【正文】 之多，一個共有64個擴展I/O口，方便外接工作模塊，這里就不一一介紹了。圖5為本論文使用的紅外傳感器GP2Y0A21實測輸出曲線。圖4 GP2Y0A21引腳圖根據紅外傳感器的電壓和相對應的距離測量值可知，夏普GP2Y0A21系列的紅外傳感器輸出曲線是非線性的，且每個型號的紅外傳感器輸出曲線都不相同。此引腳需要接入單片機處理模塊中的多路A/D轉換通道上的任意一路上。引腳圖如圖4所示。對于單片機、紅外傳感器、LCD液晶顯示屏的工作原理及實現(xiàn)功能在下文會一一對其進行介紹。如圖2所示。本論文就是采用此原理來實現(xiàn)對物體距離的測量。圖1 三角法測距原理紅外測距傳感器首先通過紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，遇到障礙物反射回來落在PSD上形成了一個等腰三角形。而夏普公司的PSD具有更優(yōu)良的性能，它可以檢測到光點落在它上面微小的位移，分辨率達微米，紅外傳感器GP2Y0A21正是利用了這個特性來實現(xiàn)對目標物體距離的精確測量。 （23）式中c是光的傳播速度為， 是調制信號的角頻率。 相位法測距原理相位測距法是利用無線電波段的頻率，對紅外激光束進行幅度調制并測定調制光往返一次所產生的相位延遲 ，再根據調制光的波長，換算出此相位延遲所代表的距離D，此方式測量精度非常之高，相對誤差可以保持在百分之一以內，但要求被測目標必須能主動發(fā)出無線電波產生相應的相位值。 反射能量法測距原理反射能量法是由發(fā)射控制電路控制發(fā)光元件發(fā)出信號（通常為紅外線）射向目標物體，經物體反射后傳回系統(tǒng)的接收端，通過光電轉換器接收的光能量大小進而計算出目標物體的距離L，見公式（22）。第2章 紅外測距系統(tǒng)硬件設計 紅外測距系統(tǒng)的工作原理 時間差法測距原理 時間差法測距原理是將紅外測距傳感器的紅外發(fā)射端發(fā)送信號與接收端接受信號的時間差t寫入單片機中，通過光傳播距離公式來計算出傳播距離L，見公式（21）。電源電壓平均功耗3340mA峰值功耗200mA更新頻率/周期25Hz/40ms模擬輸出噪聲200mV單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)。紅外傳感器GP2Y0A21技術規(guī)格如表1所示。本論文選用的紅外測距傳感器GP2Y0A21是由日本夏普公司推出的一款性價比高、最常用的紅外測距傳感器，與其前身GP2D12相比，測量射程相同，但探測面積略有增加，可用來對物體的距離進行測量。（4）紅外測距系統(tǒng)。（2）搜尋和鎖定系統(tǒng)，具有尋找和鎖定紅外目標的功能，確定其空間位置并對它的運動進行追蹤。紅外測距傳感器是以紅外線為傳輸介質的精確測量系統(tǒng)，主要應用于現(xiàn)代科學技術、國防軍隊建設、工業(yè)和農業(yè)等領域。不易被云霧等懸浮微粒散射而具有較強的穿透力。它不能引起人的視覺反應，有顯著的熱效應（易被物體吸收而轉化為內能）。以波長長度為基準，紅外線可分為三部分，即近紅外線是波長為㎜之間；中紅外線是波長為㎜之間；遠紅外線是波長為㎜之間。紅外測距儀是指用調制的紅外光進行精密的距離測量，測量范圍一般為15公里，在100米以內的范圍內則超聲波測距更有優(yōu)勢，但是超聲波測距無法檢測到1米以內的區(qū)域距離，而紅外測距可以精準的測出這一段距離，本論文研究的就是這一種情況的紅外線測距。紅外測距最早出現(xiàn)于上世紀60年代，是一種以紅外線作為傳輸介質的測量方法。超聲波測距原理與激光測距原理相似，只不過是以聲音為傳輸介質，但是此方法靈活性差、組件造價相對昂貴，在市場開拓空間并不大。該方法對使用環(huán)境要求較高，應用范圍較少。激光測距是以激光為傳輸信號對目標物體進行精確的測量。關鍵詞　紅外測距；單片機；A/D轉換；LCDSTM32based infrared ranging system designAbstractWith the development of modern science and technology, there are many new areas, in order to achieve the object close range, highprecision wireless measurement，this topic of infrared ranging is studied. This topic using SCM as the processor, to write