1、苏州大学毕业设计论文1本科毕业论文（20 届）基于单片机的红外线测距仪的设计系统所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期苏州大学毕业设计论文2目 录摘 要 .3第 1 章 绪论 .4第 1.1节 课题背景 .4第 1.2节 国内外研究现状 .5第 2 章 系统总体方案设计 .6第 2.1节 系统基本要求 .6第 2.2节 硬件系统设计方案 .6第 2.3节 软件系统设计方案 .8第 3 章 系统硬件设计 .9第 3.1节 单片机系统的设计 .9第 3.2节 红外线传感器 .11第 3.3节 信号放大电路 .11第 3.4节 A/D 转换电路 .12第 3.5节 显示模块电路 .1
2、2第 3.6节 总体电路连接 .13第 4 章 系统软件设计 .14第 4.1节 程序的总体设计 .14第 4.2节 程序的设计 .16第 5 章 系统调试与分析 .23第 5.1节 硬件调试 .23第 5.2节 测试结果及误差分析 .25结 论 .27参考文献 .28致 谢 .29附 录 .30附录 1：实物照片 .30附录 2：系统接线原理图 .30附录 3：部分源程序 .31苏州大学毕业设计论文3红外线测距【摘要】：随着科学技术的发展，测量技术得到了新的发展。从最早的人工测量到后来的电子测量再到现在的系统测量，不管是精度还是实用性都有了大的提高。在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距
3、、超声波测距及红外线测距。为了实现物体近距离、高精度的无线测量而采用了红外发射接收模块作为距离传感器，单片机作为处理器，编写 A/D 转换和显示程序，完成了一套便推式的红外距离测量系统，系统可以高精度的实时显示所测的距离，本系统结构简单可靠、体积小、测量精度高、方便使用。关键词：单片机；红外测距； A/D 转换【Abstract】：With the development of science and technology, measuring technology get a new development.From the earliest artificial measurement t
4、o the electronic measurement later to measure system now, whether theaccuracy and practicality have improved. In the distance have emerged laser ranging, microwave radar ranging, ultrasonic and infrared range. In order to realize wireless measurement of objects near distance, high precision and the
5、use of the infrared transmitting and receiving module as the distance sensor, MCU as the processor, write A/D conversion and display program, completed the infrared distance measurement system isa portable, the system can display the measured distance and high precision in real time, the system is s
6、imple and reliable, the structure has the advantages of small size, high accuracy, easy to use.Keywords:MCU；infrared distance;；A/D conversion苏州大学毕业设计论文4第 1 章 绪 论第 1.1 节 课题背景1.1.1 红外线的介绍红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，最早由英国科学家赫歇尔在 1800 年发现，他称之为红外热辐射。赫歇尔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，测量各种颜色的光的加热效应。实验结果发现，位于红光外侧
7、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 0.751000m。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为 (0.75-1)(2.5-3)m ；中红外线，波长为(2.5-3) (25-40)m；远红外线，波长为(25-40)l000 m 。红外线是波长介乎微波与可见光之间的电磁波，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。 1.1.2 红外线测距的应用测距仪已经被广泛应用于以下领域：电力，水利，
