【正文】 優(yōu)點(diǎn)，而且測量效果好適合在小范圍內(nèi)高精度測量物體的實(shí)時(shí)距離。 表 1 紅外傳感器 GP2Y0A21 技術(shù)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(jī)型號(hào)為 STM32F103RBT6， 其中 STM32 代表ARM CortexM 內(nèi)核 32 位微控制器； F 代表芯片子系列； 103 代表增強(qiáng)型系列； R 表示芯片有 64 個(gè)引腳； B 代表內(nèi)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℃ 。 tLc?? （ 21） 式中 c 是光的傳播速度為 83 10 m/s? 。 3PLKd??????? （ 22） 式中 P 為接收端接收到的能量， K 為常數(shù)，其大小由發(fā)射系統(tǒng)輸出功率、轉(zhuǎn)換效率決定， d 為被測目標(biāo)漫反射率。見公式（ 23）。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 三角法測距原理 三角法測距原理是由一個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè) PSD（ Position Sensing Device 位置敏感檢測裝置）以及相應(yīng)的計(jì)算電路來實(shí)現(xiàn) 的。如圖 1 所示。而兩個(gè)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(shí)便可運(yùn)用三角函數(shù)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(jié)構(gòu) 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(jī)處理模塊、 LCD 顯示模塊三大部分組成。 物 體單 片 機(jī) 處 理 模 塊L C D 顯 示 模 塊紅 外 傳 感 器 模 塊紅 外 發(fā) 射 端紅 外 接 收 端 圖 2 紅外測距系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 圖 3 為紅外測距系統(tǒng)整體硬件原理圖，對應(yīng)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(jī)，紅外傳感器及 LCD 液晶顯示屏分別接收單片機(jī)發(fā)出的指令來實(shí)現(xiàn)各自的功能，最后結(jié)合各個(gè)部分的功能來實(shí)現(xiàn)整個(gè)紅外測距系統(tǒng)的運(yùn)作。 GND1Vout2VCC3GP2Y0A21VoutVSS1VDD2VL3RS4R/W5E6DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714BLA15BLK16LCD1602PA0PA1PA2PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7VCC10kR0VCCBOOT060NRST7OSC_IN/PD05OSC_OUT/PD16PA0WKUP14PA115PA216PA317PA420PA521PA622PA723PA841PA942PA1043PA1144PA1245PA13/JTMS/SWDIO46PA14/JTCK/SWCLK49PA15/JTDI50PB026PB127PB2/BOOT128PB3/JTDO55PB4/JNTRST56PB557PB658PB759PB861PB962PB1029PB1130PB1233PB1334PB1435PB1536PC08PC19PC210PC311PC424PC525PC637PC738PC839PC940PC1051PC1152PC1253PC13TAMPERRTC2PC14OSC32_IN3PC15OSC32_OUT4PD254VBAT1VDD_132VDD_248VDD_364VDD_419VDDA13VSS_131VSS_247VSS_363VSS_418VSSA12U1STM32F103RBT612Y28Mhz1 2Y1VoutPC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7PA0PA1PA2PA7C9104BOOT0RESETC122PC222PR91MC322PC422PC510ufC6104100uHL1D24148D14148BAT1 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(hào)為 GP2Y0A21 的紅外傳感器。此紅外傳感器一共有三個(gè)引腳，其中 VCC（電源電壓）為信號(hào)接入，接入電源電壓為 ，單片機(jī) 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，此引腳輸出的模擬電壓值為 ，相對應(yīng)的距離范圍是 8010 ㎝。 即STM32 單片機(jī)內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)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(shí)測輸出曲線圖，以便在實(shí)際測量的過程中獲得真實(shí)準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。 