统，主要应用于现代科学技术、国防军队建设、工业和农业等领域。按照其功能可以分为五种类型（1）辐射计，又称“发射计”，是一种用于电磁辐射和光谱测量的装置。（2）搜寻和锁定系统，具有寻找和锁定红外目标的功能，确定其空间位置并对它的运动进行追踪。（3）热成像系统，通过辐射的分布图像。（4）红外测距系统。（5）综合系统，是集于两个或者多个的系统功能的组合系统。本论文选用的红外测距传感器GP2Y0A21是由日本夏普公司推出的一款性价比高、最常用的红外测距传感器，与其前身GP2D12相比，测量射程相同，但探测面积略有增加，可用来对物体的距离进行测量。具有体积小、功耗低、价格便宜等优点，而且测量效果好适合在小范围内高精度测量物体的实时距离。红外传感器GP2Y0A21技术规格如表1所示。表1红外传感器GP2Y0A21技术规格测量射程范围1080CM最大允许角度40电源电压4555V平均功耗3340MA峰值功耗200MA更新频率/周期25HZ/40MS模拟输出噪声2/12位AD转换为10位AD/DISTANCE10485/AVERAGE_ADC54FLOAT_DISTANCE1/ADC0000095400005024SUM_DISTANCEFLOAT_DISTANCEIF10IFLOAT_DISTANCESUM_DISTANCE/10DISPLAY_DISTANCE10,1,FLOAT_DISTANCEPRINTF“滤波后的距离32FCMN“,FLOAT_DISTANCESUM_DISTANCE00I0ADC1FLOATADC33/4096/PRINTF“RN电压值22FVRN“,ADC1/PRINTF“当前距离DCMN“,DISTANCE/PRINTF“AD转换值DN“,ADC/PRINTF“实时距离31FCMN“,FLOAT_DISTANCE/DISPLAY_DISTANCE10,1,FLOAT_DISTANCEIDELAY_MS100INCLUDE“ADCH“/函数名ADC_CONFIG功能ADC初始化/VOIDADC_CONFIGVOIDADC_INITTYPEDEFADC_INITSTRUCTUREGPIO_INITTYPEDEFGPIO_INITSTRUCTURERCC_APB2PERIPHCLOCKCMDRCC_APB2PERIPH_ADC1|RCC_APB2PERIPH_GPIOA,ENABLE/打开ADC1时钟，打开GPIOC时钟GPIO_INITSTRUCTUREGPIO_PINGPIO_PIN_7/PA7配置成模拟输入模式GPIO_INITSTRUCTUREGPIO_MODEGPIO_MODE_AINGPIO_INITGPIOA,ADC_INITSTRUCTUREADC_MODEADC_MODE_INDEPENDENT/独立模式ADC_INITSTRUCTUREADC_SCANCONVMODEENABLE/连续多通道模式ADC_INITSTRUCTUREADC_CONTINUOUSCONVMODEENABLE/连续转换ADC_INITSTRUCTUREADC_EXTERNALTRIGCONVADC_EXTERNALTRIGCONV_NONE/模数转换由软件启动ADC_INITSTRUCTUREADC_DATAALIGNADC_DATAALIGN_RIGHT/ADC数据右对齐ADC_INITSTRUCTUREADC_NBROFCHANNEL1/扫描通道数，从1到16ADC_INITADC1,ADC_REGULARCHANNELCONFIGADC1,ADC_CHANNEL_7,1,ADC_SAMPLETIME_71CYCLES5/通道PA7，采用时间为555周期，1代表规则通道第一个ADC_CMDADC1,ENABLE/使能ADC1ADC_SOFTWARESTARTCONVCMDADC1,ENABLE/使能ADC1_7软件转换开始U16GET_ADVOIDWHILEADC_GETFLAGSTATUSADC1,ADC_FLAG_EOC/检测转换结束标志位，等待转换结束RETURNADC_GETCONVERSIONVALUEADC1/返回最近一次ADC1规则组的转换结果INCLUDE“LCD1602H“INCLUDE“SYSTICKH“INCLUDE“GPIOH“INCLUDE/判忙函数/U8LCD_CHECK_BUSY/U8READVALUEGPIO_WRITEGPIOC,0XFFRS_