1、紅外測距傳感器的原理與設計摘要：現代科學技術的發展，進入了許多新領域，而在測距方面先后出現了激光測距、微波雷達測距、超聲波測距及紅外線測距。為了實現物體近距離、高精度的無線測量，我采用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、顯示以及與PC機的通信程序，開發了一套便推式的紅外距離測量系統，系統可以高精度的實時顯示所測的距離，并且可以將距離量通過串口發送到PC機顯示處理、本系統結構簡單可靠、體積小、測量精度高、方便使用，另外本系統形成了一套完善的軟硬件開發平臺，可以進行擴展、移植和做進一步的開發。關鍵詞：紅外測距；68HC11E1；A/D轉換；Principle and

2、design of the infrared distance sensorAbstract： The development of modern science and technology, into many new areas, has a laser The development of modern science and technology, into many new areas, has a laser range finder in the ranging aspects, ranging of microwave radar, ultrasonic ranging an

3、d infrared ranging. In order to achieve the objects at close range, high-precision wireless measurement, I used the infrared transmitter receiver module as the distance sensor, microcontroller as the processor to write the A / D conversion, display and communication with the PC program, developed a

4、will to push infrared distance measurement systems, high-precision real-time system can display the measured distance, and distance measuring can be sent through the serial port to a PC display processing, the system structure is simple and reliable, small size, high accuracy, ease of use, while thi

5、s system the formation of a complete set of hardware and software development platform can be extended, transplantation, and further development.Key words: Infrared distance; 68HC11E1; A / D conversion;目 錄一、緒論11.1 設計背景11.2 紅外線簡介11.3 紅外線傳感器概述21.3.1 紅外線傳感器系統介紹21.3.2 紅外線傳感器的分類31.3.3 紅外線傳感器的應用6二、紅外測距的方法

6、和原理72.1 幾種紅外測距原理及選擇72.1.1 相位測距原理72.1.2 PSD測距原理92.1.3 帶運動機構的雙象比較法原理92.1.4 時間差測距法原理92.1.5 反射能量法原理92.1.6 紅外測距原理的選擇92.2 紅外測距系統的工作原理9三、紅外測距的基本結構及系統框圖113.1紅外測距的過程113.2 紅外測距系統框圖113.3 主要元件分析123.3.1 紅外線發射器件12紅外線光敏二極管13四、紅外測距硬件電路設計144.1 單片機最小系統144.2 紅外發射電路設計164.3 紅外接收放大電路設計174.4 電源電路194.5 數碼管顯示電路21五、軟件模塊設計235

7、.1 程序設計步驟235.2 軟件設計框圖：235.3 紅外測距A/D轉換程序24六、測量精度分析26參考文獻27附 錄28致 謝29一、緒論1.1 設計背景在基礎學科研究中，傳感器具有突出的地位。現代科學技術的發展進入了許多新領域，而在測距方面先后出現了激光測距、微波雷達測距、超聲波測距及紅外線測距。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。由于受惡劣的天氣、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，現在幾乎還沒有開拓民用市場

8、；超聲波測距在國內外已有人做過研究，由于采用特殊專用元件使其價格高，難以推廣；紅外線作為一種特殊的光波，具有光波的基本物理傳輸特性反射、折射、散射等，且由于其技術難度相對不太大，構成的測距系統成本低廉，性能優良，便于民用推廣。紅外線測距傳感器有它的幾個特點，遠距離測量，在無反光板和反射率低的情況下能測量較遠的距離；有同步輸入端，可多個傳感器同步測量； 測量范圍廣，響應時間短； 外形設計緊湊，易于安裝，便于操作；所以它的應用價值比較高。另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，

9、市場需求空間大。當前紅外測距儀的發展趨勢是向測量更安全、測量精度高、系統能耗小、體積小型化方向發展。1.2 紅外線簡介近二十年來，紅外輻射技術已成為一門迅速發展的新興技術科學，它已廣泛應用于生產、科研、軍事、醫學等各個領域。紅外輻射技術是發展測量技術、遙感技術和空間科學技術的重要手段。紅外輻射俗稱紅外線，又稱紅外光，它是一種人眼看不見的光線，但實際上它和其他任何光線一樣，也是一種客觀存在的物質，任何物質只要它的濕度高于絕對零度，就有紅外線向周圍空間輻射。它的波長介于可見光和微波之間，它的波長范圍大致在0.75M-1000M的頻譜范圍之內，紅外線與可見光、紫外線、x射線、y射線和微波、無線電波一

