紅外距課程設計 - 副本

1、摘要現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，進入了許多新領域，而在測距方面先后出現(xiàn)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(xiàn)物體近距離、高精度的無線測量，我采用紅外發(fā)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(zhuǎn)換、顯示以及與PC機的通信程序，開發(fā)了一套便推式的紅外距離測量系統(tǒng)，系統(tǒng)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(fā)送到PC機顯示處理、本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠、體積小、測量精度高、方便使用，另外本系統(tǒng)形成了一套完善的軟硬件開發(fā)平臺，可以進行擴展、移植和做進一步的開發(fā)。下面是紅外測距的相關(guān)課程設計。目錄摘要2一、  紅外線簡介41.1 紅外線

2、傳感器的分類41.2紅外線傳感器的應用6二、實驗目的7三、實驗內(nèi)容7四、實驗儀器7五、紅外測距原理75.1、時差法光電測距基本原理75.2、相位法光電測距基本原理85.3、三角法光電測距基本原理9六、紅外測距的基本結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)框圖96.1 主要元件分析101.紅外線發(fā)射器件106.2、紅外測距硬件電路設計111.單片機最小系統(tǒng)112. 紅外發(fā)射電路設計123. 紅外接收放大電路設計134. 電源電路135. 數(shù)碼管顯示電路圖146. 系統(tǒng)總電路圖及元器件14七、總結(jié)16一、  紅外線簡介 近二十年來，紅外輻射技術(shù)已成為一門迅速發(fā)展的新興技術(shù)科學，它已廣泛應用于生產(chǎn)、

3、科研、軍事、醫(yī)學等各個領域。紅外輻射技術(shù)是發(fā)展測量技術(shù)、遙感技術(shù)和空間科學技術(shù)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(zhì)，任何物質(zhì)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(nèi)，紅外線與可見光、紫外線、x射線、y射線和微波、無線電波一起構(gòu)成了整個無線連續(xù)的電磁波譜。在紅外技術(shù)中，一般將紅外輻射分為四個區(qū)域，即近紅外區(qū)、中紅外區(qū)、遠紅外區(qū)和極遠紅外區(qū)。它已在科技、國防和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領域獲得廣泛的應用紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，按

4、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。紅外傳感器已經(jīng)在現(xiàn)代化的生產(chǎn)實踐中發(fā)揮著它的巨大作用，隨著探測設備和其他部分的技術(shù)的提高，紅外傳感器能夠擁有更多的性能和更好的靈敏度。1.1 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(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應的變化，通過測量有關(guān)物理參數(shù)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(yōu)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(diào)制的場合。 熱傳感器主要類型有：熱敏傳感器型，熱

5、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(chǎn)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(gòu)成。當紅外輻射到這兩種金屬材料構(gòu)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(chǎn)生溫差電流。同時回路中產(chǎn)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

6、溫差電勢現(xiàn)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(shù)較大，相應時間較長，動態(tài)特性較差，調(diào)制頻率應限制在10HZ以下。(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(jīng)柔鏡反射回來的柵狀圖像又經(jīng)過柵狀光欄投射到光電管上。當柔鏡因壓力變化而移動時，

7、柵狀圖像與柵狀光欄發(fā)生相對位移，使落到光電管上的光量發(fā)生改變，光電管的輸出信號也發(fā)生變化，這個變化量就反映出入射紅外輻射的強弱。這種傳感器的特點是靈敏度高，性能穩(wěn)定。但響應時間性長，結(jié)構(gòu)復雜，強度較差，只適合于實驗室內(nèi)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(xiàn)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(guān)。當紅外線輻射照射到已經(jīng)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(chǎn)生一個電信號輸出。輸出信號的大小，取決于薄片

8、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(diào)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(chǎn)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(chǎn)生光子效應，使材料電學性質(zhì)發(fā)生變化。通過測量電學性質(zhì)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(tǒng)稱光子傳感器。光子傳感器的主要特點靈敏度高，響應

9、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(nèi)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(xiàn)象叫外光電效應或光電子發(fā)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(nèi)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

10、可以從原來不導電的束縛狀態(tài)變?yōu)槟軐щ姷淖杂蔂顟B(tài)，使半導體的導電率增加，這種現(xiàn)象叫光電導現(xiàn)象。利用光電導現(xiàn)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(jié)上時，在結(jié)內(nèi)電場的作用下，自由電子移向N區(qū)，如果PN結(jié)開路，則在PN結(jié)兩端便產(chǎn)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(jié)傳感器。常用的材料為砷化銦、銻化銦、碲化汞、碲錫鉛等幾種。 

11、(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(nèi)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(chǎn)生開路電壓，這種現(xiàn)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。光磁電傳感器不需致冷，響應波段可達7M左右，時間常數(shù)小，響應速度快，不用加偏壓，內(nèi)阻極低，噪聲小，有良好的穩(wěn)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。1.2紅外線傳感器的應用紅外傳感器的應用主要體現(xiàn)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(tǒng)：用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位

