基于单片机的红外测距系统设计-开题报告

武汉大学珞珈学院本科生毕业论文（设计）开题报告论文题目：基于单片机的红外测距系统设计系：电子信息科学系学号：20100802041姓名：钱源一、论文选题的目的和意义红外线是不可见光，是电磁波的一种形式，可以用来进行距离的测量，其应用历史可以追溯到上世纪60年代。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。其中激光测距是靠激光束照射在物体上反射回来的激光束探测物体的距离。由于受恶劣的天气、污染等因素影响，使反射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少一半左右，损失很大，影响探测的精确度；微波雷达测距技术为军事和某些工业开发采用的装备和振荡器等电路部分价格昂贵，现在几乎还没有开拓民用市场；超声波测距在国内外已有人做过研究，由于采用特殊专用组件使其价格高，难以推广；红外线作为一种特殊的光波，具有光波的基本物理传输特性—反射、折射、散射等，且由于其技术难度相对不太大，构成的测距系统成本低廉，性能优良，便于民用推广。另外红外测距的应用越来越普遍。在很多领域都可以用到红外测距仪。红外测距一般具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，因而应用领域广、行业需求众多，市场需求空间大。红外测距的研究就非常有意义了。红外线测距仪指的就是激光红外线测距仪,红外测距仪----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。在100米以内则超声波测距更有优势,但是超声波测距的距离一般无法测量1米以内,而红外测距则可以这一段距离的不足,而且有着不错的精度,在本课题中研究的就是这一类情况的红外线测距。二、国内外关于该论题的研究现状和发展趋势（1）国内：根据《国内近年来红外光电测距仪的发展情况》，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。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外光电测距仪的检测方法进行研究。（2）国外：国外红外测距仪技术领先，产品齐全，性能比较稳定，市场需求量大，测量精度高，测量误差小。（3）红外测距仪的发展趋势2011年以来，随着政府刺激内需政策效应的逐渐显现以及国际经济形势的好转，红外测距仪下游行业进入新一轮景气周期从而带来红外测距仪市场需求的膨胀，红外测距仪行业的销售回升明显，供求关系得到改善，行业盈利能力稳步提升。同时，在国家“十二五”规划和产业结构调整的大方针下，红外测距仪面临巨大的市场投资机遇，行业有望迎来新的发展契机。当前红外测距仪的发展趋势是向测量更安全、测量精度高、系统能耗小、体积小型化方向发展而随着微电子学的日益发展，红外测距仪向着小型化，多功能，高精度，长测程的方向不断改进，新的产品层出不穷。激光红外线测距仪广泛用于地形测量，战场测量，坦克，飞机，舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。它是提高高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。由于激光红外线测距仪价格不断下调，工业上也逐渐开始使用激光红外线测距仪，可以广泛应用于工业测控、矿山、港口等领域。三、论文的主攻方向、主要内容、研究方法及技术路线1.主攻方向：（1）红外测距测量的精度（2）红外测距测量的距离2.主要内容：红外传感器的测距基本原理为红外发射电路的红外发光管发出红外光，由红外接收电路的光敏接收管接收发射光。根据发射光的强弱可以判断所测的距离，由于接收管接收的光强是随与发光管的距离变化而变化的，因而，距离近则接收光强，距离远则接收光弱。具体控制方法如图3.1所示，红外模块输出发出并接收到红外线信号；AD转换模块将接收到模拟信号装换成数字信号再交给单片机,启动单片机中断程序,此时单片机得到数字信号也就是电压值,再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED/LCD显示。图3.1反射能量法原理3.研究方法和技术路线：3.1红外测距系统的基本结构该系统主要由红外测距传感器、A/D转换电路，AT89C52芯片、键盘接口电路及LCD显示电路等组成。其组成框图如图3.2所示：图3.2红外测距系统的基本结构3.2红外收发模块红外发送管是用于发送信号,经过障碍物将信号反射,红外接收管接收到反射回来的信号,然后根据信号强弱将对应的电压值显示在显示模块上,并将此时的距离记录。然后整改程序，用红外收发模块进行测距，就可在显示模块上显示出红外接收管接收的信号强度对应的距离值。图3.3protues中红外传感器如图3.2所示GP2Y0A02YK0F有3个端口，其中VCC接信号输入，VO接MCP3001的IN+，GND接地线。GP2Y0A02YK0F测量范围在20cm-150cm之间，测量误差小于0.5cm。是一个距离测量传感器单元，PSD的集成组合构成（位置敏感探测器），IRED（红外发光二极管）和信号原理电路。由于采用三角测量方法，各种物体的反射率，对环境温度和工作时间距离检测不容易产生影响。这个装置输出对应于该电压检测距离。所以这种传感器还可以用来作为接近传感器。3.3A/D转换模块A/D转换器按照转换原理可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器。