10、起構成了整個無線連續的電磁波譜。在紅外技術中，一般將紅外輻射分為四個區域，即近紅外區、中紅外區、遠紅外區和極遠紅外區。它已在科技、國防和工農業生產等領域獲得廣泛的應用。1.3 紅外線傳感器概述 紅外線傳感器系統介紹1.待測目標根據待側目標的紅外輻射特性可進行紅外系統的設定。 2.大氣衰減待測目標的紅外輻射通過地球大氣層時，由于氣體分子和各種氣體以及各種溶膠粒的散射和吸收，將使得紅外源發出的紅外輻射發生衰減。 3.光學接收器它接收目標的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當于雷達天線，常用是物鏡。 4.輻射調制器。對來自待測目標的輻射調制成交變的輻射光，提供目標方位信息，并可濾除大面積的干擾信號。

11、又稱調制盤或斬波器，它具有多種結構。 5.紅外探測器這是紅外系統的核心。它是將紅外輻射能轉換為電能的光敏器件，利用紅外輻射與物質相互作用所呈現出來的物理效應探測紅外輻射的傳感器。多數情況下是利用這種相互作用所呈現出的電學效應。此類探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。 6.探測器制冷器由于某些探測器必須要在低溫下工作，所以相應的系統必須有制冷設備。經過制冷，設備可以縮短響應時間，提高探測靈敏度。 7.信號處理系統。將探測的信號進行放大、濾波，并從這些信號中提取出信息。然后將此類信息轉化成為所需要的格式，最后輸送到控制設備或者顯示器中。 8.顯示設備。這是紅外設備的終端設備。常用的顯示器

12、有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。 依照上面的流程，紅外系統就可以成相應的物理量完的測量。紅外系統的核心是紅外探測器，按照探測的機理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。下面以熱探測器為例子來分析探測器的原理。 熱探測器是利用輻射熱效應，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進而使探測器有依賴于溫度的變化而發生變化的性能。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當的變換后測量相應的電量變化。歐姆龍公司生產的漫反射式和對射式光電傳感器，這兩種傳感器主要用于事件檢測和物體定位。紅外傳感器

13、已經在現代化的生產實踐中發揮著它的巨大作用，隨著探測設備和其他部分的技術的提高，紅外傳感器能夠擁有更多的性能和更好的靈敏度。1.3.2 紅外線傳感器的分類常見紅外傳感器可分為熱傳感器和光子傳感器。(1)熱傳感器熱傳感器是利用入射紅外輻射引起傳感器的溫度變化，進而使有關物理參數發生相應的變化，通過測量有關物理參數的變化來確定紅外傳感器所吸收的紅外輻射。熱探測器的主要優點是相應波段寬，可以在室溫下工作，使用簡單。但是，熱傳感器相應時間較長，靈敏度較低，一般用于低頻調制的場合。熱傳感器主要類型有：熱敏傳感器型，熱電偶型，高萊氣動型和熱釋放電型四種。(a)熱敏電阻型傳感器熱敏電阻是由錳、鎳、鈷的氧化物

14、混合后燒解而成的，熱敏電阻一般制成薄片狀，當紅外輻射照射在熱敏電阻上，其溫度升高，電阻值減少。測量熱敏電阻值變化的大小，即可得知入射的紅外輻射的強弱，從而可以判斷產生紅外輻射物體的溫度。(b)熱電偶型傳感器 熱電偶是由熱電功率差別較大的兩種材料構成。當紅外輻射到這兩種金屬材料構成的閉合回路的接點上時，該接點溫度升高。而另一個沒有被紅外輻射輻照的接點處于較低的溫度，此時，在閉合回路中將產生溫差電流。同時回路中產生溫差電勢，溫差電勢的大小，反映了接點吸收紅外輻射的強弱。利用溫差電勢現象制成的紅外傳感器稱為熱電偶型紅外傳感器，因其時間常數較大，相應時間較長，動態特性較差，調制頻率應限制在10HZ以下

