基于单片机的红外线测距系统毕业论文

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1、滨江学院 学年论文题 目 基于单片机的红外线测距系统 院 系 滨江学院 专 业 电子信息工程 学生姓名 学 号 20092305061 指导教师 职 称 讲师 二一二 年 十二月 二 日目 录1引言- 1 -1.1红外线测距的工作原理- 1 -1.2红外线测距的基本结构- 2 -1.3红外测距与超声测距的优缺点及应用- 3 -2测距系统硬件设计- 3 -2.1系统硬件结构电路图- 3 -2.2各硬件电路设计- 4 -2.2.1红外发射电路- 4 -2.2.2 红外接收电路- 5 -2.2.3报警- 7 -2.2.4键盘- 8 -2.2.5 电源- 8 -2.2.6 LED显示说明- 10 -2

2、.2.7ATmega16单片机- 11 -3测距系统软件设计- 12 -3.1 系统软件结构框图- 12 -3.2 各程序设计函数说明- 14 -3.2.1 主程序模块- 14 -3.2.2 设定输入/ 输出引脚- 15 -3.2.3 A/ D 转换模块- 16 -3.2.4 LED动态扫描显示模块- 16 -3.2.5 UART 操作的基本函数- 17 -3.2.6 键盘处理模块- 19 -4误差分析- 21 -5结论- 21 -参考文献- 21 -谢辞- 21 - 22 -基于单片机的红外线测距系统常程南京信息工程大学电子信息工程专业，南京 210044摘要：在该设计中，以AVR单片机为核

3、心，设计了一种基于ATmega16芯片的红外测距模块。首先，红外测距的工作原理基本结构做了详细说明。其次，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、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。关键字：红外线；AVR；ATmega16 1引言1.1红外线测距的工作原理红外辐射是整个光谱辐射的一部分，红外辐射具有光的基本属性。红外技术是光学的一个应用分支，光学中的几何光

4、学和物理光学同样是红外系统的理论基础。在红外系统的性能分析和计算中常用光学传递函数方法去分析评价系统质量。在红外系统能量计算中也可运用波动光学理论。红外光与可见光除了波长的差异外，就是红外辐射为不可见光，因而不可做成肉眼直接观察的仪器。在红外仪器中，对接收到的红外图像总需要通过光电或热电方法转换成电信号，然后在转换成可见图像以人眼直接观察判读。该设计本文采用的是光发射器主动测量，用于发射器随距离的不同而不同（r1km）采用脉冲式激光发射器。相位测量法试用于的测量，这种测量要将发射波相位和由目标反射波相位加以比较，波的进行时间与测距仪器到目标的距离成正比，并与相位延迟有关，进行时间.式中，r为测

5、距仪到目标的距离，c为光速。相位延迟由下式决定：或式中fs发射器调制频率。由此得 对于，相位测量是多值的，故可测量的最大距离rmax由下式确定距离测量精度：例如：假定发射器调制频率为fs=2 MHz，相位测量精度为=0.25o，则发射器高频放大器振荡器接收器高频带通滤波器放大器接收器高频带通滤波器高频放大器（可调）混频器低通滤波器检波器放大器限幅器相敏检波器将测距转换成测电压，电压与距离成一定的关系图1 原理结构图1.2红外线测距的基本结构ATmega16芯片内有8通道、具有10位精度的A/D转换模块，我们利用这种单片机设计了一个红外测距系统。该模块由红外发射电路、红外接收电路、ATmega1

6、6芯片、键盘接口电路、报警电路及LED显示电路等组成。其组成框图如图2所示：Atm16LED显示键盘接口报警红外接收电路红外发送电路图2 功能框图1.3红外测距与超声测距的优缺点及应用红外测距的优点：便宜、易制、安全、性能优良、易于推广；缺点方向性差、距离近。应用：汽车防撞系统。超声测距的优点：对色彩光照不敏感，能识别透明物体（玻璃、抛光体）、对光线磁场不敏感，只要不堵塞，传感器都可测量，可在较差环境下使用；缺点精度较低、成本高。应用：倒车装置。2测距硬件设计2.1系统硬件结构电路图整个红外测距系统由ATmega16芯片、红外发射驱动电路、红外接收驱动电路、下载接口、键盘、报警电路与LED显示

