本科毕业设计论文红外测距仪

1、本科生毕业设计（论文） 目目 录录摘要摘要 .- - 1 1 - -ABSTRACTABSTRACT .- - 2 2 - -前言前言 .- - 3 3 - -第第 1 1 章章 绪论绪论 .- - 4 4 - -1.1 选题的目的和意义.- 4 -1.2 国内外研究综述.- 4 -1.3 课题的研究内容.- 5 -第第 2 2 章章 系统设计系统设计 .- - 6 6 - -2.1 设计方案.- 6 -2.2 系统硬件部分设计.- 7 -2.2.1 STC89C51 模块.- 7 -2.2.2 电源模块 .- 8 -2.2.3 A/D 模块.- 8 -2.2.4 传感器电路 .- 9 -2.

2、2.5 LCD 显示电路.- 9 -第第 3 3 章章 系统软件设计系统软件设计 .- - 1212 - -3.1 主程序.- 12 -3.2 基于 I2C 的 A/D 读写控制程序 .- 12 -3.3 LCD1602 显示子程序 .- 14 -3.4 LCD1602 显示子程序 .- 14 -本科生毕业设计（论文） 第第 4 4 章章 调试与功能说明调试与功能说明 .- - 1616 - -4.1 硬件调试.- 16 -4.2 软件调试.- 18 -结论结论 .- - 1919 - -参考文献参考文献 .- - 2020 - -致谢致谢 .- - 2121 - -附附录录 .- - 222

3、2 - -附录 1：实物照片说明 .- 22 -本科生毕业设计（论文）- 1 - 摘要摘要红外是一种无线通讯方式，可以进行无线数据的传输。自 1974 年发明以来，得到很普遍的应用，如红外线鼠标，红外线打印机，红外线键盘等等。当前在这方面还有很多要研究的，如红外功能材料制备、红外光电激发动力学研究、红外量子器件、目标对象光谱特征与标定。因此研究红外方法和控制具有重要的意义。本文介绍了一款以红外传感器为测量器件，以 LCD1602 为显示器的设计，通过红外传感器测量距离的设计思路，详细叙述了系统硬件、软件的具体实现过程。硬件电路采用模块化设计，主要包括主控制器、AD 转换电路和显示电路等。主控制

4、器采用 51 单片机，显示电路采用液晶 LCD1602 来显示出测量的距离；软件同样采用模块化设计，包括显示模块、串行数据发送模块，并采用目前流行的 C 语言编写实现。 本文通过红外传感器测量来显示测量距离，由于红外测距是一种发射接收方式，因此不能离的太远，要对准方向。校准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。所以本设计具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。关键词：关键词：红外传感器；PCF8591 转换；LCD1602；STC89C51；本科生毕业设计（论文）- 2 - A ABSTRACTBSTRACT Infra-r

5、ed (IR) is a kind of wireless communication mode, and it can be a wireless data transmission. Since the invention in 1974,it was very widely, such as infrared mouse, infrared printer, infrared keyboard and so on. In this regard there are a lot of study, such as infrared functional materials preparat

6、ion, infrared excitation dynamics study infrared quantum devices, the spectral characteristics of the target object and calibration. So the infrared method and control is of great significance. This article describes the design of a measuring device to the infrared sensor LCD1602 display design, thr

7、ough infrared sensors measure the distance, and this paper describes the systems hardware and software implementation. The hardware circuit uses a modular design, including a master controller, the AD conversion circuit and the display circuit. The main controller using 51 microcontroller, and displ

8、ay circuit using liquid crystal LCD1602 to show the distance measurement ;The software uses the same modular design, including the display module, serial data sending module, and the currently popular written in C language to realize. In this paper, the infrared sensor measurement displays the measu

9、rement distance, due to the infrared range is a launch reception mode, so we can not be away too far, but to the direction of alignment. Calibration factor in the form of program stored in the OTP memory, sensor internal testing signal processing process to call these calibration coefficient. So thi

10、s design has the excellent quality, super-fast response, strong anti-jamming ability, the advantages of high performance-to-price ratio pole.Keywords: infrared sensor; PCF8591 conversion; LCD1602;STC89C51；本科生毕业设计（论文）- 3 - 前言前言红外线自 1800 年被发现以来，人们对她的研究从来没有停止过，目前已经开发出了众多的应用产品，从医疗、检测、航空到军事等领域，几乎处处都能看到红外

