紅外測(cè)距傳感器的原理與設(shè)計(jì)最終版

第28頁紅外測(cè)距傳感器的原理與設(shè)計(jì)摘要：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)入了許多新領(lǐng)域，而在測(cè)距方面先后出現(xiàn)了激光測(cè)距、微波雷達(dá)測(cè)距、超聲波測(cè)距及紅外線測(cè)距。為了實(shí)現(xiàn)物體近距離、高精度的無線測(cè)量，我采用紅外發(fā)射接收模塊作為距離傳感器，單片機(jī)作為處理器，編寫A/D轉(zhuǎn)換、顯示以及與PC機(jī)的通信程序，開發(fā)了一套便推式的紅外距離測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)可以高精度的實(shí)時(shí)顯示所測(cè)的距離，并且可以將距離量通過串口發(fā)送到PC機(jī)顯示處理、本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、體積小、測(cè)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(tái)，可以進(jìn)行擴(kuò)展、移植和做進(jìn)一步的開發(fā)。關(guān)鍵詞：紅外測(cè)距；68HC11E1；A/D轉(zhuǎn)換；目錄一、緒論 11.1設(shè)計(jì)背景 11.2紅外線簡(jiǎn)介 11.3紅外線傳感器概述 21.3.1紅外線傳感器系統(tǒng)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(yīng)用 6二、紅外測(cè)距的方法和原理 72.1幾種紅外測(cè)距原理及選擇 72.1.1相位測(cè)距原理 72.1.2PSD測(cè)距原理 92.1.3帶運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的雙象比較法原理 92.1.4時(shí)間差測(cè)距法原理 92.1.5反射能量法原理 92.1.6紅外測(cè)距原理的選擇 92.2紅外測(cè)距系統(tǒng)的工作原理 9三、紅外測(cè)距的基本結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)框圖 113.1紅外測(cè)距的過程 113.2紅外測(cè)距系統(tǒng)框圖 113.3主要元件分析 123.3.1紅外線發(fā)射器件 123.3.2紅外線光敏二極管 13四、紅外測(cè)距硬件電路設(shè)計(jì) 144.1單片機(jī)最小系統(tǒng) 144.2紅外發(fā)射電路設(shè)計(jì) 164.3紅外接收放大電路設(shè)計(jì) 174.4電源電路 194.5數(shù)碼管顯示電路 21五、軟件模塊設(shè)計(jì) 235.1程序設(shè)計(jì)步驟 235.2軟件設(shè)計(jì)框圖： 235.3紅外測(cè)距A/D轉(zhuǎn)換程序 24六、測(cè)量精度分析 26[參考文獻(xiàn)] 27附錄 28致謝 29一、緒論1.1設(shè)計(jì)背景在基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器具有突出的地位?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了許多新領(lǐng)域，而在測(cè)距方面先后出現(xiàn)了激光測(cè)距、微波雷達(dá)測(cè)距、超聲波測(cè)距及紅外線測(cè)距。其中激光測(cè)距是靠激光束照射在物體上反射回來的激光束探測(cè)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(cè)距離比可能探測(cè)的最大距離減少一半左右，損失很大，影響探測(cè)的精確度；微波雷達(dá)測(cè)距技術(shù)為軍事和某些工業(yè)開發(fā)采用的裝備和振蕩器等電路部分價(jià)格昂貴，現(xiàn)在幾乎還沒有開拓民用市場(chǎng)；超聲波測(cè)距在國(guó)內(nèi)外已有人做過研究，由于采用特殊專用元件使其價(jià)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(shù)難度相對(duì)不太大，構(gòu)成的測(cè)距系統(tǒng)成本低廉，性能優(yōu)良，便于民用推廣。紅外線測(cè)距傳感器有它的幾個(gè)特點(diǎn)，遠(yuǎn)距離測(cè)量，在無反光板和反射率低的情況下能測(cè)量較遠(yuǎn)的距離；有同步輸入端，可多個(gè)傳感器同步測(cè)量；測(cè)量范圍廣，響應(yīng)時(shí)間短；外形設(shè)計(jì)緊湊，易于安裝，便于操作；所以它的應(yīng)用價(jià)值比較高。另外紅外測(cè)距的應(yīng)用越來越普遍。在很多領(lǐng)域都可以用到紅外測(cè)距儀。紅外測(cè)距一般具有精確度和分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用領(lǐng)域廣、行業(yè)需求眾多，市場(chǎng)需求空間大。當(dāng)前紅外測(cè)距儀的發(fā)展趨勢(shì)是向測(cè)量更安全、測(cè)量精度高、系統(tǒng)能耗小、體積小型化方向發(fā)展。1.2紅外線簡(jiǎn)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(xué)，它已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、科研、軍事、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。