12、置并對其運動進行跟蹤。 3、熱成像系統(tǒng)：能形成整個目標的紅外輻射分布圖像。  4、紅外測距系統(tǒng)：實現(xiàn)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(zhì)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(tǒng)：紅外線通信作為無線通信的一種方式。 6、混合系統(tǒng)：是指以上各類系統(tǒng)中的兩個和多個組合。二、實驗目的1、了解光電測距的基本原理及方法；2、熟悉紅外測距的原理及方法；3、掌握一種紅外測距傳感器測距基本使用方法。三、實驗內(nèi)容1、光電測距的基本原理及方法的學習；2、紅外測距的原理及方法的熟悉；3、通過距離測量及數(shù)據(jù)處理，掌握紅外測距傳

13、感器測距基本使用方法。四、實驗儀器光電傳感器技術(shù)實驗臺、光電測距實驗模塊、擋板（自制）、米尺（自備）、導線。五、紅外測距原理5.1、時差法光電測距基本原理時差法光電測距是通過測定光波（或電磁波），在待測距離上往返傳播的時間來計算待測距離的，如圖-1所示，測距的基本公式為：式中 光波（或電磁波）在大氣中的傳播速度。圖-1光波在測線上的往返傳播時間，可以直接測定，也可以間接測定。直接測定光波傳播時間是用一種脈沖波，它是由儀器的發(fā)送設備發(fā)射出去，被目標反射回來，再由儀器接收器接收，最后由儀器的顯示系統(tǒng)顯示出脈沖在測線上往返傳播的時間或直接顯示出測線的斜距，這種測距儀稱為脈沖式測距儀。間接測定光波傳播

14、時間是采用一種連續(xù)調(diào)制波，它由儀器發(fā)射出去，被反射回來后進入儀器接收器，通過發(fā)射信號與返回信號的相位比較，即可測定調(diào)制波往返于測線的遲后相位差中小于2的尾數(shù)。用個不同調(diào)制波的測相結(jié)果，便可間接推算出傳播時間，并計算（或直接顯示）出測線的傾斜距離。這種測距儀器稱為相位式測距儀。目前這種儀器的計時精度達10-10s以上，從而使測距精度提高到lcm左右，可基本滿足精密測距的要求?，F(xiàn)今用于精密測距的測距儀多屬于這種相位式測距儀，我們將討論用于控制測量的相位式光電測距儀。5.2、相位法光電測距基本原理相位法也是時差法中的一種，屬于間接測量的方法。如圖-2（a）所示，測定兩點的距離，將相位式光電測距儀整置

15、于點（稱測站），反射器整置于另一點（稱鏡站）。測距儀發(fā)射出連續(xù)的調(diào)制光波，調(diào)制波通過測線到達反射器，經(jīng)反射后被儀器接收器接收（如圖-2（b）。調(diào)制波在經(jīng)過往返距離2后，相位延遲了。我們將兩點之間調(diào)制光的往程和返程展開在一直線上，用波形示意圖將發(fā)射波與接收波的相位差表示出來，如圖-2（c）所示。圖-2設調(diào)制波的調(diào)制頻率為，它的周期，相應的調(diào)制波長。由圖-2（c）可知，調(diào)制波往返于測線傳播過程所產(chǎn)生的總相位為，根據(jù)相位和時間的關(guān)系式，其中為角頻率， 5.3、三角法光電測距基本原理因光的傳播速度較快,用往返測時間的方法不適合短距離的測距，紅外傳感器運用三角測量法，使用一個紅外光輻射源和一個小線陣cc

16、d光敏感元件進行距離測定。基本思路是這樣的：發(fā)射出去的紅外光線遇到障礙物后，將返回到探測器，由此，紅外輻射源，障礙物，探測器便形成了一個三角型的關(guān)系。圖-3這里所用的紅外探測器，其實是一個精密透鏡，可以將接收到的紅外線反射至一個密封的線陣ccd敏感器件，它所接收的是一個角度信號，利用此角度信號便可很容易計算出障礙物的距離。紅外光輻射源發(fā)射的是經(jīng)過調(diào)制的脈沖光線，因此有利于免除環(huán)境的干擾，可以在很大范圍內(nèi)正常工作。紅外傳感器的測距范圍為10厘米-80厘米，電壓輸出非直線形而呈現(xiàn)出對數(shù)特怔。六、紅外測距的基本結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)框圖本設計主要由五部分組成：紅外發(fā)射電路、紅外接收電路、放大電路、單片機電路、譯

17、碼顯示電路。系統(tǒng)工作時，由發(fā)射單元發(fā)出一束激光，到達待測目標物后漫反射回來，經(jīng)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。6.1 主要元件分析 1.紅外線發(fā)射器件 紅外線發(fā)射器件是最長用的為紅外發(fā)光二極管，它與普通發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu) 原理以及制作工藝基本相同，是只有一個PN結(jié)的半導體器件，只是所有的材料不同，制造紅外發(fā)光二極管砷化鉀，砷鋁鉀等，其中應用最多的是砷化鉀。 紅外發(fā)光二極管一般采用環(huán)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(fā)光二極管按發(fā)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(fā)光二極管除頂面發(fā)光型外，還有

