基于LABVIEW的红外传感测距系统

谢方 张鹏 白舜升 巴片

摘要：一套完整的红外传感测距系统结构复杂，使用仪器多，增加了系统设计的复杂性和仪器设备成本。在对红外线测距技术与虚拟仪器技术的研究基础上，结合二者的优点，采用拥有虚拟仪器开发软件 LABVIEW 的计算机作为上位机接受数据，使用STC89C52单片机作为下位机对红外传感测距模块进行控制，从而进行距离数据的测量、采集和分析，隨后通过FC-201/SP微功率数传模块将下位机数据传输至上位机，经LABVIEW的后面板算法处理后，在界面上显示测量结果。

关键词：LABVIEW;STC89C52单片机;红外传感测距;FC-201/SP

1 引言

光电测距技术自上世纪60年代以来一直在迅速的发展， 与传统的卷尺、钢尺测距方法相比，光电测距精度更高、灵活机动性更强、作业速度更快，受地形的影响也小，特别是以半导体红外光源的红外光电测距仪，已经广泛应用于城市及各种工程的测量工作。但红外测距仪主要由调制光发射系统、接收系统、相位检测模块、计数显示模块、逻辑控制模块和电源变换器等多个电路器件模块构成，故此类仪器结构复杂，使用硬件设备多，增加了系统设计的复杂性和仪器设备成本。同时，重量较大，甚至有几十千克， 如何减轻重量和减小体积的问题尚待解决。

本项目设计的基于LABVIEW的红外传感测距系统，使用虚拟仪器取代传统仪器，利用计算机强大的系统运算能力，再加一些基本的硬件支持就可以拥有数据采集、控制、分析和处理等功能。这在一定程度上降低了整套系统的成本和设计难度，提高了系统的智能化、自动化水平，同时能够更方便地快速升级系统，克服硬件设备更新周期长的缺点。

2 国内外研究现状

2.1国外研究现状

红外光电测距技术是上世纪60年代末期的技术，发展迅速，尤其GaAs红外发光管被广泛使用后，光电测距仪的短程测距精度快速提高，仪器也开始小型化。近年来，红外测距仪在小型化、自动化、高效率、多功能等方面都有很大进步，测程也有巨大的突破，如瑞典AGA公司的AGA-14A，测程达到2km，精度有5mm，重量却只有2.5 kg。此外，有的测距仪还具有自动修正，跟踪动态目标测距的功能，仪器式样新颖、型号繁多，约有100种以上。另外具有代表性红外测距仪还有克恩公司的DM-502型、瑞士威尔特公司的Dl-4等。近年来光电子技术、微型集成电路、半导体电子元件等科学技术和微处理机的迅猛发展，让红外光电测距仪开始突破性发展。测距仪器、测角仪器和微处理机结合一体，由微处理机控制，自动地测角、测距、计算竖直距离和坐标增量，并自动显示、记录、存贮和输出数据的红外光电测距仪开始出现，如瑞士Wild公司的TC-1型、西德OPTON公司的Elta-2型和美国的HP3820A型等。

2.2国内研究现状

随着我国测量工作的需要，近年来国内一些光学、电子仪器厂从瑞典、日本和瑞士等红外测距仪器发展领先的国家引进红外测距仪组装线，开始组装测距仪。当然，我国的仪器工厂和高等院校近年来也研制出一些产品，如常州第二电子仪器厂研制的DCHZ型红外测距仪，仪器外型美观、重量轻、体积小、操作方便、精度高和性能稳定;苏州第一光学仪器厂与清华大学共同研制的使用微机控制的DCHI型测距仪，其主要特点与DCHZ型一致;武汉测绘科技大学电子技术研究室研制的BHC-5型侧距仪，使用三把测尺，成功地解决了不同测尺之间衔接不正确的问题。除此以外，北京大学、清华大学和国家测绘局测绘科学研究所正在共同研究制造测程5公里的半导体激光测距仪;北京光学仪器厂当前也在研制新型的测距仪。

3设计方案和技术原理

3.1总体设计方案

通电后，STC89C52单片机通过程序控制红外传感测距模块，红外测距传感器采用相位测距原理测量得到与被测物之间的距离值。随后将测得的数据传输至单片机，随后FC-201/SP微功率数传模块使单片机和PC 机进行通信，将下位机所测量到的数据，进行数据采集，传输到上位机内进行存储、备份、处理、分析及显示，LABVIEW程序能够控制整个系统开始和结束。基于LABVIEW的红外传感测距系统主要由电源模块、单片机控制模块、红外传感测距模块、FC-201/SP微功率数传模块及上位机的LABVIEW平台构成。总体系统设计方案如图1所示：