CLRDELAY_US1RW_SETDELAY_US1DOEN_CLRDELAY_US200EN_SETDELAY_US200WHILEGPIOCIDRRETURNU80/LCD写命令/VOIDLCD_WRITE_COMUNSIGNEDCHARCOM/WHILELCD_CHECK_BUSY/EN_CLRDELAY_US1RS_CLRDELAY_US1RW_CLRDELAY_US1GPIO_WRITEGPIOC,COMDELAY_US500EN_SETDELAY_MS1EN_CLRDELAY_US100/LCD写数据/VOIDLCD_WRITE_DATACHARDATAWHILELCD_CHECK_BUSYEN_CLRDELAY_US1RS_SETDELAY_US1RW_CLRDELAY_US1GPIO_WRITEGPIOC,DATADELAY_US500EN_SETDELAY_MS1EN_CLRDELAY_US100/清屏/VOIDLCD_CLEARVOIDLCD_WRITE_COM0X01DELAY_MS5/LCD写字符串/VOIDLCD_WRITE_STRINGUNSIGNEDCHARX,UNSIGNEDCHARY,CHARSIFY0LCD_WRITE_COM0X80XELSELCD_WRITE_COM0XC0XWHILESLCD_WRITE_DATASSDELAY_US500/LCD写字符函数/VOIDLCD_WRITE_CHARUNSIGNEDCHARX,UNSIGNEDCHARY,UNSIGNEDCHARDATAIFY0LCD_WRITE_COM0X80XELSELCD_WRITE_COM0XC0XLCD_WRITE_DATADATADELAY_US500/LCD初始化/VOIDLCD_INITVOIDDELAY_MS15LCD_WRITE_COM0X38DELAY_MS5LCD_WRITE_COM0X38DELAY_MS5LCD_WRITE_COM0X38DELAY_MS5LCD_WRITE_COM0X38DELAY_MS5LCD_WRITE_COM0X08DELAY_MS5LCD_WRITE_COM0X01DELAY_MS6LCD_WRITE_COM0X06DELAY_MS5LCD_WRITE_COM0X0CDELAY_MS5/函数功能在指定位置显示距离输入坐标，距离值/VOIDDISPLAY_DISTANCEUNSIGNEDCHARX,UNSIGNEDCHARY,FLOATNUMBERCHARNUM10CHARSTRNUM/为指针分配栈上内存空间SPRINTFSTR,“42F“,NUMBERLCD_WRITE_STRINGX,Y,STR附录BOT06NRS7C_I/PD5U1AWK42389JMLEVFUHFYHZEADRGQTYXR810KC4ESTV3GNDQ2U5B67_AMOIWPLHEADRX/9JFYUTXD1R_N2S3V45I6G789C0HELKAPMOUQBUFYZ/ABCDEFGPJWTR外附录C文献翻译基于自动测距嵌入式CPU系统的车辆摘要基于车辆的光机电自动测距系统的结构和原理，在嵌入式CPU的基础上，本文有一个关于汽车测距系统的体系结构与设计和风险评估与决策的讨论和研究。嵌入式系统的解决方案已经得到了良好的实时性能，它可以促进该系统的数据处理能力。本文主要介绍了基于单片机的测距系统、硬件体系结构、软件体系结构和一些其他基于嵌入式系统的关键技术的测距系统等一些缺陷，它还引入了使用两个激光雷达光探测和测距方法的解决方案。一、介绍单片机广泛用于传统的控制系统。但随着科学技术和计算机的发展，发现单片机已经不能满足越来越多的综合性，多功能化，模块化的检测和控制系统的要求。嵌入式系统已经有了在未来控制系统发展趋势。在这里，我们采用了嵌入式的杰出系统之一LINUX。LINUX是一个小型的操作系统，只满足嵌入式系统的需求。它包括一个内核和指定的一些系统模块。小型嵌入式LINUX包括三个基础元素，包括引导程序，微内核，初始化过程。支持LINUX的CPU系统包括X86，ALPHA，SPARC，MIPS，PPC，ARM等。LINUX的存储设备不是传统的软磁盘或硬盘，而是ROM，紧凑型闪存，磁盘上的芯片系统或索尼的记忆芯片。内存储器可以使用通用存储器或特殊的RAM。相比较其他嵌入式系统，LINUX是不仅免费的，而且是一个开源项目。