15、。(c)萊氣動型傳感器高萊氣動型傳感器是利用氣體吸收紅外輻射后，溫度升高，體積增大的特性，來反映紅外輻射的強弱。它有一個氣室，以一個小管道與一塊柔性薄片相連。薄片的背向管道一面是反射鏡。氣室的前面附有吸收模，它是低熱容量的薄膜。紅外輻射通過窗口入射到吸收模上，吸收模將吸收的熱能傳給氣體，使氣體溫度升高，氣壓增大，從而使柔鏡移動。在室的另一邊，一束可見光通過柵狀光欄聚焦在柔鏡上，經柔鏡反射回來的柵狀圖像又經過柵狀光欄投射到光電管上。當柔鏡因壓力變化而移動時，柵狀圖像與柵狀光欄發生相對位移，使落到光電管上的光量發生改變，光電管的輸出信號也發生變化，這個變化量就反映出入射紅外輻射的強弱。這種傳感器的

16、特點是靈敏度高，性能穩定。但響應時間性長，結構復雜，強度較差，只適合于實驗室內使用。(d)熱釋電型傳感器熱釋電型傳感器是一種具有極化現象的熱晶體或稱“鐵電體”。鐵電體的極化強度（單位面積上的電荷）與溫度有關。當紅外線輻射照射到已經極化的鐵電體薄片表面上時，引起薄片溫度升高，使其極化強度降低，表面電荷減少，這相當于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。如果將負載電阻與鐵電體薄片相連，則負載電阻上便產生一個電信號輸出。輸出信號的大小，取決于薄片溫度變化的快慢，從而反映入射的紅外輻射的強弱。由此可見，熱釋電型紅外傳感器的電壓響應率正比于入射輻射變化的速率。當恒定的紅外輻射照射在熱釋電傳感器上時，傳

17、感器沒有電信號輸出。只有鐵電體溫度處于變化過程中，才有電信號輸出。所以，必須對紅外輻射進行調制（或稱斬光），使恒定的輻射變成交變輻射，不斷的引起傳感器的溫度變化，才能導致熱釋電產生，并輸出交變的信號。(2)光子傳感器光子傳感器是利用某些半導體材料在入射光的照射下，產生光子效應，使材料電學性質發生變化。通過測量電學性質的變化，可以知道紅外輻射的強弱。利用光子效應所制成的紅外傳感器。統稱光子傳感器。光子傳感器的主要特點靈敏度高，響應速度快，具有較高的響應頻率。但其一般須在低溫下工作，探測波段較窄。按照光子傳感器的工作原理，一般可分為內光電和外光電傳感器兩種，后者又分為光電導傳感器、光生伏特傳感器和

18、光磁電傳感器等三種。(a)外光電傳感器當光輻射在某些材料的表面上時，若入射光的光子能量足夠大時，就能使材料的電子逸出表面，這種現象叫外光電效應或光電子發射效應。光電二極管、光電倍增管等便屬于這種類型的電子傳感器。它的響應速度比較快，一般只需幾個毫微秒。但電子逸出需要較大的光子能量，只適宜于近紅外輻射或可見光范圍內使用。(b)光電導傳感器當紅外輻射照射在某些半導體材料表面上時，半導體材料中有些電子和空穴可以從原來不導電的束縛狀態變為能導電的自由狀態，使半導體的導電率增加，這種現象叫光電導現象。利用光電導現象制成的傳感器稱為光導傳感器，如硫化鉛、硒化鉛、銻化銦、碲隔汞等材料都可制光電導傳感器。使用

19、光電導傳感器時，需要制冷和加一定的偏壓，否則會使響應率降低，噪聲大，響應波段窄，以致使紅外線傳感器損壞。(c)光生伏特傳感器當紅外輻射照射在某些半導體材料的PN結上時，在結內電場的作用下，自由電子移向N區，如果PN結開路，則在PN結兩端便產生一個附加電勢，稱為光生電動勢。利用這個效應制成的傳感器或PN結傳感器。常用的材料為砷化銦、銻化銦、碲化汞、碲錫鉛等幾種。(d)光磁電傳感器當紅外輻射照射在某些半導體材料表面上時，半導體材料中有些電子和空穴將向內部擴散，在擴散中若受強磁場的作用，電子與空穴則各偏向一方，因而產生開路電壓，這種現象稱為光磁電效應。利用此效應制成的紅外傳感器，叫做光磁電傳感器。光

