红外测距系统设计(光电系统设计)

经典word整理文档，仅参考，双击此处可删除页眉页脚。本资料属于网络整理，如有侵权，请联系删除，谢谢！__目录第一章绪论......................................................................................................................11.1红外线概述.........................................................................................................11.2红外传感器的分类.............................................................................................11.3红外传感器的应用.............................................................................................21.4AT89C52单片机概述.......................................................................................31.5MCP3001简介..................................................................................................6第二章红外测距的工作原理与基本结构....................................................................82.1红外测距传感器简介.........................................................................................82.2红外线测距的工作原理....................................................................................92.4红外测距传感器接线.......................................................................................102.5红外测距系统的基本结构.............................................................................11第三章红外测距的硬件设计......................................................................................113.1红外测距的实现构想......................................................................................113.2系统硬件结构电路图......................................................................................123.3各硬件电路设计..............................................................................................133.3.1复位电路................................................................................................133.3.2时钟电路................................................................................................133.3.3A/D转换电路........................................................................................143.3.4LCD显示电路.......................................................................................15第四章红外测距的软件设计......................................................................................154.1系统软件结构框图..........................................................................................154.2软件程序设计..................................................................................................164.3源代码...............................................................................................................17第五章仿真测试...........................................................................................................27..................................................................................275.1系统的软件的调试仿真第六章PCB图及元器件清单......................................................................................296.1PCB图...............................................................................................................296.2元器件清单......................................................................................................29第七章课程设计任务分工及个人心得体会.............................................................307.1任务分工...........................................................................................................307.2设计心得体会..................................................................................................30_1.1红外线概述体，只要它的湿度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射。它的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。研究发现，太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的，辐射称为热辐射或热射线。