红外线测距仪

红外线测距仪 红外线倒车雷达系统 摘要 本设计提出了一款基于单片机的红外线倒车雷达装置，该系统通过红外线发 射与接收装置将测得的信号经过AD转换器，转换的数据输入到AT89C52单片 机编程处理后动态显示在液晶屏LCD1602上，且单片机的预设距离为20—80厘米，当障 碍物与小车的距离低于20厘米的时候，此时系统提示当前处于非正常范围，语音报警器会 进行语音报警，同时小车会立刻减速至停车。能够自动检测并跟踪显示车与障碍物的 距离，当达到设置的安全极限距离时能发出声音警报并自动减速停车的构思。且 该系统成本低精度较高实用方便，具有广阔的市场。 关键字:红外线;距离测量;优势;AT89C51; Abstract In the precision ranging industry ,Commonly used methods of distance measurement with ultrasonic ranging method and infrared distance measurement method.But the ultrasonic wave in air loss is bigger, error is large, and must need communication media, compared with infrared distance measurement in air has the advantage of cheap, easy system, safety and high precision. the paper introduces the classification and application of infrared ray and infrared sensor, the development and application of 51 series microcontroller, especially the AT89c52 microcontroller, this system with 51 single-chip microcomputer as the core working parts, and infrared distance measurement was introduced in detail on the hardware design principle and way of working of the circuit modules, including infrared emission driving circuit, driving circuit of infrared receiving, AD conversion circuit, voice alarm circuit, power circuit, LED display circuit principle of work and AT89c52, pin assignment.In software design, illustrates the function process and programming function, in the design process takes into account various anti-interference measures, finally come to the conclusion that the whole design, illustrates the feasible of infrared ray, and in the operation of the system performance is stable, high precision, the system is practical. Key words: infrared light;Distance measurement;Advantage;AT89C51. 1 引言 1(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。近几十年来，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。 其中太阳光谱红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，又称为红外热辐射，1800年4月24日英国伦敦皇家学会(ROYAL SOCIETY)的威廉?赫歇尔发表太阳光在可见光谱的红光之外还有一种不可见的延伸光谱，他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此得到结论:太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。也可以当作传输之媒介。 太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75,1000μm。 -1),(2.5-3)μm之间;中红红外线可分为三部分，即近红外线，波长为(0.75 外线，波长为(2.5-3),(25-40)μm之间;远红外线，波长为(25-40),l000μm 之间。 红外线是波长介乎微波与可见光之间的电磁波，波长在760纳米至1毫米之间，是波长比红光长的非可见光。覆盖室温下物体所发出的热辐射的波段。透过云雾能力比可见光强。在通讯、探测、医疗、军事等方面有广泛的用途。 俗称红外光。 近红外线或称短波红外线，波长0.76,1.5微米，穿入人体组织较深,约5, 400微米，多被表层皮肤吸收，10毫米;远红外线或称长波红外线，波长1.5, 穿透组织深度小于2毫米。红外线具有热效应，自然界中的任何物体都在向外辐射，并且红外线穿透云雾的能力强，受温度、空气湿度、光线等外界环境干扰比较小。 1.2 红外传感器的分类 常见的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。 二、 光子传感器。 光子传感器是利用某些半导体在入射光的照射下，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。 1.3 红外传感器的应用 1.热成像系统:能形成整个目标的红外辐射分布图像。 2.红外测距系统:实现物体间距离的测量。 3.通讯系统:红外线通信作为无线通信的一种方式。 4.混合系统:是指以上各类系统中的两个或多个的组合。 现实生活的应用如:汽车超速抓拍、货车限高检测、飞机高度检测、列车到站检测、接触网检测、船舶对接检测、矿井电梯位置检测、仓储料位监测、桥梁高度检测、吊机高度位置检测、矿井轮廓扫描等等。 2 51单片机及AD转换器的介绍 2.1 AT89c52单片机简介。 。本次设计选用的单片机是ATMEL公司的单片机选用AT89系列中的AT89C52AT89C52是一种低功耗、高性能的CMOS的8位单片机。具有处理速度快，功耗低，寻址空间大，片上资源丰富等特点，是当前大规模嵌入式系统设计的主流单片机之一。另外设计制作所需仪器设备有PC机、万用表、通用编程器。 AT89C52片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失 -51指令系统，片内置通用8位中央处理器和性存储技术生产，兼容MCS Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。 