20、磁電傳感器不需致冷，響應波段可達7M左右，時間常數小，響應速度快，不用加偏壓，內阻極低，噪聲小，有良好的穩定性和可靠性。但其靈敏度低，低噪聲前置放大器制作困難，因而影響了使用。 1.3.3 紅外線傳感器的應用紅外傳感器的應用主要體現在以下幾個方面：1、紅外輻射計：用于輻射和光譜輻射測量2、搜索和跟蹤系統：用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對其運動進行跟蹤。3、熱成像系統：能形成整個目標的紅外輻射分布圖像。4、紅外測距系統：實現物體間距離的測量。（利用的是紅外線傳播時的不擴散原理，因為紅外線在穿越其它物質時折射率很小，所以長距離的測距儀都會考慮紅外線）5、通訊系統：紅外線通信作為無線通信的

21、一種方式。6、混合系統：是指以上各類系統中的兩個活多個組合。二、紅外測距的方法和原理2.1 幾種紅外測距原理及選擇 相位測距原理由主控振蕩器 (即主振)產生的調制信號頻率f ，經放大后加到Ga As發光管，經電流調制出射紅外調制光，從發射光學系統出射射向鏡站的反光鏡 ；經反射后，回光被接收光學系統所接收，到達硅光敏二極管 ；經過光電轉換，得到高頻的測距信號。為了提高相位測量的精度和儀器的穩定性，機內又設置了本機振蕩器(本振)，其頻率為 2-1(為幾個千赫的中頻)。利用差頻原理將高頻測距信號與本振信號同時輸入到混頻 I，獲得中頻的測距信號e。但它保留著在測線上往返所形成的相位差。與此同時，在混頻

22、I I中，本振與主振信號不經測線直接在機內會合，從而可以得到用于比相的中頻基準信號 ( 參考信號) e。兩者經過選頻放大和整形后輸入到檢相器比相，得到相位差。最后通過運算和顯示系統直接給出所測的距離值。由于受到機內光學和電子線路附加相移的影響，事實上對測線上往返的光波所測得的結果，既包含了2S距離上的相位差，又有機內附加相移的部分，即 2-2相位式紅外光電測距通常由砷化鎵發光二極管為載波源，中心波長一般在0.72-0.94 m，發出的紅外線強度隨注入的電信號強弱而變化。通過測量連續的調制光波在待測距離上往返后產生的相位移動量，來間接測定調制波傳播的時間t，從而求得被測距離D。由A點測距儀發出連

23、續的頻率固定的調制信號(一般是調幅信號)沿著待測距離傳播到B點，由B點的反射棱鏡再返回到A點。則下圖中所示的相位移，即代表調制波往返傳播的距離2 D。圖1 調制波往返的傳播距離由圖1 2-3即 2-4式中，2為一個周期的相位變化，N為相位移中的2的整周期數，為不足整周期相位移的尾數；為不足整周期的比例數，為調制波長。由物理學可知，其中，c為調制波的傳播速度，f為調制波頻率。 因為 c和f為已知，故式2-4中的是已知的單位長度，可把它稱為“電尺”。從上式可知，相位式測距的一般原理可相當于用這樣的“電尺”代替鋼尺量距，被測距離就等于整尺段和余尺段 之和。式2-4中，為已知，而N由儀器測得，但仍有兩

24、個未知數D和N。因此用一個測尺頻率測距耐，便出現多值解要解決這個問題，從原理上講，似乎只要把“電尺”長度選擇得大于被測距離D，則式2-4變為，從而可變多值解為唯一解了，這顯然是不可能的。一是“電尺”不能過于長，二是一定測相精度下，“電尺”越長，其誤差越大，測距精度明顯降低。2.1.2 PSD測距原理利用三角測距原理,用一種稱之為位置敏感器件(Position Sensitive Device)的PSD元件來獲得二路輸出信號, 根據這二路信號來獲得物體的距離量值。2.1.3 帶運動機構的雙象比較法原理系統中有二套光路對被測物體成像，其中一套光路是經過可運動的反光鏡獲得的,接收系統及時比較二套光路