7、器构成。硬件结构电路图如图3所示：图3 硬件结构电路图2.2各硬件电路设计2.2.1红外发射电路(1)电路组成：红外发射驱动电路是由一个简单的共射放大电路和一个作为开关的三极管电路组成的模块。电路原理如图4所示：图4 红外发射电路（2）电路工作原理：在共射放大电路中，红外发光二极管D1接于共射放大电路的集电极，与基极和发射极相接的二极管起温度补偿作用。控制管脚Vin与Atmega16芯片管脚PC4相接。当控制管脚Vin有信号输入时,控制电路的三极管导通,同时整个电路导通,红外发光二极管D1发射出红外光。2.2.2 红外接收电路(1)电路组成:红外接收驱动电路是由红外接收管D2和两个电压串联负反

8、馈模拟运算放大电路组成的模块。红外接收驱动电路设计为两极放大是因为在许多情况下，输入信号是很微弱的，要把这样微弱的信号放大到足以带动负载，仅用一级电路放大定是做不到的，必须经多级放大，以满足放大倍数和其他性能方面的要求。 并且，根据信号源和负载性质的不同，对各级电路有不同要求，输入级一般要求有尽可能高的输入电阻和较低的静态工作电流。电路图如图5所示。(2)电路工作原理:红外发光管D1 发射出的红外光,在遇到前面的障碍物反射后,由红外接收管TPS708 接收,此时TPS708会产生一个与光强相对应的电流。电流经由LM358 两级放大后,在输出端可以得到一个03V 的模拟电压,作ATmega16单

9、片机PC4的模拟输入量。单片机在完成初始化和端口选择后,即开始进行A/ D 转换,重复等待与检查转换完成标志值是否已为零,最后将转换结果在LED上显示出来。图5 红外接收电路（3）运算放大电路定量分析：我们采用负反馈模拟运算放大电路，是因为负反馈具有提高增益稳定性、展宽放大器通频带与减少非线性失真和噪音三大优点，并且负反馈还有对相应的输出量进行自动调节作用。根据闭环增益方程求对的导数，得 即微分 闭环增益的相对变化量为 上式表明，负反馈的引入使放大器的放大倍数稳定性提高到了倍，而且负反馈越深，稳定性越高。输入信号加在集成运放同相输入断的电路称为同相比例运算电路，在红外接收驱动电路中就采用同相比

10、例运算进行两级放大。下面对同相比例运算电路进行定量分析： 图6 集成运放电路由图6可知而 所以 整理得 式子表明，输出电压与输入电压之间存在着比例运算关系，比例系数由与的值决定。与集成运放本身的参数无关。 因为输入端通过集成运放的输入电阻接地，故同相比例运算电路的输入电阻很大，的大小对信号源影响不大，但如果太小，当很小时，会影响输出电压。 若要获得闭环电压放大倍数，由电压放大倍数定义可得： 若 则 即输出电压与输入电压相等，相位相同，此时同相比例运算电路称为电压跟随器。2.2.3报警电路（1） 电路组成：报警电路将扬声器接于PNP三极管的发射极，在基极与集电极之间接有一个10K电阻，基极电阻为

11、1K。电路如图7所示： 图7 报警电路（2）电路工作原理：红外接收传感器接收到反射回来的红外光，通过光强转换的电压可判断出测距仪与障碍物之间的距离，当测距仪与障碍物之间的距离到达很短时，通过软件编程实现，由Atmega16单片机给报警电路的输入口输出一个电压信号，这时PNP三极管导通，有电流流过扬声器，使扬声器发出报警信号。2.2.4键盘(1)电路组成:我们将键盘设定为对下载数据进行复位,所以键盘输入单元采用独立式键盘，由3个按键组成，其中两个按键与Atmega16芯片的PB5、PB6口相接，另一个按键与Atmega16芯片的RESET口相接。电路如图8所示。（2）电路工作原理：键盘在下载出现

12、问题或芯片需要复位时，可通过程序设定进行复位。2.2.5 电源 （1）电路组成：该稳压电源由变压电路、整流电路、滤波电路和稳压电路四大部分组成。电路图如图9所示。图8 键盘图9 电源（2）电路工作原理：该电路为交直转换电源电路，首先，由变压器将市电220V交流电变成9V的交流电，再经单相桥式整流电路将交流电变为所需要的直流电，后再经滤波电路、7805稳压器把不稳定的直流电压变为稳定的直流5V电压输出，供整个红外测距模块使用。（3）各部分的工作原理：1. 单相桥式整流电路a) 桥式整流电路如图10所示，4个整流二极管组成一个电桥，变压器的次级和电容C5分别接到电桥的两个对角线的两端，b) 桥式整

