一種便攜式的紅外測距系統

韋 偉，周凌翱，劉 青

（南京鐘山職業技術學院 江蘇 南京 210049）

紅外測距[1]是一種非直接接觸的測量方式，由于其結構簡單、抗干擾性強、成本低等優點，在測量測繪上得到廣泛的運用。該系統由紅外發射接收傳感器、A/D轉換電路、信號采集處理、數據顯示電路等組成，體積小，操作簡單，非常適合于近距離的測量應用。本系統形成了一套完整的硬件系統和軟件開發平臺，便于功能的改造，擴展及其他應用研究。

1 紅外測距原理

本控制系統的MCU采用STC公司的STC89LE516RD，它是MCS－51系列的派生產品，在指令系統、硬件結構和片內資源上與標準8052單片機完全兼容，最高時鐘頻率90 MHz，低功耗，可支持（ISP IAP）編程。 紅外測距采用GP2Y0A02YK芯片，它采用光學三角測量的方法，測量精度受反射物體的顏色和光線的影響比較小。內部集成了紅外接收發射兩個模塊，感應距離為 20 cm 至 150 cm，寬范圍供電（0～7 V），不需要多余的外部接口電路，也不需要額外的處理電路，簡化了底層控制器的外圍電路，使用方便。感應距離與輸出電壓的關系如圖1所示[2]。

由于在20～150 cm范圍內測量距離與輸出電壓成曲線變化，測量輸出電壓將其進行A/D轉換，對轉換后的數字量信息進行歸算得到測量的距離，在將其結果用數碼管或者上傳到PC機進行實時顯示。結構圖如圖2所示。

圖1 測量距離與輸出電壓關系圖Fig.1 Measuring distance and output voltage curve

2 AD轉換模塊設計

圖2 系統結構圖Fig.2 System structure

AD/DA采用PHILIP的PCF8591芯片，精度為8 bit。有4路A/D轉換輸入，一路D/A轉換輸出，既可以作A/D也可以作D/A轉換。A/D轉換為逐次比較型，采用典型的I2C總線接口器件尋址方法，即總線地址由器件地址、引腳地址和方向位組成。通過控制字寄存器對4路模擬量的輸入方式進行編程，實現A/D轉換功能[3]。原理圖如圖3所示。ADC的轉換公式為：VOUT=（VADJ－VAGND）·256/（VREF－VAGND）。

圖3 AD/DA原理圖Fig.3 AD/DA schematic

24LC02作為EEPROM，輸出信號采用I2C方式與STC89LE516 MCU通信，SDA和SCL分別由是啟動和關閉I2C的控制信號[4]。當I2C總線空閑時，SDA和SCL都處于高電平狀態。當SCL保持高電平時，一個SDA下降沿表示初始化一個起始條件。當SCL保持高電平時，SDA的一個上升沿表示初始化一個停止條件。起始和停止條件都是由MCU發起的。傳輸數據開始前，MCU控制24LC02的SDA和SCL發送起始位，傳輸數據結束時，控制SDA和SCL發送停止位。輸出到SDA線上的每個字節必須是8位，每次傳輸的字節數則不受限制，起始條件后緊跟著地址字節，每個字節必須有一個確認位（ACK），如果 MCU在完成其他功能之前不能傳輸另一數據的完整字節，24LC02會保持時鐘線SCL為低，使其進入等待狀態，當MCU準備好接收并釋放SCL信號后，數據傳輸繼續進行[5]。

3MCU設計程序算法

1）PCF8591 AD 轉換程序

電路上PCF8591的第0通道采集的是GP2Y0A02YK芯片的模擬量。采用KEIL軟件環境編寫AD轉換及傳輸程序。在主函數中編寫讀PCF8591第0通道數據的函數如下：