紅外輻射技術(shù)是發(fā)展測(cè)量技術(shù)、遙感技術(shù)和空間科學(xué)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(shí)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(duì)零度，就有紅外線向周圍空間輻射。它的波長(zhǎng)介于可見光和微波之間，它的波長(zhǎng)范圍大致在0.75μM-1000μM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(gè)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(gè)區(qū)域，即近紅外區(qū)、中紅外區(qū)、遠(yuǎn)紅外區(qū)和極遠(yuǎn)紅外區(qū)。它已在科技、國(guó)防和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。1.3紅外線傳感器概述1.3.1紅外線傳感器系統(tǒng)介紹1.待測(cè)目標(biāo)根據(jù)待側(cè)目標(biāo)的紅外輻射特性可進(jìn)行紅外系統(tǒng)的設(shè)定。2.大氣衰減待測(cè)目標(biāo)的紅外輻射通過地球大氣層時(shí)，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(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。3.光學(xué)接收器它接收目標(biāo)的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當(dāng)于雷達(dá)天線，常用是物鏡。4.輻射調(diào)制器。對(duì)來自待測(cè)目標(biāo)的輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目標(biāo)方位信息，并可濾除大面積的干擾信號(hào)。又稱調(diào)制盤或斬波器，它具有多種結(jié)構(gòu)。5.紅外探測(cè)器這是紅外系統(tǒng)的核心。它是將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的光敏器件，利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)探測(cè)紅外輻射的傳感器。多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出的電學(xué)效應(yīng)。此類探測(cè)器可分為光子探測(cè)器和熱敏感探測(cè)器兩大類型。6.探測(cè)器制冷器由于某些探測(cè)器必須要在低溫下工作，所以相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過制冷，設(shè)備可以縮短響應(yīng)時(shí)間，提高探測(cè)靈敏度。7.信號(hào)處理系統(tǒng)。將探測(cè)的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，并從這些信號(hào)中提取出信息。然后將此類信息轉(zhuǎn)化成為所需要的格式，最后輸送到控制設(shè)備或者顯示器中。8.顯示設(shè)備。這是紅外設(shè)備的終端設(shè)備。常用的顯示器有示波器、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(tǒng)就可以成相應(yīng)的物理量完的測(cè)量。紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測(cè)器，按照探測(cè)的機(jī)理的不同，可以分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。下面以熱探測(cè)器為例子來分析探測(cè)器的原理。熱探測(cè)器是利用輻射熱效應(yīng)，使探測(cè)元件接收到輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使探測(cè)器有依賴于溫度的變化而發(fā)生變化的性能。檢測(cè)其中某一性能的變化，便可探測(cè)出輻射。多數(shù)情況下是通過熱電變化來探測(cè)輻射的。當(dāng)元件接收輻射，引起非電量的物理變化時(shí)，可以通過適當(dāng)?shù)淖儞Q后測(cè)量相應(yīng)的電量變化。歐姆龍公司生產(chǎn)的漫反射式和對(duì)射式光電傳感器，這兩種傳感器主要用于事件檢測(cè)和物體定位。紅外傳感器已經(jīng)在現(xiàn)代化的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮著它的巨大作用，隨著探測(cè)設(shè)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。1.3.2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(jìn)而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化，通過測(cè)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(cè)器的主要優(yōu)點(diǎn)是相應(yīng)波段寬，可以在室溫下工作，使用簡(jiǎn)單。但是，熱傳感器相應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，靈敏度較低，一般用于低頻調(diào)制的場(chǎng)合。熱傳感器主要類型有：熱敏傳感器型，熱電偶型，高萊氣動(dòng)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(dāng)紅外輻射照射在熱敏電阻上，其溫度升高，電阻值減少。