作为一个可定制的平台，LINUX应该是一种流行的嵌入式产品的系统被应用于许多公司。考虑到LINUX是开放性的、良好的支撑网络、稳定安全和其他一些优点，我们倾向于采用LINUX作为嵌入式系统的自动测距系统的车辆。因此，本文对基于LINUX系统的车载测距系统的研究。我们将详细分析了硬件设计、软件设计和相关的一些关键技术。二、基于单片机的测距系统道路车辆的不断增加，交通事故也日益增多。作为保护车辆运行的安全性的有效手段，车辆风险评估和决策的自动测距系统也应运而生，并逐渐发展起来。该系统是一种检测装置，它可以在碰撞发生之前给司机发出音频或视觉警告信号。它安装在车内，并及时检测障碍物和车辆，并且当之间的距离必要时，发送警告信号让司机采取为应对特殊情况的应急措施，如果必要的话，开始自动制动系统或触发器应急系统，以避免事故的发生。该系统的核心是迅速和准确地测量出车辆与障碍物之间的距离，并及时发送警告信号。如果一个自动制动刹车系统或一个安装气囊安全系统，它也可以自动处理高风险紧急1,2,3。基于传统的单片机测距系统被示为图1，它被脉冲触发并有激光头发出检测的光束，并且通过获得的反射光线和距离计算公式来实现。它可以完成的计算，但它也有一些缺陷，它很容易被外部噪声干扰。并且单片机数据处理能力较弱，脉冲频率受限制。因此，如果车辆在非常高的速度运行时，基于单片机测距系统可能过载并进行了错误的计算将其引导到一个错误的决定，这当车辆在高速运行时是很危险的。所以现在我们对基于嵌入式系统的测距系统的车辆进行探讨和研究。该系统是建立在MPC5200嵌入式微处理器，采用光机电一体化技术。首先介绍了车辆的风险评估和决策的自动测距系统的工作原理。其次对它的实用系统组成进行了分析。最后，提供了一个可行的结构自动测距系统的设计。三、主要工作原理A、嵌入式系统的体系结构车辆的自动测距系统主要由微处理器、功率组件、前探测器（左和右）、背面探测器（左和右）、警报部件和GUI界面。该体系结构示于图2。该控制模块由嵌入式微处理器子系统、电源部件、报警部件和GUI模块，它安装在转向室的仪器板的；两个前探测器安装在后视镜中的操舵室的左，右两侧的背面；两到四组探测器安装在汽车外侧及汽车的底部；主要控制模块，前端检测器和背面探测器与长线驱动器4,5,6相连。B、光机电一体化系统的工作原理前面和后面的检测器可用于测量发射脉冲到达障碍物并返回到控制模块的间隔。区别在于前面探测器发送时间间隔被嵌入式微处理器得到，而后面检测器发送时间间隔由一个HIS/HSO接口得到。该控制模块将根据间隔和距离确定危险水平，如果结果是在安全极限时，警报或安全保护系统将自动启动。由前、后、左、右探测器得到不同的报警方式和处理方法用于处理不同的情况。当该距离小于预定值时，系统发出报警信号；当距离小于所述高风险值，在系统启动的安全防护装置7,8,9。四、激光雷达测距系统A、系统结构的组成在现代科学领域，测距技术包括超声波测距，激光雷达测距波，红外线测距系统和卫星导航测距技术。考虑到精度和稳定性，我们采用激光雷达测距技术，并使用激光雷达作为实际测距成分10,11。实际工作系统包括激光测距激光雷、CPU、正面和背面环境检测激光雷达、液晶显示器、发送端和接端、车速传感器等，其工作原理如图3所示。测距和速度检测激光雷达安装在车辆的前部。系统编码和调制从半导体激光器发出的脉冲。激光雷达天线发射激光到障碍物或汽车，并接收由激光雷达的反射信号，则控制模块将信号解调得到的距离和方位。通过控制模块不断分析距离和方位数据，可以判断对象是否移动和移动物体的速度和距离还有风险水平，如果可能与对象发生碰撞，系统会发出警报信号，调整汽车的速度和行驶方向。该系统通过使用光切片法得到目标的距离。该系统包括一个CCD摄像机和激光装置。相机设置为一个固定的姿态和距离的激光设备。相机设置为一个固定的姿态和距离与激光装置之间。目标上的投影线由CCD照相机观察到。通过三角测量使用检测到的线得到的车辆的相对位置。该系统的分辨率取决于摄像机的分辨率的配置。B、硬件设计1、系统架构在的实际的硬件系统构成，嵌入式微处理器型号是MPC5200。飞思卡尔的高度集成，高性价比的MPC5200非常适合于网络，媒体，工业控制和汽车应用。它提供760MIPS与浮点单元（FPU），硬件内存管理单元（MMU）用于快速切换任务，多个I/O口，以及工作在一个功耗比的情况下。MPC5200服务运算网络媒体网关、网络访问存储、机顶盒、音频自动点唱汽车、互联网接入、工业自动化、图像检测/分析和电子/医疗器械市场。