基于單片機的紅外測距系統設計

李紫薇

摘要：隨著電子科技的不斷發展，出現了許多新型領域，其中測距方面出現了激光測距、超聲波測距、微波雷達測距、及紅外光測距。為了實現物體近距離、高精度的無線測量而采用了紅外發射接收模塊作為距離傳感器，單片機作為處理器，編寫A/D轉換和顯示程序，完成了一套便攜式的紅外距離測量系統，其結構簡單可靠、體積小、測量精度高、方便使用，紅外系統可以高精度的實時顯示所測的距離。紅外測距的探測距離較短，一般在幾十厘米之內，本文介紹的一種基于AT89C52單片機設計的紅外測距儀，可以測量距離。

關鍵詞：單片機；A/D轉換；紅外線；紅外測距

1.1 紅外線

紅外線是波長在750nm-1mm之間的電磁波，它的頻率高于微波低于可見光，是一種人眼看不到的光線。。所有高于絕對零度（-273.15℃）的物質都可以產生紅外線。現代物理學稱之為熱射線。紅外線包括三部分，遠紅外線其波長范圍為25-500um、中紅外線其波長范圍為2.5-25um、近紅外線其波長范圍為0.7-2.5um。由于紅外線的發熱效應以及透射能力比可見光強的特點，其在通訊、醫療、探測、軍事等方面發揮著很大的作用。

1.2 紅外測距

紅外線可以用來進行距離的測量，目前為止測量距離的方法有很多。其中激光測距是靠激光束照射在物體上反射回來的激光束探測物體的距離，由于受天氣、污染等因素影響，使反射的激光束在一定功率上探測距離比可能探測的最大距離減少一半左右，損失很大，影響探測的精確度。微波雷達測距技術是為軍事和某些工業開發采用的裝備和振蕩器等電路部分價格昂貴，現在還沒有開拓民用市場。超聲波測距在國內外已有很多人做過研究，由于采用特殊專用組件使其價格高，難以推廣。紅外線作為一種特殊光波，具有光波的基本物理傳輸特性—反射、折射、散射等，由于簡單、成本不高、性能優良，便于民用推廣。此外紅外測距的應用越來越普遍在很多領域都可以用到紅外測距儀。紅外測距一般具有精確度和分辨率高、抗干擾能力強、體積小、重量輕等優點，因而應用領域廣、行業需求眾多，市場需求空間大因此紅外測距的研究就很有意義。紅外線測距儀指的就是紅外線測距儀，紅外測距儀用調制的紅外光進行精密測距的儀器，測程一般為1-5公里。在100米以內超聲波測距更有優勢，但是超聲波測距的距離一般無法測量1米以內，而紅外測距則可以測出這一段距離，而且有著不錯的精度。

紅外傳感器的測距基本原理為：紅外發射電路的紅外發光管發出紅外光，紅外接收電路的光敏接收管接收發射光，根據發射光的強弱判斷出所測的距離。由于接收管接收的光強度是隨著發光管與測量物的距離變化而變化的，因而，與測量物的距離近則接收光強，距離遠則接收光弱。

2 A/D轉換

A/D轉換原理是將時間連續的模擬量轉換為離散的量化數值，整個過程包括采樣、量化、編碼三個步驟。采樣過程將時間連續的信號變成時間不連續的模擬信號，該過程是通過模擬開關來實現的，每隔一段時間模擬開關打開一次，一個連續的模擬信號通過這個開關后就形成一系列的脈沖信號稱為采樣信號。量化過程是將模擬過程信號變成數字信號的過程，在該過程會造成誤差，增加采樣頻率和幅值的表示位數可以減小誤差。編碼是將量化過程得到的量化值進行二進制編碼。通過上面三個步驟就可將一個模擬量轉換成被單片機識別的數字量。

