基于單片機(jī)的紅外測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、保密類別 編號(hào) 20100802041武漢大學(xué)珞珈學(xué)院畢 業(yè) 論 文基于單片機(jī)的紅外測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)系 別 電子信息科學(xué)系 專 業(yè) 通信工程 年 級(jí) 10級(jí)02班 學(xué) 號(hào) 20100802041姓 名 錢源 指導(dǎo)教師 崔黎 武漢大學(xué)珞珈學(xué)院2014 年5 月22 日摘要現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)入了很多新領(lǐng)域，而在測(cè)距方面先后出現(xiàn)了激光測(cè)距、微波雷達(dá)測(cè)距、超聲波測(cè)距及紅外光測(cè)距。為了實(shí)現(xiàn)物體近距離、高精度的無線測(cè)量而采用了紅外發(fā)射接收模塊作為距離傳感器，單片機(jī)作為處理器，編寫a/d轉(zhuǎn)換和顯示程序，完成了一套便推式的紅外距離測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)可以高精度的實(shí)時(shí)顯示所測(cè)的距離，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、體積小、測(cè)量精

2、度高、方便使用。紅外測(cè)距的探測(cè)距離較短，一般在幾十厘米之內(nèi)，本文介紹的一種基于at89c52單片機(jī)設(shè)計(jì)的紅外測(cè)距儀，可以測(cè)量距離。首先，在緒論中，介紹了紅外線及紅外傳感器的分類和應(yīng)用、at89c52單片機(jī)的應(yīng)用與說明以及mcp3001芯片的簡(jiǎn)介。其次，闡述了與紅外測(cè)距的工作原理基本結(jié)構(gòu)，對(duì)紅外測(cè)距傳感器也做了詳細(xì)說明。再次，介紹了紅外測(cè)距的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。 在硬件設(shè)計(jì)中，介紹了紅外測(cè)距實(shí)現(xiàn)的構(gòu)想，給出紅外測(cè)距硬件電路原理圖，并說明了紅外測(cè)距傳感器、鍵盤、a/d轉(zhuǎn)換電路、lcd顯示電路工作原理及at89c52單片機(jī)的管腳分配。在軟件設(shè)計(jì)中，說明了整個(gè)程序流程及各程序設(shè)計(jì)的函數(shù)。最后，是對(duì)整個(gè)

3、設(shè)計(jì)的結(jié)論，說明了紅外測(cè)距實(shí)現(xiàn)的可行性。關(guān)鍵詞： 紅外測(cè)距 a/d轉(zhuǎn)換 實(shí)時(shí)顯示 紅外線 單片機(jī) 目 錄第1章 緒論11.1 課題研究的背景和意義11.2 本課題研究的熱點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀21.3 本課題研究的目的21.4 本課題研究的內(nèi)容3第2章 紅外測(cè)距的工作原理與基本結(jié)構(gòu)42.1.方案及設(shè)計(jì)思想：42.2 紅外測(cè)距系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)5第3章 紅外測(cè)距的硬件設(shè)計(jì)63.1紅外收發(fā)模塊63.2 a/d轉(zhuǎn)換模塊73.3 lcd顯示模塊113.4 at89c52單片機(jī)概述123.5整個(gè)紅外測(cè)距系統(tǒng)顯示16第4章 紅外測(cè)距的軟件設(shè)計(jì)184.1 程序流程圖18第5章 系統(tǒng)軟硬件調(diào)試205.1 硬件調(diào)試205.2

4、 軟件調(diào)試205.3測(cè)試結(jié)果繪圖205.4 調(diào)試中遇到的問題22結(jié) 論23參考文獻(xiàn)24附錄25后 記32第1章 緒論紅外線（infrared）是波長(zhǎng)介乎微波與可見光之間的電磁波，其波長(zhǎng)在760納米（nm）至1毫米（mm）之間，是波長(zhǎng)比紅光長(zhǎng)的非可見光。所有高于絕對(duì)零度（-273.15）的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線?，F(xiàn)代物理學(xué)稱之為熱射線。醫(yī)用紅外線可分為兩類：近紅外線與遠(yuǎn)紅外線。含熱能，太陽(yáng)的熱量主要通過紅外線傳到地球。它的波長(zhǎng)介于可見光和微波之間，范圍大致在0.75m1000m的頻譜范圍之內(nèi)。相對(duì)應(yīng)的頻率在43hz之間，紅外線可分為三部分，即近紅外線，近紅外線波長(zhǎng)范圍為0.77m3m，中紅外線波長(zhǎng)

5、范圍為3m30m，遠(yuǎn)紅外線波長(zhǎng)范圍為30m1000m。紅外光具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。它能全部吸收投射到它表面的紅外輻射的物體稱為黑體；能全部反射的物體稱為鏡體；能部分反射、部分吸收的物體稱為灰體。嚴(yán)格地來講，在自然界中，不存在黑體鏡體和透明體。1.1 課題研究的背景和意義紅外線是不可見的光，是電磁波的一種形式，可以用來進(jìn)行距離的測(cè)量，其應(yīng)用歷史可以追溯到上世紀(jì)60年代?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了許多新領(lǐng)域，而在測(cè)距方面先后出現(xiàn)了激光測(cè)距、微波雷達(dá)測(cè)距、超聲波測(cè)距及紅外線測(cè)距。其中激光測(cè)距是靠激光束照射在物體上反射回來的激光束探測(cè)物體的距離。由于受惡劣的天氣、污染等因素影響，使反射

