红外测距专业系统设计光电专业系统设计.doc
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1、本科生课程论文论文题目红外光电测距系统设计课程名称光电系统设计学生姓名谷幸东、郭晓龙、何志毅、胡健辉学号、10、11、12所在学院理学院所在班级电科1123班指导老师汤照目 录第一章 绪论11.1 红外线概述11.2 红外传感器分类11.3 红外传感器应用21.4 AT89C52单片机概述31.5 MCP3001介绍6第二章 红外测距工作原理和基础结构82.1 红外测距传感器介绍82.2 红外线测距工作原理82.4红外测距传感器接线102.5 红外测距系统基础结构10第三章 红外测距硬件设计113.1 红外测距实现构想113.2 系统硬件结构电路图123.3 各硬件电路设计123.3.1 复位
2、电路123.3.2 时钟电路133.3.3 A/D转换电路143.3.4 LCD显示电路14第四章 红外测距软件设计154.1 系统软件结构框图154.2 软件程序设计164.3 源代码16第五章 仿真测试215.1系统软件调试仿真21第六章 PCB图及元器件清单236.1 PCB图236.2 元器件清单23第七章 课程设计任务分工及个人心得体会247.1任务分工247.2 设计心得体会24第一章 绪论1.1 红外线概述 红外辐射俗称红外线,又称红外光,它是一个人眼看不见光线。但实际上它和其它任何光线一样,也是一个客观存在物质。任何物体,只要它湿度高于绝对零度,就有红外线向周围空间辐射。它波长
3、介于可见光和微波之间。红外辐射物理本质是热辐射。物体温度越高,辐射出来红外线越多,红外辐射能量就越强。研究发觉,太阳光谱多种单色光热效应从紫色光到红色光是逐步增大,而且最大热效应出现在红外辐射频率范围内,所以大家又将红外辐射称为热辐射或热射线。现在红外发射器件(红外发光二极管)发出是峰值波长0.88uM0.94uM之间近红外光,红外接收器件(光敏二极管、光敏三极管)受光峰值波长为0.88uM0.94uM之间,恰好和红外发光二极管光峰值波长相匹配。红外线在经过云雾等充满悬浮离子物质时不易发生散射,有较强穿透能力,还含有抗干扰能力强、易于产生、对环境影响小、不会干扰临近无线电设备特点,所以被广泛应
4、用。1.2 红外传感器分类 常见红外传感器可分为热传感器和光子传感器。1)热传感器热传感器是利用入射红外辐射引发传感器温度改变,进而使相关物理参数发生对应改变,经过测量相关物理参数改变来确定红外传感器所吸收红外辐射。热探测器关键优点是对应波段宽,能够在室温下工作,使用简单。不过,热传感器对应时间较长,灵敏度较低,通常见于低频调制场所。热传感器关键类型有:热敏传感器型,热电偶型,高莱气动型和热释放电型四种。2)光子传感器光子传感器是利用一些半导体材料在入射光照射下,产生光子效应,使材料电学性质发生改变。经过测量电学性质改变,能够知道红外辐射强弱。利用光子效应所制成红外传感器。统称光子传感器。光子
5、传感器关键特点灵敏度高,响应速度快,含有较高响应频率。但其通常须在低温下工作,探测波段较窄。根据光子传感器工作原理,通常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。1.3 红外传感器应用红外技术是最近几十年中发展起来一门新兴技术。它已在科技、国防和工农业生产等领域取得广泛应用。红外传感器应用关键表现在以下多个方面:红外辐射计:用于辐射和光谱辐射测量。1) 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。2) 热成像系统:能形成整个目标红外辐射分布图像。3) 红外测距系统:实现物体间距离测量。4) 通讯系统:红外线通信作为
6、无线通信一个方法。5) 混合系统:是指以上各类系统中两个或多个组合。1.4 AT89C52单片机概述 AT89C52是美国Atmel企业生产低电压、高性能CMOS 8位单片机,片内含8KB可反复檫写程序存放器和12B随机存取数据存放器(RAM),器件采取Atmel企业高密度、非易失性存放技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内配置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存放单元,功效强大AT89C52单片机可灵活应用于多种控制领域。AT89C52单片机属于AT89C51单片机增强型,和Intel企业80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。其关键工作特征是:l 片内程序