实时操作系统（RTOS）12,13和开发板与板级支持包（BSP）的可靠选择为用户提供了一个完整而灵活的解决方案。图4是实用的硬件结构。当激光雷达光学天线的反射信号被接收，编码、调制和解调之后，它被转换为电压信号，可以容易地被处理，并且该电压信号由A/D转换器转换，并通过I/O口发送到MPC5200。以同样的方式，从正面，背面，侧面环境条件探测器从不同方向获得的信息，并且将它们通过I/O电路发送到MPC5200处理。MPC5200与PCI显示模块或LCD连接，该信息可以通过液晶显示由交互式操作来实现。当系统检测到磁盘、主控制模块在测试风险水平时，然后发送报警信号，调整运行速度并紧急制动、弹出气囊或做一些其他的相关安全措施。一个典型的激光雷达的框图描述在图5中。所有组件必须是低成本项目，事实上，许多设计决策驱动。压控振荡器（VCO）通常用于调制的输出通过耿氏二极管发射器，一般消耗110毫瓦的电力。信号然后通过循环到天线。接收到的信号通过循环和混合到基带（通常在扩增前）、放大、滤波、数字化后发送到信号处理器和威胁评估处理器。该信号被直接混合到基带而不是更吸引人中频（IF）在为了最大限度地减少硬件和成本。目前大部分激光雷达工作正在集中内7677GHZ频段，有以下一些原因（1）这个频段很少被使用，相对于更多使用的60GHZ和94GHZ频带，（2）欧洲已经选择了这个频段是其整车激光雷达波段，（3）射频组件技术迅速成熟，（4）窄波束宽度是由一个合理的孔径尺寸实现的。此外，联邦通信委员会最近批准了7677GHZ频段（以及其他频段）在美国经营的汽车激光雷达系统。2、信号处理对于一个假想的激光雷达的信号处理流程示于图6。信号处理器的主要功能是检测并跟踪传感器探测的对象。数字化数据是从每个接收到的脉冲经由一维快速傅里叶变换，所致该天线波束宽度内的信息进行处理。小数量的连续型能量被集成，以提高信噪比。个别范围段进行比较的阈值，并与任何超过阈值能量的对象处理进一步确定范围和相对速度。这些输出，连同有关方位角位置（天线角度）都用于初始化或更新对象轨迹文件。跟踪文件的输出传递到威胁评估处理器，它决定了AICC（自主智能巡航控制）或函数FCW（前部碰撞警告）在适当时候的反应。3、使用两个激光雷达的优点假设前方5米有一个车辆。激光可能会打到车辆的后方反射器。在这种情况下，激光雷达不能检测车辆因为激光束不能击中一个反射器，重要信息可能会丢失。为了避免这种情况，使用两个激光雷达。一个雷达的例子和两个雷达配置如图7所示。典型车辆宽度假设为15米分开放在试验车的前保险杠上。暗区代表目标车辆，其激光雷达来检测尾灯的中心位置。白色区域表示盲区14,15,16。通过使用两个激光雷达，盲点区域是显著减少，并且可检测的目标区域变得更宽。注意，在激光雷达探测最重要的区域时，试验车正前方就是一个被遮蔽的盲点。利用两个激光雷达在交通监控系统中，三个有问题必须克服（P1）因为光束产生许多重叠区域，确定的目标车辆位置是非常困难的。无论怎样，我们必须揣度这束光束检测相同的车辆。这个问题适合于某种集群技术。如果多个波束探测同一辆车，它们的输出会表现出相同的动态行为。因此，该技术必须使用这些动态，有效地辨别汽车。如何从所有六个波束的信息融合到业务活动的连贯的画面（P2）该雷达系统具有较高的纵向分辨率，但较低的角分辨率，因为这里只有六个横梁。因此，横向尺寸应比长纵向尺寸。如何解决这个问题（P3）常规的方法是不稳定的，因为它们不能检测虚假估计。为了构建一个更强大的系统，应该如何检测错误的估计17C、软件设计（1）软件的流程图当通过光学天线发送的激光束遇到的障碍，它被反射和散射。并该光学天线接收反射信号。它是由A/D转换器转换为数字信号。不断有距离和方位计算后的信息由CPU进行辨析来测试汽车的速度在安全范围。如果计算出的值小于上限，则系统采用了相应措施。图8是系统功能模块的流程图。（2）预警和风险水平的确定目标速度信息可直接从相位测量或间接通过速度范围的测定。激光雷达通过多普勒滤波器的反馈信息对对象进行直接相位测量。多普勒滤波器宽度决定了速度分辨率。为达到7677千兆赫频带、径向（视线的）10米/秒的速度、510赫兹多普勒频移。因此，相对短的积分时间导致精细速度分辨率18,19。对于FMCW（调频连续波）利用一个上升斜坡和下降斜坡的波形，事实上，多普勒频移，可以明确地通过取一半的两个斜坡的频移差而确定的。短脉冲波形的脉冲重复率名义上