6、的激光束在一定功率上探測(cè)距離比可能探測(cè)的最大距離減少一半左右，損失很大，影響探測(cè)的精確度；微波雷達(dá)測(cè)距技術(shù)為軍事和某些工業(yè)開發(fā)采用的裝備和振蕩器等電路部分價(jià)格昂貴，現(xiàn)在還沒有開拓民用市場(chǎng)；超聲波測(cè)距在國(guó)內(nèi)外已有很多人做過研究，由于采用特殊專用組件使其價(jià)格高，難以推廣；紅外線作為一種特殊光波，具有光波的基本物理傳輸特性反射、折射、散射等，且由于其技術(shù)難度相對(duì)不太大，構(gòu)成的測(cè)距系統(tǒng)的成本低廉，性能優(yōu)良，便于民用推廣。另外紅外測(cè)距的應(yīng)用越來越普遍。在很多領(lǐng)域都可以用到紅外測(cè)距儀。紅外測(cè)距一般具有精確度和分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用領(lǐng)域廣、行業(yè)需求眾多，市場(chǎng)需求空間大。紅外測(cè)

7、距的研究就非常有意義。紅外線測(cè)距儀指的就是激光紅外線測(cè)距儀,紅外測(cè)距儀-用調(diào)制的紅外光進(jìn)行精密測(cè)距的儀器，測(cè)程一般為1-5公里。在100米以內(nèi)則超聲波測(cè)距更有優(yōu)勢(shì),但是超聲波測(cè)距的距離一般無法測(cè)量1米以內(nèi),而紅外測(cè)距則可以測(cè)出這一段距離,而且有著不錯(cuò)的精度,在本課題中研究的就是這一類情況的紅外線測(cè)距。1.2 本課題研究的熱點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀常見的紅外傳感器可分為熱傳感器和光子傳感器。根據(jù)國(guó)內(nèi)近年來紅外光電測(cè)距儀的發(fā)展情況，由于國(guó)家對(duì)外開放政策的實(shí)施和測(cè)量工作的需要,近年來國(guó)內(nèi)一些光學(xué)儀器廠和電子儀器廠分別從瑞典、瑞士和日本等國(guó)引進(jìn)幾種紅外測(cè)距儀組裝線,組裝測(cè)距儀,我國(guó)有關(guān)工廠和院校近年來也研制出一些

8、產(chǎn)品。由于微處理機(jī)在國(guó)產(chǎn)測(cè)距儀上的應(yīng)用,大大縮小儀器的體積,同時(shí)也減少出故障的幾率,使得國(guó)產(chǎn)測(cè)距儀的性能和質(zhì)量都較過去有很大的提高。在國(guó)家“六五”計(jì)劃攻關(guān)中,常州第二電子儀器廠研制的dchz型多功能紅外測(cè)距儀就是一個(gè)很好的例證。該產(chǎn)品經(jīng)國(guó)家測(cè)繪局測(cè)繪科學(xué)研究所光電測(cè)距儀檢測(cè)巾心進(jìn)行全面質(zhì)量鑒定后認(rèn)為:該儀器的外型美觀、體積小、重量輕、操作方便、精度高和性能穩(wěn)定,并通過國(guó)家有關(guān)部門組織的鑒定。目前已經(jīng)開始小批量試生產(chǎn)。 在進(jìn)行側(cè)距儀研制同時(shí),國(guó)家有關(guān)部門也組織大量力量對(duì)紅外光電測(cè)距儀的檢測(cè)方法進(jìn)行研究。一、熱傳感器熱傳感器是利用入射紅外輻射引起的傳感器的溫度變化，進(jìn)而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化

9、，通過測(cè)量有關(guān)物理參數(shù)的變化來確定紅外傳感器所吸收的紅外輻射。熱探測(cè)器的主要優(yōu)點(diǎn)是相應(yīng)波段寬，可以在室溫條件下工作，使用簡(jiǎn)單。但是，熱傳感器相應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，靈敏度較低，一般用于低頻調(diào)制的場(chǎng)合。熱傳感器主要類型有：熱敏傳感器型，熱電偶型，高萊氣動(dòng)型和熱釋放電型四種類型。二、光子傳感器光子傳感器是利用某些半導(dǎo)體材料在入射光照射下，產(chǎn)生光子效應(yīng)，使材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。通過測(cè)量電學(xué)性質(zhì)的變化，可以知道紅外輻射的強(qiáng)弱。利用光子效應(yīng)所制成的紅外傳感器，統(tǒng)稱光子傳感器。光子傳感器的主要特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率。但由于其一般要在低溫下工作，導(dǎo)致探測(cè)波段較窄。按照光子傳感器的工作原理，一般

10、分為內(nèi)光電和外光電傳感器兩種，后者又可分為光電導(dǎo)傳感器、光生伏特傳感器和光磁電傳感器等三種。1.3 本課題研究的目的我們所進(jìn)行的課題便是做一個(gè)簡(jiǎn)易的，精確的，近距離的距離檢測(cè)儀，這也是對(duì)我們所學(xué)知識(shí)的一種考驗(yàn)方法，從中我們可以更系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)單片機(jī)，了解ad轉(zhuǎn)換和紅外收發(fā)模塊。1.4 本課題研究的內(nèi)容紅外傳感器的測(cè)距基本原理為：紅外發(fā)射電路的紅外發(fā)光管發(fā)出紅外光，紅外接收電路的光敏接收管接收發(fā)射光，根據(jù)發(fā)射光的強(qiáng)弱判斷出所測(cè)的距離。由于接收管接收的光強(qiáng)度是隨著發(fā)光管與測(cè)量物的距離變化而變化的，因而，與測(cè)量物的距離近則接收光強(qiáng)，距離遠(yuǎn)則接收光弱。具體方法如圖1所示，紅外模塊發(fā)出并接收到紅外線信號(hào)；a

