检测技术设计实验

、实验目的障碍机器人在行进过程中需要不断获取关于前方障碍的信息，从而对机器人进行有效的控制。由于机器人体积小，对传感器要求精度高，因此选择单片机进行控制。二、实验原理1、 红外线简介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。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。2、 红外测距原理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，由红外接收电路的光敏接收管接收发射光。根据发射光的强弱可以判断所测的距离，由于接收管接收的光强是随发光管的距离变化而变化的，因而，距离近则接收光强，距离远则接收光弱。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首先通过红外发光管发射红外光，红外光在遇到前面的障碍物反射，由红外接收装置接收，产生一个与光强相对应的电流，电流经放大后在输出端得到一个0〜3V的模拟电压，即通过接受信号的强弱判断前方是否有障碍物和障碍物我的距离。3、 A/D转换器为了方便读取数据，我们采用stm32f407型号的单片机。该单片机内部集成了4通道12位的A/D转换器，可以满足我们将模拟电压转换成数字电压的要求。4、 显示控制在单片机完成初始化和端口选择后，开始进行A/D转换，读取相应寄存器的数值，最后将转换结果在LCD显示屏上显示出来。三、设备选择一开始我们准备分别使用红外发射管和接受管，但在后来的采购过程中发现红外对管更为常见些，而且红外对管的发射部分与接受部分之间会有个小隔板，这样有效减小了发射时红外光向两边发射而导致的误差。因此，最终我们选用型号为TCRT5000的红外对管。其他设备：运算放大器LM358,STM32F407开发板，电位器，LCD显示屏。四、实验设计1、主电路设计由于输出要经过A\D采样到单片机里，而单片机的采样范围为0~3V，通过查询LM358的用户手册，它的电压摆幅为0~(Vcc-1.5)V。因此设置电源电压为4.5V。发射电路采用简单的限流电阻来驱动，红外发射管的导通压降为1.6V，导通电流为10mA，其阻值的确定为：(4.5-1.6)/0.01=290欧，取标准值300欧。接收部分采用一个反相放大器与一个反相器串联，通过调节变压器的值来选取合适的放大倍数，使输出电压能够在较大的范围内变动。2、系统结构框图3、软件流程图首先，对stm32单片机进行初始化。然后，当stm32单片机接收到红外接收电路传输的电压信号后，经A/D转换程序，将片外的模拟信号转换为单片机可识

别的数字信号，并经电压-距离转换子程序，将变化的电压转换为距离。最后，在动态扫描LCD显示器上显示出来。4、滤波方案选择由于自然界中只要有温度的物体都会发射红外线，为了减小外界环境变动的影响，我们采用算术平均值滤波每次测量连续A\D采样15次做算术平均。算法如下：charfilter()TOC\o"1-5"\h\z{intsum=0;intN=15;for (count=0;count<N;count++){sum+=get_ad();delay();}return(char)(sum/N);11.}五、实验步骤1、 按照电路图接好主电路，将程序写入单片机中，接通电源。2、 用电压表测量红外发射管和接受管两端压降，确认红外对管工作正常。3、 测量红外对管前方无挡板时的零点输出电压。4、 将一白色的挡板垂直置于红外对管的正前方，从距离0.5cm的地方逐渐移向远方，同时记录电压表测得的输出模拟电压和LCD显示的数字电压，直至输出电压接近零点输出电压。5、 根据测量数据绘制电压-距离曲线。六、数据处理1、测量数据零点电压：5mV。正行程反行程间距/cm模拟电压/V数字电压/V模拟电压/V数字电压/V0.52.6812.6812.6802.6801.02.1782.1782.3242.3241.51.1571.1571.0111.0112.00.6860.6860.6460.6462.50.4340.4340.4610.4613.00.3130.3130.3230.3233.50.2310.2310.2230.2234.00.1750.1750.1680.1684.50.1380.1380.1350.1355.00.1110.1110.1120.1125.50.0900.0900.0920.0926.00.0740.0740.0760.0766.50.0620.0620.0640.0647.00.0520.0520.0520.0528.00.0380.0380.0380.0389.00.0280.0280.0290.02910.00.0220.0220.0230.02311.00.0180.0180.0180.01812.00.0150.0150.0150.015由上表可以看出，由于采用了12位精度的A/D转换器，精度可以达到1mV以内，在mV级里几乎没有偏差。2、实际数据曲线实际电压-距离曲线TOC\o"1-5"\h\z3.000 1 1 12.500 \2.0001.5001.000 \0.5000.000 J 0 5 10 15由上图看出，输出电压与距离的关系并非线性，有点像反比例，但是与反比例拟合的结果相差又较大。经过观察发现，在0-2cm间曲线的线性度不错，4-12cm间线性度也不错，因此我们分别在0-2cm，4-12cm间做线性拟合。3、拟合结果分别使用端点拟合，求的拟合直线为:0-2cm