基于51单片机的红外测仪

【摘 要】 本系统是基于51单片机的一款测量精度为0.1毫米红外测距仪。本系统采用能量测距原理，通过红外接收模块将采集的光信号转化成电信号，再经信号放大，A/D采样将信号转化为数字信号输入单片机中，通过编写相应的程序实现自动测量功能，通过显示电路显示出结果。并在超出系统测试范围时进行警报。

【关键词】 红外 测距

当前主流测距方法主要有三种：传统测量、激光测量、红外测量、超声波测量。传统测量方法需要话费大量人力时间，且精度和范围都无法达到高标准要求。激光测距虽在测量范围和时间上有一定优势，但对操所人员的技能要求较高容易出现安全事故，且制做的难度较大，成本较高。超声波测距误差较大环境温度、湿度、海拔高度等都可能对其造成影响。红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波，因此，它不仅具有可见光直线传播、反射、折射等特性，还具有微波的某些特性，如较强的穿透能力和能贯穿某些不透明物质等。故在未来的发展中红外测距技术必将拥有广阔的应用前景。

本文提供一种用51单片机解决短距高精度红外测距的方法。此系统精度高电路简单，用51c编程易懂且方便移植。降低了调试难度且增加了初学者的可操作性。

1 方案论证与比较

目前在红外测距领域中，主要有应用一下三种测距法：时间差测距法、放射能测距法和相位测距法。这三测距法原理如下

1.1 时间差测距法原理

红外线发射器发射出有频率的红外线，经障碍物反射，红外线接收器接收到反射波信号，并将其转变为电信号。测出发射波与接收到反射波的时间差，即可求出距离s，但是经过计算这个方法并不合理，红外线的传播速度为310^8m/s，单片机要想反应的过来的话，处理速度至少在GHz以上，很显然是不可能的，所以是无法根据时间测出距离的。

1.2 反射能量法原理

反射能量法：仪器发射一束光（通常是近红外光）照射到被障碍物表面，同时红外接收管接收障碍物的反射光能量，传播距离越远，光强就越弱，所以根据接收到的反射光能量来判断被测物体的距离。

1.3 相位测距法原理

2 系统总体设计方案

通过发射系统，发射红外信号，由障碍物反射回来的红外线回波作用在红外接收管上，转变为电脉冲信号，经运算放大器放大后，由ADC0804采样并转化为表示电压的数值，最后经过运算得到目标距离，最终通过显示电路显示测量结果。

本系统主要包括部分：红外发射模块、红外接收模块、信号放大模块、相位反相模块、A/D采样模块、最小系统、显示模块、警报模块。如图1、图2。

2.1 系统电路

2.1.1 红外发射电路

在NE555的第6脚和第7脚之间接有W1、W2、R2、D1和D2组成的调节网络，实现连续调节占空比并能调节振荡频率的功能。对C1充电时，电流是通过R1、D1、W2和W1，放电时，通过W1、W2、D2和R2。当R1=R2，W2调到中心点或不用W2时，闪充放电时间基本相等，其占空比约为50%，此时调节W1仅改变频率，占空比不变。若W2调节偏离中心点，再调节W1，不仅振荡频率改变了，面对占空比也有影响。W1不变，调节W2时，仅可改变占空比面对频率无影响。输出端通过R3限流后去驱动两个串联在一起的红外发射管。因此，为扩大测量范围，本系统用两个红外发射管串联来增大红外覆盖角度，采用信号叠加的办法提高发射功率，以提高红外线的传输距离。

Vout1主要用于接收电路的第二个运算放大器中“被减数”。

2.1.2 红外接收电路

红外发光管发射出的红外光，在遇到前面的障碍物反射后，由红外接收管接收。此时接收管会产生一个与光强相对应的电流。第一级运算放大器的负反馈电路中有电位器，即放大倍数可调节，信号经过第一级运算放大器后，输出信号再输入到由减法器构成的第二级运算放大器中。如图4。得到的信号经过A/D转换后输入单片机处理，最终通过显示模块显示出来。仿真结果如图5。

2.1.3 相位转向电路

如图6，Vout1输入到LM358中进行相位的反转，以便于在接收电路中的第二个运放中进行减法运算。因NE555输出的方波由红外接收二极管接收到了后相位会改变方向，则需Vout1也相位反转以便于做减法运算。又NE555输出的电压有2.5V左右，已经超过运算放大器的运算范围，故可以直接输入到运算放大器的负极。

2.1.4 AD转换电路

本系统中采用8位的ADC0804，如图7。ADC0804是属于连续渐进式（SuccessiveApproximationMethod）的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。

2.1.5 报警电路

红外接收传感器接收到反射回来的红外光，通过光强转换的电压可判断出测试点与障碍物之间的距离，当测试点与障碍物之间的距离超出测试范围时，通过软件编程实现，由51单片机给报警电路的输入口输出一个电压信号，这时PNP三极管导通，有电流流过扬声器，使扬声器发出报警信号。如图8。

2.2 统软件设计

红外系统被启动后，首先，对51单片机进行初始化。其次，当51单片机接收到红外接收电路传输的电压信号后，经A/D转换程序，将片外的模拟信号转换为单片机可识别的数字信号，并经电压—距离转换子程序，将变化的电压转换为距离。最后，在动态扫描1602液晶上显示出来。流程图如图9。

3 结语

以上电路经实际测试检验，性能稳定可靠，精度完全符合预期要求。随着电子技术的不断提高和进步。运算放大器的集成化、红外传感器灵敏度和处理能力在不断地提高，可进一步提高其测量距离和测量精度。

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