13、流工作原理当变压器的次级处于正半周期时，二极管VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，当变压器的次级处于负半周期时，二极管VD2、VD4导通，图10 整流桥电路截止VD1、VD3，R1上所加电压为U0，经整流后，电流由交流电变为直流电。以上分析可知，桥式整流电路的整流平均值比半波整流时增加1倍，即通过负载电阻的直流也增加1倍，即 因为每两个二极管串联轮换半个周期，因此，每个二极管中流过的平均电流只有负载电流的一半，即 整流二极管承受的最大反向电压 因为单相桥式整流电路在变压器次级电压相同情况下，输出电压平均值高，脉动系数小，虽然二极管用了4个，但小功率二极管体积小，价格低廉，因此全波桥式整流得

14、到广泛应用。2. 滤波电路a) 整流输出的电压是一个单方向脉动电压，虽然是直流，但脉动较大，为了得到平滑的直流电压波形，必须采用滤波电路，以改善输出电压的脉动性，常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、复式滤波等，此处采用电容滤波。b) 单相半波整流电容滤波电路如图所示，由于电容两端电压不能突变，因而负载两端的电压也不会突变，使输出电压得以平滑，达到滤波目的。3. 7805稳压电路a) 通过整流滤波电路所获得的直流电源电压是比较稳定的，当电网电压波动或负载电流变化时，输出电压会随之改变。电子设备一般都需要稳定的电源电压。如果电源电压不稳定会引起直流放大器的零点漂移、交流燥声增大、测量仪表的测量精度

15、降低等。因此，必须进行稳压，目前，中小功率设备中广泛采用的稳压电源有并联型稳压电源、串联型稳压电源、集成稳压电路及开关型稳压电路。在此电路中我们采用集成稳压器7805b) 7805稳压电路如图12所示，型号7805稳压器中，78表示输出为正电压值，05表示输出电压的稳定值。输入端电容C3用来减小输入电压中的波纹。输出端电容C4用来改善瞬态负载响应特性。因为要求输出电压为5V，所以选择7805集成稳压器。图11 7805集成稳压电路2.2.6 LED显示说明（1） 电路组成：LED动态显示电路如图12所示，其控制字接口与Atmega16芯片的PA0PA7管脚相接，其控制位接口与Atmega16芯

16、片的PC0PC3管脚相接。图12 LED动态显示电路（2） 电路工作原理：单片机应用系统中常使用LED作为显示器,在需多位LED显示时,为了简化电路,降低成本,常将所有门的选线并联在一起,由一个8位I/O口控制,而共阴(阳)I/O线受控制,实现各部分时选通。显示单元由4个8段数码管组成，为了减少整个系统的功耗，采用了由单片机软件译码，动态显示，实时显示每个断点到起点的距离以及整个运行过程的时间。在红外测距系统中，我们采用LED共阳型接法，LED动态显示测量仪器与障碍物之间的距离，当测量仪器移动时，随着距离的变化，LED显示值随之变化。LED显示首先应进行信号初始值标定，然后在运动过程中，LED

17、1闪烁，正常工作时数码管显示数值，LED4指示灯每闪烁一次测距完成2个周期。2.2.7 ATmega16单片机（1）ATmega16芯片介绍：ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CIS

18、C 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。（2）ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),用提供片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。 工作于空闲模式

19、时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。 本芯片是以Atmel

20、 高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash 允许程序存储器通过ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(ApplicationFlash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。 通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应了灵活而低成本的解决方案。3红外测距的软件设计3.1 系统

21、软件结构框图在整个系统运行过程中。当红外系统被启动后，首先，对ATmega16单片机进行初始化。然后，当ATmega16单片机接收到红外接收电路传输的电压信号后，经A/D转换程序，将片外的模拟信号转换为单片机可识别的数字信号，并经电压距离转换子程序，将变化的电压转换为距离。最后，在动态扫描LED显示器上显示出来。主程序流程图及按键流图如图13和图14所示。图13 主程序流程图图14 按键流图3.2 各程序设计函数说明3.2.1 主程序模块/*/ projection :/ Author Name :/ Last modify time: 2012-11-20 15:18:53/ Target

22、IC : M16/ Crystal : 8.0000Mhz/*/* 头文件引用 */#include #include /* 定义引申变量类型* */#define uchar unsigned char#define uint unsigned int /* 系统常量定义 */./* 定义结构体 */./* 定义全局变量 */* 定义函数*/.void main() port_init s( )；uart0_init( )；LEDSCAN( )；ad_handler( )；ADMUX=0x00； /选择第0通道 ADCSR=0x86； /采用单次转换模式，64分频 ADCSR |=BIT(A