11、的身影。但人们对她的研究仍然延续，时不时出现的新发明新应用，带给我们惊讶与感叹，人类对这座宝藏的开发还远远不够，红外产业还有广阔的扩张空间。用 LCD 液晶显示器来显示测距数值或者形成的图像，看起来更加直观。用红外线来测量距离的关键是红外传感器。随着技术的进步和人们生活的需要，现在出现了更好更稳定的红外传感器。随着便携式红外传感器的体积越来越小，价格逐渐降低，在食品、采暖空调和汽车等领域也有了新的应用。红外传感器正在经历逐渐走向数字智能化这样一个阶段。 对于红外传感器的全球市场，第三世界国家将比欧美更加看好。虽然欧美很多工业国家加工业广泛，但其市场以趋向饱和；而在中国以及拉美一些新兴国家和地区

12、，随着其经济的复苏与发展，各国各地区纷纷加强工业化建设，加工厂不断增多，红外传感器在该区域的销量每年以 25的速度增长，并且其市场销量还处于增长趋势。本文第一章为绪论，阐述了选题的意义以及目前国内外红外传感器研究的概况。第 2 章为系统设计方案的对比与选择，并详细介绍了硬件各模块的设计思路与方法。第 3 章介绍了系统各模块软件代码的编写。第 4 章介绍了主要的调试工具以及在调试过程中遇到的问题和解决方法。本科生毕业设计（论文）- 4 - 第第 1 1 章章 绪论绪论1.1 选题的目的和意义随着社会的发展，人们对环境中距离精度要求也越来越高，尤其是在医学、电力电子、航空航天、食品发酵等领域中对距

13、离要求尤其严格。红外测距在研究对周边环境感知技术等方面有很好的应用，它也是其中的重要组成部分。随着计算机技术、微电子技术、信息技术的快速进步，红外也应用到了很多领域，诸如，红外电路板故障诊断、智能移动机器人等，它们的研究也越来越受到了科学人员的重视。设计一种测量距离，成本低的障碍物检测报警系统对智能移动机器人的发展有重要的意义，也是人们争相研究的热点。由于红外和单片机系统自身优点，两者结合开发的障碍物检测报警系统有巨大的应用前景。不得不说，红外测距已经占据了很重要的位置。其已经在现代科技、国防和工农业等领域得到了广泛的应用。1.2 国内外研究综述近年来，随着人们生活水平的不断提高，不仅仅对家庭

14、环境、生活空间的美化要求日益增高，而且对身体状况越来越有高度的重视，如果能开发出更多远红外保健产品将会受到广大人们的青睐和厚爱，将会有广阔的市场前景和应用价值。随着科技的进步，红外系统也向着智能化、小型化、低功耗的方向发展。在这个发展过程中，以单片机为核心控制器的红外检测系统体积小、操作简单、性能稳定等诸多优点正逐步进入生产生活的各个方面。常见的红外传感器可分为热传感器和光子传感器。热传感器是利用如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，可以在温室下工作，使用简单。但是热传感器

15、响应的时间较长，灵敏度较低，一般用于低频调制的场合。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。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。但是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，一般可以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。本科生毕业设计（论文）- 5 - 随着红外材料及传感器类型的不断开发研究，新型测

16、距仪器正逐步不代替传统的测试手段。目前美、英等国正致力于加强前视红外系统信息处理能力与发展（如自动人工目标分类）。便携式整机配个人计算机可产生实时、高分辨率图像来解决研究领域和工业领域中的问题。1.3 课题的研究内容本次课题是研究通过红外来测量距离的问题，通过红外传感器测量出相应的距离，但是，它测量出的是以电压信号形式输出的，这不能直接显示在现实器上，单片机也不能转换电压相应的信号，只有通过 AD 转换器，将电压信号转为模拟信号，然后将模拟信号送到单片机中，经过处理后，通过显示器显示相应的距离。所以，本课题也就是研究如何将电压信号转为模拟信号，然后如何通过单片机处理模拟信号，使其通过显示器显示

17、的问题。本科生毕业设计（论文）- 6 - 第第 2 2 章章 系统设计系统设计2.1 设计方案由课题需要，利用红外线测量距离，根据此要求和现有条件选用较为合适的硬件、设计出合理的硬件原理图，并尽量采用模块化将它们分几个小部分，对每个小模块设计对应程序，然后把它们结合起来，使其可以达到工作要求。本系统是以单片机为核心，通过红外传感器测出距离的对应电压，以及相关的电路组成。由红外传感器测算与对应物体之间的距离（实际是电压），测出的电压信号，通过 AD 转换，转换为数字信号，然后通过单片机处理显示到液晶屏上，可以时时显示与对应物体之间的距离。但是基于红外传感器自身不足，测量范围有限，所以对测量的数据