當模擬量信號為3.3 V時，Val返回255，當模擬量信號為0 V時，Val返回0，呈線性的關系，計算得到每伏電壓的數值為 77.27。

2）數據歸算問題

圖1所示測量距離與輸出電壓關系并不是線性的關系，在20～150 cm范圍內測量距離與輸出電壓近似成二次曲線的關系。用MATLAB編寫程序，輸入坐標值求解關系式，將圖一擬合成如下函數關系式：y=35x2－160x+191（其中x為紅外輸出電壓，y為測量距離值），最后將其歸算成距離量。

num=ReadADC（0）；//采集第 0 通道的模擬量

x=（num）/77.27；//將 AD 轉換的數換算成電壓值，以便代入函數。

y=35*x*x－160*x+191.25 ；//歸算成距離量（單位為 cm）。

3）測量結果顯示

本系統設有3個SEG共陽的數碼管，如圖4所示，它可以用來顯示紅外傳感器測量的距離量[6]。

圖4 SEG顯示原理圖Fig.4 SEG display schematic

STC89LE516RD的P0口控制3個SEG顯示的數值，由于P0口在某一特定的時刻只有一個特定的值，所以如果讓P0口控制3個不同的SEG，就需要經過數據鎖存器，對數據先進行鎖存再送入SEG。鎖存器選用74HC574，OE一直為有效，3個 CP 分別用 MCU 的 P2.5 P2.6 P2.7控制， 當 CP 上升沿時鎖存數據。經0到9這十個數據按照SEG共陽的接法寫成一個有10個成員一維的數組，成員從0到9依次對應于SEG顯示的0到9。這樣的寫法易于SEG顯示程序的編寫。

4 軟件編程

本系統與上位機采用串口通訊[7]的方式，在VC下編程實現紅外距離數據的接收。除了紅外測距，本開發系統還具有實時報警，繼電器開關控制，直流/步進電機正反轉等其他模塊。在對STC89LE516RD編程時，對各個硬件模塊進行了地址上的分配以及命令格式上的定義。如蜂鳴器開為AA01其中AA為通訊測試編碼，01為接收距離數據，AA02為關閉接收數據，AA03為繼電器吸合，AA04為繼電器釋放，AA05為直流電機運行，AA06為直流電機停止等。這里定義寫入到MCU后，上位機只需將這些命令通過串口發出即可實現對硬件系統的控制。Microsoft公司在WINDOWS中提供了一個串口 通 訊 ActiveX控 件 Communication Control（MSComm），MSComm間接調用Windows API，然后再傳遞給驅動設備進行處理[8]。將控件加在單文檔對話框上再用ClassWizard生成相應的對象，就可以使用其函數如：SetCommPort（指定使用的串口），GetCommPort（得到當前使用的串口），SetPortOpen（打開或關閉串口），GetPortOpen（取得串口狀態），GetInPut（讀取輸入緩沖區），GetOutBufferCount（輸出緩沖區中待發送的字符數），SetOutPut（寫入輸出緩沖區）。設置好MSComm的屬性，將以上命令編碼通過SetOutPut等函數發出即可。采用MSComm編程控制該系統的界面如圖5所示。

圖5 紅外測距系統上位機界面Fig.5 PC interface of system

圖6 測距系統實物圖Fig.6 Material object of system

5 結束語

本便攜式測距系統完成了一整套軟件硬件的系統設計，具有成本低、實用性高、功率小、反映速度快、抗干擾能力強、易于小型化等特點，非常適用于短距離測量、移動機器人避障及紅外感應控制等諸多領域。為了避免盲區和提高測量精度，還可以采用多個紅外發送接收模塊同時工作，得到更準確的數據。

[1]陳昱，楊濟民.電腦鼠電路的改進及搜索算法研究 [J].現代電子技術,2011(10):68-70.CHEN Yu，YANG Ji-min.Improvement and search algorithm of micromouse circuit[J].Modern Electronics Technique，2011(10):68-70.

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[6]宋軼群，杜華生.基于PIC16F877的紅外測距系統[J].儀表技術，2004（5）:48-49.SONG Yi-qun，DU Hua-sheng.Range-measurement infrared system based on PIC16F877[J].Instrumentation Technology，2004（5）:48-49.

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