測(cè)量熱敏電阻值變化的大小，即可得知入射的紅外輻射的強(qiáng)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(dāng)紅外輻射到這兩種金屬材料構(gòu)成的閉合回路的接點(diǎn)上時(shí)，該接點(diǎn)溫度升高。而另一個(gè)沒有被紅外輻射輻照的接點(diǎn)處于較低的溫度，此時(shí)，在閉合回路中將產(chǎn)生溫差電流。同時(shí)回路中產(chǎn)生溫差電勢(shì)，溫差電勢(shì)的大小，反映了接點(diǎn)吸收紅外輻射的強(qiáng)弱。利用溫差電勢(shì)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(shí)間常數(shù)較大，相應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)特性較差，調(diào)制頻率應(yīng)限制在10HZ以下。(c)萊氣動(dòng)型傳感器高萊氣動(dòng)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(qiáng)弱。它有一個(gè)氣室，以一個(gè)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(dòng)。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(dāng)柔鏡因壓力變化而移動(dòng)時(shí)，柵狀圖像與柵狀光欄發(fā)生相對(duì)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(hào)也發(fā)生變化，這個(gè)變化量就反映出入射紅外輻射的強(qiáng)弱。這種傳感器的特點(diǎn)是靈敏度高，性能穩(wěn)定。但響應(yīng)時(shí)間性長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，強(qiáng)度較差，只適合于實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度（單位面積上的電荷）與溫度有關(guān)。當(dāng)紅外線輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時(shí)，引起薄片溫度升高，使其極化強(qiáng)度降低，表面電荷減少，這相當(dāng)于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。如果將負(fù)載電阻與鐵電體薄片相連，則負(fù)載電阻上便產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)輸出。輸出信號(hào)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(qiáng)弱。由此可見，熱釋電型紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射輻射變化的速率。當(dāng)恒定的紅外輻射照射在熱釋電傳感器上時(shí)，傳感器沒有電信號(hào)輸出。只有鐵電體溫度處于變化過程中，才有電信號(hào)輸出。所以，必須對(duì)紅外輻射進(jìn)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(dǎo)致熱釋電產(chǎn)生，并輸出交變的信號(hào)。(2)光子傳感器光子傳感器是利用某些半導(dǎo)體材料在入射光的照射下，產(chǎn)生光子效應(yīng)，使材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。通過測(cè)量電學(xué)性質(zhì)的變化，可以知道紅外輻射的強(qiáng)弱。利用光子效應(yīng)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(diǎn)靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率。但其一般須在低溫下工作，探測(cè)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(dǎo)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(dāng)光輻射在某些材料的表面上時(shí)，若入射光的光子能量足夠大時(shí)，就能使材料的電子逸出表面，這種現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)或光電子發(fā)射效應(yīng)。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(yīng)速度比較快，一般只需幾個(gè)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(dǎo)傳感器當(dāng)紅外輻射照射在某些半導(dǎo)體材料表面上時(shí)，半導(dǎo)體材料中有些電子和空穴可以從原來不導(dǎo)電的束縛狀態(tài)變?yōu)槟軐?dǎo)電的自由狀態(tài)，使半導(dǎo)體的導(dǎo)電率增加，這種現(xiàn)象叫光電導(dǎo)現(xiàn)象。利用光電導(dǎo)現(xiàn)象制成的傳感器稱為光導(dǎo)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(dǎo)傳感器。使用光電導(dǎo)傳感器時(shí)，需要制冷和加一定的偏壓，否則會(huì)使響應(yīng)率降低，噪聲大，響應(yīng)波段窄，以致使紅外線傳感器損壞。