2.1 A/D芯片的幾個重要指標：

（1）分辨率：一般用轉換后數據的位數標識

（2）量化誤差：是將模擬量轉換為數字量過程中造成的誤差，理論上為單位數字量的一半，提高分辨率可以減少量化誤差

（3）轉換時間：指從啟動轉換到完成一次A/D轉換所需的時間

（4）轉換量程：指芯片能夠轉換的電壓范圍

3 AT89C52單片機

單片機包括中央處理器CPU、數據存儲器RAM、程序內存ROM、定時/計數器、中斷系統、時鐘部件的集成和I/O接口等電路。由于單片機具有體積小、價格低、可靠性高、開發應用方便、功能較齊全等特點，因此在現代電子技術和工業領域中應用較為廣泛。

AT89C52是低電壓、高性能的8位CMOS單片機，其主要工作特性是：

（1）片內程序存儲器內含8KB的Flash程序存儲器，可擦寫壽命為1000次；

（2）片內數據存儲器內含256字節的RAM；

（3）具有32根可編程I/O口線；

（4）具有3個可編程定時器；

（5）中斷系統是具有8個中斷源、6個中斷矢量、2個級優先權的中斷結構；

（6）串行口是具有一個全雙工的可編程串行通信口；

（7）具有一個數據指針DPTR；

（8）低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式；

（9）具有可編程的3級程序鎖定位；

3.1 AT89C52時鐘信號

AT89C52單片機的時鐘信號通常是由兩種方式產生：一是內部時鐘方式，二是外部時鐘方式。AT89C52單片機內部有一振蕩電路，只要在單片機的XTAL1和XTAL2引腳外接晶振，就構成了自激振蕩器并在單片機內部產生時鐘脈沖信號。電容的作用是穩定頻率和快速起振。當在AT89C21單片機的RST引腳接入高電平并保持2個機器周期的時候，單片機內部就執行復位操作（若該引腳持續保持高電平，單片機就會處于循環復位狀態）。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。最簡單的上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現的，只要VCC的上升時間不超過1ms，就可實現自動上電復位。時鐘頻率用6MHZ時C取22uF，R取1KΩ。除了上電復位外，有時候還需要按鍵手動復位，本設計就是用的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過RST端經過電阻與電源VCC接通來實現的。

4 紅外測距系統

整個紅外測距系統由AT89C52芯片、紅外距離傳感器、復位電路、時鐘電路、A/D轉換電路與LCD顯示器構成。當紅外系統被啟動后，首先對AT89C52單片機進行初始化。然后，當AT89C52單片機接收到紅外接收電路傳輸的電壓信號后，經A/D轉換程序，將片外的模擬信號轉換為單片機可識別的數字信號，并經電壓—距離轉換子程序，將變化的電壓轉換為距離。最后在動態掃描LCD顯示器上顯示出來。

在硬件實施中，我們采用LCD顯示屏動態顯示變化中的距離， LCD顯示器與AT89C52芯片的P0口與P2.0-2.2接口相接，在紅外接收模塊運動過程，AT89C52芯片內部會將電壓模擬量通過A/D轉換將其轉化為可顯示的數字量，然后通過LCD顯示器顯示出。鍵盤與AT89C52芯片的P3.4、P3.5、P3.6、P3.7引腳相接，通過鍵盤接口可以實現距離的測量與面積的計算。

由于紅外接收管相當于一個光敏二極管，系統受外界光線的干擾很大因此會產生誤差。自然界的所有物體只要溫度高于絕對零度都會輻射紅外線，如果陽光或者其他較強的光線照射在接收器上，有可能會使內部器件處于飽和狀態，也會導致傳感器發生錯報情況，另外，日光燈也會產生紅外噪聲信號。因此，所設計的系統在不同的條件下所測量的結果會有所差別。

總結：隨著電子科技的不斷發展，新技術的不斷出現使得人們對技術要求越來越高，紅外線測距雖然由于熱量等原因會產生誤差，但由于其構造簡單、成本較低、操作容易等優點使其在日常生活中得到了廣泛的應用。

參考文獻：

[1]何橋、段清明、邱春玲 單片機原理及應用 中國鐵道出版社 2004

[2]程國剛 51單片機應用開發案例手冊 電子工業出版社 2011