11、d轉(zhuǎn)換模塊將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再交給單片機(jī), 啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序,此時(shí)單片機(jī)得到數(shù)字信號(hào)也就是電壓值,再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送給led/lcd顯示。 單片機(jī)紅外模塊ad模塊電壓距離公式 顯示模塊圖1.1 反射能量法原理第2章 紅外測(cè)距的工作原理與基本結(jié)構(gòu)2.1.方案及設(shè)計(jì)思想：方案一、時(shí)間差測(cè)距法：此方案是將紅外發(fā)射管發(fā)送信號(hào)與接收管接收信號(hào)時(shí)間差寫入單片機(jī)中，在單片機(jī)中用光傳播距離公式算法將距離計(jì)算出來。原理圖如圖2.1所示。 at89s52紅外模塊時(shí)間差距離s=c*t顯示距離 圖2.1 時(shí)間差測(cè)距法原理方案二、反射能量法：此方案是用紅外發(fā)射管發(fā)射信號(hào)，然后用紅外接

12、收管接收信號(hào)，將接收的信號(hào)強(qiáng)度經(jīng)過ad轉(zhuǎn)換，錄入單片機(jī)中顯示出來，并將對(duì)應(yīng)的距離記錄下來。完成一段范圍內(nèi)的測(cè)量，將所記錄下的數(shù)據(jù)寫入單片機(jī)中，然后便可進(jìn)行測(cè)量距離了。原理圖如圖2.2所示。 顯示距離at89s52 紅外模塊 實(shí)驗(yàn)資料 圖2.2 反射能量法原理光的衰減是呈線性關(guān)系的，公式是i=ie(-d)，其中i是光強(qiáng)度，是光在介質(zhì)中線性衰減系數(shù)，d是光走過的路程，e是自然對(duì)數(shù)底數(shù)。是光子能量，i就是光束的能量。要求得耗損的能量e，則可通過計(jì)算：e=i=(i-i)=i1-e(-d)=e1-e(-d)其中e是激光能量。不過，10cm的衰減是很弱的，可以忽略。方案比較：通過以上兩種方案分析，我們可以

13、看到方案一的誤差很大，由于紅外裝置測(cè)的距離比較近，而光速很快，因此回饋到單片機(jī)中的時(shí)間很短，單片機(jī)很難測(cè)出準(zhǔn)確的時(shí)間并準(zhǔn)確處理，而在一般情況下的光速不太準(zhǔn)確，因此誤差較大，而且根據(jù)距離=光速*時(shí)間，要想測(cè)10米時(shí)間至少要精確到0.0000001s，顯然用單片機(jī)是很難做到的。方案二是先將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入單片機(jī)中，因此在測(cè)量時(shí)存在的誤差就會(huì)相對(duì)較小，綜合考慮，選擇方案二可行。2.2 紅外測(cè)距系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)主要由紅外測(cè)距傳感器、a/d轉(zhuǎn)換電路，at89c52芯片、鍵盤接口電路及l(fā)cd顯示電路等組成。其組成框圖如圖2.3所示：圖2.3 紅外測(cè)距系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)第3章 紅外測(cè)距的硬件設(shè)計(jì)3.1紅外收發(fā)模

14、塊紅外發(fā)送管是用于發(fā)送信號(hào),經(jīng)過障礙物將信號(hào)反射,紅外接收管接收到反射回來的信號(hào),然后根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱將對(duì)應(yīng)的電壓值顯示在顯示模塊上,并將此時(shí)的距離記錄下來。然后整改程序，用紅外收發(fā)模塊進(jìn)行測(cè)距，就可在顯示模塊上顯示出紅外接收管接收的信號(hào)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的距離值。gp2y0a02yk0f 紅外測(cè)距傳感器 20-150cm 圖3.1 紅外傳感器結(jié)構(gòu)圖 圖3.2 protues中紅外傳感器如圖3.2所示gp2y0a02yk0f有3個(gè)端口，其中vcc接信號(hào)輸入，vo接mcp3001的in+，gnd接地線。gp2y0a02yk0f測(cè)量范圍在20cm-150cm之間，測(cè)量誤差小于0.5cm。是一個(gè)距離測(cè)量傳感器單元

15、，psd的集成組合構(gòu)成 （位置敏感探測(cè)器），ired（紅外發(fā)光二極管）和信號(hào)原理電路。由于采用三角測(cè)量方法，各種物體的反射率，對(duì)環(huán)境溫度和工作時(shí)間距離檢測(cè)不容易產(chǎn)生影響。推薦工作條件：參數(shù)符號(hào)條件等級(jí)單位電源電壓vcc4.5-5.5v表3.1 紅外傳感器參數(shù)絕對(duì)最大額定值：表3.2 紅外傳感器參數(shù)參數(shù)符號(hào)等級(jí)單位電源電壓vcc-0.3+7v輸出端電壓vo-0.3+0.3v工作溫度opr-10到+60儲(chǔ)存溫度stg-40到+70 3.2 a/d轉(zhuǎn)換模塊a/d 轉(zhuǎn)換器按照轉(zhuǎn)換的原理可分為直接a/d 轉(zhuǎn)換器和間接a/d 轉(zhuǎn)換器兩種類型。直接a/d 轉(zhuǎn)換器，就是把模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，比如逐次逼