(c)光生伏特傳感器當(dāng)紅外輻射照射在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)內(nèi)電場(chǎng)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(gè)附加電勢(shì)，稱為光生電動(dòng)勢(shì)。利用這個(gè)效應(yīng)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。(d)光磁電傳感器當(dāng)紅外輻射照射在某些半導(dǎo)體材料表面上時(shí)，半導(dǎo)體材料中有些電子和空穴將向內(nèi)部擴(kuò)散，在擴(kuò)散中若受強(qiáng)磁場(chǎng)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(yīng)。利用此效應(yīng)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(yīng)波段可達(dá)7μM左右，時(shí)間常數(shù)小，響應(yīng)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。1.3.3紅外線傳感器的應(yīng)用紅外傳感器的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1、紅外輻射計(jì)：用于輻射和光譜輻射測(cè)量2、搜索和跟蹤系統(tǒng)：用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤。3、熱成像系統(tǒng)：能形成整個(gè)目標(biāo)的紅外輻射分布圖像。4、紅外測(cè)距系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)物體間距離的測(cè)量。（利用的是紅外線傳播時(shí)的不擴(kuò)散原理，因?yàn)榧t外線在穿越其它物質(zhì)時(shí)折射率很小，所以長(zhǎng)距離的測(cè)距儀都會(huì)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(gè)活多個(gè)組合。二、紅外測(cè)距的方法和原理2.1幾種紅外測(cè)距原理及選擇2.1.1相位測(cè)距原理由主控振蕩器(即主振)產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)頻率f，經(jīng)放大后加到GaAs發(fā)光管，經(jīng)電流調(diào)制出射紅外調(diào)制光，從發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)出射射向鏡站的反光鏡；經(jīng)反射后，回光被接收光學(xué)系統(tǒng)所接收，到達(dá)硅光敏二極管；經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，得到高頻的測(cè)距信號(hào)。為了提高相位測(cè)量的精度和儀器的穩(wěn)定性，機(jī)內(nèi)又設(shè)置了本機(jī)振蕩器(本振)，其頻率為2-1(為幾個(gè)千赫的中頻)。利用差頻原理將高頻測(cè)距信號(hào)與本振信號(hào)同時(shí)輸入到混頻I，獲得中頻的測(cè)距信號(hào)e。但它保留著在測(cè)線上往返所形成的相位差。與此同時(shí)，在混頻II中，本振與主振信號(hào)不經(jīng)測(cè)線直接在機(jī)內(nèi)會(huì)合，從而可以得到用于比相的中頻基準(zhǔn)信號(hào)(參考信號(hào))e。兩者經(jīng)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(yùn)算和顯示系統(tǒng)直接給出所測(cè)的距離值。由于受到機(jī)內(nèi)光學(xué)和電子線路附加相移的影響，事實(shí)上對(duì)測(cè)線上往返的光波所測(cè)得的結(jié)果，既包含了2S距離上的相位差，又有機(jī)內(nèi)附加相移的部分，即2-2相位式紅外光電測(cè)距通常由砷化鎵發(fā)光二極管為載波源，中心波長(zhǎng)一般在0.72-0.94μm，發(fā)出的紅外線強(qiáng)度隨注入的電信號(hào)強(qiáng)弱而變化。通過測(cè)量連續(xù)的調(diào)制光波在待測(cè)距離上往返后產(chǎn)生的相位移動(dòng)量，來間接測(cè)定調(diào)制波傳播的時(shí)間t，從而求得被測(cè)距離D。由A點(diǎn)測(cè)距儀發(fā)出連續(xù)的頻率固定的調(diào)制信號(hào)(一般是調(diào)幅信號(hào))沿著待測(cè)距離傳播到B點(diǎn)，由B點(diǎn)的反射棱鏡再返回到A點(diǎn)。則下圖中所示的相位移，即代表調(diào)制波往返傳播的距離2D。圖1調(diào)制波往返的傳播距離由圖12-3即 2-4式中，2π為一個(gè)周期的相位變化，N為相位移中的2π的整周期數(shù)，為不足整周期相位移的尾數(shù)；為不足整周期的比例數(shù)，λ為調(diào)制波長(zhǎng)。由物理學(xué)可知，其中，c為調(diào)制波的傳播速度，f為調(diào)制波頻率。因?yàn)閏和f為已知，故式2-4中的是已知的單位長(zhǎng)度，可把它稱為“電尺”。從上式可知，相位式測(cè)距的一般原理可相當(dāng)于用這樣的“電尺”代替鋼尺量距，被測(cè)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(cè)得，但仍有兩個(gè)未知數(shù)D和N。因此用一個(gè)測(cè)尺頻率測(cè)距耐，便出現(xiàn)多值解要解決這個(gè)問題，從原理上講，似乎只要把“電尺”長(zhǎng)度選擇得大于被測(cè)距離D，則式2-4變?yōu)?