1、I本科毕业论文（20 届）基于单片机的红外测距系统的设计与实现所在学院专业班级 电子信息科学与技术学生姓名指导教师完成日期II目 录摘 要 .1Abstract .2前 言 .3第一章 绪 论 .41.1 课题背景 .41.2 国内外研究现状 .5第二章 系统总体方案设计 .72.1 系统基本要求 .72.2 硬件系统设计方案 .72.3 软件系统设计方案 .9第三章 系统硬件设计 .103.1 电源电路模块 .103.2 LCD1602 显示模块 .103.3 STC89C52 单片机概述 .113.4 A/D 转换模块 .133.5 红外测距传感器模块 .153.6 蜂鸣器报警模块 .16
2、3.7 红外线测距系统硬件显示 .17第四章 系统软件设计 .184.1 程序的总体设计 .184.2 主程序模块 .19第五章 系统调试与分析 .265.1 系统硬件调试 .265.2 系统软件调试 .265.3 调试故障及原因分析 .265.4 测试结果及其分析 .27参考文献 .28致 谢 .29附 录 .301摘 要红外线是电磁波的一种，可以进行距离的测量，随着现代科学技术的迅猛发展，在测距方面也先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距以及这里介绍的红外线测距。在绪论中主要介绍了红外线的一些特性及应用，包括单片机的简要介绍和国内外课题研究的情况。在硬件设计中，单片机 STC89C5
3、2、A/D 转换模块、LCD1602、红外传感器模块、蜂鸣器报警模块等组成了系统的基本结构，并分别对红外测距系统的各个组成部分做了说明与分析。另外，根据红外光抗干扰能力强等特征对系统的设计原理做了细节说明。排除了利用光速和光能的方案，而采用红外线的反射在位置灵敏探测器上来计算出距离的远近。然后将收集到的模拟量转换成单片机可识别的数字量，并通过显示器显示出对应距离。由于红外线探测的距离比较短，设置一个危险值后，当距离小于危险值时会发出警报，在软件设计中，对系统流程做了概述，通过编程从而实现系统测距。最后，对于整个系统的功能实现做了结论和误差的说明。关键词：单片机；热辐射；红外传感器；2Abstr
4、actInfrared ray is a kind of electromagnetic wave, it can undertake distance measurement.Modern science and technology developing rapidly, and it has successively appeared ranging laser ranging, microwave radar ranging, ultrasonic and infrared range here. In the preface,it introduces some of the fea
5、tures and applications of infrared, including the single chip microcomputer and the situation of this research topic at home and abroad. In hardware design, there are STC89C52, A/D converter module, LCD1602, infrared sensor module, buzzer alarm modules and other components of the basic structure of
6、the system, and each of them is introduced and analysis.In addition, according to the infrared light anti-interference ability and other characteristics of the design principle of the system do the details explained. Exclude the use of light and energy programs, and the use of infrared reflection at
7、 the position sensitive detector calculates the distance up the distance.Then the analog collected into a single-chip digital identifiable and display by the corresponding distance. Because of the relatively short distance detected by the infrared ray, when the distance is less than the dangerous fi