16、近型。間接a/d 轉(zhuǎn)換器是先把模擬量轉(zhuǎn)換成中間量，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如電壓/時(shí)間轉(zhuǎn)換型，電壓/頻率轉(zhuǎn)換型，電壓/脈寬轉(zhuǎn)換型等。 其中積分型a/d 轉(zhuǎn)換器的電路簡(jiǎn)單，抗干擾的能力強(qiáng)，而且能做到高分辨率，但是轉(zhuǎn)換速度較慢。 有些轉(zhuǎn)換器還將多路開關(guān)、基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘電路、譯碼器和轉(zhuǎn)換電路集成在一個(gè)芯片內(nèi)，已經(jīng)遠(yuǎn)超出了單純a/d 轉(zhuǎn)換功能，使用十分方便。a/d 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換原理: 一個(gè)完整的a/d轉(zhuǎn)換過程中，必須包括取樣、保持、量化與編碼等路。 取樣與保持由于取樣的時(shí)間極短，取樣輸出為一串?dāng)鄶嗬m(xù)續(xù)的窄脈沖。要把每個(gè)取樣的窄脈沖信號(hào)數(shù)字化，需要一定的時(shí)間。因此在兩次取樣之間，應(yīng)將取樣的模擬信號(hào)暫時(shí)儲(chǔ)存直

17、到下個(gè)取樣脈沖到來，我們把這個(gè)動(dòng)作稱之為保持。在模擬電路設(shè)計(jì)中，需要增加一個(gè)取樣-保持電路。為了保證正確轉(zhuǎn)換，模擬電路要保留著還未轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。量化與編碼量化與編碼電路是a/d轉(zhuǎn)換器的核心組成部分，量化方法：先取最小量化單位=u/2n，當(dāng)輸入模擬電壓u在0之間時(shí)，則歸入0，當(dāng)u在2之間時(shí)，則歸入1。如果量化單位=2u/(2 n+11)，當(dāng)輸入電壓u在0/2之間時(shí)，歸入0，當(dāng)u在/23/2之間時(shí)，就要?dú)w入1。分辨率分辨率(resolution) 指數(shù)字量變化一個(gè)最小量時(shí)模擬信號(hào)的變化量,定義為滿刻度與2n的比值。分辨率又稱精度,通常以數(shù)字信號(hào)的位數(shù)來表示。位數(shù)越高，分辨率就越高。若小于最小變化量的

18、輸入模擬電壓的任何變化，將不會(huì)引起輸出數(shù)字值的變化。不需要分辨率高的場(chǎng)合，所得到到的就大多是噪聲。分辨率太低，就會(huì)有無法取樣到所需的信號(hào)。 轉(zhuǎn)換速率 轉(zhuǎn)換速率(conversion rate)是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的ad轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間的倒數(shù)。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成,采樣速率(sample rate)必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是指a/d轉(zhuǎn)換器完成一次a/d轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。從啟動(dòng)信號(hào)開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束并得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出值為止的時(shí)間間隔。轉(zhuǎn)換時(shí)間越短，轉(zhuǎn)換速度就越快。精準(zhǔn)度對(duì)于a/d轉(zhuǎn)換器來說，精準(zhǔn)度指的是在輸出端產(chǎn)生所設(shè)定的數(shù)字?jǐn)?shù)值，相對(duì)精準(zhǔn)度指的是滿刻度值校準(zhǔn)以后，任意數(shù)字輸出

19、所對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬輸入值與理論值之差。對(duì)于線性a/d轉(zhuǎn)換器，其相對(duì)精準(zhǔn)度就是它的線性程度。由于電路制作上的影響，會(huì)產(chǎn)生像是非線性誤差，或是量化誤差等減低相對(duì)精準(zhǔn)度的因素。mcp3001特性：10位分辨率1 lsb dnl(最大值)1 lsb inl(最大值)片上采樣和保持電路spi 串行接口單電源供電的電壓范圍:2.7v至5.5v5v時(shí)的采樣速率為200 ksps2.7v時(shí)的采樣速率為75 ksps低功耗cmos技術(shù)一5 na典型待機(jī)電流，2 a(最大值)一5v時(shí)，工作電流的最大值為500 a8引腳pdip， soil, msop和tssop封裝說明：microchip的mcp3001，是一款具

20、有片上采樣和保持電路的10位逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器（adc）。該器件提供一個(gè)偽差分輸入通道:指定差分非線性( dnl) 和積分非線性(inl)的最大值為1 lsb。它使用符合spi協(xié)議的簡(jiǎn)單串行接口與器件通信。當(dāng)時(shí)鐘速率為2.8 mhz時(shí)，該器件的采樣速率最大數(shù)值可為200 ksps。mcp3001器件的工作電壓范圍很寬，為2.7v一5.5v 。低電流設(shè)計(jì)允許器件在典型待機(jī)電流為5 na和典型工作電流為400a條件下工作。該器件以8引腳pdip, msop, tssop和150 mil soil封裝形式提供。圖3.3 mcp3001引腳圖 圖3.4 protues中mcp3001接線圖表3.3