，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(zhǎng)，二是一定測(cè)相精度下，“電尺”越長(zhǎng)，其誤差越大，測(cè)距精度明顯降低。2.1.2PSD測(cè)距原理利用三角測(cè)距原理,用一種稱之為位置敏感器件(PositionSensitiveDevice)的PSD元件來獲得二路輸出信號(hào),根據(jù)這二路信號(hào)來獲得物體的距離量值。2.1.3帶運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的雙象比較法原理系統(tǒng)中有二套光路對(duì)被測(cè)物體成像，其中一套光路是經(jīng)過可運(yùn)動(dòng)的反光鏡獲得的,接收系統(tǒng)及時(shí)比較二套光路來的圖像,當(dāng)二者一致時(shí),就可根據(jù)可運(yùn)動(dòng)反光鏡的位置來獲得物體的距離信息。2.1.4時(shí)間差測(cè)距法原理紅外線發(fā)射器發(fā)射出頻率為40kHz的紅外線，經(jīng)障礙物反射，紅外線接收器接收到反射波信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。測(cè)出發(fā)射波與接收到反射波的時(shí)間差t，即可求出距離s。2.1.5反射能量法原理反射能量法:儀器發(fā)射一束光(通常是近紅外光)照射到被測(cè)物體表面,儀器同時(shí)接收被測(cè)物體的反射光能量,根據(jù)接收到的反射光能量來判斷被測(cè)物體的距離。2.1.6紅外測(cè)距原理的選擇我們?cè)诩t外測(cè)距系統(tǒng)就是采用反射能量法，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低,可以廣泛應(yīng)用于大批量生產(chǎn)的光機(jī)電綜合產(chǎn)品，因此本文就此方法設(shè)計(jì)了一種紅外測(cè)距系統(tǒng)。2.2紅外測(cè)距系統(tǒng)的工作原理本文設(shè)計(jì)基本原理是紅外發(fā)射電路的紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外光，經(jīng)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(jù)此判斷前方是否有障礙物。根據(jù)發(fā)射光的強(qiáng)弱可以判斷物體的距離，由于接收管接收的光強(qiáng)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(qiáng)，距離遠(yuǎn)則反射光弱。因?yàn)榧t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(qiáng)的穿透能力和能貫穿某些不透明物質(zhì)等。紅外傳感器包括紅外發(fā)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(duì)零度都會(huì)輻射紅外線，因而，紅外傳感器須具有更強(qiáng)的發(fā)射和接收能力。三、紅外測(cè)距的基本結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)框圖3.1紅外測(cè)距的過程紅外測(cè)距的工作過程簡(jiǎn)單來講就是瞄準(zhǔn)目標(biāo)，然后接通電源，啟動(dòng)發(fā)射電路，通過發(fā)射系統(tǒng)，像目標(biāo)發(fā)射紅外信號(hào)，同時(shí)，采樣器采樣發(fā)射信號(hào)，作為計(jì)數(shù)器開門的脈沖信號(hào)，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，時(shí)鐘振蕩器像計(jì)數(shù)器有效的輸入計(jì)數(shù)脈沖，由目標(biāo)反射回來的紅外線回波作用在光電探測(cè)器上，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號(hào)，經(jīng)過放大器放大，進(jìn)入計(jì)數(shù)器，作為計(jì)數(shù)器的關(guān)門信號(hào)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器從開門到關(guān)門期間，所進(jìn)入的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)，經(jīng)過運(yùn)算得到目標(biāo)距離，測(cè)距公式為：3-1式中：L——待測(cè)距離；c——光速；t——光脈沖在待測(cè)距離上往返傳輸所需要的時(shí)間。只要求出光脈沖在待測(cè)距離往返傳輸所需要的時(shí)間就可以通過上式求出目標(biāo)距離。紅外脈沖的原理與結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、測(cè)距遠(yuǎn)、功耗小。3.2紅外測(cè)距系統(tǒng)框圖本設(shè)計(jì)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(jī)電路、譯碼顯示電路。其工作過程圖2：紅外線發(fā)射裝置紅外線發(fā)射裝置譯碼顯示單片機(jī)紅外接收放大電路圖2紅外測(cè)距系統(tǒng)工作過程系統(tǒng)工作時(shí)，由發(fā)射單元發(fā)出一束激光，到達(dá)待測(cè)目標(biāo)物后漫反射回來，經(jīng)接收單元接收、放大整形后到距離計(jì)算單元計(jì)算完畢后顯示目標(biāo)物距離。