红外距课程设计 - 副本

1、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，我采用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、显示以及与PC机的通信程序，开发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，并且可以将距离量通过串口发送到PC机显示处理、本系统结构简单可靠、体积小、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。下面是红外测距的相关课程设计。目录摘要2一、  红外线简介41.1 红外线

2、传感器的分类41.2红外线传感器的应用6二、实验目的7三、实验内容7四、实验仪器7五、红外测距原理75.1、时差法光电测距基本原理75.2、相位法光电测距基本原理85.3、三角法光电测距基本原理9六、红外测距的基本结构及系统框图96.1 主要元件分析101.红外线发射器件106.2、红外测距硬件电路设计111.单片机最小系统112. 红外发射电路设计123. 红外接收放大电路设计134. 电源电路135. 数码管显示电路图146. 系统总电路图及元器件14七、总结16一、  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、

3、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，但实际上它和其他任何光线一样，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0.75M-1000M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系统的核心是红外探测器，按

4、照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用，随着探测设备和其他部分的技术的提高，红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度。1.1 红外线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。(1)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

5、电偶型，高莱气动型和热释放电型四种。(a)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度。(b)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

6、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。(c)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，

7、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。(d)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

8、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。(2)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

9、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。(a)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。(b)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

10、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。  (c)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。 

11、(d)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，响应波段可达7M左右，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。1.2红外线传感器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

12、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。（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） 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和多个组合。二、实验目的1、了解光电测距的基本原理及方法；2、熟悉红外测距的原理及方法；3、掌握一种红外测距传感器测距基本使用方法。三、实验内容1、光电测距的基本原理及方法的学习；2、红外测距的原理及方法的熟悉；3、通过距离测量及数据处理，掌握红外测距传

13、感器测距基本使用方法。四、实验仪器光电传感器技术实验台、光电测距实验模块、挡板（自制）、米尺（自备）、导线。五、红外测距原理5.1、时差法光电测距基本原理时差法光电测距是通过测定光波（或电磁波），在待测距离上往返传播的时间来计算待测距离的，如图-1所示，测距的基本公式为：式中 光波（或电磁波）在大气中的传播速度。图-1光波在测线上的往返传播时间，可以直接测定，也可以间接测定。直接测定光波传播时间是用一种脉冲波，它是由仪器的发送设备发射出去，被目标反射回来，再由仪器接收器接收，最后由仪器的显示系统显示出脉冲在测线上往返传播的时间或直接显示出测线的斜距，这种测距仪称为脉冲式测距仪。间接测定光波传播

14、时间是采用一种连续调制波，它由仪器发射出去，被反射回来后进入仪器接收器，通过发射信号与返回信号的相位比较，即可测定调制波往返于测线的迟后相位差中小于2的尾数。用个不同调制波的测相结果，便可间接推算出传播时间，并计算（或直接显示）出测线的倾斜距离。这种测距仪器称为相位式测距仪。目前这种仪器的计时精度达10-10s以上，从而使测距精度提高到lcm左右，可基本满足精密测距的要求。现今用于精密测距的测距仪多属于这种相位式测距仪，我们将讨论用于控制测量的相位式光电测距仪。5.2、相位法光电测距基本原理相位法也是时差法中的一种，属于间接测量的方法。如图-2（a）所示，测定两点的距离，将相位式光电测距仪整置

15、于点（称测站），反射器整置于另一点（称镜站）。测距仪发射出连续的调制光波，调制波通过测线到达反射器，经反射后被仪器接收器接收（如图-2（b）。调制波在经过往返距离2后，相位延迟了。我们将两点之间调制光的往程和返程展开在一直线上，用波形示意图将发射波与接收波的相位差表示出来，如图-2（c）所示。图-2设调制波的调制频率为，它的周期，相应的调制波长。由图-2（c）可知，调制波往返于测线传播过程所产生的总相位为，根据相位和时间的关系式，其中为角频率， 5.3、三角法光电测距基本原理因光的传播速度较快,用往返测时间的方法不适合短距离的测距，红外传感器运用三角测量法，使用一个红外光辐射源和一个小线阵cc

