红外测距 项目.docx

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红外测距项目

摘要

在可移动机器人避障系统中，一般采用超声波测距和红外来实现避障，但因为超声波测距存在盲区问题，所以在与障碍物距离达到一定范围时，将不能很好的实现避障，相反，红外测距的探测距离较短，一般在几十厘米之内，它可以在一定程度上弥补超声波近距离无法测量的缺点。

因而为了提高可移动式机器人的躲避障碍物的能力，在该设计中，以AVR单片机为核心，设计了一种基于ATmega16芯片的红外测距模块。

首先，在绪论中，介绍了红外线及红外传感器的分类和应用、AVR单片机系列的发展与应用，特别对ATmega16单片机进行了说明。

其次，阐述了与红外测距的工作原理基本结构，对红外测距的发射与接收器件也做了详细说明。

再次，介绍了红外测距的硬件设计和软件设计。

在硬件设计中，介绍了红外测距实现的构想，给出红外测距硬件电路原理图，并说明了红外发射驱动电路、红外接收驱动电路、RS485通讯、报警电路、键盘、电源电路、LED显示电路工作原理及ATmega16单片机的管脚分配。

在软件设计中，说明了整个程序流程及各程序设计函数和误差分析。

最后，是对整个设计的结论，说明了红外测距的可行性。

关键字：

红外线；AVR；ATmega16

Abstract

AbstractInthemobilerobotobstacleavoidancesystem,ingeneral,ultrasonicandinfraredrangetoachieveobstacleavoidance,ButbecausethereUltrasonicRangingblindspot,sothedistancebarrierandreachacertainscope,wouldnotachieveverygoodobstacleavoidance,onthecontrary,theinfraredrangedetectionshorterdistances,generallywithintensofcentimeters,Itcantosomeextentmakeupforashortdistancecannotbemeasuredultrasonicflaw.Thustoenhancemobilerobotobstacleavoidancecapabilityinthedesign,AVRmicrocontrollercore,BasedonthedesignofachipATmega16rangeofinfraredmodules.

First,theoverviewontheinfraredandinfraredsensorsandtheapplicationoftheclassification,theAVRSeriesofdevelopmentandapplication,especiallyforATmega16conducted.

Secondly,expoundedtheinfraredrangewiththeworkingprincipleofthebasicstructureRangingoftheinfraredemissionandreceivingdeviceshavealsodoneadetaileddescription.

Again,introducedtheinfraredrangeofhardwaredesignandsoftwaredesign.

Inhardwaredesign,introducedtheinfraredrangetoachievethevisionisinfraredrangeofhardwarecircuit.andthattheinfraredtransmitterdrivercircuit,infraredreceiver-drivencircuit,RS485communications,alarmcircuits,keyboard,powersupplycircuit,LEDDisplayCircuitandATmega16pinassignments.

Finally,itisthewholedesigntotheconclusionthattheinfraredrangeoffeasibility.

Keywords:

Infrared；AVR；ATmega16

1绪论

1.1红外线概述

1.1.1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，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。

它的波长介于可见光和微波之间，它的波长范围大致在

的频谱范围之内。

相对应的频率大致在

之间，红外线与可见光、紫外线、χ射线、γ射线和微波、无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱，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。

为近红外区，

为中红外区，

为远红外区。

这里所说的远近是指红外辐射在电磁波谱中与可见光的距离。

红外辐射的物理本质

是热辐射。

物体的温度越高，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，而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内，因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。

红外线在通过云雾等充满悬浮离子的物质时不易发生散射，有较强的穿透能力，还具有抗干扰能力强、易于产生、对环境影响小、不会干扰临近的无线电设备的特点，因而被广泛应用。

目前红外发射器件（红外发光二极管）发出的是峰值波长

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

之间，恰好与红外发光二极管的光峰值波长相匹配。

红外光具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。

能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为黑体；能全部反射的物体称为镜体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体。

严格地讲，在自然界中，不存在黑体镜体和透明体。

红外遥控的优点：

1.采用红外线发光二极管，结构简单，易于小型化，且成本底。

2.红外线调制简单，依靠调制信号编码可实现多路控制。

3.红外线不能通过阻挡物，不会产生信号串扰等误动作。

4.功率消耗小，反映速度快。

5.对环境无污染，对人、物无损害。

6.抗干扰能力强，工作可靠。

红外辐射的基本定律

1.基尔霍夫定律

基尔霍夫定律指出，一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能。

如果几个物体处于同一温度场中，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领，这就是基尔霍夫定律，可由下式表示

式中

---物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能；

—物体的吸收系数；

—常数，其值等于黑体在相同条件下发出的辐射能。

2.斯蒂芬-玻尔滋蔓定律

物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单位面积辐射的总能量

为

式中

—物体的绝对温度，273K；

--斯蒂芬-玻尔滋蔓常数，

；

---比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领的比值，黑体的

。

3.维恩位移定律

热辐射发射的电磁波中包含各种波长。

实验证明物体峰值辐射波长λm与物体自身的绝对温度T成反比。

即

该式称为维恩位移定律。

红外传感器（也称为红外探测器）是能将红外辐射能转换为电能的光敏器件，它是红外探测系统的关键部件，它的性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。