3.3主要元件分析3.3.1紅外線發(fā)射器件紅外線發(fā)射器件是最長(zhǎng)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(gè)PN結(jié)的半導(dǎo)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(yīng)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(lán)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(yīng)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(zhǎng)期工作時(shí)，允許通過的最大平均電流，因?yàn)殡娏魍ㄟ^PN結(jié)時(shí)，要消耗一定的功率而引起管子發(fā)熱，如管子長(zhǎng)期超過I運(yùn)行，會(huì)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(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(yuǎn)。（3）峰值波長(zhǎng)是指紅外發(fā)光二極管所發(fā)出近紅外光中，光強(qiáng)最大值所對(duì)應(yīng)的發(fā)光波長(zhǎng)，在選用紅外接收管時(shí)，其受光峰值波長(zhǎng)應(yīng)盡量靠近。(4)反向漏電流是指管子未被反向擊穿時(shí)反向電流的大小，希望它越小越好。（5）響應(yīng)時(shí)間由于紅外發(fā)光二極管PN結(jié)電容的存在，影響了它的工作頻率。現(xiàn)在，紅外發(fā)光二極管的相應(yīng)時(shí)間一般為最高工作頻率為幾十。3.3.2紅外線光敏二極管我們知道半導(dǎo)體具有光電效應(yīng)，即用光照半導(dǎo)體，可使半導(dǎo)體的電阻率發(fā)生變化。利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)可以制成光電二極管，不同的半導(dǎo)體材料對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光的響應(yīng)是不同的。光敏二極管有頂面受光和側(cè)面受光兩種形式。它也是采用塑料、玻璃、環(huán)氧樹脂等材料封裝。光敏二極管的主要參數(shù)（1）光電流IL是指在一定反向電壓下，入射光強(qiáng)為某一定值時(shí)流過管子的電流。光敏二極管的光電流一般為幾十μA，并與入射光強(qiáng)成正比。（2）暗電流ID是指在一定反向電壓下，無光照時(shí)流過管子的電流。一般在50V反壓下，ID小于0.1μA。（3）反向工作電壓UR是指在無光照時(shí)，光敏二極管反向電流小于0.2μA-0.3μA時(shí)，允許的最高反向工作電壓，一般在10V左右，最高可達(dá)幾十伏。四、紅外測(cè)距硬件電路設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)最小系統(tǒng)M68HC11系列是motorola公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)中功能最強(qiáng)、集成功能最全的機(jī)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(jìn)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(dòng)下載程序。其擴(kuò)展能力強(qiáng)。68HC11E1由CPU、片內(nèi)存儲(chǔ)器、定時(shí)器系統(tǒng)、串行口、A/D、并行I/O口，中斷和復(fù)位系統(tǒng)組成。封裝如圖3：圖3M68HC11的封裝圖該芯片擴(kuò)展了32K的靜態(tài)不揮發(fā)RAM。片內(nèi)EEPROM可現(xiàn)場(chǎng)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(hù)特性。其優(yōu)點(diǎn)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(gè)芯片。同時(shí)具有可靠的上電、掉電、強(qiáng)靜電等數(shù)據(jù)保護(hù)功能。其控制板設(shè)計(jì)了ASBUS總線如圖4：圖4ASBUS總線圖簡(jiǎn)單類似于ISA和PCI總線。采用堆疊式的ASBUS擴(kuò)展卡可以方便擴(kuò)展控制板的功能?？偩€通常包含了幾十條分立的線，每一條被賦予一個(gè)特定的含義或功能?？偩€可以分成三個(gè)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(chǔ)器容量?？刂凭€：控制線用來控制對(duì)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?！咎匦砸_功能】ASBUSA和ASBUSB分別有14個(gè)信號(hào)線。PCO-PC7：數(shù)據(jù)總線RESET：復(fù)位信號(hào)IRQ：外部中斷輸入腳VCC：+5V電源（負(fù)載不要超過300MA）Vmotor：電機(jī)電壓，也即電池電壓，可接較大負(fù)載GND：地IS0-IS3：輸入選擇線0-3OS0-0S3：輸出選擇線0-3PA1-PA2：輸入捕捉口PA3：輸出比較口PE5-PE7：模擬輸入口本設(shè)計(jì)中PE5擴(kuò)展紅外接收傳感器。4.2紅外發(fā)射電路設(shè)計(jì)(a)電路組成：紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路是由一個(gè)簡(jiǎn)單的共射放大電路和一個(gè)作為開關(guān)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(fā)射電路(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(bǔ)償作用?？