16、d光敏感元件进行距离测定。基本思路是这样的：发射出去的红外光线遇到障碍物后，将返回到探测器，由此，红外辐射源，障碍物，探测器便形成了一个三角型的关系。图-3这里所用的红外探测器，其实是一个精密透镜，可以将接收到的红外线反射至一个密封的线阵ccd敏感器件，它所接收的是一个角度信号，利用此角度信号便可很容易计算出障碍物的距离。红外光辐射源发射的是经过调制的脉冲光线，因此有利于免除环境的干扰，可以在很大范围内正常工作。红外传感器的测距范围为10厘米-80厘米，电压输出非直线形而呈现出对数特怔。六、红外测距的基本结构及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、放大电路、单片机电路、译

17、码显示电路。系统工作时，由发射单元发出一束激光，到达待测目标物后漫反射回来，经接收单元接收、放大整形后到距离计算单元计算完毕后显示目标物距离。6.1 主要元件分析 1.红外线发射器件 红外线发射器件是最长用的为红外发光二极管，它与普通发光二极管的结构 原理以及制作工艺基本相同，是只有一个PN结的半导体器件，只是所有的材料不同，制造红外发光二极管砷化钾，砷铝钾等，其中应用最多的是砷化钾。 红外发光二极管一般采用环氧树脂，玻璃，塑料等封装，除白色透明材料封装外，还可见到用蓝色透明材料封装的，。红外发光二极管按发光功率的大小，可分为小功率，中功率，大功率三种。另外，红外发光二极管除顶面发光型外，还有

18、侧面发光型。小功率管一般采用全塑封装，也有部分是采用陶瓷底座，顶端用玻璃或环氧树脂透镜封装的，中大功率管一般采用带螺纹金属底座，以便安装散热片。随着发光功率得提高，相应体积的管子也增大。 红外发光二极管的主要参数 （1）正向工作电流I 是指红外发光二极管长期工作时，允许通过的最大平均电流，因为电流通过PN结时，要消耗一定的功率而引起管子发热，如管子长期超过I运行，会因过热而烧毁，因此，使用的最大平均正向工作电流不得超过I。 (2)光功率R 是指输入到发光二极管的电功率转化为光输出功率的那一部分。光功率越大，发射距离越远。 （3）峰值波长pl 是指红外发光二极管所发出近红外光中，光强最大值所对应

19、的发光波长，在选用红外接收管时，其受光峰值波长应尽量靠近pl。 (4)反向漏电流rI 是指管子未被反向击穿时反向电流的大小，希望它越小越好。 （5）响应时间0t 由于红外发光二极管PN结电容的存在，影响了它的工作频率。现在，红外发光二极管的相应时间一般为10-6s10-7s最高工作频率为几十MHZ。6.2、红外测距硬件电路设计 1.单片机最小系统 M68HC11系列是motorola公司生产的8位单片机中功能最强、集成功能最全的机种。68HC11E1的一大特色是功耗低，工作电流小于15mA，有WAIT 和STOP 两种方式进行省电。M68HC11的可靠性很高，有程序自下载功能，接上串口线就可以

20、自动下载程序。其扩展能力强。 68HC11E1由CPU、片内存储器、定时器系统、串行口、A/D、并行I/O口，中断和复位系统组成。如图所示。该芯片扩展了32K的静态不挥发RAM。片内EEPROM可现场擦除和写入，可存放各种需经常修改、掉电后又不允许丢失的数据，也可存放程序。片内RAM具有后备保护特性。其优点是既有静态RAM的速度和方便（70ns），又有EEPROM或FlashRom的掉电不丢失性，从而能将程序和数据合用一个芯片。同时具有可靠的上电、掉电、强静电等数据保护功能。其控制板设计了ASBUS总线如图4： 简单类似于ISA和PCI总线。采用堆叠式的ASBUS扩展卡可以方便扩展控制板的功能