21、 mcp3001引腳 名稱功能2.7至5.5v電源地線in+正模擬輸入in-負(fù)模擬輸入clk串行時(shí)鐘串行數(shù)據(jù)輸入cs/shdn片選輸入/關(guān)閉基準(zhǔn)電壓輸入如圖3.4所示，mcp3001的vref接vcc，in+接gp2y0a02yk0f紅外測(cè)距傳感器的vo，clk接單片機(jī)上的p2.2，do接單片機(jī)上的p2.1，cs接單片機(jī)上的p2.0。mcp3001具有片上采樣和保持電路的10位逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器（adc）,逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器的工作原理是將待換的模擬輸入信號(hào)與一個(gè)推測(cè)信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)二者大小決定增大還是減小輸入信號(hào)，以便向模擬輸入信號(hào)逼近。推測(cè)信號(hào)由d/a轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字信號(hào)就對(duì)應(yīng)的時(shí)

22、模擬輸入量的數(shù)字量。這種a/d轉(zhuǎn)換器一般速度很快，但精度不高。a/d轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)中以分辨率和轉(zhuǎn)換速率最為重要，分辨率越高，就能把滿量程里的電平分出更多份數(shù)，得到的轉(zhuǎn)換結(jié)果就越精確，得到的數(shù)字信號(hào)再用dac轉(zhuǎn)換回去就越接近原輸入的模擬值（10位adc能分辨2的10次方）。mcp3001分辨率：10位adc能分辨出滿刻度的1/1024.mcp3001轉(zhuǎn)換速率：速度很快。由上可知，mcp3001的性能相比其他adc要好很多。3.3 lcd顯示模塊 圖3.5 protues中l(wèi)cd顯示模塊lcd與單片機(jī)的接口電路如圖3.5所示，單片機(jī)p0分別接d1-d7，同時(shí)接上排阻，而在排阻另一端接上vcc

23、。單片機(jī)上的p2.5接e，p2.6接rw，p2.7接rs，單片機(jī)通過p0口向lcd輸送數(shù)據(jù)，顯示測(cè)得的距離。值得注意的是，p0口要接上拉電阻來保證對(duì)lcd的成功驅(qū)動(dòng)。lcd1602已很普遍了，可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。字符型lcd通常有14條引腳線或l6條引腳線的lcd,多出來的2條線是背光電源線vcc(（15腳)和地線gnd（16腳 )，其控制原理與14腳的lcd完全一樣，定義如下表所示:表3.4 led引腳功能引腳號(hào)引腳名電平輸入/輸出作用1vss電源地2vcc電源（+5v）3vee對(duì)比電壓調(diào)整4rs0/1輸入0=輸入指令1=輸入指令5r/w0/1輸入0=向led寫入指令

24、或數(shù)據(jù)1=從led讀取信息6e1, 10輸入使能信號(hào)，1時(shí)讀取信息，10（下降沿）執(zhí)行指令3.4 at89c52單片機(jī)概述單片機(jī)是在集成電路芯片上集成各種組件的微型計(jì)算機(jī)，這些組件包括中央處理器cpu、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ram、程序內(nèi)存rom、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、時(shí)鐘部件的集成和i/o接口等電路。由于單片機(jī)具有體積小、價(jià)格低、可靠性高、開發(fā)應(yīng)用方便等特點(diǎn)，因此在現(xiàn)代電子技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛，在智能儀表中單片機(jī)是應(yīng)用最多、最活躍的領(lǐng)域之一。在控制領(lǐng)域中,現(xiàn)如今人們更注意計(jì)算機(jī)的底成本、小體積、運(yùn)行的可靠性和控制的靈活性。在各類儀器、儀表中引入單片機(jī)，使儀器儀表智能化，提高測(cè)試的自動(dòng)化程度和精

25、度，提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度，簡(jiǎn)化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價(jià)格比。at89c52單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常是由兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時(shí)鐘方式，二是外部時(shí)鐘方式。在at89c52單片機(jī)內(nèi)部有一振蕩電路，只要在單片機(jī)的xtal1和xtal2引腳外接晶振，就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。電容的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在5-30pf之間，典型值為30pf。晶振cys的振蕩頻率范圍在1.2-12mhz間選擇，典型值為12mhz和11.0592mhz。當(dāng)在at89c21單片機(jī)的rst引腳引入高電平并保持2個(gè)機(jī)器周期的時(shí)候，單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作（若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機(jī)就會(huì)處

26、于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)）。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路中的上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。只要vcc的上升時(shí)間不超過1ms,就可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。時(shí)鐘頻率用6mhz時(shí)c取22uf,r取1k。除了上電復(fù)位外，有時(shí)候還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位，本設(shè)計(jì)就是用的按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過rst端經(jīng)過電阻與電源vcc接通來實(shí)現(xiàn)的。最小系統(tǒng)如圖3.6所示。圖3.6 at89c52單片機(jī)最小系統(tǒng)at89c52單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)功能at89c52是美國(guó)atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能cmos的 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kb的可反

27、復(fù)擦寫的程序內(nèi)存和12b的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性的存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用8位元中央處理器（cpu）和flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的at89c52單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域中。at89c52的各引腳功能：(1) vcc:電源 (2) gnd:地 (3) p0口：p0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向i/o口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)ttl邏輯電平。對(duì)p0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。 (4) p1口：p1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)ttl 邏輯電平。表4-1 p1口第二

