基于单片机的红外测距系统柴玉国.docx
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基于单片机的红外测距系统柴玉国
毕业设计(论文)
题目:
基于单片机的红外测距系统
学院:
电子信息学院
专业班级:
电气工程及其自动化2010级01班
指导教师:
厉谨职称:
讲师
学生姓名:
柴玉国
学号:
41003040118
摘要
现代科学技术的发展,进入了许多新领域,而在测距方面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。
为了实现物体近距离、高精度的无线测量,本文采用红外发射接收模块GP2D12作为距离传感器,单片机作为处理器,编写A/D转换、显示以及与PC机的通信程序,开发了一套便携式的红外距离测量系统,系统可以高精度的实时测量距离,并且将所得距离量通过数码管直接显示出来。
本系统结构简单、运行可靠、测量精度高、方便使用,另外本系统形成了一套完善的软硬件开发平台,可以进行扩展、移植和做进一步的开发。
关键词:
红外测距,STC52单片机,A/D转换,
ABSTRACT
Thedevelopmentofmodernscienceandtechnology,intomanynewareas,hasalaserThedevelopmentofmodernscienceandtechnology,intomanynewareas,hasalaserrangefinderintherangingaspects,rangingofmicrowaveradar,ultrasonicrangingandinfraredranging.
Inordertoachievetheobjectsatcloserange,high-precisionwirelessmeasurement,Iusedtheinfraredtransmitterreceivermoduleasthedistancesensor,microcontrollerastheprocessortowritetheA/Dconversion,displayandcommunicationwiththePCprogram,developedawilltopushinfrareddistancemeasurementsystems,high-precisionreal-timesystemcandisplaythemeasureddistance,anddistancemeasuringcanbesentthroughtheserialporttoaPCdisplayprocessing,thesystemstructureissimpleandreliable,smallsize,highaccuracy,easeofuse,whilethissystemtheformationofacompletesetofhardwareandsoftwaredevelopmentplatformcanbeextended,transplantation,andfurtherdevelopment.
KEYWORDS:
Infrareddistance,STC89C52microcontroller,A/Dconversion
第一章绪论
1.1设计背景
在基础学科研究中,传感器具有突出的地位。
现代科学技术的发展进入了许多新领域,而在测距方面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。
其中激光测距是靠激光束照射在物体上反射回来的激光束探测物体的距离。
由于受恶劣的天气、污染等因素影响,使反射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少一半左右,损失很大,影响探测的精确度;微波雷达测距技术为军事和某些工业开发采用的装备和振荡器等电路部分价格昂贵,现在几乎还没有开拓民用市场;超声波测距在国内外已有人做过研究,由于采用特殊专用组件使其价格高,难以推广;红外线作为一种特殊的光波,具有光波的基本物理传输特性—反射、折射、散射等,且由于其技术难度相对不太大,构成的测距系统成本低廉,性能优良,便于民用推广。
红外线测距传感器有它的几个特点,远距离测量,在无反光板和反射率低的情况下能测量较远的距离;有同步输入端,可多个传感器同步测量;测量范围广,响应时间短;外形设计紧凑,易于安装,便于操作;所以它的应用价值比较高。
另外红外测距的应用越来越普遍。
在很多领域都可以用到红外测距仪。
红外测距一般具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点,因而应用领域广、行业需求众多,市场需求空间大。
当前红外测距仪的发展趋势是向测量更安全、测量精度高、系统能
耗小、体积小型化方向发展
1.2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,但实际上它和其它任何光线一样,也是一种客观存在的物质,任何物质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0.75μM-1000μM的频谱范围之内,红外线与可见光、紫外线、x射线、y射线和微波、无线电波一起构成了整个无线连续的电磁波谱。
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。
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。
1.3红外传感器概述
1.3.1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
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
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。
三、光生伏特传感器