23、DSC)； /启动一次哑转换SREG=0x80； /开中断ADCSR |=BIT(ADSC)； /启动一次转换keyint()；DDRB&=BIT(PB0)； /设置键盘输入，无上拉DDRB&=BIT(PB1)；DDRB&=BIT(PB2)；GIMSK=0x40； /开外部中断0MCUCR=0x30； /设置上升中断触发SREG=0x80； /开中断while(1) /等待中断KEYPRESSED ( )；WDR( )；3.2.2 设定输入/ 输出引脚ATmega16单片机C口的8个端口作为数据输出使用,同时将A口的PA0引脚设定为模拟电压输入。系统初始指令如下所示:/* 端口初始化 */Vo

24、id port_init(void) /端口A DDRA = 0x07； PORTA = 0xFF； /端口B DDRB= 0xF7； PORTB = 0xFF； /端口C DDRC= 0x00； PORTC = 0xFF； /端口D DDRD= 0x07； PORTD= 0xFF； 3.2.3 A/ D 转换模块ATmega16 单片机采用中断方式，ADC按自由模式工作，自第一次置位ADSC开始，ADC就连续不断进行采样转换，数据更新。A/ D 转换的程序如下:/* 定时器/计数器初始化 */void timer2_init(void)TCCR2 = 0x00； /停止ASSR = 0x00

25、； /设置异步模式OCR2 = 0x7D；TCCR2 = 0x04； /开始/* 启动A/D转换*/#pragma interrupt_handler timer2_ovf_isr:5void timer2_ovf_isr(void)TCNT2 = 0x83； /加载计数值delay_counter +； /用于毫秒级延时pwm_ctrler( &l_trap, &r_trap )；/*模拟转换完成中断*/#pragma interrupt_handler ad_handler:15void ad_handler(void) addata=ADC2；PIRTB=addata；ADCSR |=B

26、IT(ADSC)； /启动下一次转换3.2.4 LED动态扫描显示模块ATmega16单片机的PA4PA7为位控口，PC口为段控口输出，LED动态扫描显示子程序如下所示/* LED 动态扫描显示 */ Void LEDSCAN(*disdata) PORTA|=0X10； /显示第一位数据 PORTC= disdata0； Delay(10)； /延时1msPORTA&=0X10； /关闭第一位数据PORTA|=0X20； /显示第二位数据 PORTC= disdata1； Delay(10)； /延时1msPORTA&=0X20； /关闭第二位数据PORTA|=0X40； /显示第三位数据

27、PORTC= disdata2； Delay(10)； /延时1msPORTA&=0X40； /关闭第三位数据PORTA|=0X80； /显示第四位数据 PORTC= disdata3； Delay(10)； /延时1msPORTA&=0X80； /关闭第四位数据3.2.5 UART 操作的基本函数UART初始化及收/发操作程序如下所示：/* 串口 初始化 */UART0 initialisation/ desired baud rate: 9600/ actual: baud rate:9615 (0.2%)/ char size: 8 bit/ parity: Disabledvoid u

28、art0_init(void)UCSRB = 0x00； /设定波特率UCSRA = 0x00；UCSRC = 0x86；UBRRL = 0x00； /设定波特率低位UBRRH = 0x00； /设定波特率高位UCSRB = 0x98；/* 串口 发送程序 */void USART_Transmit(uchar x) while(!(USR&0x20) ； /等待数据寄存器空 UDR=x； /* 串口 接收程序 */#pragma interrupt_handler uart0_rx_isr:12void uart0_rx_isr(void)uchar command,dataLen；ucha

29、r i；CLI()；command = UDR；if ( command= 0x01 )while( !( UCSRA & BIT( RXC ) ) )；dataLen = UDR；for( i = 0； i dataLen；i + )while( !( UCSRA & BIT( RXC ) ) )；rbufi = UDR； SEI( )；3.2.6 键盘处理模块 将每个按键的一端接地，另一端除了连接到PB0、PB1、PB2端口外，还连接到了一个与非门上。当3个按键中任何一个按键按下时，与非门的输出都为高电平，从而使单片机产生中断。/* 键盘接口程序 */void delay(uchar x)

