基于紅外技術(shù)測(cè)距儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張亦勛

（廣州城市理工學(xué)院，廣東廣州，510800）

0 引言

紅外測(cè)距首次出現(xiàn)在1960年代，出現(xiàn)時(shí)被人們認(rèn)為是一種以紅外線為主體的測(cè)量方法。研究紅外距離具有非凡的意義，其本身具有其他測(cè)距模式?jīng)]有的特點(diǎn)，技術(shù)難度相對(duì)較小，性能好，簡(jiǎn)單，易于使用，系統(tǒng)成本低，在各行各業(yè)都扮演著不可或缺的角色，因此其市場(chǎng)需求更大，更廣泛的發(fā)展空間。

紅外測(cè)距儀最大的優(yōu)勢(shì)是短距離測(cè)量的精準(zhǔn)性。使用調(diào)制紅外光測(cè)量范圍通常是1～5公里，在100米范圍內(nèi)的超聲波測(cè)距有優(yōu)勢(shì)，但超聲波測(cè)距不能檢測(cè)區(qū)域內(nèi)1米距離，而紅外測(cè)距儀可以精確到1米以內(nèi)的距離。本研究設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)10～50cm精準(zhǔn)測(cè)量的紅外測(cè)距儀。

1 紅外測(cè)距原理

■1.1 時(shí)間差法測(cè)距原理

■1.2 反射能量法測(cè)量原理

■1.3 相位法測(cè)距原理

■1.4 三角法測(cè)距原理

三角測(cè)量法的原理是由紅外發(fā)射管和一個(gè)PSD實(shí)現(xiàn)（傳感裝置位置的位置傳感裝置）和相應(yīng)的計(jì)算電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。而夏普公司的PSD有更優(yōu)越的性能，它可以檢測(cè)微小位移的光落在它的上面，解決微米以上的測(cè)量，紅外傳感器GP2Y0A21使用此功能實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量距離的目標(biāo)對(duì)象，如圖1所示。

圖1 三角法測(cè)距原理

首先通過(guò)紅外發(fā)射管紅外傳感器，紅外距離遇到障礙下降反映了PSD上形成了一個(gè)等腰三角形。和其他兩個(gè)點(diǎn)是固定的，由管和紅外發(fā)射管PSD的距離是已知的，可以使用三角函數(shù)計(jì)算高這個(gè)數(shù)值就是想要測(cè)量的距離。

相比較其他的測(cè)距原理，三角測(cè)量法的精度更加高，利于實(shí)現(xiàn)，而且受外界因素的影響，以及自身的誤差率更低，因而本設(shè)計(jì)采用此原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物體距離的測(cè)量。

2 紅外測(cè)距儀硬件設(shè)計(jì)

■2.1 紅外測(cè)距系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

第一步紅外傳感器模塊GP2Y0A21YK0F發(fā)送紅外線；第二步到達(dá)物體后反射紅外線；第三步紅外傳感模塊接收反射后的紅外線；第四步傳感器模塊將信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)處理模塊；第五步經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換將非線性的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為線性的數(shù)字信號(hào)；第六步由單片機(jī)處理模塊發(fā)送數(shù)字信號(hào)到液晶顯示模塊；第七步最后結(jié)果表明在液晶顯示模塊LCD1602上，如圖2所示。

圖2 基本結(jié)構(gòu)圖

■2.2 各硬件電路設(shè)計(jì)

本研究所設(shè)計(jì)的紅外測(cè)距儀主要包括了A/D轉(zhuǎn)換電路，1602顯示電路，電源輸入電路，上電復(fù)位電路，蜂鳴器、獨(dú)立按鍵電路，程序下載電路等硬件電路。

(1)A/D轉(zhuǎn)換電路。本研究選取ADC0832 轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部的電源輸入和參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入0～5V。芯片切換時(shí)間僅為32μs，具有雙輸出的數(shù)據(jù)可以作為檢查數(shù)據(jù)，為了減少誤差數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換速度快、性能穩(wěn)定。獨(dú)立的芯片使能輸入，設(shè)備的懸掛和處理器的控制變得更加方便。通過(guò)數(shù)據(jù)輸入，可以很容易地實(shí)現(xiàn)信道的功能選擇。

(2)1602顯示電路。單片機(jī)P0-P7口分別接D1～D7，同時(shí)接上排阻，而在排阻另一端接上VCC，單片機(jī)的P34接EN，P35接RS，單片機(jī)通過(guò)P0口向1602顯示頻輸送數(shù)據(jù)，顯示測(cè)得的距離。

(3)電源輸入電路。電源電路是單片機(jī)能否正常工作的基礎(chǔ)，在本設(shè)計(jì)中由于傳感器需要所以電源需要保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，默認(rèn)為5V的環(huán)境下。電源模塊對(duì)應(yīng)的接線方法為：?jiǎn)纹瑱C(jī)的第40引腳（VCC）為電源引腳；第20引腳（GND）為接地線。