21、。 总线通常包含了几十条分立的线，每一条被赋予一个特定的含义或功能。 总线可以分成三个功能组： 数据线：数据线提供系统模块间传送数据的路径。这些线结合在一起称为数据总线。线的数目称为数据总线的宽度。 地址线：地址线用于指定数据线上数据的来源和去向。地址线的宽度决定了系统能够使用的最大的存储器容量。 控制线：控制线用来控制对数据地址线的访问和使用。由于数据线和地址，所有模块共享，因此必须用一种方法来控制他们的使用。 【特性引脚功能】 ASBUSA 和 ASBUSB 分别有 14 个信号线。 PCO-PC7：数据总线 RESET： 复位信号 IRQ： 外部中断输入脚 VCC： +5V 电源（负载不

22、要超过 300MA） Vmotor： 电机电压，也即电池电压，可接较大负载 GND： 地 IS0-IS3：输入选择线 0-3 OS0-0S3：输出选择线 0-3 PA1-PA2：输入捕捉口 PA3： 输出比较口 PE5-PE7：模拟输入口 本设计中PE5扩展红外接收传感器。2. 红外发射电路设计 (a)电路组成：红外发射驱动电路是由一个简单的共射放大电路和一个作为开关的三极管电路组成的模块。电路原理如图所示: (b)电路工作原理：在共射放大电路中，红外发光二极管TLN205接于共射放大电路的集电极，与基极和发射极相接的二极管起温度补偿作用。控制管脚Vin与68HC11E1芯片管脚Vcc相接。当

23、控制管脚Vin有信号输入时，控制电路的三极管导通,同时整个电路导通,红外发光二极管TLN205发射出红外光。 3. 红外接收放大电路设计 (a)电路组成:红外接收驱动电路是由红外接收管TPS708和两个电压串联负反馈模拟运算放大电路组成的模块. 红外接收驱动电路设计为两极放大是因为在许多情况下，输入信号是很微弱的，要把这样微弱的信号放大到足以带动负载，仅用一级电路放大定是做不到的，必须经多级放大，以满足放大倍数和其他性能方面的要求。 (b)电路工作原理:红外发光管TLN205发射出的红外光,在遇到前面的障碍物反射后,由红外接收管TPS708接收,此时TPS708会产生一个与光强相对应的电流。电

24、流经由LM358 两级放大后,在输出端可以得到一个03V的模拟电压,作68HC11E1 单片机模拟输入量进行A/D转换,最后将转换结果在LED上显示出来。 (c）运算放大电路定量分析：我们采用负反馈模拟运算放大电路，是因为负反馈具有提高增益稳定性、展宽放大器通频带与减少非线性失真和噪音三大优点，并且负反馈还有对相应的输出量进行自动调节作用。4. 电源电路 电路组成：该稳压电源由变压电路、整流电路、滤波电路、和稳压电路四大部分组成。如图所示： 电路工作原理：该电路为交直转换电源电路，首先，由变压器将市电220V交流电变成9V的交流电，再经单相桥式整流电路将交流电变为所需要的直流电，后再经滤波电路、7805稳压器把不稳定的直流电压变为稳定的直流5V电压输出，供整个红外测距模块使用。5. 数码管显示电路图 (a)电路组成：LED动态显示电路如图9所示，ASBUSA的数据输出口PC0PC7与74LS373的数据输入口D0D7连接，74LS373输出的高四位Q4Q7经 74LS247译码与DS2相连，低四位Q0Q3经74LS247译码与DS1相连，两个LED可显示1080的距离值。 (b)电路工作原理: ASBUSA的数据输出口PC0PC7输出距离的BCD码，经74L