所谓直接A/D转换器，是把模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等。其中逐次逼近型A/D转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的分辨率和速度，故目前集成化A/D芯片采用逐次逼近型者多；间接A/D转换器是先把模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量，如电压/时间转换型（积分型），电压/频率转换型，电压/脉宽转换型等。其中积分型A/D转换器电路简单，抗干扰能力强，切能作到高分辨率，但转换速度较慢。有些转换器还将多路开关、基准电压源、时钟电路、译码器和转换电路集成在一个芯片内，已超出了单纯A/D转换功能，使用十分方便。图3.4protues中MCP3001接线图如图3.4所示，mcp3001的VREF接vcc，IN+接GP2Y0A02YK0F红外测距传感器的Vo，CLK接单片机上的P2.2，DO接单片机上的P2.1，CS接单片机上的P2.0。MCP3001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）,逐次逼近型A/D转换器的工作原理是将待换的模拟输入信号与一个推测信号进行比较，根据二者大小决定增大还是减小输入信号，以便向模拟输入信号逼近。推测信号由D/A转换器输入的数字信号就对应的时模拟输入量的数字量。这种A/D转换器一般速度很快，但精度不高。A/D转换器的主要性能指标中以分辨率和转换速率最为重要，分辨率越高，就能把满量程里的电平分出更多份数，得到的转换结果就越精确，得到的数字信号再用DAC转换回去就越接近原输入的模拟值（10位ADC能分辨2的10次方）。MCP3001分辨率：10位ADC能分辨出满刻度的1/1024.MCP3001转换速率：速度很快。由上可知，MCP3001的性能相比其他ADC要好很多。3.4LCD显示模块LCD与单片机的接口电路如图3.5所示，单片机P0分别接D1-D7，同时接上排阻，而在排阻另一端接上vcc。单片机上的P2.5接E，P2.6接RW，P2.7接RS，单片机通过P0口向LCD输送数据，显示测得的距离。值得注意的是，P0口要接上拉电阻来保证对LCD的成功驱动。图3.5protues中LCD显示模块3.5AT89C52单片机概述单片机是在集成电路芯片上集成了各种组件的微型计算机，这些组件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序内存ROM、定时/计数器、中断系统、时钟部件的集成和I/O接口电路。由于单片机具有体积小、价格低、可靠性高、开发应用方便等特点，因此在现代电子技术和工业领域应用较为广泛，在智能仪表中单片机是应用最多、最活跃的领域之一。在控制领域中,现如今人们更注意计算机的底成本、小体积、运行的可靠性和控制的灵活性。在各类仪器、仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，提高计算机的运算速度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。图3.6AT89C52单片机最小系统当在AT89C21单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要VCC的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。时钟频率用6MHZ时C取22uF,R取1KΩ。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经过电阻与电源VCC接通而实现的。最小系统如图3.6所示。四、论文工作进度安排1．2月1日—2月23日，审题，查阅相关资料完成开题报告2．2月23日—3月8日，依据相关的资料进行毕业设计3．3月8日—4月10日，写毕业设计报告5．4月10日—5月2日，撰写论文6．5月3日—5月17日，论文修改、答辩准备7．5月，答辩五、论文主要参考文献[1]张明峰，《PIC单片机入门与实战》，北京航空航天大学出版社[2]窦振中，《PIC单片机应用设计与实例》，北京航空航天大学出版社[3]谢自美，电子线路综合设计，华中科技大学出版社，2006-6[4]康华光，《电子技术基础：模拟部分（第五版）》,高等教育出版社，2006[5]潘永雄，沙河．电子线路CAD实用教程[M]．西安：西安电子科技大学出版社：2007．[6]51单片机C程序设计100例．[7]康华光主编．电子技术基础[M]．第四版．北京：高等教育出版社，1999[8]《单片机原理与应用》实验．武汉大学珞珈学院[9]《一种红外线测距技术的探讨》[10]《红外测距传感器的原理与设计最终版》[11]刘坤，《51单片机典型应用开发范例大全》中国铁道出版社[12]彭伟，《单片机C语言程序设计实训—基于8051+Proteus仿真》电子工业出版社[13]薛小玲、刘志群、贾俊荣编著《单片机接口模块应用于开发实例详解》北京航空航天大学出版社2010[14]谭浩强,著《C程序设计》（第三版）清华大学出版社2005[15]何桥、段清明、邱春玲编著《单片机原理及应用》中国铁道出版社2004[16]曲波肖圣兵吕建平编著《工业常用传感器选型指南》清华大学出版社2002[17]陈鸿茂编著《常用电子器件简明手册》中南矿业大学出版社2001指导教师签名：年月日