8、通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，反恐/军事，农业，林业，房地产，休闲 /户外运动等。红外线测距仪用调制的红外光进行精密测距的仪器，测程一般为 1-5 公里。利用的是红外线传播时的不扩散原理 ：因为红外线在穿越其它物质时折射率很小，所以长距离的测距仪都会考虑红外线，而红外线的传播是需要时间的，当红外线从测距仪发出碰到反射物被反射回来被测距仪接受到再根据红外线从发出到被接受到的时间及红外线的传播速度就可以算出距离。红外测距仪的优点是便宜、易制、安全；缺点是精度低、距离近、方向性差。红外线测距仪又可以分类为手持式红外线测距仪（测量距离 0-300 米） ，望远镜红外线测距仪（测
9、量距离 500-20000 米） 。手持式红外线测距仪根据它的精度和测距范围被广泛的应用于我们的日常生活中，比如室内装修、倒车雷达、零件测量等，这些短距离的应用都要比我们实际用尺子等测量工具测得准确、效率，可以说它的出现将大大提高了工业生产和人们日常生活的质量。望远镜红外线测距仪由于其良好的长距离测距功能，我们可以在高速公路甚至航海的测距中应用到，它不同于其他测距方式在于它对于环境的适应性还是很高的，所以在反恐/ 军事上也起到了不小的作用。红外线测距的应用还有许多，在这就不一一列举了。苏州大学毕业设计论文5第 1.2 节 国内外研究现状随着国家对外开放政策的实施和测量工作的需要,近年来国内一些
10、光学仪器厂和电子仪器厂分别从瑞典、瑞士和日本等国引进几种红外测距仪组装线,组装测距仪,我国有关工厂和院校近年来也研制出一些产品。由于微处理机在国产测距仪上的应用,大大缩小了仪器的体积,同时也减少了出故障的几率,使得国产测距仪的性能和质量都较过去有很大的提高。早在国家“六五”计划攻关中,常州第二电子仪器厂研制的 DCHZ 型多功能红外测距仪就是一个很好的例证。该产品经国家测绘局测绘科学研究所光电测距仪检测巾心进行全面质量鉴定后认为:该仪器外型美观、体积小、重量轻、操作方便、精度高和性能稳定,并通过国家有关部门组织的鉴定。目前已开始小批量试生产。 在进行侧距仪研制的同时,国家有关部门也组织力量对红
11、外光电测距仪的检测方法进行研究。目前由国家科委和国家测绘局委托测绘科学研究所筹建的“光电测距仪检测中心”已初具规模,负责测距仪出厂的质量鉴定。但是由于我国在红外线测距方面的研究起步比较晚，现在的技术远远不如欧美日等发达国家，如今随着我国科研的不断努力，在精度和工艺上还是取得了不小的突破，相信不久的将来可以赶上国外的水平。目前红外线测距的品牌主要有：图雅得 TRUEYARD, 博士能 BUSHNELL,奥尔法ORPHA,尼康 NIKON 这 4 个品牌。除了以上品牌外，还有我们国内的一些小品牌，国内小品牌一般价格会便宜一点，但是无论在精度，做工等方面，与大品牌还有比较大的差距的。另外一点，因为激
12、光测距仪望远镜是电子设备，国内小品牌由于使用的电子器件一般比较差，所以故障率也会比较高。苏州大学毕业设计论文6第 2 章 系统总体方案设计第 2.1 节 系统基本要求本设计的任务是完成基于单片机的红外线测距仪的设计系统，主要是设计以单片机为核心、采用 V/L 转换技术的红外线测距仪，实现红外线测距的实时测量和 LCD 数字显示。该系统设计方案由硬件系统和软件系统两部分组成。第 2.2 节 硬件系统设计方案2.2.1 硬件电路组成及工作原理红外线测距仪的硬件电路主要由单片机系统电路、红外线收发电路、复位电路、时钟电路、A/D 转换电路、LED 显示电路等组成，如图 2-1 红外线测距仪硬件结构框
13、图所示。图 2.1 硬件结构框图其工作原理：红外收发信号通过传感器转换成电压信号,然后经过放大、交直流转换和 V/L 变换输入到单片机进行处理后转换成相应的距离值通过 LCD 显示,从而实现对距离的测量。苏州大学毕业设计论文72.2.2 硬件选择1.红外传感器（1）槽型光电传感器 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。 （2）对射型光电传感器
14、 若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。 （3）反光板型光电传感器 把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个控制信号。 （4）扩散反射型光电传感器 它的检测
15、头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个信号。考虑设计要求，选用（3） 。2.A/D 转换电路（1）采用集成型 555 定时器进行 A/D 转换，集成型 555 定时器方便与单片机实现接口通信，价格也比较便宜，但其响应速度较慢，外围电路较复杂。（2）PCF8591 器件进行 A/D 转换，在 PCF8591 器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向 IC 总线以串行的方式进行传输。PCF8591 的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit 模数转换和
16、8-bit 数模转换。PCF8591 的最大转化速率由IC 总线的最大速率决定。（3）采用 AD650 转换，AD650 是美国 ANALOG DEVICES 公司推出的高精度电压频率转换器。它由积分器、比较器、精密电流源、单稳多谐振荡器和输出晶体管组成，其转换频率可高达 1MHz,具有很低的非线性度，但其最佳温度稳定性不如 PCF8591，价格也比前两者高。考虑设计要求，选用（2） 。3.单片机系统（1）采用 STC89C52RC 单片机作为主控芯片，STC89C52RC 是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，其指令代码完全兼容传统的 8051 单片机。可以用串口直接下载程
