一種便攜式的紅外測(cè)距系統(tǒng)

韋 偉，周凌翱，劉 青

（南京鐘山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 南京 210049）

紅外測(cè)距[1]是一種非直接接觸的測(cè)量方式，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)量測(cè)繪上得到廣泛的運(yùn)用。該系統(tǒng)由紅外發(fā)射接收傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)采集處理、數(shù)據(jù)顯示電路等組成，體積小，操作簡(jiǎn)單，非常適合于近距離的測(cè)量應(yīng)用。本系統(tǒng)形成了一套完整的硬件系統(tǒng)和軟件開發(fā)平臺(tái)，便于功能的改造，擴(kuò)展及其他應(yīng)用研究。

1 紅外測(cè)距原理

本控制系統(tǒng)的MCU采用STC公司的STC89LE516RD，它是MCS－51系列的派生產(chǎn)品，在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標(biāo)準(zhǔn)8052單片機(jī)完全兼容，最高時(shí)鐘頻率90 MHz，低功耗，可支持（ISP IAP）編程。 紅外測(cè)距采用GP2Y0A02YK芯片，它采用光學(xué)三角測(cè)量的方法，測(cè)量精度受反射物體的顏色和光線的影響比較小。內(nèi)部集成了紅外接收發(fā)射兩個(gè)模塊，感應(yīng)距離為 20 cm 至 150 cm，寬范圍供電（0～7 V），不需要多余的外部接口電路，也不需要額外的處理電路，簡(jiǎn)化了底層控制器的外圍電路，使用方便。感應(yīng)距離與輸出電壓的關(guān)系如圖1所示[2]。

由于在20～150 cm范圍內(nèi)測(cè)量距離與輸出電壓成曲線變化，測(cè)量輸出電壓將其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信息進(jìn)行歸算得到測(cè)量的距離，在將其結(jié)果用數(shù)碼管或者上傳到PC機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 測(cè)量距離與輸出電壓關(guān)系圖Fig.1 Measuring distance and output voltage curve

2 AD轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System structure

AD/DA采用PHILIP的PCF8591芯片，精度為8 bit。有4路A/D轉(zhuǎn)換輸入，一路D/A轉(zhuǎn)換輸出，既可以作A/D也可以作D/A轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換為逐次比較型，采用典型的I2C總線接口器件尋址方法，即總線地址由器件地址、引腳地址和方向位組成。通過(guò)控制字寄存器對(duì)4路模擬量的輸入方式進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能[3]。原理圖如圖3所示。ADC的轉(zhuǎn)換公式為：VOUT=（VADJ－VAGND）·256/（VREF－VAGND）。

圖3 AD/DA原理圖Fig.3 AD/DA schematic

24LC02作為EEPROM，輸出信號(hào)采用I2C方式與STC89LE516 MCU通信，SDA和SCL分別由是啟動(dòng)和關(guān)閉I2C的控制信號(hào)[4]。當(dāng)I2C總線空閑時(shí)，SDA和SCL都處于高電平狀態(tài)。當(dāng)SCL保持高電平時(shí)，一個(gè)SDA下降沿表示初始化一個(gè)起始條件。當(dāng)SCL保持高電平時(shí)，SDA的一個(gè)上升沿表示初始化一個(gè)停止條件。起始和停止條件都是由MCU發(fā)起的。傳輸數(shù)據(jù)開始前，MCU控制24LC02的SDA和SCL發(fā)送起始位，傳輸數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)，控制SDA和SCL發(fā)送停止位。輸出到SDA線上的每個(gè)字節(jié)必須是8位，每次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)則不受限制，起始條件后緊跟著地址字節(jié)，每個(gè)字節(jié)必須有一個(gè)確認(rèn)位（ACK），如果 MCU在完成其他功能之前不能傳輸另一數(shù)據(jù)的完整字節(jié)，24LC02會(huì)保持時(shí)鐘線SCL為低，使其進(jìn)入等待狀態(tài)，當(dāng)MCU準(zhǔn)備好接收并釋放SCL信號(hào)后，數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)進(jìn)行[5]。

3MCU設(shè)計(jì)程序算法

1）PCF8591 AD 轉(zhuǎn)換程序

電路上PCF8591的第0通道采集的是GP2Y0A02YK芯片的模擬量。采用KEIL軟件環(huán)境編寫AD轉(zhuǎn)換及傳輸程序。在主函數(shù)中編寫讀PCF8591第0通道數(shù)據(jù)的函數(shù)如下：

當(dāng)模擬量信號(hào)為3.3 V時(shí)，Val返回255，當(dāng)模擬量信號(hào)為0 V時(shí)，Val返回0，呈線性的關(guān)系，計(jì)算得到每伏電壓的數(shù)值為 77.27。