25、來的圖像, 當二者一致時, 就可根據可運動反光鏡的位置來獲得物體的距離信息。2.1.4 時間差測距法原理紅外線發射器發射出頻率為40kHz的紅外線，經障礙物反射，紅外線接收器接收到反射波信號，并將其轉變為電信號。測出發射波與接收到反射波的時間差t，即可求出距離s。 反射能量法原理 反射能量法:儀器發射一束光(通常是近紅外光) 照射到被測物體表面,儀器同時接收被測物體的反射光能量, 根據接收到的反射光能量來判斷被測物體的距離。 紅外測距原理的選擇我們在紅外測距系統就是采用反射能量法，因其結構簡單、體積小、成本低,可以廣泛應用于大批量生產的光機電綜合產品，因此本文就此方法設計了一種紅外測距系統。2

26、.2 紅外測距系統的工作原理本文設計基本原理是紅外發射電路的紅外發光二極管發出紅外光，經障礙物反射后，由紅外接收電路的光敏接收管接收前方物體反射光，據此判斷前方是否有障礙物。根據發射光的強弱可以判斷物體的距離，由于接收管接收的光強隨是隨反射物體的距離變化而變化的，因而，距離近則反射光強，距離遠則反射光弱。因為紅外線是介于可見光和微波之間的一種電磁波，因此，它不僅具有可見光直線傳播、反射、折射等特性，還具有微波的某些特性，如較強的穿透能力和能貫穿某些不透明物質等。紅外傳感器包括紅外發射器件和紅外接收器件。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，因而，紅外傳感器須具有更強的發射和接收能

27、力。三、紅外測距的基本結構及系統框圖3.1紅外測距的過程紅外測距的工作過程簡單來講就是瞄準目標，然后接通電源，啟動發射電路，通過發射系統，像目標發射紅外信號，同時，采樣器采樣發射信號，作為計數器開門的脈沖信號，啟動計數器，時鐘振蕩器像計數器有效的輸入計數脈沖，由目標反射回來的紅外線回波作用在光電探測器上，轉變為電脈沖信號，經過放大器放大，進入計數器，作為計數器的關門信號，計數器停止計數，計數器從開門到關門期間，所進入的時鐘脈沖個數，經過運算得到目標距離，測距公式為： 3-1式中：L待測距離； c光速； t光脈沖在待測距離上往返傳輸所需要的時間。只要求出光脈沖在待測距離往返傳輸所需要的時間就可以

28、通過上式求出目標距離。紅外脈沖的原理與結構比較簡單、測距遠、功耗小。3.2 紅外測距系統框圖本設計主要由五部分組成：紅外發射電路、紅外接收電路、放大電路、單片機電路、譯碼顯示電路。其工作過程圖2：紅外線發射裝置譯碼顯示單片機紅外接收放大電路圖2 紅外測距系統工作過程系統工作時，由發射單元發出一束激光，到達待測目標物后漫反射回來，經接收單元接收、放大整形后到距離計算單元計算完畢后顯示目標物距離。3.3 主要元件分析 紅外線發射器件紅外線發射器件是最長用的為紅外發光二極管，它與普通發光二極管的結構 原理以及制作工藝基本相同，是只有一個PN結的半導體器件，只是所有的材料不同，制造紅外發光二極管砷化鉀

29、，砷鋁鉀等，其中應用最多的是砷化鉀。紅外發光二極管一般采用環氧樹脂，玻璃，塑料等封裝，除白色透明材料封裝外，還可見到用藍色透明材料封裝的，。紅外發光二極管按發光功率的大小，可分為小功率，中功率，大功率三種。另外，紅外發光二極管除頂面發光型外，還有側面發光型。小功率管一般采用全塑封裝，也有部分是采用陶瓷底座，頂端用玻璃或環氧樹脂透鏡封裝的，中大功率管一般采用帶螺紋金屬底座，以便安裝散熱片。隨著發光功率得提高，相應體積的管子也增大。紅外發光二極管的主要參數（1）正向工作電流I是指紅外發光二極管長期工作時，允許通過的最大平均電流，因為電流通過PN結時，要消耗一定的功率而引起管子發熱，如管子長期超過I