目前红外发射器件（红外发光二极管）发出的是峰值波长0.88uM~0.94uM之间的近红外光，红外接收器件（光敏二极管、光敏三极管）的受光峰值波长为0.88uM~0.94uM之间，恰好与红被广泛应用。1.2红外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，热电偶型，高莱气动型和热释放电型四种。2）光子传感器效应，使材料电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化，可以知感器。光子传感器的主要特点灵敏度高，响应速度快，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。三种。1.3红外传感器的应用红外技术是最近几十年中发展起来的一门新兴技术。它已在科技、国防和工农业生产等领域获得广泛的应用。红外传感器的应用主要体现在以下几个方面：红外辐射计：用于辐射和光谱辐射测量。_1)搜索和跟踪系统：用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对其运动进行跟踪。2)热成像系统：能形成整个目标的红外辐射分布图像。3)红外测距系统：实现物体间距离的测量。4)通讯系统：红外线通信作为无线通信的一种方式。5)混合系统：是指以上各类系统中的两个或多个的组合。1.4AT89C52单片机概述AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。AT89C52单片机属于AT89C51单片Intel公司的80C52点和指令系统等方面兼容。其主要工作特性是：片内程序存储器内含8KB的Flash1000次；片内数据存储器内含256字节的RAM；具有32根可编程I/O口线；具有3个可编程定时器；中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的_中断结构；串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；具有一个数据指针DPTR；低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；具有可编程的3级程序锁定位；AT89C52工作电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为AT89C52最高工作频率为24MHzAT89C52的各引脚功能：·P0口口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。8Flash编口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。·P1口1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉AT89C51和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），Flash编程和程序校验期_间，P1接收低8位地址。·P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。·P33口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口除了作为一般的I/O口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。·RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外_将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。·PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。·EA/VPP：CPU址为端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源然这必须是该器件是使用12V编程电压：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。：振荡器反相放大器的输出端。1.5MCP3001简介Miclodip的MCP3001是款具有片上采样和保持电路的10位逐次逼近型A/D转换器(ADC)，该器件提供个伪差分输入通道。指定_差分非线性和积分非线性的最大值为±1LSB:它使用符合SPl协议的28MHz时,该器件的采样速率最大可为200ksps。McP3001器件的匚作电压范围很宽，为5nA和典型工作电流为400uA的条件下工作。该器件以8引脚PDIP、MSOP、TSSOP和150milSOC封装形式提供。MCP3001的特性：10位分辨率±1LSBDNL（最大值）±1LSBINL（最大值）片上采样和保持电路SPI串行接口（模式0.0和1.1）单电源供电的电压范围：2.7V~5.5V5V时的采样速度为200ksps低功耗CMOS技术8引脚PDIP、SOIC、MSOP和TSSOP封装应用封装类型：类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。按探测机理可分成为光子探测器和热探测器。红外传感技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。_2.2红外线测距的工作原理红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度到单片机。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,红外线的工作原理：利用高频调制的红据D＝C△t/2得到距离D。红外传感器的的测距基本原理为发光管发出红外光，光敏接收管弱可以判断物体的距离，它的原理是接收管接收的光强随反射物体的距离而变化的，距离近则反射光强，距离远则反射光弱。为38kHz左右，探测距离一般比较短，通常被用作近距离障碍目标的识别。本系统采用的即为此种传感器。2.3红外线测距的特点_离；2）有同步输入端，可多个传感器同步测量；3）测量范围广，响应时间短；4）外形设计紧凑，易于安装，便于操作；2.4红外测距传感器接线本模块选用的是由日本夏普公司研发的型号为GP2Y0A21的红外传感器。引脚图如图所示。此红外传感器一共有三个引脚，其中VCC（电源电压）为信号接入，接入电源电压为4.5-5.5V，单片机5V工作电压即可；GND为接地引脚，连接地线即可；Vout为模拟电压输出引脚，此引脚输出的模拟电压值为0.4-2.4V，相对应的距离范围是80-10。此引脚需要接入单片机处理模块中的多路A/D转换通道上的任意一路上。GP2Y0A21测量数据。_2.5红外测距系统的基本结构外接收端两部分）、单片机处理模块、LCD显示模块三大部分组成。如图所示。红外模块电压距离公式显示模块3.1红外测距的实现构想为了实现红外测距，在硬件设计中，我们使用红外测距传感器，物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传MCP3001的VREF接vcc，IN+接红外距离传感器的3.3.1复位电路3.3.2时钟电路3.3.4LCD显示电路2）确定所需要函数及算法，根据系统设计要求及功能特点，选_择相应的解决方法。3）设计系统工作流程图，采用直观的方式清晰地表达出程序的整体设计思想。4）根据系统工作流程图编写源程序，对主函数及子函数的功能进行逐一分析，并写出相应的程序。5）调试源程序，将编好的程序通过编译去除语法及功能上的错误，然后将程序烧入单片机中以达到最终要求。4.3源代码#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineulongunsignedlongsbitRS=P2^0;//LCD命令/数据端//LCD读/写端sbitRW=P2^1;sbitLCDE=P2^2;sbitMCP_CS=P2^3;线定义//LCD使能端//MCP3001与AT89S52的管脚接sbitMCP_DO=P2^4;sbitMCP_CLK=P2^5;_uintmeasure;ucharflag;//Busy标志//显示ucharcodedis[]={"MeasureStart"};ucharcodedis1[]={"V=.V,L=ucharcodedis2[]={"0123456789."