红外测距电路总结报告

红外测距电路总结报告学院：信息工程学院班级：11计算机1班学号：1100303131姓名：张翔指导老师：张珂摘要本次设计任务是设计一个红外测距电路，它由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括发射模块和接收模块，先由stc8051单片机产生一个1khz的信号，经红外发射管发射，碰到障碍物后返回，接收管接收到信号通过放大、滤波、峰值检波、AD转换后传回单片机，单片机即可通过判断接收电压的大小来确定距离。软件部分包括信号产生、AD接收、数据处理、液晶显示。关键词STC8051单片机；红外测距；一、方案论证及比较1、发射模块方案一用555定时器产生一个1khz的信号经红外发射管发射。方案二用单片机产生一个1khz的信号经红外发射管发射。考虑到题目要求，同时用单片机产生的信号方便控制和调节，电路也更加简单，所以我选择了方案二。2、接收模块放大部分：方案一采用5v供电，利用lm358芯片进行单电源放大。由于放大倍数在20到40倍之间，经过一级放大即可。方案二采用正负5v双电源供电，利用lm358芯片进行双电源放大，同样一级放大即可。单电源放大电路比较复杂，而且放大效果不好，考虑到已有的实验器材，决定选用简单的双电源放大电路。滤波部分：由于经过放大以后的信号还有很多杂波，而我们需要的是接收到的1khz的信号，一般的滤波器很难解决干扰问题，所以直接选用有源二阶带通滤波器。峰值检波部分：根据要求的精度为5mm，最简单的峰值检波电路即可胜任，出于节约成本的考虑，决定不用带运放的高精度检波电路，假如还要进一步提升测量精度，就需要选用更好的峰值检波电路。AD转换部分：AD转换主要是芯片的选择，0809芯片是并行传输的，占用的IO口太多，但是软件编写非常简单，正好手上有一个TLC1543芯片，它是串口传输数据的，虽然软件稍微复杂了一点，考虑到自身能力，决定选用TLC1543芯片来进行AD转换。单片机控制部分：AD转换的数字信号传入单片机，通过软件采用查表法进行处理，得出正确的距离。二、电路分析1.发射模块的电路设计由8051的定时器产生一个1khz的方波，用一个三极管驱动，将信号加载到红外发射管上。如图：Q1D112P3Header3GND+52.接收模块电路设计红外接收管接收到的信号只有一百毫伏左右，而且还有很多干扰，需要先放大再带通滤波，单片机只能接受数字信号，所以还需要通过峰值检波输出一个直流电压，经TLC1543芯片转换成数字信号输入单片机进行处理。关于放大电路设计：考虑到题目测量范围和接收到的信号大小，选取放大倍数为30倍左右，倍数太大回出现波形失真，使测量的最短距离变小，倍数太小信号强度不够，则能测量的最远距离会变小，放大倍数B=R4/R3=30；关于有源二阶带通滤波器的设计：令C=C3=C4，则req=R5//R6=(R5*R6)/(R5+R6)品质因数Q等于中心频率除以带宽即Q=fc/BW=1/2*req/7R由上边的公式，取中心频率f=1khz，增益A=5，品质因数Q=8，则令C=C3=C4=104，可以得到电阻值为R5=2.5K,R6=100，R7=25K;关于峰值检波电路的设计：考虑到电容值越大检波效果越好，但是放电速度越慢，经过测试，选取了20uf的电容和100k的电阻以及1n4148构成最简单的峰值检波电路。电路图及元件参数如下：12P1Header112P2Header220kR12.5KR5100R6100KR830KR4100kR21KR325kR7104C4104C320uFC51ufC1D11N4148814321U1ALM358AD847562U2BLM358ADGNDGNDGNDGNDGND+5-5104C2+5GND+5GND-5GNDGND3.单片机控制模块接收模块处理好的数据传入单片机，单片机先连续采样几次取均值，然后查表得出距离，再在1602液晶上显示。三、软件分析软件由4部分组成，信号产生模块、AD接收模块、数据处理模块和LCD显示模块，利用单片机的定时器0可以持续不断的产生1khz信号并输出，由于输出信号是稳定的，而接收管接收到的信号随着障碍物距离的变远而变小，所以我们可以通过检测信号的强弱来判断距离，但是接收到的信号并不完全是线性变化的，采用一个或者几个固定的公式并不能得出准确的距离，所以我采用提前把正确的距离和信号强弱的关系先测量好，建成一张信号距离表，这样测量时就可以查表快速得出距离。精度也方便控制。处理好的数据直接传送到1602液晶屏显示即可。流程图如下：四、调试和测试本次调试所用到的仪器设备主要：有示波器，函数信号发生仪，稳压电源。数字万用表。调试过程如下：首先调试发射部分，直接用示波器测量单片机输出的信号，为1khz；再调试接收部分的放大模块：先用函数发生仪模拟一个接收信号，把放大电路和滤波电路断开，测量358芯片的1脚，输入信号为1khz，100mv的正弦信号，用示波器测量1脚为1khz，2.8v的正弦信号，放大倍数为28倍，由于有信号衰减，放大部分正常；接下来调试带通滤波：把放大电路和滤波电路连好，输入函数发生仪产生的模拟信号，测量358芯片的7脚，得到一个稳定的正弦波，通过调节输入信号的频率，测得带通滤波器的中心频率为1.8khz，带通滤波器不正常。由于电阻自身的误差比较大，电容也有误差，再加上计算出来的电阻值没有刚好合适的，取得是相近的电阻元件，所以照成了较大的误差，我再在C3，C4上分别并联了一个相同容量的电容，再次测量中心频率变为880hz，截止频率400hz，这次滤波器可以满足要求了。然后接着测量整个电路的输出端，示波器打到直流档，调节信号强弱，发现检波电路工作良好。最后我修改程序将输出信号改为880hz，接入红外发射和接收管，直接进行最终的整合调试，解决一些电路连接上的问题后，将电压再液晶上显示出来，用米尺画出一张标准距离图，测量出电压和距离之间的关系并做成表，最终填入程序中，再验证距离和长度的关系是否正确。整个红外测距电路到此结束。五、心得总结该设计电路简单，精度为5mm，还可以进一步提高。在15到25cm精度可达1到2mm，虽然测量距离和超声波比起来短很多，但是精度高，适合短距离的高精度测量。但是当测量距离从近到远变化时，距离测量变化的灵敏度比较低，响应时间不够快。需要一个更好的峰值检波电路才能提高响应速度。六、参考文献和资料1.郭天祥编著《新概念51单片机c语言教程—入门、提高、开发、扩展全攻略》2.TLC1543编程实例——百度文库。3.《运算放大器电路设计手册》。