圖 5 夏普 GP2Y0A21 輸出曲線 單片機(jī)處理模塊 STM32 單片機(jī)是 ST（意法半導(dǎo)體）公司基于 ARM 最新 CortexM 架構(gòu)內(nèi)核的 32 位處理器產(chǎn)品，內(nèi)置 128KB 的 Flash、 20K 的 RAM、 12 位A/D 轉(zhuǎn)換、 4 個(gè) 16 位定時(shí)器和 3 路 USART 通訊口等多種功能資源，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)到 72MHz。本論文所研究的紅外測距系統(tǒng)應(yīng)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(jī)外加電源為 +，內(nèi)部工作電源為 +，紅外傳感器的工作電壓為 ，直接接到單片機(jī)+ 上即可，液晶顯示屏 LCD1602 的電源電壓為 +。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 表 2 紅外測距系統(tǒng)各引腳功能 符號(hào) 引腳名稱 連接對象及功能 23 PA7 連接紅外傳感器 Vout 引腳，作為單片機(jī)的模擬電壓輸入。 15 PA1 連接 LCD1602 的 R/W 引腳，作為 LCD 的輸入引腳，接收判斷來自單片機(jī)的高低電平，然后選擇寫入指令 /數(shù)據(jù)或者讀取信息。 8 PC0 連接 LCD1602 的 DB0 引腳，作為 LCD 的輸入 /輸出引腳，并在單片機(jī)與 LCD 之間傳輸數(shù)據(jù)。 10 PC2 連接 LCD1602 的 DB2 引腳，作為 LCD 的輸入 /輸出引腳，并在單片機(jī)與 LCD 之間傳輸數(shù)據(jù)。 24 PC4 連接 LCD1602 的 DB4 引腳，作為 LCD 的輸入 /輸出引腳，并在單片機(jī)與 LCD 之間傳輸數(shù)據(jù)。 37 PC6 連接 LCD1602 的 DB6 引腳，作為 LCD 的輸入 /輸出引腳，并在單片機(jī)與 LCD 之間傳輸數(shù)據(jù)。 STM32 單片機(jī)的最小工作系統(tǒng)，顧名思義就是可以使單片機(jī)工作起來同時(shí)由最少的器件構(gòu)成的系統(tǒng)。 STM32 單片機(jī)最小工作系統(tǒng)包括以下四部分： 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 電源系統(tǒng) VCC1D2D+3GND4U4USB_232VCC1D2D+3GND4U8USB1 2 3P2S2S1GND1VCC2U6CRTGND125V3U7AMS1117R1422R1522R1922R13R18PL2302_DPL2302_D+R2022USB_DUSB_D+C1333pF10uFC12D14148D24148VBATC1110uF 圖 7 電源系統(tǒng)工作原理圖 如圖 7 所示， STM32 單片機(jī)的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)還是比較簡單、易懂、方便使用理解的。當(dāng)單片機(jī)開發(fā)板得到 +5V 的電源后，一路經(jīng)電解電容 C12 濾波以后會(huì)更加穩(wěn)定的從 C12 正極輸出，供給單片機(jī)開發(fā)板所需要的地方；另一路直接接入 U7（ U7 是一個(gè)型號(hào)為 AMS1117 的穩(wěn)壓芯片，作用就是把 +5V 的電壓穩(wěn)壓成 + 的電壓）的 3 引腳上，經(jīng)過U7 穩(wěn)壓以后由 2 引腳直接輸出 + 電源，一路經(jīng)電容 C11 濾波以后，作為單片機(jī)開發(fā)板的電源使用或者作為開發(fā) 板其它器件的 + 電源使用；另一路經(jīng)過電容 C13 濾波以后，作為單片機(jī)開發(fā)板 A/D 轉(zhuǎn)換模塊供電電壓。本開發(fā)板運(yùn)用的是外接電路來手動(dòng)復(fù)位，如圖 8 所示， STM32 單片機(jī)采用低電平復(fù)位，使復(fù)位開關(guān) RESET 按下單片機(jī)接入低電平即完成復(fù)位操作。STM32 單片機(jī)的時(shí)鐘系統(tǒng)比較復(fù)雜，由于單片機(jī)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外設(shè)模塊又非常多，而需要很高的系統(tǒng)時(shí)鐘的模塊又在少數(shù)，同時(shí)為了降低時(shí)鐘功耗減少電磁干擾，單片機(jī)一般都采取多種時(shí)鐘控制方法。 （ 2）內(nèi)部的 8MHz RC 高速振蕩器產(chǎn)生的 8MHz 的時(shí)鐘信號(hào)另一路經(jīng)過一個(gè) 1/2 分頻器變成了 4MHz 的時(shí)鐘信號(hào)加到了 PLLSRC（ PLLSRC 是由 STM32 單片機(jī)的時(shí)鐘配置寄存器的第 16 位來控制的）這個(gè)選擇開關(guān)上，如果時(shí)鐘配置寄存器的第 16 位寫入一個(gè) 0 的話，內(nèi)部的 8MHz RC 高速振蕩器產(chǎn)生的 8MHz 的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過 1/2 分頻器變成 4MHz 的時(shí)鐘信號(hào)，就會(huì)成功的通過開關(guān) PLLSRC，然后到達(dá) STM32 單片機(jī)的鎖相環(huán)PLL 倍頻器（倍頻器就是起到一個(gè)倍頻的作用，通過對時(shí)鐘配置寄存器的第 1821 位來配置），如果對時(shí)鐘配置寄存器第 2118 位寫入 0110，則就是 8 倍頻輸出，之前 PLL 輸入的為 4MHz 時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng) 8 倍頻以后就輸出32MHz 的時(shí)鐘信號(hào)了。 （ 3）在外部 8MHz 的晶振下和內(nèi)部的振蕩電路的結(jié)合下會(huì)產(chǎn)生相對穩(wěn)定的 8MHz 的系統(tǒng)時(shí)鐘。另一路是首先通過一個(gè)選擇開關(guān)PLLXTPRE（ PLLXTPRE 是由時(shí)鐘配置寄存器的第 17 位來控制的），如若PLLXTPRE 被寫入 0，這時(shí) 8MHz 的時(shí)鐘信號(hào)就會(huì)通過此開關(guān)到達(dá)開關(guān)PLLSRC；如若 PLLXTPRE 被寫入 1，這時(shí) 8MHz 的時(shí)鐘信號(hào)就會(huì)通過對PLLSRC 的設(shè)置然后通過鎖相環(huán) PLL 倍頻器的擴(kuò)展加到 SW 上，通過 SW后形成相應(yīng)系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)。 從以上的介紹可以看出 STM32 單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘是很復(fù)雜的，需要很多寄存器的配置，而每個(gè)寄存器又有很多位的配置等等要求，但是時(shí)鐘系統(tǒng)卻又是單片機(jī)工作起來必不可少的部分，所以更詳細(xì)的學(xué)習(xí)應(yīng)該對我們來說是非常必要的。 12Y28Mhz12Y3C122PC922PC222P1MR3X1X21MR11C1022PRTCX1RTCX2 圖 9 晶振電路（左） 時(shí)鐘晶振電路（右） 程序下載電路 在某些定義中，程序下載電路不被定義為單片機(jī)的最小工作系統(tǒng)，而本論文所運(yùn)用到的下載電路是 USB 下載電路。由于本論文研究的紅外測距系統(tǒng)重點(diǎn)應(yīng)用 USB 下載電路，相對于 JTAG/SWD 下載的原理這里就不詳細(xì)介紹，其工作原理圖如圖 10 所示。 STM32 單片機(jī)主要是采用串口通信的工作原理，串行通信就是指數(shù)據(jù)一位一位地按順序傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，最簡單的串口通信電路只需?2 根信號(hào)線和一根地線 皆可以完成，大幅度地降低了使用成本且能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。由圖 11 可以看出，從 PL2303 輸出的信號(hào)直接連接到單片機(jī)的USART1 這個(gè)串口模塊上，實(shí)現(xiàn)了 USB 轉(zhuǎn)串行通信的連接。 ADC 模塊是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換 器，具有 18 個(gè)通道（ 16 個(gè)外部信號(hào)源和 2 個(gè)內(nèi)部信號(hào)源），也具有自校驗(yàn)功能，在任何條件下都能保證較高的轉(zhuǎn)換精度。 （ 2）分辨率，是指數(shù)字量最低位代表的模擬量數(shù)值大小。 （ 3）轉(zhuǎn)換精度，是指轉(zhuǎn)換結(jié)束后所得的結(jié)果相對于實(shí)際值的準(zhǔn)確度，可用滿量程的百分?jǐn)?shù)來表示。以 ADC1為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換功能，首先需要對 ADC 模塊的輸入通道進(jìn)行了解， STM32 單片機(jī)的 A/D 轉(zhuǎn)換通道很多，共有 18 路，本論文應(yīng)用的是通道 7（ PA7）來實(shí)現(xiàn)對 Vout 的模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換。再者就是以什么樣方式來啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換，如單片機(jī)的定時(shí)捕獲、 EXTI 線中斷等等。最后就是把通過 A/D 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器，等待下一次轉(zhuǎn)換或者結(jié)束。從紅外測距系統(tǒng)啟動(dòng)開始，到單片機(jī)初始化，再到測量距離的實(shí)施，最后到 LCD 的顯示，如果A/D 轉(zhuǎn)換功能癱瘓，就意味著單片機(jī)與紅外傳感器的溝通橋梁斷掉，也