8、gure, it will alert.In software design, the system processes are outlined by the program in order to achieve system ranging. Finally, it has the conclusions and the explain of errors for the realization of the function of the whole system .Key words:Single chip microcomputer;thermal radiation;infrar
9、ed sensors;3前 言在科技日益发达的今天，人们的生活已不再仅仅满足于机械化，舒适性和效率感被越来越多的人所重视，高效有质量的生活成为大家追求的目标。工业革命后，信息时代的到来，自动控制和自动检测在人们生活中的比重越来越高，红外技术和传感器成为新兴宠儿。人们利用红外传感器设计出许多实用的传感器模块，比如大型活动中随处可见的自动门控制系统，医疗上的红外测温仪等等。传感器是自动控制系统中重要的组成部分，通过传感器感受接收信号，再由计算机系统对其收集的信号进行处理达到自动控制的功能。红外传感器是传感器中常见的一种，因任何物体超过绝对零度就会向外发射红外辐射而被人们广泛使用，是很实用的一种传感
10、器模块。论文中运用的红外传感器模块是系统的重要环节，在文中详细介绍了红外辐射的概念，红外传感器的分类和应用及前景，红外测距系统的实现原理，系统的组成部分的介绍，包括 A/D 转换模块的原理，单片机的背景简介和各个引脚功能，LCD 显示器的连接以及系统理论与实现过程中出现的一些误差的分析等。在人们对于科技的执着和不懈努力下，已经进行研究实现基于红外测距的汽车防撞系统的功能。系统主要功能是自动进行检测并实时显示汽车与周围障碍物之间的距离、车子本身的速度和加速度，结合当前和具体的汽车的制动能力推算出危险距离，并且距离进入危险值时进行报警，报警灯亮，蜂鸣器工作，必要时使用自动刹车装置迫使汽车减速。因红
11、外线传播时扩散性小，穿越气体物质时折射率小，而且可以适应夜晚或能见度差的环境、测距时成本低廉等优点，可将这一技术在民间推广。4第一章 绪 论1.1 课题背景随着社会的日益发展，人们利用红外传感器设计出许多实用的传感器模块，比如大型活动中随处可见的自动门控制系统，医疗上的红外测温仪等等。传感器是自动控制系统中重要的组成部分，通过传感器感受接收信号，再由计算机系统对其收集的信号进行处理达到自动控制的功能。红外传感器是传感器中常见的一种，因任何物体超过绝对零度就会向外发射红外辐射而被人们广泛使用，是很实用的一种传感器模块。1.1.1 红外线概念红外线又名红外光，是一种无法用肉眼识别的光线，但它客观存
12、在。电磁波谱就是由它与可见光、紫外线、X 射线、Y 射线、微波、无线电波共同组成的。红外线其实是热辐射，即当物体的温度越高，辐射出来的红外线就越多，能量就越强。人们将红外辐射称为热辐射还有一个原因是太阳光谱中单色光从紫光到红光的热效应是慢慢变大的，且最大的热效应出现在红外辐射的最大范围里。红外线被人们所熟知并广泛使用的另一大优势在于其不易发生散射，有很强的穿透力，抗干扰力。反射、折射、散射、干涉、吸收等一系列都是红外光的特性。某些物体可以吸收所有投射于其表面的称为黑体；某些物体能全部反射掉的称为镜体；而一部分吸收，一部分反射掉的物体则被称为灰体。从一般角度出发，自然界是不存在黑体镜体和透明体的
13、。1.1.2 红外技术的应用从古至今，红外线技术就备受瞩目，各种衍生的无接触测温和远距离测温技术的出现也在不同领域造福着人类。按应用领域可以分为医疗领域、安防领域、遥感领域等等，从它被发现以来，人们对它的利用和研究从未停止过，生活中处处存在着红外技术的影子。首先，红外线波长较大，可用于测距，易穿过云雾和烟尘；其次，红外线有较强的热效应，适用于红外加热；根据任何超过绝对零度的物体都会产生红外线这一原理，可衍生出夜视仪的技术，即在夜视状态下，仪器发出肉眼看不到的红外线，进而照亮需要拍摄的物体；通过红外线发射强度与物体的变化可在医学上用于分辨病人身体的发病具5体位置。已经广泛应用在军民两个领域的红外
14、热像仪就是一个很好的例子。在军用领域，红外热像仪应用于卫星、导弹、飞机等军事装备；在民用领域，随着社会的进步发展，大型活动的增多，对于安全的要求越来越高，而红外技术的出现不仅维护了安全，更能很好地进行 24 小时的全天监控。另外，红外技术在医疗卫生领域有着卓越成就。小到利用红外检测体温，大到通过红外成像技术解决了类似 B 超、CT、核磁共振的一系列医学图像问题，使很多棘手病症变得直观。在遥感领域，红外遥感仪器获取目标的红外波段数据，经过信息处理得到有关地球环境方面的信息，如气象预报、防震减灾方面有着极大的应用价值。1.1.3 单片机的应用单片机又称单片微控制器，它等价于一个微型的计算机，即将一
15、个计算机系统集成到一个芯片上。它由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，具备了体积小、质量轻、价格便宜等优点，最早用于工业控制领域。如今，单片机已经成为生活中必不可少的一部分，全自动洗衣机的控制、自动控制的机器人、医疗器械中各种呼吸机、监护仪等，方方面面都少不了它，这与单片机本身的特质是紧密不可分的。单片机体积小，功耗低，扩展方便灵活，利用单片机可以构成各种控制系统和数据采集系统，在市场各个领域的前景很好。1.2 国内外研究现状测距仪是一种非常讲究精密的测量工具，应用在各个领域，具体可分为三种类型：红外测距仪，超声波测距仪和激光测距仪。红外测距仪和超声波测距仪对于所能达到的精度要求没有激光