};ucharcodedis3[]={"OutMeasure!"};uchardis_buf[8];CM"};//显示代码//显示//显示缓冲区//短延时voidL_delay(void);voiddelay_ms(uintn);uintread_MCP(void);voidinit_1602(void);//延时函数//读MCP3001//1602初始化函数voidbusy(void);//LCD忙标志判断函数//写数据子函数voiddat_wrt(uchardat);voidcmd_wrt(ucharcmd);uintdistance(void);//写命令子函数//距离计算函数voidlcd_start(ucharstart);voidLCD_Clear(void);uchardat_adj(uintdat1);voidprint(uchar*str);voiddisp(uintdat);//设定显示位置函数//LCD清屏函数//显示数据调整函数//字符串显示函数//显示子函数uintaverage(void);//算术平均滤波程序_/****************************主函数*******************************/main(){init_1602();print(dis);//显示测量开始delay_ms(1000);while(1){measure=distance();disp(measure);delay_ms(100);}//显示高度}/**************************延时函数**************************/voiddelay_ms(uintn){uintj;while(n--)for(j=0;j<125;j++);}/***************************短延时****************************/voidL_delay(void)_{}uchari;for(i=0;i<5;i++)_nop_();/************************读MCP3001函数*************************/uintread_MCP(void)///////////////////////////////////////////{read_MCP采集的数据并转换后的值uchari;uinttemp=0;MCP_CS=1;L_delay();MCP_CS=0;for(i=0;i<13;i++){//CS置低，开始采样数据//读转换的10位数据MCP_CLK=0;L_delay();MCP_CLK=1;temp<<=1;if(MCP_DO==1)temp|=0x01;}_MCP_CS=1;temp&=0x03ff;return(temp);//获取有效转换值}/************************LCD忙标志判断函数*******************/voidbusy(void){flag=0x80;//赋初值高位为1禁止while(flag&0x80)//读写操作使能位禁止时等待继续检测{P0=0xff;RS=0;RW=1;LCDE=1;flag=P0;LCDE=0;}//指向地址计数器//读//信号下降沿有效//读状态位元高位为状态}/************************写数据子函数************************/voiddat_wrt(uchardat){_busy();//检测读写操作使能吗LCDE=0;RS=1;//指向数据寄存器//写RW=0;P0=dat;LCDE=1;LCDE=0;//写数据//高电平有效}/*************************写命令子函数************************/voidcmd_wrt(ucharcmd){LCDE=0;busy();//检测读写操作使能吗//命令P0=cmd;RS=0;//指向命令计数器//写RW=0;LCDE=1;LCDE=0;//高电平有效}/***********************距离计算函数***************************/uintdistance(void){_uinttemp1;temp1=average();/////////////////////////////////temp1平均数据转换的距离//在正常测量范围？//////////////////////////////if((temp1>60)&(temp1<960)){temp1=13569/(temp1+7)-4;//转换测量数据}else{temp1=0x00ff;}return(temp1);}/************************算术平均滤波程序**********************/uintaverage(void){uchari;uintav_dat;/////////////////////////////////////////////////////////////////////ulongave=0;av_dat平均数据_for(i=0;i<10;i++)//连续读取10个数据值//读转换数据{ave+=read_MCP();L_delay();}av_dat=(uint)(ave/10);return(av_dat);//求平均值}/*************************1602初始化函数************************/voidinit_1602(void){cmd_wrt(0x01);cmd_wrt(0x0c);cmd_wrt(0x06);//清屏//开显示，不显示游标，不闪烁位元cmd_wrt(0x38);//16×2位数据接口}/************************设定显示位置函数************************/voidlcd_start(ucharstart){cmd_wrt(start|0x80);_}/************************LCD清屏函数****************************/voidLCD_Clear(void){cmd_wrt(0x01);delay_ms(1);//写入清屏指令}/************************显示数据调整函数************************/uchardat_adj(uintdat1)/////////////////////////////////////////////////////////////////////////{dat1L距离uchari=0;uintdate;date=average()/2;dis_buf[0]=(uchar)(dat1/100);dis_buf[1]=(uchar)(dat1%100/10);dis_buf[2]=(uchar)(dat1%100%10);dis_buf[3]=date/100;dis_buf[4]=date%100/10;dis_buf[5]=date%100%10;//百位//十位//个位_if(dis_buf[0]==0)i=1;return(i);}/**************************字符串显示函数**************************/voidprint(uchar*str){while(*str!='\0')//直到字符串结束{dat_wrt(*str);str++;//指向下一个字符}}/***************************显示子函数****************************/voiddisp(uintdat){uchartemp,j;if(dat!=0x00ff){t