A/D converter and LCD display program, an infrared sensor as a working module, plete set of precision display, realtime measurement of infrared ranging system. This system has the advantages of simple structure, small size and high accuracy, low cost and convenient use.This paper introduced is based STM32 microcontroller and use of Japan39。首先，介紹紅外線及紅外傳感器的分類及應用、STM32單片機的簡介與功能；其次，闡述紅外測距系統(tǒng)工作原理及基本結構并對單片機、紅外傳感器、LCD液晶顯示屏的工作電路做了介紹；再次，對系統(tǒng)進行了整體設計構想，先后對系統(tǒng)硬件及軟件進行設計，并對整個系統(tǒng)的功能進行了調試。本系統(tǒng)結構簡單、體積小、測量精度高、成本低、方便使用。哈爾濱理工大學學士學位論文基于STM32的紅外測距系統(tǒng)設計摘 要隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的領域，為了實現(xiàn)對物體近距離、高精度的無線測量，本論文對紅外測距領域進行了研究。本論文采用單片機作為處理器，編寫A/D轉換程序及LCD顯示程序，紅外傳感器作為工作模塊，完成一套高精度顯示、實時測量的紅外測距系統(tǒng)。本論文所介紹的是一種基于STM32單片機并運用日本夏普公司型號為GP2Y0A21的紅外傳感器所設計的紅外測距系統(tǒng)。最后對整個設計進行總結，說明紅外測距系統(tǒng)實現(xiàn)的可行性。s Sharp Corporation model GP2Y0A21 infrared sensor designed infrared ranging system. Firstly, introduce the classification and application of infrared distance measurement，it also introduces the function of STM32 microcontroller. Then illustrate the work theory and basic structure of it and introduce the LCD screen and work circuit. Again, the system has carried on the overall design idea, successively on the system hardware and software design, and probes into the function of the whole system debugging. Finally, summarize the entire design to illustrate the feasibility of infrared distance measurement.Keywords　 Infrared range, SCM, A/D converter, LCD II 目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 4 課題研究背景及意義 4 本論文主要研究內容 4第2章 紅外測距系統(tǒng)硬件設計 6 紅外測距系統(tǒng)的工作原理 6 時間差法測距原理 6 反射能量法測距原理 6 相位法測距原理 6 三角法測距原理 7 紅外測距系統(tǒng)的基本結構 7 紅外傳感器模塊 8 單片機處理模塊 9 LCD顯示模塊 16 本章小結 17第3章 紅外測距系統(tǒng)的軟件設計及功能調試 18 紅外測距系統(tǒng)工作流程 18 軟件程序設計 19 硬件功能調試 19 軟件功能調試 20 測量數據繪圖 20 本章小結 23結論 25致謝 26參考文獻 27附錄A 29附錄B 35附錄C 38 III 第1章 緒論 課題研究背景及意義隨著科學技術的不斷發(fā)展，在測距領域也先后出現(xiàn)了激光測距、微波雷達測距、超聲波測距及紅外線測距等方式。