基于紅外技術測距儀的設計與實現

張亦勛

（廣州城市理工學院，廣東廣州，510800）

0 引言

紅外測距首次出現在1960年代，出現時被人們認為是一種以紅外線為主體的測量方法。研究紅外距離具有非凡的意義，其本身具有其他測距模式沒有的特點，技術難度相對較小，性能好，簡單，易于使用，系統成本低，在各行各業都扮演著不可或缺的角色，因此其市場需求更大，更廣泛的發展空間。

紅外測距儀最大的優勢是短距離測量的精準性。使用調制紅外光測量范圍通常是1～5公里，在100米范圍內的超聲波測距有優勢，但超聲波測距不能檢測區域內1米距離，而紅外測距儀可以精確到1米以內的距離。本研究設計與實現的是一個10～50cm精準測量的紅外測距儀。

1 紅外測距原理

■1.1 時間差法測距原理

■1.2 反射能量法測量原理

■1.3 相位法測距原理

■1.4 三角法測距原理

三角測量法的原理是由紅外發射管和一個PSD實現（傳感裝置位置的位置傳感裝置）和相應的計算電路來實現。而夏普公司的PSD有更優越的性能，它可以檢測微小位移的光落在它的上面，解決微米以上的測量，紅外傳感器GP2Y0A21使用此功能實現精確測量距離的目標對象，如圖1所示。

圖1 三角法測距原理

首先通過紅外發射管紅外傳感器，紅外距離遇到障礙下降反映了PSD上形成了一個等腰三角形。和其他兩個點是固定的，由管和紅外發射管PSD的距離是已知的，可以使用三角函數計算高這個數值就是想要測量的距離。

相比較其他的測距原理，三角測量法的精度更加高，利于實現，而且受外界因素的影響，以及自身的誤差率更低，因而本設計采用此原理來實現對待測物體距離的測量。

2 紅外測距儀硬件設計

■2.1 紅外測距系統基本結構圖

第一步紅外傳感器模塊GP2Y0A21YK0F發送紅外線；第二步到達物體后反射紅外線；第三步紅外傳感模塊接收反射后的紅外線；第四步傳感器模塊將信號發送給單片機處理模塊；第五步經過模數轉換將非線性的模擬信號轉換為線性的數字信號；第六步由單片機處理模塊發送數字信號到液晶顯示模塊；第七步最后結果表明在液晶顯示模塊LCD1602上，如圖2所示。

圖2 基本結構圖

■2.2 各硬件電路設計

本研究所設計的紅外測距儀主要包括了A/D轉換電路，1602顯示電路，電源輸入電路，上電復位電路，蜂鳴器、獨立按鍵電路，程序下載電路等硬件電路。

(1)A/D轉換電路。本研究選取ADC0832 轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部的電源輸入和參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入0～5V。芯片切換時間僅為32μs，具有雙輸出的數據可以作為檢查數據，為了減少誤差數據，轉換速度快、性能穩定。獨立的芯片使能輸入，設備的懸掛和處理器的控制變得更加方便。通過數據輸入，可以很容易地實現信道的功能選擇。

(2)1602顯示電路。單片機P0-P7口分別接D1～D7，同時接上排阻，而在排阻另一端接上VCC，單片機的P34接EN，P35接RS，單片機通過P0口向1602顯示頻輸送數據，顯示測得的距離。

(3)電源輸入電路。電源電路是單片機能否正常工作的基礎，在本設計中由于傳感器需要所以電源需要保持在一個穩定的狀態，默認為5V的環境下。電源模塊對應的接線方法為：單片機的第40引腳（VCC）為電源引腳；第20引腳（GND）為接地線。

(4)上電復位電路。復位電路的設計好壞直接影響單片機系統的穩定性，因為在單片機的瞬時電源電壓是不穩定的，單片機不能立即投入工作，需要繼續保持一段時間的復位狀態，直到一個穩定的電源供應器開始工作。本設計中采用的是最簡單的上電復位方式，也就是說，在經過一段時間后的上電后，由于電容的作用后，單片機會過段時間再開始工作。

(5)蜂鳴器、獨立按鍵電路。單片機 P20～P24接獨立按鍵模塊，分別對應S2～S5，S4功能為減10cm，S3功能為加10cm，S2功能為切換上下限設置，S1功能為RESET。蜂鳴器，會放出蜂鳴一般的響聲，當距離達到所設置的閥值時，蜂鳴器響起，同時LED警示燈也會亮起，進行報警提示。

(6)程序下載電路。USB串口是計算機USB接口的通用串行接口之間的轉換。作為最廣泛使用的USB接口，每臺計算機都是一個必不可少的通信接口，它最大的特點是支持熱插拔，即插即用，快速傳輸速度。沒有串口的計算機提供一個快速通道，USB串口設備的使用是相當于傳統的串口設備的即插即用USB設備。在本設計中，程序下載是通過USB轉TTL的下載器來實現的，RXD接TXD，TXD接RXD。

■2.3 總電路原理圖

采用EDA技術匯總A/D轉換電路，1602顯示電路，電源輸入電路，上電復位電路，蜂鳴器、獨立按鍵電路，程序下載電路，可得本設計總電路原理圖，見圖3。

圖3 總電路原理圖

3 紅外測距儀軟件設計

整個系統運行的過程中，紅外系統啟動時，首先將AT89C52單片機初始化。當AT89C52單片機接收紅外接收電路傳輸電壓信號，經過A / D轉換程序，將單片機之外的模擬信號轉換成單片機可識別的數字信號，并根據距離和電壓轉換子程序，將電壓的轉換為距離。最后，在實時動態顯示在液晶顯示器上。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

本研究中的紅外測距的軟件設計主要由主程序、延時函數、顯示程序函數、測距計算函數組成。程序開始，主程序第一步先將1602顯示屏進行初始化，然后開始測量。

調用子函數，經過A/D轉換函數得出的電壓值，再次調用距離計算函數，得出距離值。這個時候的主函數將顯示測量計算得出的距離值，然后結束程序。

該程序使用多個調用函數，讀取/數、距離的計算函數、算術平均濾波程序。收集和計算的價值；LCD忙標志判斷函數，寫數據子函數，寫命令子函數，顯示數據調整功能，字符串顯示功能，顯示子程序顯示功能；1602初始化函數，LCD屏則是清除屏幕功能。

4 紅外測距儀運行與測試

本研究設計的紅外測距儀成品，如圖5所示。

圖5 紅外測距儀成品圖

通過程序數據線性化分析，本研究設計的基于紅外技術的測距儀，在測量10～50cm的物體時結果較為精準，若物體距離小于10cm或大于50cm，數據不具有明顯代表性，設置紅外測距儀進行報警處理。具體測試結果見表1。

表1 測試結果

5 結論

本研究設計與實現的紅外技術測距儀，標定了測量范圍在10～50厘米平面物體。最大誤差是0.01厘米，可以在很短的時間內多次的測量，紅外測距系統穩定性好，具有較高的敏感性，結構簡單，能得到較為精準的測量值，具有一定的研究價值。