7、存放器内含8KBFlash程序存放器,可擦写寿命为1000次;l 片内数据存放器内含256字节RAM;l 含有32根可编程I/O口线;l 含有3个可编程定时器;l 中止系统是含有8个中止源、6个中止矢量、2个级优先权中止结构;l 串行口是含有一个全双工可编程串行通信口;l 含有一个数据指针DPTR;l 低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式;l 含有可编程3级程序锁定位;l AT89C52工作电源电压为5(1+0.2)V,且经典值为5V;l AT89C52最高工作频率为24MHzAT89C52各引脚功效: P0口:P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口, 也即地址/数据总线复用口。作为输出口
8、用时,每位能吸收电流方法驱动8 个TTL逻辑门电路,对端口P0 写“1”时,可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存放器或程序存放器时,这组口线分时转换地址(低8 位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 编程时,P0 口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。P1口:P1是一个带内部上拉电阻8 位双向I/O 口, P1输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,经过内部上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。和AT89C51不一
9、样之处是,P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX),Flash 编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。 P2口:P2是一个带有内部上拉电阻8 位双向I/O口,P2输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”,经过内部上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存放器或16 位地址外部数据存放器(比如实施MOVX DPTR 指令)时,P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址外部数据存放器
10、(如实施MOVX RI 指令)时,P2 口输出P2 锁存器内容。Flash 编程或校验时,P2亦接收高位地址和部分控制信号。 P3 口:P3 口是一组带有内部上拉电阻8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时,被外部拉低P3 口将用上拉电阻输出电流(IIL)。P3 口除了作为通常I/O 口线外,更关键用途是它第二功效,P3 口还接收部分用于Flash 闪速存放器编程和程序校验控制信号。RST:复位输入。当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/P
11、ROG: 当访问外部程序存放器或数据存放器时,ALE(地址锁存许可)输出脉冲用于锁存地址低8 位字节。通常情况下,ALE 仍以时钟振荡频率1/6 输出固定脉冲信号,所以它可对外输出时钟或用于定时目标。要注意是:每当访问外部数据存放器时将跳过一个ALE 脉冲。对Flash 存放器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。如有必需,可经过对特殊功效寄存器(SFR)区中8EH 单元D0 位置位,可严禁ALE 操作。该位置位后,只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。另外,该引脚会被微弱拉高,单片机实施外部程序时,应设置ALE 严禁位无效。PSEN:程序储存许可(PSEN)输出是外部
12、程序存放器读选通信号,当AT89C52 由外部程序存放器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN 有效,即输出两个脉冲。在此期间,当访问外部数据存放器,将跳过两次PSEN信号。EA/VPP:外部访问许可。欲使CPU 仅访问外部程序存放器(地址为0000HFFFFH),EA 端必需保持低电平(接地)。需注意是:假如加密位LB1 被编程,复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平(接Vcc端),CPU 则实施内部程序存放器中指令。Flash 存放器编程时,该引脚加上+12V 编程许可电源Vpp,当然这必需是该器件是使用12V 编程电压Vpp。XTAL1:振荡器反相放大器及内部时钟发生器输入端