1、兼容MCS51指令系统 2、8kB可反复擦写(大于1000次)Flash ROM; 3、32个双向I/O口; 4、256x8bit内部RAM; 5、3个16位可编程定时/计数器中断; 6、时钟频率0-24MHz; 7、2个串行中断，可编程UART串行通道; 8、2个外部中断源，共8个中断源; 9、2个读写中断口线，3级加密位; 10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能; 11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。 2.2 AT89C52工作原理。 AT89C52为8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有:XTAL1(19 脚)和XTAL2(18 脚)为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/VPD(9 脚)为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。 VCC(40 脚)和VSS(20 脚)为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口(32~39 脚)被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。 (图1)AT89C52引脚图 2.2 AT89C52各引脚功能 1， P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址(低8 位)和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 2 ，P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻， 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX)，Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低8 位地址。 3， P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX @DPTR 指令)时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@RI 指令)时，P2 口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。 4 ，P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流(IIL)。P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能P3 口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 5，RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使片机复位。 6，ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。如有必要，可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。 7，PSEN程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令(或数 据)时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 8，EA/VPP外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器(地址为 0000H—FFFFH)，EA 端必须保持低电平(接 地)。需注意的是:如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。 如EA端为高电平(接Vcc端)，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 Flash存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。 9，XTAL1振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 10，XTAL2振荡器反相放大器的输出端。 11，ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8 位字 节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。 对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。 如有必要，可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条 MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。 12，PSEN程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令(或数据)时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 13，EA/VPP外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器(地址址0000H—FFFFH)，EA 端必须保持低电平(接地)。需注意的是:如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平(接Vcc端)，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。 14，XTAL1振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 15，XTAL2振荡器反相放大器的输出端。 2.3 ADC0809介绍 ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。 一，主要特性: 1)8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。 2)具有转换起停控制端。 3)转换时间为100μs(时钟为640KHz时)，130μs(时钟为500KHz时)。 4)单个+5V电源供电。 5)模拟输入电压范围0,+5V，不需零点和满刻度校准。 6)工作温度范围为-40,+85摄氏度。 7)低功耗，约15mW。 二，内部结构 ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。 三，外部特性(引脚功能) ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图2所示。 下面说明各引脚功能: IN0,IN7:8路模拟量输入端。 2-1,2-8:8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC:3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。 