18、側(cè)面發(fā)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(huán)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(fā)光功率得提高，相應體積的管子也增大。 紅外發(fā)光二極管的主要參數(shù) （1）正向工作電流I 是指紅外發(fā)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(jié)時，要消耗一定的功率而引起管子發(fā)熱，如管子長期超過I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R 是指輸入到發(fā)光二極管的電功率轉(zhuǎn)化為光輸出功率的那一部分。光功率越大，發(fā)射距離越遠。 （3）峰值波長pl 是指紅外發(fā)光二極管所發(fā)出近紅外光中，光強最大值所對應

19、的發(fā)光波長，在選用紅外接收管時，其受光峰值波長應盡量靠近pl。 (4)反向漏電流rI 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0t 由于紅外發(fā)光二極管PN結(jié)電容的存在，影響了它的工作頻率?，F(xiàn)在，紅外發(fā)光二極管的相應時間一般為10-6s10-7s最高工作頻率為幾十MHZ。6.2、紅外測距硬件電路設計 1.單片機最小系統(tǒng) M68HC11系列是motorola公司生產(chǎn)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

20、自動下載程序。其擴展能力強。 68HC11E1由CPU、片內(nèi)存儲器、定時器系統(tǒng)、串行口、A/D、并行I/O口，中斷和復位系統(tǒng)組成。如圖所示。該芯片擴展了32K的靜態(tài)不揮發(fā)RAM。片內(nèi)EEPROM可現(xiàn)場擦除和寫入，可存放各種需經(jīng)常修改、掉電后又不允許丟失的數(shù)據(jù)，也可存放程序。片內(nèi)RAM具有后備保護特性。其優(yōu)點是既有靜態(tài)RAM的速度和方便（70ns），又有EEPROM或FlashRom的掉電不丟失性，從而能將程序和數(shù)據(jù)合用一個芯片。同時具有可靠的上電、掉電、強靜電等數(shù)據(jù)保護功能。其控制板設計了ASBUS總線如圖4： 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

21、。 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(shù)據(jù)線：數(shù)據(jù)線提供系統(tǒng)模塊間傳送數(shù)據(jù)的路徑。這些線結(jié)合在一起稱為數(shù)據(jù)總線。線的數(shù)目稱為數(shù)據(jù)總線的寬度。 地址線：地址線用于指定數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)的來源和去向。地址線的寬度決定了系統(tǒng)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(shù)據(jù)地址線的訪問和使用。由于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)總線 RESET： 復位信號 IRQ： 外部中斷輸入腳 VCC： +5V 電源（負載不

22、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。2. 紅外發(fā)射電路設計 (a)電路組成：紅外發(fā)射驅(qū)動電路是由一個簡單的共射放大電路和一個作為開關(guān)的三極管電路組成的模塊。電路原理如圖所示: (b)電路工作原理：在共射放大電路中，紅外發(fā)光二極管TLN205接于共射放大電路的集電極，與基極和發(fā)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

23、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(fā)光二極管TLN205發(fā)射出紅外光。 3. 紅外接收放大電路設計 (a)電路組成:紅外接收驅(qū)動電路是由紅外接收管TPS708和兩個電壓串聯(lián)負反饋模擬運算放大電路組成的模塊. 紅外接收驅(qū)動電路設計為兩極放大是因為在許多情況下，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(jīng)多級放大，以滿足放大倍數(shù)和其他性能方面的要求。 (b)電路工作原理:紅外發(fā)光管TLN205發(fā)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(chǎn)生一個與光強相對應的電流。電

24、流經(jīng)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(zhuǎn)換,最后將轉(zhuǎn)換結(jié)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(wěn)定性、展寬放大器通頻帶與減少非線性失真和噪音三大優(yōu)點，并且負反饋還有對相應的輸出量進行自動調(diào)節(jié)作用。4. 電源電路 電路組成：該穩(wěn)壓電源由變壓電路、整流電路、濾波電路、和穩(wěn)壓電路四大部分組成。如圖所示： 電路工作原理：該電路為交直轉(zhuǎn)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(jīng)單相橋式整流電路將交流電變?yōu)樗枰闹绷麟?，后再?jīng)濾波電路、7805穩(wěn)壓器把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流5V電壓輸出，供整個紅外測距模塊使用。5. 數(shù)碼管顯示電路圖 (a)電路組成：LED動態(tài)顯示電路如圖9所示，ASBUSA的數(shù)據(jù)輸出口PC0PC7與74LS373的數(shù)據(jù)輸入口D0D7連接，74LS373輸出的高四位Q4Q7經(jīng) 74LS247譯碼與DS2相連，低四位Q0Q3經(jīng)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(shù)據(jù)輸出口PC0PC7輸出距離的BCD碼，經(jīng)74L