13、。XTAL2:振荡器反相放大器输出端。1.5 MCP3001介绍MiclodipMCP3001是款含有片上采样和保持电路10位逐次迫近型A/D转换器(ADC),该器件提供个伪差分输入通道。指定差分非线性和积分非线性最大值为1LSB:它使用符合SPl协议简单串行接口和器件通信。当初钟速率为28MHz时,该器件采样速率最大可为200ksps。McP3001器件匚作电压范围很宽,为2.7V-5.5V.低电流设计许可器件在经典待机电流仅为5nA和经典工作电流为400uA条件下工作。该器件以8引脚PDIP、MSOP、TSSOP和150mil SOC封装形式提供。MCP3001特征:l 10位分辨率l 1
14、 LSB DNL(最大值)l 1 LSB INL(最大值)l 片上采样和保持电路l SPI串行接口(模式0.0和1.1)l 单电源供电电压范围:2.7V5.5Vl 5V时采样速度为200kspsl 低功耗CMOS技术l 8引脚PDIP、SOIC、MSOP和TSSOP封装应用封装类型:功效框图:第二章 红外测距工作原理和基础结构 2.1 红外测距传感器介绍红外测距传感是用红外线为介质测量系统,根据功效可分成五类:(1)辐射计,用于辐射和光谱测量;(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它运动进行跟踪;(3)热成像系统,可产生整个目标红外辐射分布图像;(4)红外测距和通信系
15、统;(5)混合系统,是指以上各类系统中两个或多个组合。 按探测机理可分成为光子探测器和热探测器。红外传感技术已经在现代科技、国防和工农业等领域取得了广泛应用。2.2 红外线测距工作原理红外测距传感器利用红外信号碰到障碍物距离不一样反射强度也不一样原理,进行障碍物远近检测。红外测距传感器含有一对红外信号发射和接收二极管,发射管发射特定频率红外信号,接收管接收这种频率红外信号,当红外检测方向碰到障碍物时,红外信号反射回来被接收管接收,经过处理以后,经过数字传感器接口返回到单片机。利用是红外线传输时不扩散原理 ,因为红外线在穿越其它物质时折射率很小 ,所以长距离测距仪全部会考虑红外线 ,而红外线传输
16、是需要时间 ,当红外线从测距仪发出碰到反射物被反射回来被接收到 ,再依据红外线从发出到被接收到时间及红外线传输速度就能够算出距离, 红外线工作原理:利用高频调制红外线在待测距离上往返产生相位移推算出光束度越时间t,从而依据DCt/2得到距离D。红外传感器测距基础原理为发光管发出红外光,光敏接收管接收前方物体反射光,据此判定前方是否有障碍物。依据发射光强弱能够判定物体距离,它原理是接收管接收光强随反射物体距离而改变,距离近则反射光强,距离远则反射光弱。现在,使用较多一个传感器-红外光电开关,它发射频率通常为38 kHz左右,探测距离通常比较短,通常被用作近距离障碍目标识别。本系统采取即为此种传感
17、器。2.3 红外线测距特点1) 远距离测量,在无反光板和反射率低情况下能测量较远距离;2) 有同时输入端,可多个传感器同时测量;3) 测量范围广,响应时间短;4) 外形设计紧凑,易于安装,便于操作;2.4红外测距传感器接线本模块选择是由日本夏普企业研发型号为GP2Y0A21红外传感器。引脚图图所表示。此红外传感器一共有三个引脚,其中VCC(电源电压)为信号接入,接入电源电压为4.5-5.5V,单片机5V工作电压即可;GND为接地引脚,连接地线即可;Vout为模拟电压输出引脚,此引脚输出模拟电压值为0.4-2.4V,相对应距离范围是80-10。此引脚需要接入单片机处理模块中多路A/D转换通道上任
18、意一路上。依据红外传感器电压和相对应距离测量值可知,夏普GP2Y0A21系列红外传感器输出曲线是非线性,且每个型号红外传感器输出曲线全部不相同。所以对所使用红外传感器矫正是必需要做,创建出一张实测输出曲线图,方便在实际测量过程中取得真实正确测量数据。2.5 红外测距系统基础结构红外测距系统关键有红外测距传感器模块(包含红外发射端和红外接收端两部分)、单片机处理模块、LCD显示模块三大部分组成。图所表示。单片机红外模块A/D模块电压距离公式 显示模块第三章 红外测距硬件设计 3.1 红外测距实现构想为了实现红外测距,在硬件设计中,我们使用红外测距传感器,它含有一对红外信号发射和接收二极管,发射管
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