3.2相位差式红外测距原理

红外线的本质是电磁波，其波长在750nm-1mm之间，频率低于可见光，人眼不能看到。理论上高于绝对零度（-273.15℃）的物质都会向外发射红外线。故红外测距原理为：红外发射电路模块的红外发光管发出红外光，其被对应的接收电路模块的光敏接收管接收，由于光的强度是随着发光管与测量物的距离变化而变化的，故根据接收管接收到的光的强弱可以判断出所测的距离。

相位差式红外测距原理为：红外光波经过所测距离后会产生相位延迟，通过计算红外调制光波信号在所测距离上往返一次产生的相位差，再结合其波长的大小，便可计算出相位差与距离的关系，继而根据相位差求出对应的距离。相位差式红外测距测量距离为几米到上千米，测量精度可达毫米量级。

3.3硬件设计方案

3.3.1 STC89C52单片机

STC89C52是一款低功耗、高性能的单片机，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，其与 MCS-51系列单片机兼容。拥有3个16位定时器或计数器、8个中断源、32个可编程I/O口线、全双工UART串行通道，能为客户设计嵌入式系统提供灵活、有效的解决方案。单片机的引脚使用如下： P1.2至P1.5为输入口，外接电路连接红外光电测距仪，获取与被测物之间的距离信息;P2.1口为输出口，输出一定频率的方波信号，启动红外测距仪;P2.2为输出口，外接电路连接FC-201/SP微功率数传模块，实现与PC机的通信。

3.3.2红外传感测距模块

红外传感测距模块主要由GP2Y0A21红外传感器和A/D转换电路组成。GP2Y0A21是夏普公司生产的一款红外距离传感器，探测距离为10-80cm，測量的有效角度大于40°，工作电压在4.5-5.5V，输出为模拟电压信号，在0～8cm的范围内与距离成正比非线性的关系，在10～80cm的距离范围内却与距离成反比非线性关系，标准电流功耗约为30mA，接口类型为PH2.0-3P，反应时间为5ms，最大尺寸为40x20x13.5 mm，其对背景光及温度的适应性较强。

3.3.3 FC-201/SP微功率数传模块

FC-201/SP是深圳友讯达通讯有限公司生产的一种短距离无线数据传输产品，其抗干扰能力强、传输性能优良、接口多样、低功耗、可靠性高、体积小，适用于短距离无线数据采集与传输。通信时用户无需其它控制，只需从接口收/发数据即可，其它如空中收/发转换，控制的操作，模块能自主完成。数据传输时一次至少可以传输150Bytes的数据帧。

3.4软件设计方案

FC-201/SP微功率数传模块接收到的信号经过信号调理电路后，由数据采集卡对检测信号采集，送入 PC 机，由 LabVIEW 软件进行测相，从而将携带有被测目标距离信息的信号计算出来，并将测量数据实时显示。LabVIEW开发平台的显示界面有前后两个控制面板。前面板为测距系统的显示面板，上面有开始和结束按钮、距离显示、通信状态显示等。后面板则是数据处理的程序框图，总体程序流程图如图2所示。

4试验结果分析及讨论

4.1实验调试

在红外测距仪正前方放一把钢尺，用一块不透光的小方块紧贴着钢尺上移动，观察显示界面上数据的变化情况。

4.2结果分析

把显示结果与钢尺比对，发现在10-60cm范围内误差较小，距离小于10cm或大于60cm的范围内误差较大。

5 结束语

本次研究的基于 LABVIEW 的红外传感测距系统，使用虚拟仪器代替传统仪器，利用计算机丰富的软件资源，实现了部分仪器硬件的软化，节省了物质资源，增加了系统灵活性. 降低了设计难度，能够方便快捷的升级系统。并通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理;而且通过图形用户界面技术，真正做到界面友好、人机交互。

当然，本文所研究的基于 LabVIEW 的红外传感测距系统只是一个初步的方案，在提高系统的性能、优化LabVIEW程序和测试数据误差分析等方面还有待进一步的提高。

参考文献

[1] 孙文德.国外红外光电测距仪的发展[J].激光与红外，1985（03）：7-9.

[2] 杨俊志.国内近年来红外光电测距仪的发展情况[J].测绘科技动态，1987（03）：29-35.

[3]韩剑.基于labview的超声波测距系统[J].科技风，2019（09）：70.

[4]刘婷婷.基于STC单片机的红外测距传感器设计与实现[J].信息系统工程，2018（06）：157-158.

作者简介：谢方，生于1996年11月，男，彝族，贵州六盘水人，江苏大学本科在读，测控技术与仪器方向

项目来源：本文系江苏大学2019年度大学生科研立项项目，项目编号：18A189