28、功能引腳號(hào)第二功能p1.0t2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器t2的外部計(jì)數(shù)輸入） ，時(shí)鐘輸出p1.1t2ex（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器t2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）p1.5mosi（在系統(tǒng)編程用）p1.6miso（在系統(tǒng)編程用）p1.7sck（在系統(tǒng)編程用） (5) p2 口：p2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4個(gè)ttl 邏輯電平。 (6) p3 口：p3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻8位雙向 i/o口，對(duì) p3 端口寫“1”時(shí)，可以作為輸入口使用。p3口可作為at89c51第二功能使用，如表3.5所示。 表3.5 p3口第二功能引腳號(hào)第二功能p3.0rxd（串行輸入

29、）p3.1txd（串行輸出）p3.2int0(外部中斷 0)p3.3int0(外部中斷 0)p3.4t0（定時(shí)器0外部輸入）p3.5t1（定時(shí)器1外部輸入）p3.6wr(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通) p3.7rd(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通)(7) rst: 復(fù)位輸入。當(dāng)輸入連續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)為有效，用來完成單片機(jī)單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。(8) ale/prog：地址鎖存控制信號(hào)（ale）是訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低 8 位地址的輸出脈沖。在flash編程時(shí)，此引腳（prog）也用作編程輸入脈沖。 (9) psen:外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)（psen）是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。 (10) ea/

30、vpp:訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)(11) xtal1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路輸入端。 (12) xtal2:振蕩器反相放大器輸出端。3.5整個(gè)紅外測(cè)距系統(tǒng)顯示整個(gè)紅外測(cè)距系統(tǒng)由at89c52芯片、紅外距離傳感器、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、a/d轉(zhuǎn)換電路與lcd顯示器構(gòu)成。硬件結(jié)構(gòu)電路圖如圖3.7所示：圖3.7 protues中整體系統(tǒng)單片機(jī)at89c52左端分別接了時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，這是單片機(jī)最小的系統(tǒng)。xtal1和xtal2串連一個(gè)晶振，并且分別接上一個(gè)20p的電容，兩個(gè)電容另一端都接地，構(gòu)成時(shí)鐘電路。rst同時(shí)接上100p電容，4腳按鍵，1k電阻，4腳按鍵另一端接上一個(gè)1k電阻再

31、與100p電容并聯(lián)接vcc，1k電阻另一端則接地，構(gòu)成復(fù)位電路。單片機(jī)at89c52右端p0端同時(shí)接led的d1-d7端口和排阻，p2.0接clk，p2.1接do，p2.2接cs，p2.5接e，p2.6接rw，p2.7接rs。mcp3001的vref接vcc，in+接紅外距離傳感器的vo。第4章 紅外測(cè)距的軟件設(shè)計(jì)4.1 程序流程圖在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中。當(dāng)紅外系統(tǒng)被啟動(dòng)后，首先，對(duì)at89c52單片機(jī)進(jìn)行初始化。然后，當(dāng)at89c52單片機(jī)接收到紅外接收電路傳輸?shù)碾妷盒盘?hào)后，經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換程序，將片外的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)電壓距離轉(zhuǎn)換子程序，將變化的電壓轉(zhuǎn)換為距離。最后，在

32、動(dòng)態(tài)掃描lcd顯示器上顯示出來。主程序流程圖如圖4.1所示。 圖4.1 程序流程圖紅外測(cè)距系統(tǒng)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)組成。程序開始, 紅外測(cè)距主程序第一步將顯示屏1602初始化,并顯示測(cè)量開始,第二步導(dǎo)入延時(shí)程序,并顯示程序,顯示電壓和距離。其次子函數(shù)調(diào)用, 讀mcp3001函數(shù)并轉(zhuǎn)換函數(shù)得出電壓值,再調(diào)用距離計(jì)算函數(shù),得出距離值。此時(shí)主函數(shù)中顯示函數(shù)會(huì)將電壓和距離顯示出來，程序就此結(jié)束。此程序中多次使用調(diào)用子函數(shù)，讀mcp3001函數(shù)，距離計(jì)算函數(shù)，算術(shù)平均濾波程序構(gòu)成ad值的采集和計(jì)算；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)整函數(shù)，字符串顯示函數(shù)

33、，顯示子函數(shù)構(gòu)成顯示函數(shù)；1602初始化函數(shù)，lcd清屏函數(shù)則構(gòu)成清屏函數(shù)。不過完成程序并不是一次就能成功的，首先要先將ad采集程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)中,進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將固定距離所采集到的信號(hào)強(qiáng)度記錄下來,然后將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)加入程序中,最后通過紅外模塊進(jìn)行測(cè)量,便可顯示出對(duì)應(yīng)的距離值，主程序是整個(gè)程序的基礎(chǔ)，也是核心。此時(shí)距離計(jì)算函數(shù)才算完成，距離計(jì)算函數(shù)實(shí)際就是測(cè)量時(shí)得出距離電壓關(guān)系，我們反過來先拿出距離再得出電壓，舉例來說，用卷尺量1米距離，再用紅外測(cè)距系統(tǒng)來量1米距離，這時(shí)對(duì)應(yīng)1米距離的電壓記下來。根據(jù)這個(gè)方法把其它各個(gè)距離的電壓記下來，把這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系變成計(jì)算距離的函數(shù)，再測(cè)距時(shí)就可以根據(jù)這個(gè)函數(shù)來得

