基于红外技术测距仪的设计与实现

张亦勋

（广州城市理工学院，广东广州，510800）

0 引言

红外测距首次出现在1960年代，出现时被人们认为是一种以红外线为主体的测量方法。研究红外距离具有非凡的意义，其本身具有其他测距模式没有的特点，技术难度相对较小，性能好，简单，易于使用，系统成本低，在各行各业都扮演着不可或缺的角色，因此其市场需求更大，更广泛的发展空间。

红外测距仪最大的优势是短距离测量的精准性。使用调制红外光测量范围通常是1～5公里，在100米范围内的超声波测距有优势，但超声波测距不能检测区域内1米距离，而红外测距仪可以精确到1米以内的距离。本研究设计与实现的是一个10～50cm精准测量的红外测距仪。

1 红外测距原理

■1.1 时间差法测距原理

■1.2 反射能量法测量原理

■1.3 相位法测距原理

■1.4 三角法测距原理

三角测量法的原理是由红外发射管和一个PSD实现（传感装置位置的位置传感装置）和相应的计算电路来实现。而夏普公司的PSD有更优越的性能，它可以检测微小位移的光落在它的上面，解决微米以上的测量，红外传感器GP2Y0A21使用此功能实现精确测量距离的目标对象，如图1所示。

图1 三角法测距原理

首先通过红外发射管红外传感器，红外距离遇到障碍下降反映了PSD上形成了一个等腰三角形。和其他两个点是固定的，由管和红外发射管PSD的距离是已知的，可以使用三角函数计算高这个数值就是想要测量的距离。

相比较其他的测距原理，三角测量法的精度更加高，利于实现，而且受外界因素的影响，以及自身的误差率更低，因而本设计采用此原理来实现对待测物体距离的测量。

2 红外测距仪硬件设计

■2.1 红外测距系统基本结构图

第一步红外传感器模块GP2Y0A21YK0F发送红外线；第二步到达物体后反射红外线；第三步红外传感模块接收反射后的红外线；第四步传感器模块将信号发送给单片机处理模块；第五步经过模数转换将非线性的模拟信号转换为线性的数字信号；第六步由单片机处理模块发送数字信号到液晶显示模块；第七步最后结果表明在液晶显示模块LCD1602上，如图2所示。

图2 基本结构图

■2.2 各硬件电路设计

本研究所设计的红外测距仪主要包括了A/D转换电路，1602显示电路，电源输入电路，上电复位电路，蜂鸣器、独立按键电路，程序下载电路等硬件电路。

(1)A/D转换电路。本研究选取ADC0832 转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部的电源输入和参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入0～5V。芯片切换时间仅为32μs，具有双输出的数据可以作为检查数据，为了减少误差数据，转换速度快、性能稳定。独立的芯片使能输入，设备的悬挂和处理器的控制变得更加方便。通过数据输入，可以很容易地实现信道的功能选择。

(2)1602显示电路。单片机P0-P7口分别接D1～D7，同时接上排阻，而在排阻另一端接上VCC，单片机的P34接EN，P35接RS，单片机通过P0口向1602显示频输送数据，显示测得的距离。

(3)电源输入电路。电源电路是单片机能否正常工作的基础，在本设计中由于传感器需要所以电源需要保持在一个稳定的状态，默认为5V的环境下。电源模块对应的接线方法为：单片机的第40引脚（VCC）为电源引脚；第20引脚（GND）为接地线。

(4)上电复位电路。复位电路的设计好坏直接影响单片机系统的稳定性，因为在单片机的瞬时电源电压是不稳定的，单片机不能立即投入工作，需要继续保持一段时间的复位状态，直到一个稳定的电源供应器开始工作。本设计中采用的是最简单的上电复位方式，也就是说，在经过一段时间后的上电后，由于电容的作用后，单片机会过段时间再开始工作。

(5)蜂鸣器、独立按键电路。单片机 P20～P24接独立按键模块，分别对应S2～S5，S4功能为减10cm，S3功能为加10cm，S2功能为切换上下限设置，S1功能为RESET。蜂鸣器，会放出蜂鸣一般的响声，当距离达到所设置的阀值时，蜂鸣器响起，同时LED警示灯也会亮起，进行报警提示。

(6)程序下载电路。USB串口是计算机USB接口的通用串行接口之间的转换。作为最广泛使用的USB接口，每台计算机都是一个必不可少的通信接口，它最大的特点是支持热插拔，即插即用，快速传输速度。没有串口的计算机提供一个快速通道，USB串口设备的使用是相当于传统的串口设备的即插即用USB设备。在本设计中，程序下载是通过USB转TTL的下载器来实现的，RXD接TXD，TXD接RXD。

■2.3 总电路原理图

采用EDA技术汇总A/D转换电路，1602显示电路，电源输入电路，上电复位电路，蜂鸣器、独立按键电路，程序下载电路，可得本设计总电路原理图，见图3。

图3 总电路原理图

3 红外测距仪软件设计

整个系统运行的过程中，红外系统启动时，首先将AT89C52单片机初始化。当AT89C52单片机接收红外接收电路传输电压信号，经过A / D转换程序，将单片机之外的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号，并根据距离和电压转换子程序，将电压的转换为距离。最后，在实时动态显示在液晶显示器上。主程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

本研究中的红外测距的软件设计主要由主程序、延时函数、显示程序函数、测距计算函数组成。程序开始，主程序第一步先将1602显示屏进行初始化，然后开始测量。

调用子函数，经过A/D转换函数得出的电压值，再次调用距离计算函数，得出距离值。这个时候的主函数将显示测量计算得出的距离值，然后结束程序。

该程序使用多个调用函数，读取/数、距离的计算函数、算术平均滤波程序。收集和计算的价值；LCD忙标志判断函数，写数据子函数，写命令子函数，显示数据调整功能，字符串显示功能，显示子程序显示功能；1602初始化函数，LCD屏则是清除屏幕功能。

4 红外测距仪运行与测试

本研究设计的红外测距仪成品，如图5所示。

图5 红外测距仪成品图

通过程序数据线性化分析，本研究设计的基于红外技术的测距仪，在测量10～50cm的物体时结果较为精准，若物体距离小于10cm或大于50cm，数据不具有明显代表性，设置红外测距仪进行报警处理。具体测试结果见表1。

表1 测试结果

5 结论

本研究设计与实现的红外技术测距仪，标定了测量范围在10～50厘米平面物体。最大误差是0.01厘米，可以在很短的时间内多次的测量，红外测距系统稳定性好，具有较高的敏感性，结构简单，能得到较为精准的测量值，具有一定的研究价值。