(4)上電復(fù)位電路。復(fù)位電路的設(shè)計(jì)好壞直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因?yàn)樵趩纹瑱C(jī)的瞬時(shí)電源電壓是不穩(wěn)定的，單片機(jī)不能立即投入工作，需要繼續(xù)保持一段時(shí)間的復(fù)位狀態(tài)，直到一個(gè)穩(wěn)定的電源供應(yīng)器開(kāi)始工作。本設(shè)計(jì)中采用的是最簡(jiǎn)單的上電復(fù)位方式，也就是說(shuō)，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后的上電后，由于電容的作用后，單片機(jī)會(huì)過(guò)段時(shí)間再開(kāi)始工作。

(5)蜂鳴器、獨(dú)立按鍵電路。單片機(jī) P20～P24接獨(dú)立按鍵模塊，分別對(duì)應(yīng)S2～S5，S4功能為減10cm，S3功能為加10cm，S2功能為切換上下限設(shè)置，S1功能為RESET。蜂鳴器，會(huì)放出蜂鳴一般的響聲，當(dāng)距離達(dá)到所設(shè)置的閥值時(shí)，蜂鳴器響起，同時(shí)LED警示燈也會(huì)亮起，進(jìn)行報(bào)警提示。

(6)程序下載電路。USB串口是計(jì)算機(jī)USB接口的通用串行接口之間的轉(zhuǎn)換。作為最廣泛使用的USB接口，每臺(tái)計(jì)算機(jī)都是一個(gè)必不可少的通信接口，它最大的特點(diǎn)是支持熱插拔，即插即用，快速傳輸速度。沒(méi)有串口的計(jì)算機(jī)提供一個(gè)快速通道，USB串口設(shè)備的使用是相當(dāng)于傳統(tǒng)的串口設(shè)備的即插即用USB設(shè)備。在本設(shè)計(jì)中，程序下載是通過(guò)USB轉(zhuǎn)TTL的下載器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，RXD接TXD，TXD接RXD。

■2.3 總電路原理圖

采用EDA技術(shù)匯總A/D轉(zhuǎn)換電路，1602顯示電路，電源輸入電路，上電復(fù)位電路，蜂鳴器、獨(dú)立按鍵電路，程序下載電路，可得本設(shè)計(jì)總電路原理圖，見(jiàn)圖3。

圖3 總電路原理圖

3 紅外測(cè)距儀軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，紅外系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先將AT89C52單片機(jī)初始化。當(dāng)AT89C52單片機(jī)接收紅外接收電路傳輸電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)A / D轉(zhuǎn)換程序，將單片機(jī)之外的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，并根據(jù)距離和電壓轉(zhuǎn)換子程序，將電壓的轉(zhuǎn)換為距離。最后，在實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示在液晶顯示器上。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

本研究中的紅外測(cè)距的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、延時(shí)函數(shù)、顯示程序函數(shù)、測(cè)距計(jì)算函數(shù)組成。程序開(kāi)始，主程序第一步先將1602顯示屏進(jìn)行初始化，然后開(kāi)始測(cè)量。

調(diào)用子函數(shù)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)得出的電壓值，再次調(diào)用距離計(jì)算函數(shù)，得出距離值。這個(gè)時(shí)候的主函數(shù)將顯示測(cè)量計(jì)算得出的距離值，然后結(jié)束程序。

該程序使用多個(gè)調(diào)用函數(shù)，讀取/數(shù)、距離的計(jì)算函數(shù)、算術(shù)平均濾波程序。收集和計(jì)算的價(jià)值；LCD忙標(biāo)志判斷函數(shù)，寫數(shù)據(jù)子函數(shù)，寫命令子函數(shù)，顯示數(shù)據(jù)調(diào)整功能，字符串顯示功能，顯示子程序顯示功能；1602初始化函數(shù)，LCD屏則是清除屏幕功能。

4 紅外測(cè)距儀運(yùn)行與測(cè)試

本研究設(shè)計(jì)的紅外測(cè)距儀成品，如圖5所示。

圖5 紅外測(cè)距儀成品圖

通過(guò)程序數(shù)據(jù)線性化分析，本研究設(shè)計(jì)的基于紅外技術(shù)的測(cè)距儀，在測(cè)量10～50cm的物體時(shí)結(jié)果較為精準(zhǔn)，若物體距離小于10cm或大于50cm，數(shù)據(jù)不具有明顯代表性，設(shè)置紅外測(cè)距儀進(jìn)行報(bào)警處理。具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的紅外技術(shù)測(cè)距儀，標(biāo)定了測(cè)量范圍在10～50厘米平面物體。最大誤差是0.01厘米，可以在很短的時(shí)間內(nèi)多次的測(cè)量，紅外測(cè)距系統(tǒng)穩(wěn)定性好，具有較高的敏感性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能得到較為精準(zhǔn)的測(cè)量值，具有一定的研究?jī)r(jià)值。