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。
1.光磁电传感器
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,时间常数小,响应速度快,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。
1.3.2红外线传感器的应用
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活多个组合。
第二章红外测距的方法和原理
2.1几种红外测距原理及选择
2.1.1相位测距原理
由主控振荡器(即主振)产生的调制信号频率f,经放大后加到发光管,经电流调制出射红外调制光,从发射光学系统出射射向镜站的反光镜;经反射后,回光被接收光学系统所接收,到达硅光敏二极管;经过光电转换,得到高频的测距信号。
2.1.2PSD测距原理
利用三角测距原理,用一种称之为位置敏感器件(PositionSensitiveDevice)的PSD组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。
2.1.3带运动机构的双象比较法原理
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。
2.1.4时间差测距法原理
红外线发射器发射出频率为40kHz的红外线,经障碍物反射,红外线接收器接收到反射波信号,并将其转变为电信号。
测出发射波与接收到反射波的时间差t,即可求出距离s。
2.1.5反射能量法原理
反射能量法:
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。
2.1.6三角法红外测距原理
红外发射器按照一定的角度发射红外光束,当遇到物体以后,光束会反射回来。
反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后,会获得一个偏移值L,利用三角关系,在知道了发射角度a,偏移距L,中心矩X,以及滤镜的焦距f以后,传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。
2.1.7红外测距原理的选择
本文测距原理选择的是三角法红外测距原理。
第三章、红外测距的基本结构及系统框图
3.1红外测距的过程
红外发射器按照一定的角度发射红外光束,当遇到物体以后,光束会反射回来,如图1所示。
反射回来的红外光线被CCD检测器检测到以后,会获得一个偏移值L,利用三角关系,在知道了发射角度a,偏移距L,中心矩X,以及滤镜的焦距f以后,传感器到物体的距离D就可以通过几何关系计算出来了。
图3-1红外测距原理图
可以看到,当D的距离足够近的时候,L值会相当大,超过CCD的探测范围,这时,虽然物体很近,但是传感器反而看不到了。
当物体距离D很大时,L值就会很小。
这时CCD检测器能否分辨得出这个很小的L值成为关键,也就是说CCD的分辨率决定能不能获得足够精确的L值。
要检测越是远的物体,CCD的分辨率要求就越高。
非线性输出:
Sharp GS2XX系列的传感器的输出是非线性的。
每个型号的输出曲线都不同。
所以,在实际使用前,最好能对所使用的传感器进行一下校正。
对每个型号的传感器创建一张曲线图,以便在实际使用中获得真实有效的测量数据。
从上图中,可以看到,当被探测物体的距离小于10cm的时候,输出电压急剧下降,也就是说从电压读数来看,物体的距离应该是越来越远了。
但是实际上并不是这样的,想象一下,你的机器人本来正在慢慢的靠近障碍物,突然发现障碍物消失了,一般来说,你的控制程序会让你的机器人以全速移动,结果就是,"砰"的一声。
当然了,解决这个方法也不是没有,这里有个小技巧。
只需要改变一下传感器的安装位置,使它到机器人的外围的距离大于最小探测距离就可以了。
3.2红外测距系统框图
本设计主要由五部分组成:
红外发射电路、红外接收电路、单片机电路、译码显示电路。
其工作过程如图所示:
第四章、红外测距硬件电路设计
4.1单片机最小系统模块
4.1.1STC89C52单片机
STC89C52单片机是由宏晶科技公司生产的与工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容的单片机。
STC89C52单片机简介:
(1)中央处理器(CPU)
中央处理器是单片机的核心,完成运算和控制功能。
89C52的CPU能处理8位二进制数或代码。
(2)内部数据存储器(内部RAM)
89C52芯片中共有256个RAM单元,但其中后128单元被专用寄存器占用,能作为寄存器供用户使用的只是前128单元,用于存放可读写的数据。
因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元,简称内部RAM。
(3)内部程序存储器(内部ROM)
89C52共有4KB掩膜ROM,用于存放程序、原始数据或表格,因此,称之为程序存储器,简称内部ROM。
(4)定时/计数器
89C52共有两个16位的定时/计数器,以实现定时或计数功能,并以其定时或计数结果对计算机进行控制。
(5)并行I/O口
89C52共有4个8位的I/O口(P0、P1、P2、P3),以实现数据的并行输入/输出。
(6)串行口
89C52单片机有一个全双工的串行口,以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。
该串行口功能较强,既可作为全双工异步通信收发器使用,也可作为同步移位器使用。
(7)中断控制系统
89C52单片机的中断功能较强,以满足控制应用的需要。
8052共有6个中断源,即外中断两个,定时/计数中断两个,串行中断两个。
全部中断分为高级和低级共两个优先级别。
(8)时钟电路
89C52芯片的内部有时钟电路,但石英晶体和微调电容需外接。
时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。