16、测距仪高，但自从红外技术的引进，它的一些传播特性被应用做成的测距仪。在此设计中红外传感器是研究的重要环节，热传感器和光子传感器是最常见的两种红外传感器。热传感器具有相应波段宽，使用方便简单的优点，但其灵敏度比较低，通常适合在低频调制的场合使用。根据入射的红外光会造成传感器的温度变化的原理，使参数发生变化。通过收集测量到的温度的变化来进一步判断所获得的红外辐射。热传感器可分为四类：热敏传感器型、热电偶型、高莱气动型、热释放电型。热敏电阻型传感器主要是由锰、镍、钴的氧化物混合烧制成薄片状的热敏电阻，由热敏电阻6的特性可以得知入射红外辐射的强弱，即阻值减小，温度升高。热电偶型传感器是由两种材料的热电
17、偶组成的，且两者热电功率差别较大。由这两种金属材料构成的闭合回路的接点经红外辐射后温度升高，而没有经红外辐射的另一接点温度低，便产生了闭合回路的温差电流。通过温差电势的大小直接反应了辐射的强弱。莱气动型传感器是利用了气体吸收红外辐射后温度会升高，从而发生相对位移体积增大的原理，来反映出红外辐射的强弱。其优势是灵敏度高，性能稳定，但适用于实验室使用，响应时间长。热释电型传感器是利用铁电体的极化强度与温度之间的关系，即已经极化的铁电体表面通过红外辐射的照射后会引起温度升高，极化强度降低，表面电荷变少，等价于释放了一些电荷。将其与负载电阻相连，根据负载电阻上输出电信号的大小，反映出红外辐射的强弱。另
18、外一种是光子传感器，它的原理是光子效应会使材料电学性质发生一定的变化，而采用入射光照射在某些半导体材料上能产生光子效应。通过对其电学性质的变化可以判断红外辐射的强弱。其优势是灵敏度高，响应快，一般在低温下进行工作，其波段较窄。通常根据光子传感器的工作原理有内光电和外光电传感器两种类型，外光电传感器中又可以分为光电导传感器、光生伏特传感器和光磁电传感器等。如今，在社会极速发展的背景下，红外传感器的应用越来越广泛，红外探测器可用于非接触式的温度测量，分析相关气体成分，红外遥感，热像检测等，而其前景越来越开阔。其趋势主要是向智能化、微型化和高灵敏度的方向发展。 在如今，红外技术被作为一项高科技的技术
19、，使其与激光技术一同发展，在军事方面有着不可替代的地位。例如红外成像技术、红外侦察技术、红外追踪技术、红外制导技术、红外预警技术等技术在现代和未来军事战争中都是很重要的战术和战略手段，是必不可少的一类武器。从 70年代往后，军事红外技术也进一步发展，慢慢向民用领域方面转化。红外加热与干燥的技术广泛应用于工农业、医学、交通等各个领域中。红外测温湿度、红外检测、红外警报、红外遥感等技术的发展与应用更是预示着社会的发展和创新。红外热成像技术作为新兴成就，与雷达、电视一并成为了当代三大传感系统，发展前景广阔。7第二章 系统总体方案设计2.1 系统基本要求采用红外传感器测距，通过单片机实现基本设置，近距
20、离进行数据采集与计算，液晶显示。设计的方案在硬件上应尽可能地避免外部干扰。采用的各个硬件应能兼容并很好的实现测距效果，减少误差的发生，及时在显示屏上清楚的显示。软件上应有属于自己的开机显示效果，如专业和姓名等。从中更系统地认识单片机，掌握 A/D 转换的细节过程，以及红外收发模块的原理。2.2 硬件系统设计方案基于单片机的红外测距系统，其关键在于红外收发模块。测距的方案有三种：其一，通过速度即光速、时间的关系联系到距离的测算，即将红外发射管发送红外线的时间与接收管接收红外线的时间差写入单片机中，在单片机中通过光速和时间联系距离的公式算法将距离计算出来，见图 2-1；图 2-1 利用时间差测距法
21、其二是通过红外线发射光的强弱来测距，光的衰减是线性的即由红外发光管发出红外线，被红外接收电路的光敏接收管所接收，然后根据发射出的红外光的强弱来判断出所要测的距离长短。由于接收管接收的光强度是随着发光管与测量物的距离变化而变化的，因此，当与测量物的距离近时，接收光强，距离远时，接收光弱。测量出时间差 T单片机 STC89C52距离公式S=C*T距离显示红外传感器模块8图 2-2 利用光强测距法其三是通过三角测量原理，如图 2-3，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
22、 线 被 PSD 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 2-3 利用三角测量测距法考虑到系统测量的距离比较近，而方案一中光速很快，时间很短，相应的误差比较大，时间差难以获得，设计中不可行。而方案二中通过接收光强来获取电压的变化，设计中可行，但受到的外部环境因素干扰较大，测距误差较大不可行。而在方案三种，利用红外传感器的三角测距原理，通过红外发射管发射出红外光，经障碍物反射到 PSD 上，根据入 射 光 斑 落 在 器 件 感 光 面 的 不 同 位 置 时 ， PSD 将 对 应 输 出 不 同 的 电 信 号 。 经过单片机 STC89C52实验资料距离显示红外传感器接收光强单片机 STC89C52实验资料距离显示红外传感器三角测量
