红外线距离测量仪设计.docx
《红外线距离测量仪设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《红外线距离测量仪设计.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
红外线距离测量仪设计
毕业设计（论文）
题目：
红外线距离测量仪设计
系（部）：
信息工程系
专业：
电气自动化
班级：
XXXXX
学生：
XXX
学号：
XXXXXXX
指导教师：
XXX职称：
讲师
摘要
红外线距离测量是针对当前公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤，加上存在视觉盲区，无法看见车后的障碍物，司机在倒车时很容易刮伤汽车，甚至发生事故的情况而出现的一种旨在倒车防护的汽车防撞系统。
该系统能够在汽车以较低的速度进行倒车的过程中，识别出车后部的障碍物，并能够测量车与障碍物之间的距离，在车辆与障碍物发生碰撞前，发出声光报警，提醒司机刹车。
本设计从实验研究分析的角度，分析了红外线测距原理以及国内外此类汽车倒车存在的问题，提出了目前最简单、实用的一种红外线车辆倒车距离测量实现方案，即基于AT89C52单片机为核心的红外线测距倒车测量方案。
关键词：
单片机；红外线；传感器；A/D转换
作者：
XXX
指导老师：
XXX
ABSTRACT
Infraredvehicleasterndistancemeasurementisinviewofthecurrentroad,streets,parkinglot,garage,etcmoreandmorecrowded,plusexistvisualblindarea,can'tseethecaraftertheobstacle,thedriverinthereverseiseasytoscratchthecar,andeventhecaseofanaccidentandtheemergenceofanaimedatasternprotectivecarcollisionavoidancesystem.Thesystemcaninthecaratarelativelylowspeedofreversingtheprocess,arecognitionoftheobstacles,andcanbeusedtomeasurethedistancebetweenthecarandtheobstaclesinthevehicleandobstaclesbeforecollision,sendoutsoundandlightalarmtoremindthedriverbrake.Thisdesignfromthepointofviewofexperimentstudy,thispaperanalyzestheprincipleofinfraredrayrangeathomeandabroadsuchreverseexistentproblem,putforwardthemostsimpleandpracticalainfraredvehicleasterndistancemeasurementimplementationscheme,thatisbasedonAT89C51single-chipmicrocomputerasthecoreoftheinfraredrangeasternmeasurementscheme.
Keywords:
SCM;Infrared;sensor；A/DChange
Author:
XXX
GuidingTeacher:
XXX
第一章引言
随着汽车工业的发展，城市汽车数量迅速增加。
尤其是近几年来，我国开始进入私家车时代，汽车的数量更是逐年增加，造成公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤。
汽车驾驶员越来越担心车的安全了，其中倒车就是一个典型问题。
由于存在视觉盲区，无法看见车后的障碍物，司机在倒车时很容易刮伤汽车，甚至发生事故。
为了减少因此带来的损失，需要有一种专门的辅助装置帮助司机安全倒车。
目前用于辅助司机倒车的装置主要有：
语音告警装置、后视系统以及倒车红外线测距等。
语音告警装置用于播放提示语以提醒车后的行人注意避让正在倒车的汽车。
这种装置价格便宜，使用方便，其缺点是只能对车后的行人起告警作用，对于其他障碍物则不起作用，所以其应用范围有限。
后视系统是由视频捕捉装置和视频播放装置组成，通过后视系统司机可以直观地看到车后的障碍物，消除视觉盲区。
由于这类装置的价位较高，目前还没有普遍推广使用。
本文设计分析的基于STC89C52单片机和红外线倒车测距系统，即是根据这一实际情况而应运而生的，具有非常高的性价比。
系统运用微计算机技术与红外线的测距技术、传感器技术等的交叉融合，进行优化设计的，并根据其距离远近实时发出报警。
但其主流产品仅仅是独立的控制单元,无法与汽车数字化信息平台接轨。
围绕汽车电器网络化实现倒车红外线数据总线传递信息共享,具有良好的发展前景。
本文应用的STC89C52单片机即能很好完成网络化的重要任务。
第二章硬件介绍
2.1红外线概述红外线概述
2.1.1红外线简介红外线简介
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0.75µM~1000µM的频谱范围之内。
相对应的频率大致在4×1014~3×1011HZ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。
0.77µM~3µM为近红外区，3µM~30µM为中红外区，30µM~1000µM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0.88µM~0.94µM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0.88µM~0.94µM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。
7.红外辐射的基本定律
2.1.2红外传感器的分类