34、出距離了。第5章 系統(tǒng)軟硬件調(diào)試5.1 硬件調(diào)試紅外測(cè)距儀的制作為了使信號(hào)穩(wěn)定，最好給輸入電源加上一個(gè)濾波電路，否則顯示屏上有閃爍，不穩(wěn)定，會(huì)增加誤差，但總體來說不影響結(jié)果。在本次設(shè)計(jì)中，主控模塊是非常重要的部分，它不僅是本次設(shè)計(jì)的核心，在本次硬件調(diào)試中也遇到了問題，接上電源的時(shí)候，顯示屏不亮，沒有任何顯示，于是我做了如下的工作：(1)檢查電源是否通電，發(fā)現(xiàn)指示燈亮著；(2)編程使p1為低電平，檢查到p1輸出為低；(3)檢查p0口未接上拉電阻，接上顯示屏發(fā)亮了。在本次硬件調(diào)試中還遇到了顯示屏出顯示，但顯示有很大問題，調(diào)節(jié)距離后，顯示還是不變，檢查后發(fā)現(xiàn)mcp3001與vcc沒接好，或cs，do

35、，clk與單片機(jī)接觸不良。5.2 軟件調(diào)試硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測(cè)距儀能測(cè)的范圍為20cm150cm，測(cè)距儀最大誤差不超過0.5cm。系統(tǒng)調(diào)試完后對(duì)各個(gè)距離進(jìn)行多次測(cè)量，與預(yù)定值進(jìn)行比較，對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷調(diào)節(jié)器件和修改程序使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。為了更方便了解電壓與距離之間的關(guān)系，我將程序做了些許修改，在顯示距離的基礎(chǔ)上再把電壓也顯示出來了，這樣結(jié)果一目了然。因?yàn)殡妷号c距離之間的關(guān)系不是線性關(guān)系，所用用函數(shù)來表示會(huì)有誤差，于是我將此函數(shù)修改，重新測(cè)量，每個(gè)距離對(duì)應(yīng)的電壓記錄下來輸入程序，如此一來，測(cè)試更加

36、準(zhǔn)確，誤差更小了。5.3測(cè)試結(jié)果繪圖圖5.2是紅外距離傳感器gp2y0a02yk0f電壓距離關(guān)系圖，圖中所測(cè)電壓對(duì)應(yīng)的不同距離值，圖中橫坐標(biāo)代表距離，縱坐標(biāo)是距離電壓值，單位是cm。從圖中可以看出，電壓與距離并不是線性關(guān)系，而是一條相對(duì)平滑的曲線。因此結(jié)果不一定十分準(zhǔn)確，接近此圖即可。最終的紅外測(cè)距系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)20-150cm的近距離測(cè)量，測(cè)量誤差為0.5cm,可以計(jì)算出被測(cè)物體的距離。在測(cè)量距離精度方面，還有待于改進(jìn)。 圖5.1 gp2y0a02yk0f電壓距離關(guān)系圖表5.1 電壓距離關(guān)系電壓v2.89v1.94v1.47v1.18v0.980.850.740.660.600.540.500

37、.460.430.40測(cè)量距離cm1930415162728292102112122131141151實(shí)際距離cm20304050607080901001101201301401505.4 調(diào)試中遇到的問題在焊接過程中一些地方出現(xiàn)虛焊等接觸不良的問題，導(dǎo)致顯示不穩(wěn)定有閃爍。接線過程中用插針接線容易導(dǎo)致接線松動(dòng)，沒接到或者接觸不良。環(huán)境問題紅外線在空氣介質(zhì)的傳播過程中會(huì)有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。一般情況下能測(cè)150cm，但是空氣介質(zhì)發(fā)生改變，如塵埃過多，導(dǎo)致紅外線強(qiáng)度降低，測(cè)量發(fā)生誤差，且測(cè)量距離變小。周圍有其他輻射源，并且強(qiáng)度很大時(shí)會(huì)影響測(cè)量結(jié)果結(jié) 論對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行測(cè)量、校準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)其

38、測(cè)量范圍在20cm150cm內(nèi)的平面物體做了多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)，其最大誤差為0.5cm，且重復(fù)性好。該測(cè)距儀穩(wěn)定性比較高、靈敏度比較高，測(cè)量時(shí)在紅外線測(cè)距儀周圍沒有其它物體。但是在檢測(cè)過程中會(huì)有一些不便的地方： 1.測(cè)量時(shí)在紅外線測(cè)距儀和目標(biāo)物體之間周沒有其它可阻擋的物體，由于是根據(jù)反射能量法，且發(fā)射功率有限，反射回來的紅外線能量容易過低而無法采集，測(cè)距儀無法測(cè)量150cm外的物體。2.必須在干凈清新的空氣環(huán)境下測(cè)量，空氣中一旦塵埃過多，會(huì)對(duì)反射紅外線強(qiáng)度有極大的干擾，最終影響計(jì)算距離的值。3.不能夠?qū)崿F(xiàn)不同溫度下的測(cè)距功能。4.因?yàn)槌暡ㄊ菍⒖諝庾鳛槊浇樗允茈姶鸥蓴_比較大。紅外線測(cè)距儀的原理有兩