30、運行，會因過熱而燒毀，因此，使用的最大平均正向工作電流不得超過I。(2)光功率是指輸入到發光二極管的電功率轉化為光輸出功率的那一部分。光功率越大，發射距離越遠。（3）峰值波長是指紅外發光二極管所發出近紅外光中，光強最大值所對應的發光波長，在選用紅外接收管時，其受光峰值波長應盡量靠近。(4)反向漏電流是指管子未被反向擊穿時反向電流的大小，希望它越小越好。（5）響應時間由于紅外發光二極管PN結電容的存在，影響了它的工作頻率?，F在，紅外發光二極管的相應時間一般為最高工作頻率為幾十。紅外線光敏二極管我們知道半導體具有光電效應，即用光照半導體，可使半導體的電阻率發生變化。利用半導體的光電效應可以制成光電

31、二極管，不同的半導體材料對不同波長的入射光的響應是不同的。光敏二極管有頂面受光和側面受光兩種形式。它也是采用塑料、玻璃、環氧樹脂等材料封裝。光敏二極管的主要參數（1）光電流IL是指在一定反向電壓下，入射光強為某一定值時流過管子的電流。光敏二極管的光電流一般為幾十A，并與入射光強成正比。（2）暗電流ID 是指在一定反向電壓下，無光照時流過管子的電流。一般在50V反壓下，ID小于0.1A。（3）反向工作電壓UR 是指在無光照時，光敏二極管反向電流小于0.2A-0.3A時，允許的最高反向工作電壓，一般在10V左右，最高可達幾十伏。四、紅外測距硬件電路設計4.1 單片機最小系統M68HC11系列是mo

32、torola公司生產的8位單片機中功能最強、集成功能最全的機種。68HC11E1的一大特色是功耗低，工作電流小于15mA，有WAIT 和STOP 兩種方式進行省電。M68HC11的可靠性很高，有程序自下載功能，接上串口線就可以自動下載程序。其擴展能力強。68HC11E1由CPU、片內存儲器、定時器系統、串行口、A/D、并行I/O口，中斷和復位系統組成。封裝如圖3： 圖3 M68HC11的封裝圖該芯片擴展了32K的靜態不揮發RAM。片內EEPROM可現場擦除和寫入，可存放各種需經常修改、掉電后又不允許丟失的數據，也可存放程序。片內RAM具有后備保護特性。其優點是既有靜態RAM的速度和方便（70n

33、s），又有EEPROM或FlashRom的掉電不丟失性，從而能將程序和數據合用一個芯片。同時具有可靠的上電、掉電、強靜電等數據保護功能。 其控制板設計了ASBUS總線如圖4：圖4 ASBUS總線圖簡單類似于ISA和PCI總線。采用堆疊式的ASBUS擴展卡可以方便擴展控制板的功能。 總線通常包含了幾十條分立的線，每一條被賦予一個特定的含義或功能。總線可以分成三個功能組：數據線：數據線提供系統模塊間傳送數據的路徑。這些線結合在一起稱為數據總線。線的數目稱為數據總線的寬度。地址線：地址線用于指定數據線上數據的來源和去向。地址線的寬度決定了系統能夠使用的最大的存儲器容量。控制線：控制線用來控制對數據地

34、址線的訪問和使用。由于數據線和地址，所有模塊共享，因此必須用一種方法來控制他們的使用。 【特性引腳功能】ASBUSA 和 ASBUSB 分別有 14 個信號線。 PCO-PC7：數據總線 RESET： 復位信號 IRQ： 外部中斷輸入腳 VCC： +5V 電源（負載不要超過 300MA） Vmotor： 電機電壓，也即電池電壓，可接較大負載 GND： 地 IS0-IS3：輸入選擇線 0-3 OS0-0S3：輸出選擇線 0-3 PA1-PA2：輸入捕捉口 PA3： 輸出比較口 PE5-PE7：模擬輸入口本設計中PE5擴展紅外接收傳感器。4.2 紅外發射電路設計(a)電路組成：紅外發射驅動電路是由

35、一個簡單的共射放大電路和一個作為開關的三極管電路組成的模塊。電路原理如圖5所示:圖5 紅外發射電路(b)電路工作原理：在共射放大電路中，紅外發光二極管TLN205接于共射放大電路的集電極，與基極和發射極相接的二極管起溫度補償作用。控制管腳Vin與68HC11E1芯片管腳Vcc相接。當控制管腳Vin有信號輸入時，控制電路的三極管導通,同時整個電路導通,紅外發光二極管TLN205發射出紅外光。4.3 紅外接收放大電路設計圖6 紅外接收放大電路(a)電路組成:紅外接收驅動電路是由紅外接收管TPS708和兩個電壓串聯負反饋模擬運算放大電路組成的模塊. 紅外接收驅動電路設計為兩極放大是因為在許多情況下，