因此，选择合适的、性能良好的红外传感器，对于红外探测系统是十分重要的。

1.1.2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。

一、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，热电偶型，高莱气动型和热释放电型四种。

1.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

2.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。

3.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，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。

4.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。

二、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。

1.外光电传感器（

器件）

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。

2.光电导传感器（

器件）

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。

1.光生伏特传感器（

器件）

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。

2.光磁电传感器（

器件）

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

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。

1.1.3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：

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。

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或多个的组合。

1.2AVR单片机概述

1.2.1AVR单片机及其发展

电子技术的迅猛发展,尤其AVR单片机更广泛地应用于军事、工业、家用电器、智能玩具、智能机器人、便携式智能仪表等领域,使产品功能、精度和质量大幅度提高,电路简单、故障率低、可靠性高且成本低廉。

ATMEL公司把51内核与其擅长的FLASH制造技术相结合,推出可重复擦写1000次以上低功耗的89C51/52/1051/2051等产品,取代其它8751系列,称霸单片机市场数年。

1997年,由ATMEL挪威设计中心的A先生与V先生,利用ATMEL的Flash新技术,共同研发RISC（ReducedInstructionSetCPU）精简指令集高速嵌入式8位单片机,简称AVR。

AVR单片机主要分为tiny,mega两个系列，现在还有一些90s的型号但是据说都会逐渐被mega的相应型号替代，另外有一些以AVR为CPU核的SOC器件比如带有USB的，带有RF的，还有带有FPGA的，这些不好分类。

ATMEL自己也是有时候分到AVR一类，有时候又放到别的类，或者单独给出。

一般的说mega系列比tiny系列功能更强大，flash更多RAM更大，其它资源也更多。

最根本的区别在于mega支持IAP（在应用编程）和ISP，而tiny只支持ISP。

IAP的功能使得我们可以用任何AVR的接口（包括接口的扩展和延伸，比如串口控制GPRS模块而变成无线接口）在应用中更改程序，从而使系统灵活性更大。

tiny虽然功能小，不过速度可不低。

TINY系列一样能够工作于16MHz，接近16MIPS的运算速度，所有的AVR单片机都支持ISP。

其中mega16、mega32、mega64、mega128、mega162、mega169这些型号和一些和它们兼容的旧型号支持JTAG仿真。

现在又有了mega48,mega168等新的型号支持debugwire是单线的JTAG仿真器。

其它的单片机如果需要调试器，就需要ICE了，价格一般还是比较贵的。

 整个开发环境还没有集成到一起。

因此必须分开说了。

调试程序一般使avrstudio这是ATMEL自己的调试环境，也是免费的可以到他们的网站下载。

这个调试环境支持软件模拟 （就是程序不能下载到单片机，只是在计算机中模拟运行），JTAG调试，和ICE调试。

同时能够处理汇编代码。

自由软件的GDB可以模拟和调试AVR单片机，不过我们还没有学会。

汇编器avrstudio已经有了就不多说了。

接着一个重要的开发环境是C编译器，现在有很多种。

最贵的，据说最好的是IAR，太贵了国内用的人不多。

还有ICC、codevision都是商业软件。

我们没有怎么用过。

他们的网站也都有一定代码量限制的使用版可以使用。

我们使用的编译器是自由软件AVR-GCC，当然它是免费的。

它的使用还是比较复杂，我们准备写一本这方面的书了，这里不多介绍。

最后就是下载程序的软件avrstudio自己带一个AVRISP软件可以通过串口下载程序，JTAG接口也会把程序下载到支持JTAG 的单片机中。

ISP的软件也不只一种，我们常用的是polypro，也是免费软件。

使用还是很方便的，具体的使用要说也比较多，大家先知道一下吧。

 下载线，JTAG仿真器可以买，也可以自己做。

这方面的资料也比较多，网上搜索就会很有收获。

我们做了这方面的工作，下载线，串口JTAG仿真器，USB接口JTAG仿真器都有了 。

1.2.2AVR系列单片机的优势

单片机种类很多，在简易机器人制作和创新中，为什么选用AVR单片机呢？

  一、进入AVR单片机门槛低--一线打天下!

1.反复擦写，无报废产品。

AVR单片机的程序存储器是用Flash（闪烁存储器--像闪电一样快或称快速擦写）构成的,可擦写1000次以上,新工艺AVR器件,程序存储器的擦写可达1万次以上,不再有报废品产生。

有的单片机,只能烧录一次,不能更改,烧录错了产品就报废。

2.有多种编程方式。

AVR程序写入可以并行写入（用万用编程序器）,也可用串行ISP（通过PC机RS232口或打印口）在线编程擦写。

也就是说可以不必将IC芯片拆下拿到万用编程上擦写,而可直接在电路板上进行程序修改、烧录等操作,方便

产品升级。

ISP、JTAG这是今后单片机编程的发展方向。

3.有多种免费编程语言供选择。

青少年学习单片机用什么语言编程也是至关重要。

有一种台湾及国产的用宏指令方法设计的单片机学习板,优点:

简单易学,适合小学生用;缺点:

不可搞复杂控制,与大专院校学习单片机知识不衔接,又要从头开始学习,人们称这是不论不类的语言,与现实社会科研应用不能接轨。

4.有多种器件供选择。

AVR单片机系列齐全,可适用于各种不同场合的要。

AVR有三个档次:

低档tiny系列AVR单片机:

主要有tiny11/12/15/26/28等；中档AT90S系列AVR单片机:

主要有AT90S1200/2313/8515/8535等；高档ATmega系列AVR单片机:

主要有ATmega8/16/32/64/128,ATmega8515/8535等。

AVR器件价格从几元到近百元,引脚从8脚到64脚,还有各种不同封装供选择。

5.有多种开发实验器配合你学习开发。

双龙电子的散件组装SL-DIY02-1AVR单片机积木化开发实验器,提供了一个廉价的学习AVR单片机的软件、硬件开发平台,通过自己组装单片机实验器硬件,只要接上PC机及5伏直流电源,他什么事都能做,是青少年参加电子大奖赛的廉价工具及助手。

双龙电子还有各种配套积木化应用板供选择:

SL-DIY02-2组态开发板,SL-DIY02-3带A/D开发实验板,SL-DIY02-6机器人板具有多个红外传感器、光电传感器、接触传感器、稳压滤波电路、直流减速电机及驱动电路、电池匣、遥控接口（遥控为选件）,SL-DIY02-1接口插座等。

SL-DIY02-1（或3）开发实验板,插在SL-DIY02-6机器人板插座上,

组成SL积木式机器人。

二、AVR是属高速单片机

1.一个时钟周期执行一条指令。

AVR是高速单片机!

硬件应用哈佛结构,具有预取指令功能,即在执行一条指令时,预先把下一条指令己取进来,使得指令可以在一个时钟周期内执行。

2.多累加器型、数据处理速度快。

超功能精简指令!

具有32个通用工作寄存器,相当于有32条立交桥,可以快速通行。

相当多的单片机只有一个累加器,就像一条独木桥,什么事都要通过累加器,真是又累又慢,吃力不讨好,速度快不了。

AVR单片机系列中有128B到4KB的SRAM静态随机数据存储器,可灵活使用指令运算,存放数据。

3.中断响应速度快。

AVR像8051一样,有多个固定中断向量入口地址,可快速响应中断。

而PIC只有一个中断入口,要查询后才能响应中断,失去了最佳响应中断时间。

4.高级C语言编程效率高。

从高级语言C代码完成同一任务实例比较,8MHzAVR速度要相当224MHz80C51,AVR比80C51快28倍。

看各种单片机性能比较:

68HC11：

代码效率高，但是处理能力只有AVR的1/10，功耗却高2.5倍PIC速度快,但是在相同功耗下AVR性能比其高3.5倍

三、AVR是低功耗单片机

具有休眠省电功能（POWERDOWN）及闲置（IDLE）低功耗功能。

一般耗电在1～2.5mA,典型功耗情况,WDT关闭时为100nA,更适用于电池供电的应用设备。

四、高度保密（LOCK）,可保护你的科研成果！

–不可破解的位加密锁Lockbit技术；

–不像有的单片机那样可通过电子显微镜看到保密位方式破解；

–Flash保密位单元深藏于芯片内部,无法用电子显微镜看到保密位；

–可多次烧写的Flash且具有多重密码保护锁死（LOCK）功能,因此可快速完成产品商品化,并可多次更改程序（产品升级）而不必浪费IC芯片或电路板,大大提高产品质量及竞争力。

五、I/O口功能强、驱动能力大,1个I/O口,至少可驱动3只伺服电机。

AVR的I/O口是真正的I/O口,能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。

I/O口有输入/输出,三态高阻输入,也可设定内部拉高电阻作输入端的功能,便于作各种应用特性所需（多功能I/O口）。

工业级产品!

具有大电流（灌电流）10～40mA,可直接驱动可控硅SSR或继电器,节省了外围驱动器件。

六、具有A/D转换电路,可作数据采集闭环控制

AVR内带模拟比较器,I/O口可作A/D转换用,可组成廉价的A/D转换器。

AT90S4434/8535具有8路10位A/D；AT90S2333/4433具有6路10位A/D；功能更强的ATmega128有Flash128KB,EEPROM4KB、RAM4KB、I/O端口48个、中断源16个、外中断8个、SPI,UART、8路10位A/D、ISP。

七、有的AVR单片机可组成零外设元件单片机系统

AT90S1200/2343/ATtiny15/ATmega8等部分AVR器件具有内部RC振荡器，1-8MHz的工作频率,使该类单片机成为无外加元器件即可工作,就是一片芯片,可谓简单方便又省钱,作加密器件使用更妙。

八、单片机工作可靠性强

可重设启动复位。

AVR系列有内部电源开关启动计数器,可将低电平复位（/RESET）直接接到VCC端。

当电源开时,由于利用内部RC的看门狗定时器,可延迟MCU启动执行程序。

这种延时使I/O口稳定后执行程序,以提高单片机工作可靠性。

有的AVR单片机还有复