39、種：一種是紅外線傳播的時(shí)間來計(jì)算出傳播距離；一種是根據(jù)發(fā)射光的強(qiáng)弱可以判斷所測(cè)的距離，由于接收管接收的光強(qiáng)是隨與發(fā)光管的距離變化而變化的，因而，距離近則接收光強(qiáng)，距離遠(yuǎn)則接收光弱。由上述的分析知，如果能夠干凈清新的空氣環(huán)境,穩(wěn)定的溫度下，無其它電磁干擾，阻擋的物體，能夠獲得較高的測(cè)量精度。本電路設(shè)計(jì)由于元器件及其成板誤差，測(cè)量最大距離未能達(dá)到設(shè)計(jì)初衷要求，但對(duì)測(cè)量距離結(jié)果的誤差影響不大，能滿足日常生活、工業(yè)生產(chǎn)的測(cè)量要求，因此此設(shè)計(jì)有著很大的意義。同時(shí)通過這個(gè)設(shè)計(jì)能夠提高我對(duì)單片機(jī)的認(rèn)識(shí)、編程能力和電路設(shè)計(jì)能力。參考文獻(xiàn)1 張明峰，pic單片機(jī)入門與實(shí)戰(zhàn)，北京航空航天大學(xué)出版社2 竇振中，pi

40、c單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)例，北京航空航天大學(xué)出版社3 謝自美，電子線路綜合設(shè)計(jì)，華中科技大學(xué)出版社，2006-64 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ)：模擬部分（第五版）,高等教育出版社，20065 潘永雄，沙河電子線路cad實(shí)用教程m西安：西安電子科技大學(xué)出版社：20076 51單片機(jī)c程序設(shè)計(jì)100例7 康華光主編電子技術(shù) 基礎(chǔ)m第四版北京：高等教育出版社，19998單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)武漢大學(xué)珞珈學(xué)院 9一種紅外線測(cè)距技術(shù)的探討10紅外測(cè)距傳感器的原理與設(shè)計(jì)最終版11 劉坤，51單片機(jī)典型應(yīng)用開發(fā)范例大全 中國(guó)鐵道出版社 12 彭偉，單片機(jī)c語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)基于8051+proteus仿真電子工業(yè)出版社1

41、3 薛小玲、劉志群、賈俊榮編著單片機(jī)接口模塊應(yīng)用于開發(fā)實(shí)例詳解 北京航空航天大學(xué)出版社 201014 譚浩強(qiáng),著c程序設(shè)計(jì)（第三版） 清華大學(xué)出版社 200515 何橋、段清明、邱春玲編著單片機(jī)原理及應(yīng)用 中國(guó)鐵道出版社 200416 曲波 肖圣兵 呂建平編著工業(yè)常用傳感器選型指南 清華大學(xué)出版社 200217 陳鴻茂編著常用電子器件簡(jiǎn)明手冊(cè) 中南礦業(yè)大學(xué)出版社 2001附錄 #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned longsbit rs=p20;

42、/lcd命令/數(shù)據(jù)端sbit rw=p21; /lcd讀/寫端sbit lcde=p22; /lcd使能端sbit mcp_cs=p23;/mcp3001與at89s52的管腳接線定義sbit mcp_do=p24;sbit mcp_clk=p25;uint measure;uchar flag; /busy標(biāo)志uchar code dis=measure start;/顯示uchar code dis1 = v= . v,l= cm;uchar code dis2 = 0123456789.;/顯示代碼uchar code dis3=out measure!;/顯示uchar dis_buf

43、8;/顯示緩沖區(qū)void l_delay(void);/短延時(shí)void delay_ms(uint n);/延時(shí)函數(shù)uint read_mcp(void);/讀mcp3001void init_1602(void);/1602初始化函數(shù)void busy(void);/lcd忙標(biāo)志判斷函數(shù)void dat_wrt(uchar dat);/寫數(shù)據(jù)子函數(shù)void cmd_wrt(uchar cmd);/寫命令子函數(shù)uint distance(void);/距離計(jì)算函數(shù)void lcd_start(uchar start);/設(shè)定顯示位置函數(shù)void lcd_clear(void);/lcd清屏函數(shù)

44、uchar dat_adj(uint dat1);/顯示數(shù)據(jù)調(diào)整函數(shù)void print(uchar *str);/字符串顯示函數(shù)void disp(uint dat);/顯示子函數(shù)uint average(void);/算術(shù)平均濾波程序/*主函數(shù)*/main()init_1602();print(dis);/顯示測(cè)量開始delay_ms(1000);while(1)measure=distance();disp(measure);/顯示高度delay_ms(100);/*延時(shí)函數(shù)*/void delay_ms(uint n) uint j; while(n-) for(j=0;j125;j+

45、); /*短延時(shí)*/void l_delay(void)uchar i;for(i=0;i5;i+)_nop_();/*讀mcp3001函數(shù)*/uint read_mcp(void)/ read_mcp 采集的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換后的值 /uchar i;uint temp=0;mcp_cs=1;l_delay();mcp_cs=0;/cs置低，開始采樣數(shù)據(jù)for(i=0;i13;i+)/讀轉(zhuǎn)換的10位數(shù)據(jù)mcp_clk=0;l_delay();mcp_clk=1;temp60)&(temp1960)/在正常測(cè)量范圍？temp1=13569/(temp1+7)-4;/轉(zhuǎn)換測(cè)量數(shù)據(jù)elsetemp1=0x00ff;/超出測(cè)量范圍，返回錯(cuò)誤標(biāo)志return(temp1);/*算術(shù)平均濾波程序*/uint average(void)uchar i;uint av_dat; /av_dat 平均數(shù)據(jù)/ulong ave=0;for(i=0;i10;i+)/連續(xù)讀取10個(gè)數(shù)據(jù)值ave+=read_mcp();/讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)l_delay();av_dat=(uint)(ave/10);/求平均值return(av_dat);/*1602初始化函數(shù)*/void init_1602(void) cmd_wrt(0x01);/清屏