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
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。
2、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。
3、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。
2、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、光电导传感器（PC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。
2、光生伏特传感器（PU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。
3、光磁电传感器（PEM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7µM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。
2.1.3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。
2.2STC89C52单片机的概述
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
STC89C52是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用STC高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，STC的STC89C52是一种高效微控制器，STC89C52是它的一种精简版本。
STC89C52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图2-1
8KB可改编程序Flash存储器
（可经受1，000次的写入/擦除周期）
全静态工作：
0Hz～24MHz
三级程序存储器保密
128X8字节内部RAM
32条可编程I/O线
2个16位定时器/计数器
6个中断源
可编程串行通道
片内时钟振荡器
另外，STC89C52是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式——空闲方式（IdleMode）和掉电方式（PowerDownMode）。
在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。
在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。
主电源引脚
（a）.Vcc电源引脚
（b）.GND接地端
外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
（a）.XTAL1接外部晶体的一个引脚。
在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。
当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，既把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
（b）.XTAL2接外部晶体的另一个引脚。
在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。
采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。
（3）.控制或与其它电源复用引脚RST、ALE//PROG、/PESN和/EA/Vpp
（a）.RES复位输入端。
当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。
（b）.ALE//PROG当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。
即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。
因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（/PROG）。
如果需要的话，通过对专用寄存器（SFR）区中8EH单元的D0位置数，可禁止ALE操作。
该位置数后，只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间，ALE才会被激活。
另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。
（c）./PSEN程序存储允许（/PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号。
当AT89C51/LV51由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次/PSEN有效（既输出2个脉冲）。
但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
（d）./EA/Vpp外部访问允许端。
要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000H～FFFFH），则/EA端必须保持低电平（接到GND端）。
然而要注意的是，如果保密位LB1被编程，复位时在内部会锁存/EA端的状态。
当/EA端保持高电平（接Vcc端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。
在Flash存储器编程期间，该引脚也用于施加12V的编程允许电源Vpp（如果选用12V编程）。
（4）输入/输出引脚P0.0~P0.7、P1.0~P1.7、P2.0~P2.7和P3.0~P3.7