激光測距在工作開始瞬間向物體發(fā)射出一束很細的激光，并由接受端接收物體反射回來的激光束，同時計時器通過測定激光束從發(fā)射到接收的時間進而計算出從測量者到物體的距離。微波雷達測距是軍事和工業(yè)上開發(fā)采用的技術，其技術要求嚴格和設備價格非常之高，在民用市場上幾乎得不到應用。作為一種應用廣泛、測量精度高的測量方式，紅外測距利用紅外線傳播時不擴散、折射率小的特性，根據紅外線從發(fā)射模塊發(fā)出到被物體反射回來被接受模塊接受所需要的時間，采用相應的測距公式來實現(xiàn)對物體距離的測量。紅外測距的研究有著非比尋常的意義，其本身具有其他測距方式沒有的特點，技術難度相對不大，系統(tǒng)構成成本較低、性能良好、使用方便、簡單，對各行各業(yè)均有著不可或缺的貢獻，因而其市場需求量更大，發(fā)展空間更廣。 本論文主要研究內容紅外線別名紅外光或者熱輻射線，是一種波長比紅色可見光（約㎜）較長、比微波（約㎜）較短的電磁波。物質本身溫度在不低于絕對零度（℃）的情況下均可以產生紅外線。能產生反射、折射、干涉、衍射等光學現(xiàn)象。憑借著諸多優(yōu)點，紅外線在軍事、人造衛(wèi)星以及工業(yè)、衛(wèi)生、科研等工作領域方面的應用日益廣泛，有著不可替代的作用及研究價值。按照其功能可以分為五種類型：（1）輻射計，又稱“發(fā)射計”，是一種用于電磁輻射和光譜測量的裝置。（3）熱成像系統(tǒng)，通過輻射的分布圖像。（5）綜合系統(tǒng)，是集于兩個或者多個的系統(tǒng)功能的組合系統(tǒng)。具有體積小、功耗低、價格便宜等優(yōu)點，而且測量效果好適合在小范圍內高精度測量物體的實時距離。表1 紅外傳感器GP2Y0A21技術規(guī)格測量射程范圍1080cm最大允許角度40176。本論文選用的單片機型號為STM32F103RBT6，其中STM32代表ARM CortexM內核32位微控制器；F代表芯片子系列；103代表增強型系列；R表示芯片有64個引腳；B代表內嵌Flash容量為128K字節(jié)；T代表芯片封裝為LQFP封裝；6代表工作溫度范圍為40—85℃。 （21）式中c是光的傳播速度為 。 （22）式中P為接收端接收到的能量，K為常數，其大小由發(fā)射系統(tǒng)輸出功率、轉換效率決定，d為被測目標漫反射率。見公式（23）。 三角法測距原理三角法測距原理是由一個紅外發(fā)射管和一個PSD（Position Sensing Device 位置敏感檢測裝置）以及相應的計算電路來實現(xiàn)的。如圖1所示。而兩個底角是固定的，由發(fā)射管來確定，且紅外發(fā)射管到PSD的距離為已知，此時便可運用三角函數來推算出高，即我們要測量的距離。 紅外測距系統(tǒng)的基本結構紅外測距系統(tǒng)主要有紅外傳感器模塊（包括紅外發(fā)射端和紅外接收端兩部分）、單片機處理模塊、LCD顯示模塊三大部分組成。圖2 紅外測距系統(tǒng)基本結構圖3為紅外測距系統(tǒng)整體硬件原理圖，對應系統(tǒng)組成的三大部分，由圖可知，系統(tǒng)工作核心為單片機，紅外傳感器及LCD液晶顯示屏分別接收單片機發(fā)出的指令來實現(xiàn)各自的功能，最后結合各個部分的功能來實現(xiàn)整個紅外測距系統(tǒng)的運作。圖3 紅外測距系統(tǒng)硬件工作原理圖 紅外傳感器模塊本模塊選用的是由日本夏普公司研發(fā)的型號為GP2Y0A21的紅外傳感器。此紅外傳感器一共有三個引腳，其中VCC（電源電壓）為信號接入，單片機5V工作電壓即可；GND為接地引腳，連接地線即可；Vout為模擬電壓輸出引腳，相對應的距離范圍是8010㎝。即STM32單片機內部A/D轉換通道的PA7引腳上。所以對所使用紅外傳感器的矯正是必須要做的，創(chuàng)建出一張實測輸出曲線圖，以便在實際測量的過程中獲得真實準確的測量數據。圖5 夏普GP2Y0A21輸出曲線 單片機處理模塊STM32單片機是ST（意法半導體）公司基于ARM最新CortexM架構內核的32位處理器產品，內置128KB的Flash、20K的RAM、12位A/D轉換、4個16位定時器和3路USART通訊口等多種功能資源，時鐘頻率最高可達到72MHz。本論文所研究的紅外測距系統(tǒng)應用到以下引腳，如表2所示，除了表2所示之外，還有一些電源引腳和接地引腳，在圖上沒有一一列出，在這里需要說明一下的是，單片機外加電源為+，內部工作電源為+，直接接到單片機+，液晶顯示屏LCD1602的電源電壓為+。表2 紅外測距系統(tǒng)各引腳功能符號引腳名稱連接對象及功能23PA7連接紅外傳感器Vout引腳，作為單片機的模