18、要进行分析判断，是否在测量范围内，否则不能测出较准确距离（存在误差）。基于 STC89C51 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。系统结构如图 2.1。 图 2.1 系统框图 各个小模块的原理图如图 2.2 系统原理图。处理器模块处理器模块传感器模块传感器模块显示模块显示模块AD 模块模块按键模块按键模块电源模块电源模块本科生毕业设计（论文）- 7 - 图 2.2 系统原理图2.2 系统硬件部分

19、设计2.2.1 STC89C51 模块 STC89C51 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路，2 个 16 位 定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率 35MHz，6T/12T

20、可选。图 2.3 为 51 单片机的系统框图。本科生毕业设计（论文）- 8 - 图 2.3 单片机系统框图2.2.2 电源模块由于电路系统需要+5V 电源（不是+5V 时候，显示不稳定，波动较大） ，而通过外接 USB 线会不方便，所以本次课题选用了自带电源。应为生活中现有的+5V 不容易找到，所以选用 4 节干电池（大于+5V） ，然后通过 7805 降压模块，将电压稳定在+5V。电源模块如图 2.4 所示图 2.4 电源模块2.2.3 A/D 模块PCF8591 是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS 数据获取器件。PCF8591 具有 4 个模拟输入、1 个模拟输出和 1

21、 个串行 I2C 总线接口。PCF8591 的 3个地址引脚 A0, A1 和 A2 可用于硬件地址编程，允许在同个 I2C 总线上接入 8 个本科生毕业设计（论文）- 9 - PCF8591 器件，而无需额外的硬件。在 PCF8591 器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向 I2C 总线以串行的方式进行传输。A/D 电路模块如图 2.5 图 2.5 A/D电路模块2.2.4 传感器电路红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，利用红外测距传感器LDM301 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，然后利用 CCD 图像处理接收发射与接收

22、的时间差的数据。经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。由于红外测距传感器是单总线传输，只用一根数据线，本次课题的红外传感器是通过连接 A/D，然后再连接到单片机 P3.6P3.7 上。红外传感器与单片机的接口电路如图 2.6 所示：图 2.6 红外传感器通过 A/D 与单片机接口电路2.2.5 LCD 显示电路液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示本科生毕业设计（论文）- 10 - 模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。1602A 可以显示 2 行 16 个

23、字符，有 8 位数据总线 D0D7，和 RS、RW、EN 三个控制端口，工作电压为 5V，并且带有字符对比调节和背光。该模块也可以只用 D4D7 作为四位数据分两次传送。这样的话可以节省 MCU的 I/O 口资源。本系统即使用此接法。各引脚的功能见表 2.1.表 2.1 LCD1602 引脚功能图第 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

24、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。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。它与单片机的连接如图2.7所示本科生毕业设计（论文）- 11 - 图 2.7 LCD 与单片机连接图本科生毕业设计（论文）- 12 - 第第 3 3 章章 系统软件设计系统软

25、件设计本章主要介绍红外测距传感器的软件程序设计，重点讲述了主程序、发送接收与发送子程序、显示子程序的设计思路、程序流程图。3.1 主程序首先单片机初始化，LCD 初始化，启动 A/D 转换，通过 A/D 对红外传感器电信号的转换送到单片机中处理，然后通过计算得出当前距离并送到 LCD1602 显示。主程序流程图如图 3.1开始单片机初始化液晶初始化AD转换输出转换结果数值转换显示转换是否结束YN图 3.1 主程序流程图 3.2 基于 I2C 的 A/D 读写控制程序(1)、 读一个字节：89C51 的数据接受程序流程图如图 3.2 所示，该段程序为 I2C 数据传输函数的子本科生毕业设计（论文

26、）- 13 - 程序，单片机对 A/D 进行读操作时，执行该程序。启动总线重新启动总线读出数据发送数据发送器件地址结束总线发送非应答位发送应答位图 3.2 基于 I2C 的读一个字流程图(2)、 写一个字节89C51 的数据发送程序流程图如图 3.3 所示，该段程序为 I2C 数据传输函数的子程序，单片机对 A/D 进行写操作时，执行该程序。本科生毕业设计（论文）- 14 - 启动总线发送器件子地址结束总线发送数据发送器件地址图 3.3 基于 I2C 的写一个字流程图3.3 LCD1602 显示子程序数据转换是根据 Y=-0.77X+166 把 AD 读取的数值转化为相应的距离，然后把该距离拆