ALE:地址锁存允许信号，输入端，高电平有效。 START: A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲(至少100ns宽)使其启动(脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换)。 EOC: A/D转换结束信号，输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平)。 OE:数据输出允许信号，输入端，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK:时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHz。 Vcc:电源，单一+5V。 GND:地。 (图2)ADC0809 2.4 ADC0809工作过程 首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完 成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。 (1)定时传送方式 对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。 (2)查询方式 A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。 (3)中断方式 把表明转换完成的状态信号(EOC)作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。 不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。 3 红外测距工作原理及基本结构 3、1 红外发射与接收器件的简介。 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。 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。 3、2 红外线测距工作原理。 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与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。 其工作原理为:单片机上电发射红外信号，由键盘控制红外接收电路以及A/D转换电路的工作，将转换结果通过单片机处理后送到LCD显示屏，显示被测距离。如有需要，也可通过键盘控制测量被测物体的长于宽，从而计算出被测物体的面积或体积，最后将结果显示到LCD显示屏上。 AT89C51 4 红外线测距硬件设计 4.1红外线测距结构及工作原理。 其工作原理为:单片机上电发射红外信号，由键盘控制红外接收电路以及A/D转换电路的工作，将转换结果通过单片机处理后送到LCD显示屏，显示被测距离。如有需要，也可通过键盘控制测量被测物体的长于宽，从而计算出被测物体的面积或体积，最后将结果显示到LCD显示屏上。 为了实现红外测距，在硬件设计中，我们可以使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，我们可以知道红外发射模块与接收模块的距离。我们采用LCD显示屏动态显示变化中的距离，LCD显示器。AT89C52芯片的P0口与P2.0-2.2接口相接，在红外接收模块运动过程，AT89C52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LCD显示器显示出。键盘与AT89C52芯片的P3.4、P3.5、P3.6、P3.7引脚相接，通过键盘接口可以实现距离的测量。 4.2系统硬件电路图 整个红外测距系统由AT89C52芯片、红外发射驱动电路、红外接收驱动电路、键盘、A/D转换电路与LCD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。 4.3整个电路的设计 包括:红外发射电路、红外接收电路、A/D转换电路、LCD显示电路 (图4)红外线测距完整结构电路 5 红外测距软件设计。 5.1系统软件结构框图 在整个系统运行过程中。当红外系统被启动后，首先，对AT89C52单片机进行初始化。然后，当AT89C52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。主程序图如图5所示。 (图5)软件结构框图 5.2误差 由于红外接收管相当于一个光敏二极管，因此系统受外界光线的干扰很大。 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，如果阳光或者其他较强的光线照射在接收器上，有可能会使内部器件处于饱和状态，从而也会导致传感器发生错报情况，另外，日光灯也会产生红外噪声信号。不光是光有影响，温度，空气湿度也会对红外线起到一定程度的干扰。因此，所设计的系统在不同的条件下所测量的结果会有所差别。 (图6) 图6中横坐标代表距离，单位(cm)，纵坐标代表电压，单位(v)。从图中可以看出电压和电流并不是直线关系。 最终得出结论:红外线测量只适用于10—80cm的近距离，可以算出被测物体的距离，测量误差为1cm，在测量精度方面，还有待于改进。 总结 红外线测距的研究与开发综合了单片机系统设计技术与红外传感技术等多个方面知识的综合利用。 系统的整体设计是合理可行的， 通过这次设计使我懂得了理论与实际相结合的重要，只有把所学的理论 知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。设计的过程中遇到的各种问题，也让我意识到自己的不足。由于时间的限定，再加上本人水平有限，红外测距仪尚存在不足之处，测量精度不够高，受外界光线影响较大，可能并没有达到老师所期望的指标。 谢词 通过这段时间的努力，终于顺利完成了以前从未完成过的事情，让我明白了科研过程的艰辛，虽然枯燥，但必须带着严谨而又坚持的态度，脚踏实地，一步一个脚印的走，才可能走向成功。同时也证明了自己大学的理论知识没有白学，虽然成果很小，但我相信，自己已经不是那个什么都不会做的学生了。感谢学校给了我这次历练自己的机会，本文得以顺利完成，首先得感谢各位大学教师给予我个方面知识的帮助，尤其是指导老师周佐老师的细心教导，从课题选择到具体的写作过程，论文初稿与定稿无不凝聚着周佐老师的心血和汗水，在我的毕业设计期间周佐老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。没有这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业设计。在此向周佐老师表示深深的感谢和崇高的敬意～ 还要感谢在文中引用文献的作者们，是他们的辛勤劳动成果使得我在设计工作中的困难得以解决，从而使我完成这篇论文。 当然还要感谢其它老师，他们用心的上课、孜孜不倦的教导和平时的答疑让我学习了很多知识，对我的论文有了很大的帮助。 最后，也要感谢我的同学们。他们四年来的关心和帮助，对我的学习和生活产生了深远的影响。 参考文献 1张俊谟编著《单片机原理与应用》 航天大学出版社 2006 2薛小玲、刘志群、贾俊荣编著《单片机接口模块应用于开发实例详解》北京航空航天大学出版社2010