（a）.P0端口（P0.0～P0.7）P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。
作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。
在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。
在Flash编程时，P0端口接收指令字节；而在验证程序时，则输出指令字节。
验证时，要求外接上拉电阻。
（b）.P1端口（P1.0～P1.7）P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P1的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
作输入口时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在对Flash编程和程序验证时，P1接收低8位地址。
（c）.P2端口（P2.0～P2.7）P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@DPIR指令）时，P2送出高8位地址。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。
在对Flash编程和程序验证期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。
（d）.P3端口（P3.0～P3.7）P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
2.3TLC1549简介
TLC1549C、TLC1549I和TLC1549M是一个10位开关电容器，逐次逼近型的AD转换器。
这个芯片有2个数字输入端，1个三态输出口（CS），1个I/O CLOCK端口和1个数字输出端（DATA OUT）,可以实现一个三总线接口到总控制器的串行口的数据传输。
内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能, 而且开关电容设计使在满刻度时总误差最大仅为±1 LSB （ 4.8 mV） , 因此可广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。
引脚功能：
ANALOGIN：
模拟信号输入。
电源阻抗应该小于1K欧。
外部电源到该引脚的电流应大于
10mA。
CS：
片选。
CS从高电平到低电平跳变可以复位内部计数器并在一个最大的启动时间加上两个内部时钟的下降沿时间内控制和使能DATAOUT、I/OCLOCK。
在一个启动时间加上两个内部时钟的下降沿时间内CS从低电平到高电平可以禁止I/OCLOCK。
DATAOUT：
当CS为高时AD转换结果为高阻抗，当CS为低时AD转换结果有效。
在有效C下，该引脚输出值为上次转换结果的最高有效位（MSB）的数字量。
在下一个时钟下降沿输出次高位数字量，以此顺序输出直到第9个下降沿输出最低有效位（LSB），在第10个时钟下降沿，该引脚被拉低以确保串行数据口传输超过10个时钟周期。
GND：
该引脚和内部电路的地相连，除非有特殊要求，所有的地都和该引脚相连。
I/OCLOCK：
输入/输出时钟口。
该引脚作为串行时钟的输入口有以下三个功能：
（1）在第三个时钟下降沿时，模拟输入电压开始给阵列电容充电一直到第10个时钟下降沿。
（2）之前转换结果的9个剩余位随着该引脚在DATAOUT引脚上逐位输出。
（3）在第10个时钟下降沿，该引脚可以控制转换结果传输到内部控制器。
REF+：
正参考电压的值（通常接VCC）接到REF+引脚上。
最大输入电压的范围是REF+电压和REF-电压的差值。
REF-：
负参考电压的值（通常接地）接到REF-引脚上。
VCC：
正电源电压。
图2-2
第三章红外测距的工作原理与基本结构
3.1红外测距发射与接收器件简介
红外线测距是利用红外光来传送控制指令信号，因此，作为红外测距中的红外光发射器件的红外发光二极管和红外光接收器件的红外光敏管，是构成红外测距系统的基本器件。
1、红外线发射器件
1.红外线发射器件的结构与分类
红外线发射器件是最长用的为红外发光二极管，它与普通发光二极管的结构原理以及制作工艺基本相同，是只有一个PN结的半导体器件，只是所有的材料不同，制造红外发光二极管砷化钾，砷铝钾等，其中应用最多的是砷化钾。
红外发光二极管一般采用环氧树脂，玻璃，塑料等封装，除白色透明材料封装外，还可见到用蓝色透明材料封装的。
红外发光二极管按发光功率的大小，可分为小功率、中功率、大功率三种。
另外，红外发光二极管除顶面发光型外，还有侧面发光型。
小功率管一般采用全塑封装，也有部分是采用陶瓷底座，顶端用玻璃或环氧树脂透镜封装的，中大功率管一般采用带螺纹金属底座，以便安装散热片。
随着发光功率得提高，相应体积的管子也增大。
2.红外发光二极管测试方法
用万用表R×1K档测量，正向电阻在30KΩ左右，反向电阻在200KΩ以上的管子是好的。
反向电阻越大，漏电流越小，质量越好。
若反向电阻只有几十KΩ，说明管子质量不好，但可使用。
若管子的正向的反向电阻都为无穷大或为零，说明管子是废品，不能使用；还可以先把红外发光二极管接到电路中，接通电源后再用手机的摄像头对准红外发光管。
可以看到管子发出淡粉色的光，则红外发光二极管好使。
二．.红外光敏二极管
1.红外光敏二极管原理与分类
我们知道半导体具有光电效应，即用光照半导体，可使半导体的电阻率发生变化。
利用半导体的光电效应可以制成光电二极管，不同的半导体材料对不同波长的入射光的响应是不同的。
光敏二极管有顶面受光和侧面受光两种形式。
它也是采用塑料、玻璃、环氧树脂等材料封装。
2.光敏二极管的简单测试
一般用万用表RX1K档，光敏二极管的正向电阻较普通二极管大些，约十几KΩ左右，反向电阻随光照变化。
无光照时（用物体将管子挡住，不让光照射），反向电阻接近无穷大，说明漏电流大。
管子的反向电阻至少应在500KΩ以上，有光照射时（在较强日光或灯光下），反向电阻越小越好，一般应在20KΩ以下。
若有光照射时反向电阻为穷大或为零，说明管子是坏的
升级会员 