30、 / 延时子程序 uchar j； while(x-)!=0) for(j=0;j125;j+)； uchar KEYPRESSED(void) /判断是有按键按下，有键按下返回1，否则返回0uchar key；key=PINB；key=key |0xf0；if(key=0xFF) return 0；else return 1；/键盘扫描子程序uchar key=0；delay(10)； /延时消抖if(KEYPRESSED()= =1) /如有键按下，查询键值 key=PINB； key=key |=0xf0； if(key= =0xf4) key=1；else if(key= =0xf2)

31、 key=2；else if(key= =0xf1) key=3；else key=0；dowhile(KEYPRESSED( )= =1)； /等待键释放delay(10)； /延时消抖return key； /返回键值，如为干扰，返回20#pragma interrupt_handler keyin ：2 /中断服务程序void keyint(void) uchar keycode； if(KEYPRESSED(void)=1 keycode=KEYSCAN(void)； switch(keycode) case 1: . case 2 . 4误差分析红外测距的主要误差在距离上，因为光速c

32、=108 m/s，所以根据距离越长红外的光强会逐渐削减，我们测的距离只能适用与短距离测量，测量精度由发射器的频率决定，最大测量距离也由它决定。由第一部分分析，测量最大距离和精度都和发射器调制频率成反比，选用器材应选用发射器调制频率适当大的发射器。其他误差，比如其他红外干扰，透明穿透物体，吸收光的物体等等都会引起误差。5结论该设计从分析，和实物设计从理论上误差精确到了cm级，在适用距离上和精确度上比超声测距有一定的优势。但仍有不足地方需要改进，如何消除其他红外干扰，如何对可穿透物体的测量减小误差，测到近似准确的距离等等。克服了由一种传感器所构成测距系统的不足，并测量距离更准确的估计。实际应用中，

33、能使小汽车能更好的躲避障碍物。参考文献1宜禾、岳敏，红外系统，1985年，5-72K 斯达尔、G 缪斯卡，红外技术，1979年3袁希光编著传感器技术手册M. 国防工业出版社 19894王建华、逢玉台，MAX7219原理及其应用J.电子技术，2003，36-395佟云峰，时钟芯片DS12887在单片机系统中的应用J.昆明冶金高等专科学校学报，2001，46-476Kim EJ, Yanagida Y, Haruyama T, etal.Immunosensing.system for a-fetoprotein coupled with a disposable amperometric glu

34、cose oxidase sensor & actuators B, 20017孙涵芳，Intel16位单片机M.北京：北京航空航天大学出版社，2004，134-1408迈克.普瑞德科编著机器人控制器与程序设计M.科学出版社2004谢辞经过几个月的查资料、整理材料、写作论文，今天终于可以顺利的完成论文的最后的谢辞了，想了很久，要写下这一段谢词。论文得以完成，要感谢的人实在太多了，首先要感谢祁博宇老师，因为论文是在祁老师的悉心指导下完成的。祁老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。本论文从

35、选题到完成，每一步都是在祁老师的指导下完成的，倾注了祁老师大量的心血。 祁老师指引我的论文的写作的方向和架构，并对本论文初稿进行逐字批阅，指正出其中误谬之处，使我有了思考的方向，她的循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，她的严谨细致、一丝不苟的作风，将一直是我工作、学习中的榜样。在此，谨向祁老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！谢谢祁老师在我撰写论文的过程中给与我的极大地帮助。 同时，论文的顺利完成，离不开其它各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在整个的论文写作中，各位老师、同学和朋友积极的帮助我查资料和提供有利于论文写作的建议和意见，在他们的帮助下，论文得以不断的完善，最终帮助我完整的写完

36、了整个论文。 另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。Infrared Ranging System Based on SCM Electronic Information Engineering, Nanjing University of Information Science &Technology, Nanjing 210044ABSTRACTIn the design, the system takes AVR single chip as the core, based on the design of a A

37、Tmega16 chip infrared distance measuring module. First of all, the infrared ranging principle basic structure in detail. Secondly, it introduced the infrared ranging hardware design and software design. In the hardware design, it describes the infrared distance on the realization, gives the infrared

38、 ranging hardware circuit diagram, and the infrared transmitting drive circuit, an infrared receiving circuit, alarm circuit, keyboard, power supply circuit, LED display circuit work principle and the ATmega16 microcontroller pin allocation. In software design, it illustrates the whole process and each program design function and error analysis. Finally, the conclusion is on the whole design.Key word: Infrared; AVR; ATmega16