2）數(shù)據(jù)歸算問(wèn)題

圖1所示測(cè)量距離與輸出電壓關(guān)系并不是線性的關(guān)系，在20～150 cm范圍內(nèi)測(cè)量距離與輸出電壓近似成二次曲線的關(guān)系。用MATLAB編寫程序，輸入坐標(biāo)值求解關(guān)系式，將圖一擬合成如下函數(shù)關(guān)系式：y=35x2－160x+191（其中x為紅外輸出電壓，y為測(cè)量距離值），最后將其歸算成距離量。

num=ReadADC（0）；//采集第 0 通道的模擬量

x=（num）/77.27；//將 AD 轉(zhuǎn)換的數(shù)換算成電壓值，以便代入函數(shù)。

y=35*x*x－160*x+191.25 ；//歸算成距離量（單位為 cm）。

3）測(cè)量結(jié)果顯示

本系統(tǒng)設(shè)有3個(gè)SEG共陽(yáng)的數(shù)碼管，如圖4所示，它可以用來(lái)顯示紅外傳感器測(cè)量的距離量[6]。

圖4 SEG顯示原理圖Fig.4 SEG display schematic

STC89LE516RD的P0口控制3個(gè)SEG顯示的數(shù)值，由于P0口在某一特定的時(shí)刻只有一個(gè)特定的值，所以如果讓P0口控制3個(gè)不同的SEG，就需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)鎖存器，對(duì)數(shù)據(jù)先進(jìn)行鎖存再送入SEG。鎖存器選用74HC574，OE一直為有效，3個(gè) CP 分別用 MCU 的 P2.5 P2.6 P2.7控制， 當(dāng) CP 上升沿時(shí)鎖存數(shù)據(jù)。經(jīng)0到9這十個(gè)數(shù)據(jù)按照SEG共陽(yáng)的接法寫成一個(gè)有10個(gè)成員一維的數(shù)組，成員從0到9依次對(duì)應(yīng)于SEG顯示的0到9。這樣的寫法易于SEG顯示程序的編寫。

4 軟件編程

本系統(tǒng)與上位機(jī)采用串口通訊[7]的方式，在VC下編程實(shí)現(xiàn)紅外距離數(shù)據(jù)的接收。除了紅外測(cè)距，本開發(fā)系統(tǒng)還具有實(shí)時(shí)報(bào)警，繼電器開關(guān)控制，直流/步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)等其他模塊。在對(duì)STC89LE516RD編程時(shí)，對(duì)各個(gè)硬件模塊進(jìn)行了地址上的分配以及命令格式上的定義。如蜂鳴器開為AA01其中AA為通訊測(cè)試編碼，01為接收距離數(shù)據(jù)，AA02為關(guān)閉接收數(shù)據(jù)，AA03為繼電器吸合，AA04為繼電器釋放，AA05為直流電機(jī)運(yùn)行，AA06為直流電機(jī)停止等。這里定義寫入到MCU后，上位機(jī)只需將這些命令通過(guò)串口發(fā)出即可實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件系統(tǒng)的控制。Microsoft公司在WINDOWS中提供了一個(gè)串口 通 訊 ActiveX控 件 Communication Control（MSComm），MSComm間接調(diào)用Windows API，然后再傳遞給驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行處理[8]。將控件加在單文檔對(duì)話框上再用ClassWizard生成相應(yīng)的對(duì)象，就可以使用其函數(shù)如：SetCommPort（指定使用的串口），GetCommPort（得到當(dāng)前使用的串口），SetPortOpen（打開或關(guān)閉串口），GetPortOpen（取得串口狀態(tài)），GetInPut（讀取輸入緩沖區(qū)），GetOutBufferCount（輸出緩沖區(qū)中待發(fā)送的字符數(shù)），SetOutPut（寫入輸出緩沖區(qū)）。設(shè)置好MSComm的屬性，將以上命令編碼通過(guò)SetOutPut等函數(shù)發(fā)出即可。采用MSComm編程控制該系統(tǒng)的界面如圖5所示。

圖5 紅外測(cè)距系統(tǒng)上位機(jī)界面Fig.5 PC interface of system

圖6 測(cè)距系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.6 Material object of system

5 結(jié)束語(yǔ)

本便攜式測(cè)距系統(tǒng)完成了一整套軟件硬件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有成本低、實(shí)用性高、功率小、反映速度快、抗干擾能力強(qiáng)、易于小型化等特點(diǎn)，非常適用于短距離測(cè)量、移動(dòng)機(jī)器人避障及紅外感應(yīng)控制等諸多領(lǐng)域。為了避免盲區(qū)和提高測(cè)量精度，還可以采用多個(gè)紅外發(fā)送接收模塊同時(shí)工作，得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

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