刂乒苣_Vin與68HC11E1芯片管腳Vcc相接。當(dāng)控制管腳Vin有信號(hào)輸入時(shí)，控制電路的三極管導(dǎo)通,同時(shí)整個(gè)電路導(dǎo)通,紅外發(fā)光二極管TLN205發(fā)射出紅外光。4.3紅外接收放大電路設(shè)計(jì)圖6紅外接收放大電路(a)電路組成:紅外接收驅(qū)動(dòng)電路是由紅外接收管TPS708和兩個(gè)電壓串聯(lián)負(fù)反饋模擬運(yùn)算放大電路組成的模塊.紅外接收驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)為兩極放大是因?yàn)樵谠S多情況下，輸入信號(hào)是很微弱的，要把這樣微弱的信號(hào)放大到足以帶動(dòng)負(fù)載，僅用一級(jí)電路放大定是做不到的，必須經(jīng)多級(jí)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(shí)TPS708會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與光強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的電流。電流經(jīng)由LM358兩級(jí)放大后,在輸出端可以得到一個(gè)0～3V的模擬電壓,作68HC11E1單片機(jī)模擬輸入量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,最后將轉(zhuǎn)換結(jié)果在LED上顯示出來。(c）運(yùn)算放大電路定量分析：我們采用負(fù)反饋模擬運(yùn)算放大電路，是因?yàn)樨?fù)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(diǎn)，并且負(fù)反饋還有對(duì)相應(yīng)的輸出量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)作用。根據(jù)閉環(huán)增益方程求對(duì)的導(dǎo)數(shù)，得4-1即微分4-2閉環(huán)增益的相對(duì)變化量為4-3式4-3表明，負(fù)反饋的引入使放大器的放大倍數(shù)穩(wěn)定性提高到了倍，而且負(fù)反饋越深，穩(wěn)定性越高。輸入信號(hào)加在集成運(yùn)放同相輸入斷的電路稱為同相比例運(yùn)算電路，在紅外接收驅(qū)動(dòng)電路中就采用同相比例運(yùn)算進(jìn)行兩級(jí)放大。下面對(duì)同相比例運(yùn)算電路進(jìn)行定量分析：4-44-54-6而4-74-8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(yùn)算關(guān)系，比例系數(shù)由與的值決定。與集成運(yùn)放本身的參數(shù)無關(guān)。因?yàn)檩斎攵送ㄟ^集成運(yùn)放的輸入電阻接地，故同相比例運(yùn)算電路的輸入電阻很大，的大小對(duì)信號(hào)源影響不大，但如果太小，當(dāng)很小時(shí)，會(huì)影響輸出電壓。若要獲得閉環(huán)電壓放大倍數(shù)，由電壓放大倍數(shù)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(shí)同相比例運(yùn)算電路稱為電壓跟隨器。4.4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7所示：圖7電源電路圖電路工作原理：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(gè)紅外測(cè)距模塊使用。各部分的工作原理：?jiǎn)蜗鄻蚴秸麟娐窐蚴秸麟娐啡鐖D7所示，4個(gè)整流二極管組成一個(gè)電橋，變壓器的次級(jí)和電容C5分別接到電橋的兩個(gè)對(duì)角線的兩端，橋式整流工作原理當(dāng)變壓器的次級(jí)處于正半周期時(shí)，二極管VD1、VD3導(dǎo)通，VD2、VD4截止，當(dāng)變壓器的次級(jí)處于負(fù)半周期時(shí)，二極管VD2、VD4導(dǎo)通，截止VD1、VD3，R1上所加電壓為U0，經(jīng)整流后，電流由交流電變?yōu)橹绷麟?。以上分析可知，橋式整流電路的整流平均值比半波整流時(shí)增加1倍，即4-12通過負(fù)載電阻的直流也增加1倍，即4-13因?yàn)槊績(jī)蓚€(gè)二極管串聯(lián)輪換半個(gè)周期，因此，每個(gè)二極管中流過的平均電流只有負(fù)載電流的一半，即4-14整流二極管承受的最大反向電壓4-15因?yàn)閱蜗鄻蚴秸麟娐吩谧儔浩鞔渭?jí)電壓相同情況下，輸出電壓平均值高，脈動(dòng)系數(shù)小，雖然二極管用了4個(gè)，但小功率二極管體積小，價(jià)格低廉，因此全波橋式整流得到廣泛應(yīng)用。濾波電路整流輸出的電壓是一個(gè)單方向脈動(dòng)電壓，雖然是直流，但脈動(dòng)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(dòng)性，常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波、復(fù)式濾波等，此處采用電容濾波。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(fù)載兩端的電壓也不會(huì)突變，使輸出電壓得以平滑，達(dá)到濾波目的。