系统允许的晶振频率一般为6MHz和12MHz。
(9)、振荡电路
89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器.时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后,才成为单片机的时钟脉冲信号。
请读者特别注意时钟脉冲与振荡脉冲之间的二分频关系,否则会造成概念上的错误。
一般地,电容C1和C2取30pF左右,晶体的振荡频率范围是1.2~12MHz。
晶体振荡频率高,则系统的时钟频率也高,单片机运行速度也就快。
89C52在通常应用情况下,使用振荡频率为6MHz或12MHz。
图4—189C52芯片及管脚图
STC89C52引脚介绍
①主电源引脚(2根)
VCC(Pin40):
电源输入,接+5V电源
GND(Pin20):
接地线
②外接晶振引脚(2根)
XTAL1(Pin19):
片内振荡电路的输入端
XTAL2(Pin20):
片内振荡电路的输出端
③控制引脚(4根)
RST/VPP(Pin9):
复位引脚,引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG(Pin30):
地址锁存允许信号
PSEN(Pin29):
外部存储器读选通信号
EA/VPP(Pin31):
程序存储器的内外部选通,接低电平从外部程序存储器读指令,如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
④可编程输入/输出引脚(32根)
STC89C51单片机有4组8位的可编程I/O口,分别位P0、P1、P2、P3口,每个口有8位(8根引脚),共32根。
1)P0口(Pin39~Pin32):
8位双向I/O口线,名称为P0.0~P0.7,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)和数据总线复位,在访问期间激活内部上拉电阻。
2)P1口(Pin1~Pin8):
8位准双向I/O口线,名称为P1.0~P1.7,P1口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TTE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(ILL)。
与AT89C52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。
引脚号
功能特性
P1.0
T2(定时/计数器2外部计数脉冲输入),时钟输出
P1.1
T2EX(定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制)
表4-1P1.0和P1.1的第二功能
3)P2口(Pin21~Pin28):
8位准双向I/O口线,名称为P2.0~P2.7,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(ILL)。
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。
4)P3口(Pin10~Pin17):
8位准双向I/O口线,名称为P3.0~P3.7,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(ILL)。
P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的是它的第二功能。
如下表4-1所示。
端口功能
第二功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
INTO(外中断0)
P3.3
INTO(外中断1)
P3.4
T0(定时/计数0)
P3.5
T1(定时/计数1)
P3.6
WR(外部数据存储器写选通)
P3.7
RD(外部数据存储器读选通)
表4-2P3口的第二功能
STC89C52单片机特点:
集成度高、可靠性高、体积小
控制功能强
低电压,低功耗,便于生产便携式产品
易于扩展I/O口
优异的性能价格比
4.1.2单片机的最小系统
单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分,也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
单片机要正常运行,还必须具备电源正常、时钟正常、复位正常3个基本条件。
对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:
单片机、时钟电路、复位电路、输入/输出设备等。
图4-2单片机最小系统框图
1、电源电路
电源电路是单片机工作的动力源泉。
对应的接线方法为:
单片机的第40引脚(Vcc)为电源引脚,工作时接+5V电源;第20引脚(Vss)为接地线。
2、时钟电路
时钟是单片机核心,相当于单片机的心脏,其XTAL1和XTAL2引脚上的波形为方波,频率为所选晶振频率,在51单片机中晶振频率一般为11.0592M或12M。
频率决定单片机的运行速度,波形的好坏决定单片机系统的稳定性,一般需要在晶振两个引脚接两个电容滤波,电容一般选择15~45pf。
图4-3时钟电路
3、复位电路
复位电路设计的好坏直接影响单片机系统工作的稳定性,由于单片机上电瞬间电源电压不稳定,此时单片机不能立即投入工作,需要继续保持一段时间的复位状态,待电源稳定后单片机才开始工作。
复位电路一般有手动按键(上电)复位、上电复位和积分复位三种。
在此介绍最简单的上电复位:
即上电后由于电容作用单片机延时一段时间后再开始工作。
上电复位电路如下图所示:
(选择电解电容有正负极,耐压10V以上,容量10uF,使用时不可以接反,电容外壳上标有白色端的为负极,黑色为正极)。
图4-4复位电
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