36、輸入信號是很微弱的，要把這樣微弱的信號放大到足以帶動負載，僅用一級電路放大定是做不到的，必須經多級放大，以滿足放大倍數和其他性能方面的要求。(b)電路工作原理:紅外發光管TLN205發射出的紅外光,在遇到前面的障礙物反射后,由紅外接收管TPS708接收,此時TPS708會產生一個與光強相對應的電流。電流經由LM358 兩級放大后,在輸出端可以得到一個03V的模擬電壓,作68HC11E1 單片機模擬輸入量進行A/D轉換,最后將轉換結果在LED上顯示出來。(c）運算放大電路定量分析：我們采用負反饋模擬運算放大電路，是因為負反饋具有提高增益穩定性、展寬放大器通頻帶與減少非線性失真和噪音三大優點，并且

37、負反饋還有對相應的輸出量進行自動調節作用。根據閉環增益方程求對的導數，得 4-1即微分 4-2閉環增益的相對變化量為 4-3 式4-3表明，負反饋的引入使放大器的放大倍數穩定性提高到了倍，而且負反饋越深，穩定性越高。輸入信號加在集成運放同相輸入斷的電路稱為同相比例運算電路，在紅外接收驅動電路中就采用同相比例運算進行兩級放大。下面對同相比例運算電路進行定量分析： 4-4 4-5 4-6而 4-7 4-8所以 4-9整理得 4-10式子表明，輸出電壓與輸入電壓之間存在著比例運算關系，比例系數由與的值決定。與集成運放本身的參數無關。 因為輸入端通過集成運放的輸入電阻接地，故同相比例運算電路的輸入電阻

38、很大，的大小對信號源影響不大，但如果太小，當很小時，會影響輸出電壓。 若要獲得閉環電壓放大倍數，由電壓放大倍數定義可得： 4-11若 則 即輸出電壓與輸入電壓相等，相位相同，此時同相比例運算電路稱為電壓跟隨器。4.4 電源電路電路組成：該穩壓電源由變壓電路、整流電路、濾波電路、和穩壓電路四大部分組成。如圖7所示：圖7 電源電路圖電路工作原理：該電路為交直轉換電源電路，首先，由變壓器將市電220V交流電變成9V的交流電，再經單相橋式整流電路將交流電變為所需要的直流電，后再經濾波電路、7805穩壓器把不穩定的直流電壓變為穩定的直流5V電壓輸出，供整個紅外測距模塊使用。各部分的工作原理：1. 單相橋

39、式整流電路a) 橋式整流電路如圖7所示，4個整流二極管組成一個電橋，變壓器的次級和電容C5分別接到電橋的兩個對角線的兩端，b) 橋式整流工作原理當變壓器的次級處于正半周期時，二極管VD1、VD3導通，VD2、VD4截止，當變壓器的次級處于負半周期時，二極管VD2、VD4導通，截止VD1、VD3，R1上所加電壓為U0，經整流后，電流由交流電變為直流電。以上分析可知，橋式整流電路的整流平均值比半波整流時增加1倍，即 4-12通過負載電阻的直流也增加1倍，即 4-13因為每兩個二極管串聯輪換半個周期，因此，每個二極管中流過的平均電流只有負載電流的一半，即 4-14整流二極管承受的最大反向電壓 4-1

40、5 因為單相橋式整流電路在變壓器次級電壓相同情況下，輸出電壓平均值高，脈動系數小，雖然二極管用了4個，但小功率二極管體積小，價格低廉，因此全波橋式整流得到廣泛應用。2. 濾波電路a) 整流輸出的電壓是一個單方向脈動電壓，雖然是直流，但脈動較大，為了得到平滑的直流電壓波形，必須采用濾波電路，以改善輸出電壓的脈動性，常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波、復式濾波等，此處采用電容濾波。b) 單相半波整流電容濾波電路如圖所示，由于電容兩端電壓不能突變，因而負載兩端的電壓也不會突變，使輸出電壓得以平滑，達到濾波目的。3. 7805穩壓電路a) 通過整流濾波電路所獲得的直流電源電壓是比較穩定的，當電網電壓波