7805穩(wěn)壓電路通過整流濾波電路所獲得的直流電源電壓是比較穩(wěn)定的，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載電流變化時(shí)，輸出電壓會(huì)隨之改變。電子設(shè)備一般都需要穩(wěn)定的電源電壓。如果電源電壓不穩(wěn)定會(huì)引起直流放大器的零點(diǎn)漂移、交流燥聲增大、測(cè)量?jī)x表的測(cè)量精度降低等。因此，必須進(jìn)行穩(wěn)壓，目前，中小功率設(shè)備中廣泛采用的穩(wěn)壓電源有并聯(lián)型穩(wěn)壓電源、串聯(lián)型穩(wěn)壓電源、集成穩(wěn)壓電路及開關(guān)型穩(wěn)壓電路。在此電路中我們采用集成穩(wěn)壓器78057805穩(wěn)壓電路如圖8所示:圖87805集成穩(wěn)壓電路型號(hào)7805穩(wěn)壓器中，78表示輸出為正電壓值，05表示輸出電壓的穩(wěn)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(tài)負(fù)載響應(yīng)特性。因?yàn)橐筝敵鲭妷簽?V，所以選擇7805集成穩(wěn)壓器。4.5數(shù)碼管顯示電路圖9數(shù)碼管顯示電路圖(a)電路組成：LED動(dòng)態(tài)顯示電路如圖9所示，ASBUSA的數(shù)據(jù)輸出口PC0～PC7與74LS373的數(shù)據(jù)輸入口D0～D7連接，74LS373輸出的高四位Q4～Q7經(jīng)74LS247譯碼與DS2相連，低四位Q0～Q3經(jīng)74LS247譯碼與DS1相連，兩個(gè)LED可顯示10～80的距離值。(b)電路工作原理:ASBUSA的數(shù)據(jù)輸出口PC0～PC7輸出距離的BCD碼，經(jīng)74LS373鎖存后，高四位Q4～Q7經(jīng)74LS247譯碼為相應(yīng)的斷碼由七段碼顯示管顯示十位數(shù)，低四位Q0～Q3經(jīng)74LS247譯碼為相應(yīng)的斷碼由七段碼顯示管顯示個(gè)位數(shù)，因此距離可由兩個(gè)LED顯示管顯示出來。五、軟件模塊設(shè)計(jì)5.1程序設(shè)計(jì)步驟在系統(tǒng)硬件已經(jīng)確定的情況下，程序設(shè)計(jì)為:①分析問題：熟悉和明確問題的要求、已知條件及對(duì)運(yùn)算控制的要求，準(zhǔn)確地規(guī)定程序?qū)⒁瓿傻娜蝿?wù)。②確定算法：根據(jù)設(shè)計(jì)問題的要求和指令系統(tǒng)特點(diǎn)，選擇解決問題的方法。③設(shè)計(jì)程序流程圖：直觀、清晰地體現(xiàn)程序的設(shè)計(jì)思想。④分配內(nèi)存單元：確定程序和數(shù)據(jù)區(qū)的起始地址。⑤編寫源程序：根據(jù)流程圖和指令系統(tǒng)編寫源程序。⑥調(diào)試源程序：先將源程序通過匯編生成目標(biāo)文件，并消除語法錯(cuò)誤，然后在用戶板上調(diào)試，達(dá)到預(yù)定要求。5.2軟件設(shè)計(jì)框圖：開始開始顯示子程序A/D轉(zhuǎn)換子程序單片機(jī)初始化電壓—距離轉(zhuǎn)換子程序精度計(jì)算子程序圖10軟件設(shè)計(jì)框圖當(dāng)68HC11E1單片機(jī)接收到紅外接收電路傳輸?shù)碾妷盒盘?hào)后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換程序，將片外的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)電壓—距離轉(zhuǎn)換子程序，將變化的電壓轉(zhuǎn)換為距離。最后，在LED顯示器上顯示出來。5.3紅外測(cè)距A/D轉(zhuǎn)換程序/*紅外測(cè)距，-1表示超出測(cè)量范圍*/intdata[15]={129,93,69,56,49,42,37,34,31,29,27,26,25,23,21};distance[15]={10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80}voidmain(){intiIr=0;dis=0.0;while(1){iIr=analogport(5);dis=GetDistance(iIr);write(OX4000,dis);printf(“%d\n”,dis)wait(0.5)}}intGetDistance(intiIr);{intiret;if(iIr>data[0]︱︳iIr<data[14])ret=-1;else{for(i=0;i<15;i++){if(iIr==data[i]){ret=distance[i];break;}elseif(iIr>data[i]){ret=(iIr-data[i-1])*(distance[i]-distance[i-1])/(data[i]-data[i-1])+distance[i-1]break;}}}returnret;}六、測(cè)量精度分析紅外傳感器由發(fā)送器和接收器兩部分組成，在發(fā)送器和接收器之間有一定的有限視場(chǎng)。傳感器只能檢測(cè)到那些位于發(fā)射器視場(chǎng)和接收器視場(chǎng)的交叉區(qū)域內(nèi)的障礙物，因此，單個(gè)的紅外接近覺傳感器不可避免地存在多個(gè)盲區(qū)。大部分紅外接收器在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)有障礙物時(shí)輸出低電壓信號(hào)，反之輸出高壓信號(hào)。某些類型的物體有可能誤導(dǎo)紅外接收器，其中包括表面發(fā)亮的物體，光線吸收能力強(qiáng)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(fā)送器反射至接收器的物體。如果采用多個(gè)紅外發(fā)送器和接收器就可以減少盲區(qū)的數(shù)量。由于發(fā)送器和接收器