27、分为个、十、百位的单个数值。为下一步的液晶显示做准备。数值转换流程图如图 3.4。读取AD转换结果，保存在D2中计算实际距离数据处理图 3.4 数值转换流程图3.4 LCD1602 显示子程序 89C51 通过往 1602 写数据子程序将距离数据写入 1602 显示出来。送显之前，89C51 通过 1602 写指令子程序往 1602 中写入显示字符地址，来设定显示位置。特别值得注意的是，液晶显示模块是一个慢显示器件，所以执行每条指令之前一本科生毕业设计（论文）- 15 - 定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则指令失效。因此，89C51 往 1602写指令或数据之前，都要确认液晶模块空闲

28、。1602 内部显示地址如图 3-1 所示：图 3-1 1602 内部显示地址89C51 往 1602 写入显示地址时，要求最高位 D7 必须为高电平，本设计的处理方法是：将显示字符地址与 0 x80 相或，然后由 89C51 直接将结果写入。 写指令（数据）到 LCD 子程序设计：如图 3.5按端口设置RS-0,RW-0,E-0(写指令)RS-0,RW-0,E-1(写数据)延时延时液晶模块执行指令开始LCD忙YN将指令传给I/O口结束图 3.5 LCD1602 写数据/指令流程图本科生毕业设计（论文）- 16 - 第第 4 4 章章 调试与功能说明调试与功能说明4.1硬件调试硬件电路焊接完成

29、后，检查了一遍，没发现有短路断路等现象，开始时候，采用开发板上的电源通电，通电源后（+5V） ，LCD 没显示，后发现少了电位器，焊接上后，经过调节电位器，显示器有显示，但不正确，出现乱码，检查程序，没发现问题。对电路板检查，是焊接不牢固，导致接触不稳定，影响了显示，重新焊接后，显示正常。后来考虑到不方便做演示，改电源采用 4 节干电池供电，虽然显示出了距离，但是显示的数据不停的变化，非常不稳定，要求是 5V 电源，4 节干电池供电是 6V，所以导致显示不稳定，思考后，加了一个 5V 稳压器后，经测试，输出的电压为 5V，达到要求，通电后，显示正常。通过对每 5cm 取一个数，测量其显示与记录

30、对应的实际值，记录值如表 4.1。表 4.1 测量结果实际距离(cm) YAD 转换的数据 X20288252353013735155401754515050140551356012165111701077598809685969094959010088本科生毕业设计（论文）- 17 - 10589 通过对记录的数据进行分析，将数据一一描点在坐标轴上，从点可以看出明显呈线性关系，经过多次计算，最终确定了一条曲线，Y=-0.77X+166 ,曲线方程如图 4.1图 4.1 曲线方程图曲线方程：y=-0.77x+166 把得到的曲线方程添加到程序中，然后把程序下载到单片机中，通上电源后，随机取一段

31、距离，将障碍物放在此高度，显示器清晰显示了当前距离（有时候显示会有所波动，正常的） ，液晶显示如图 4.2。本科生毕业设计（论文）- 18 - 图 4.2 显示4.2 软件调试软件调试采用 KEIL 单步调试，软件程序在 KEIL 里编译通过后，在连接上硬件电路能够通过液晶正确的显示当前测量的距离才算完成。但在软硬件结合时，显示的距离与实际距离不相符，甚至会显示出乱码。通过对显示的数据与实际的数据做统计，然后计算出方程曲线，在修改程序后，LCD1602 能够显示出数值，但与实际距离值还是有误差，在对显示与实际距离分析调整后，调试程序后在液晶上显示出了相对理想的数值。本科生毕业设计（论文）- 19 - 结论结论 通过努力，此次毕业设计课题成功地实现了红外传感器测距的显示功能。本课题电路上相对较简单，通过一个 A/D 对电信号转换，将电信号转为模拟信号，经过 89C51 单片机处理后显示。在对单片机软件程序设计方面显得相对复杂。在本课题设计和实现的过程中遇到了许多的问题，例如：如何调试程序、如何正确读取总线，如何排版等，通过思考以及同学之间探讨帮助，这些问题最终得以解决。经过对这次毕业设计，不仅学习了更过相关专业知识，而且也通过自己动手制作，以及和同学之间