17、序，且可反复擦写编程，而且价格也较便宜。（2）采用 MSP430 单片机作为主控芯片，MSP430 系列单片机是美国德州仪器（TI）推出的一种 16 位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。其处理能力强、运算速度快，片内资源也很丰富。综合考虑，由于本系统不涉及大量的数据存储和复杂处理，MSP430 的资源得不到充分利用且其成本较高，所以采用方案一，选用 STC89C52RC 单片机。苏州大学毕业设计论文84.显示器件（1）采用 LED 数码管进行显示，数码管原理简单、容易理解且价格便宜。但不足之处是其显示内容较单调，而且多管脚使得电路板焊接变得较为复杂。（2）采用 LCD1602 液晶显示
18、屏进行显示，它 1602 液晶模块内部的字符存储器（CGROM)已经存储了 160 个不同的点阵字符图形，如：大小写英文字母、阿拉伯数字、常用的符号和日文假名等。此液晶屏连线也比较简单、方便。但其显示内容不够丰富，没法显示中文字符且只能显示两行。（3）采用 LCD12864 液晶显示屏进行显示，12864 内置 8192 个 16*16 点汉字和 128个 16*8 点 ASCII 字符集。灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面，且显示内容丰富，不仅可显示 84 行 1616 点阵的汉字，还能显示图形。综合考虑，由于红外线测距只需要显示距离数据，比较单一，所以我们只
19、要选用普通的 LCD1602 液晶显示屏显示即可。第 2.3 节 软件系统设计方案由于本次设计中红外线信号的采集、放大与转换都是由硬件电路完成的，所以需要编程实现的只有以下两部分：（1）对于 V/L 转换器输出端的信号进行数据处理，将其转换成距离值 ;（2）将转换好的距离值在 LCD1602 液晶显示屏上显示出来。程序框图如图 2-2 所示。开始数据初始化AD 采集 显示电压值 电压值对应距离显示距离图 2.2 程序框图苏州大学毕业设计论文9第 3 章 系统硬件设计第 3.1 节 单片机系统的设计3.1.1 STC89C52RC 的简介1.STC89C52RC 的性能特点（1）增强型 6 时钟
20、/机器周期，12 时钟/机器周期 8051；（2）工作电压：5.5V3.3V（5V 单片机）或者 3.8V2.0V （3V 单片机） ；（3）工作频率范围：040MHz，相当于普通 8051 的 080MHz ，实际工作频率可达 48MHz；（4）用户应用程序空间为 8K 字节；（5）片上集成 512 字节 RAM；（6）通用 I/O 口（32 个） ，复位后为：P1/P2/P3/P4 是准双向口/弱上拉，P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻；（7）ISP（在系统可编程）/IAP （在应用可编程） ，无需专用编程器/ 仿真器，可通过串口（
21、P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；（8）具有 EEPROM 功能；（9）看门狗电路；（10）共 3 个 16 位定时器/计数器，即定时器 T0、T1、T2 ；（11）外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；（12）通用异步串行口（UART） ，还可用定时器软件实现多个 UART；（13）工作温度范围：075 或者-40+85。2.STC89C52RC 引脚及作用图 3.3 STC89C52RC 引脚图苏州大学毕业设计论文10VCC（40）：电源电压；GND（20）：接地；P0 口（32-39）：P0 口是
22、一个漏极开路的 8 位双向 I/O 口，其中 P0.0P0.4 用于串行连接液晶屏，P0.5P0.7 接指示灯的阴极端，当其为低电平时，指示灯点亮；P3.5 口：作计数器 T1 使用，接 V/L 转换器的输出端；RST（9）：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效， 用来完成单片机单片机的复位初始化操作；XTAL1（19）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端；XTAL2（18）：振荡器反相放大器的输入端。3.1.2 单片机外围电路1.时钟电路如图 3.4 所示设计一个由石英晶体和 2 个电容组成的时钟电路，石英晶体采用12MHz 的晶振，外接电容采用 2 个 22pF 的稳定电容即可。需要注意的是：在设计电路时，石英晶体和电容应尽可能地靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，使得振荡器稳定、可靠地工作。单片机外围电路图如图 3.4 所示。图 3.4 单片机外围电路图2.复位电路如图 3.4 时钟电路下方，是一个简单的复位电路，STC89C52RC 的复位输入引脚 RST为 STC89C52RC 提供了初始化手段。在振荡器运行的情况下，只要在 RST 引脚上出现两个机器周期以上的高电平，单片机内部则初始复位。以后每个周期复位一次，直至 RST端变低。