41、動或負載電流變化時，輸出電壓會隨之改變。電子設備一般都需要穩定的電源電壓。如果電源電壓不穩定會引起直流放大器的零點漂移、交流燥聲增大、測量儀表的測量精度降低等。因此，必須進行穩壓，目前，中小功率設備中廣泛采用的穩壓電源有并聯型穩壓電源、串聯型穩壓電源、集成穩壓電路及開關型穩壓電路。在此電路中我們采用集成穩壓器7805b) 7805穩壓電路如圖8所示:圖8 7805集成穩壓電路型號7805穩壓器中，78表示輸出為正電壓值，05表示輸出電壓的穩定值。輸入端電容C3用來減小輸入電壓中的波紋。輸出端電容C4用來改善瞬態負載響應特性。因為要求輸出電壓為5V，所以選擇7805集成穩壓器。4.5 數碼管顯示

42、電路圖9 數碼管顯示電路圖(a)電路組成：LED動態顯示電路如圖9所示，ASBUSA的數據輸出口PC0PC7與74LS373的數據輸入口D0D7連接，74LS373輸出的高四位Q4Q7經 74LS247譯碼與DS2相連，低四位Q0Q3經74LS247譯碼與DS1相連，兩個LED可顯示1080的距離值。(b)電路工作原理: ASBUSA的數據輸出口PC0PC7輸出距離的BCD碼，經74LS373鎖存后，高四位Q4Q7經74LS247譯碼為相應的斷碼由七段碼顯示管顯示十位數，低四位Q0Q3經74LS247譯碼為相應的斷碼由七段碼顯示管顯示個位數，因此距離可由兩個LED顯示管顯示出來。五、軟件模塊設

43、計5.1 程序設計步驟 在系統硬件已經確定的情況下，程序設計為: 分析問題：熟悉和明確問題的要求、已知條件及對運算控制的要求，準 確地規定程序將要完成的任務。 確定算法：根據設計問題的要求和指令系統特點，選擇解決問題的方法。 設計程序流程圖：直觀、清晰地體現程序的設計思想。 分配內存單元：確定程序和數據區的起始地址。 編寫源程序：根據流程圖和指令系統編寫源程序。 調試源程序：先將源程序通過匯編生成目標文件，并消除語法錯誤，然 后在用戶板上調試，達到預定要求。5.2 軟件設計框圖：開始顯示子程序A/D轉換子程序單片機初始化電壓距離轉換子程序精度計算子程序圖10 軟件設計框圖當68HC11E1單片

44、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LED顯示器上顯示出來。5.3 紅外測距A/D轉換程序/*紅外測距，-1表示超出測量范圍*/int data15=129,93,69,56,49,42,37,34,31,29,27,26,25,23,21;distance15=10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80void main()int iIr=0; dis=0.0;while(1)iIr=analogport(5);dis=Get

45、Distance(iIr);write(OX4000,dis);printf(“%dn”,dis)wait(0.5)int GetDistance(int iIr); int i ret; if(iIr>data0iIr<data14) ret=-1; else for(i=0;i<15;i+) if(iIr=datai) ret=distancei; break; else if(iIr>datai)ret=(iIr-datai-1)*(distancei-distancei-1)/(datai-datai-1)+distancei-1 break; return ret;六、測量精度分析紅外傳感器由發送器和接收器兩部分組成，在發送器和接收器之間有一定的有限視場。傳感器只能檢測到那些位于發射器視場和接收器視場的交叉區域內的障礙物，因此，單個的紅外接近覺傳感器不可避免地存在多個盲區。大部分紅外接收器在檢測區域內有障礙物時輸出低電壓信號，反之輸出高壓信號。某些類型的物體有可能誤導紅外接收器，其中包括表面發亮的物體，光線吸收能力強的物體以及那些交叉部分太小以至于不能將足夠的紅外線從發送器反射至接收器的物體。如果采用多個紅外發送器和接收器就可以減少盲區的數量。由于發送器和接收器的價格都非常低，因此采用多套紅外傳感器是完全可行的。然而，無論實現過程如何完美，系