【正文】 擬電壓輸入。15PA1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的高低電平，然后選擇寫入指令/數(shù)據(jù)或者讀取信息。8PC0連接LCD1602的DB0引腳，作為LCD的輸入/輸出引腳，并在單片機與LCD之間傳輸數(shù)據(jù)。10PC2連接LCD1602的DB2引腳，作為LCD的輸入/輸出引腳，并在單片機與LCD之間傳輸數(shù)據(jù)。24PC4連接LCD1602的DB4引腳，作為LCD的輸入/輸出引腳，并在單片機與LCD之間傳輸數(shù)據(jù)。37PC6連接LCD1602的DB6引腳，作為LCD的輸入/輸出引腳，并在單片機與LCD之間傳輸數(shù)據(jù)。STM32單片機的最小工作系統(tǒng)，顧名思義就是可以使單片機工作起來同時由最少的器件構(gòu)成的系統(tǒng)。STM32單片機最小工作系統(tǒng)包括以下四部分：電源系統(tǒng)圖7 電源系統(tǒng)工作原理圖如圖7所示，STM32單片機的供電系統(tǒng)設(shè)計還是比較簡單、易懂、方便使用理解的。當單片機開發(fā)板得到+5V的電源后，一路經(jīng)電解電容C12濾波以后會更加穩(wěn)定的從C12正極輸出，供給單片機開發(fā)板所需要的地方；另一路直接接入U7（U7是一個型號為AMS1117的穩(wěn)壓芯片，作用就是把+5V的電壓穩(wěn)壓成+）的3引腳上，經(jīng)過U7穩(wěn)壓以后由2引腳直接輸出+，一路經(jīng)電容C11濾波以后，作為單片機開發(fā)板的電源使用或者作為開發(fā)板其它器件的+；另一路經(jīng)過電容C13濾波以后，作為單片機開發(fā)板A/D轉(zhuǎn)換模塊供電電壓。本開發(fā)板運用的是外接電路來手動復(fù)位，如圖8所示，STM32單片機采用低電平復(fù)位，使復(fù)位開關(guān)RESET按下單片機接入低電平即完成復(fù)位操作。STM32單片機的時鐘系統(tǒng)比較復(fù)雜，由于單片機本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外設(shè)模塊又非常多，而需要很高的系統(tǒng)時鐘的模塊又在少數(shù)，同時為了降低時鐘功耗減少電磁干擾，單片機一般都采取多種時鐘控制方法。（2）內(nèi)部的8MHz RC 高速振蕩器產(chǎn)生的8MHz的時鐘信號另一路經(jīng)過一個1/2分頻器變成了4MHz的時鐘信號加到了PLLSRC（PLLSRC是由STM32單片機的時鐘配置寄存器的第16位來控制的）這個選擇開關(guān)上，如果時鐘配置寄存器的第16位寫入一個0的話，內(nèi)部的8MHz RC 高速振蕩器產(chǎn)生的8MHz的時鐘信號經(jīng)過1/2分頻器變成4MHz的時鐘信號，就會成功的通過開關(guān)PLLSRC，然后到達STM32單片機的鎖相環(huán)PLL倍頻器（倍頻器就是起到一個倍頻的作用，通過對時鐘配置寄存器的第1821位來配置），如果對時鐘配置寄存器第2118位寫入0110，則就是8倍頻輸出，之前PLL輸入的為4MHz時鐘信號，經(jīng)8倍頻以后就輸出32MHz的時鐘信號了。（3）在外部8MHz的晶振下和內(nèi)部的振蕩電路的結(jié)合下會產(chǎn)生相對穩(wěn)定的8MHz的系統(tǒng)時鐘。另一路是首先通過一個選擇開關(guān)PLLXTPRE（PLLXTPRE是由時鐘配置寄存器的第17位來控制的），如若PLLXTPRE被寫入0，這時8MHz的時鐘信號就會通過此開關(guān)到達開關(guān)PLLSRC；如若PLLXTPRE被寫入1，這時8MHz的時鐘信號就會通過對PLLSRC的設(shè)置然后通過鎖相環(huán)PLL倍頻器的擴展加到SW上，通過SW后形成相應(yīng)系統(tǒng)時鐘信號。 從以上的介紹可以看出STM32單片機的系統(tǒng)時鐘是很復(fù)雜的，需要很多寄存器的配置，而每個寄存器又有很多位的配置等等要求，但是時鐘系統(tǒng)卻又是單片機工作起來必不可少的部分，所以更詳細的學習應(yīng)該對我們來說是非常必要的。圖9 晶振電路（左） 時鐘晶振電路（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的最小工作系統(tǒng)，而本論文所運用到的下載電路是USB下載電路。由于本論文研究的紅外測距系統(tǒng)重點應(yīng)用USB下載電路，相對于JTAG/SWD下載的原理這里就不詳細介紹，其工作原理圖如圖10所示。STM32單片機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?根信號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現(xiàn)遠距離傳輸。由圖11可以看出，從PL2303輸出的信號直接連接到單片機的USART1這個串口模塊上，實現(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個通道（16個外部信號源和2個內(nèi)部信號源），也具有自校驗功能，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)果相對于實際值的準確度，可用滿量程的百分數(shù)來表示。以ADC1為基礎(chǔ)來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能，首先需要對ADC模塊的輸入通道進行了解，STM32單片機的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A/D轉(zhuǎn)換，如單片機的定時捕獲、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)啟動開始，到單片機初始化，再到測量距離的實施，最后到LCD的顯示，如果A/D轉(zhuǎn)換功能癱瘓，就意味著單片機與紅外傳感器的溝通橋梁斷掉，也就是說大腦與肢體的分離，是不能讓整個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)起來的。 LCD顯示模塊本論文所設(shè)計的紅外測距系統(tǒng)最終是要求顯示出測量物體的距離，所應(yīng)用的液晶顯示屏型號為LCD1602。圖12 LCD1602原理圖由圖12可知，LCD1602結(jié)構(gòu)非常簡單、使用方便，共有16個引腳，其每個引腳功能表3所示。 本章小結(jié)本論文所設(shè)計的紅外測距系統(tǒng)是以STM32單片機為核心，應(yīng)用由日本夏普公司研發(fā)的型號為GP2Y0A21的紅外傳感器的測距功能和液晶顯示屏LCD1602的顯示功能。最后通過LCD1602的顯示功能給予顯示，使整個系統(tǒng)更加完美的來完成對物體距離的測量。紅外測距系統(tǒng)工作流程圖如圖13所示。對于STM32單片機來講，可以編譯其的開發(fā)工具有很多，如IAR，KEIL，ADS等等，本論文研究的過程中選擇KEIL進行編程的。LEI MDK集成了業(yè)內(nèi)最先進的技術(shù)，支持ARMARM和最新的CortexM系列內(nèi)核處理器，啟動代碼不需要人工配置，集成Flash燒寫模塊，強大的Simulation設(shè)備模擬，性能分析等功能。紅外測距系統(tǒng)軟件程序主要由主程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、延時函數(shù)、LCD顯示程序等等，在紅外測距系統(tǒng)硬件已經(jīng)確定的情況下，程序設(shè)計步驟為：（1）分析紅外測距系統(tǒng)功能，對已知條件及運算控制的要求進行掌握，準確地編寫出能完成規(guī)定任務(wù)的程序。（3）設(shè)計系統(tǒng)工作流程圖，采用直觀的方式清晰地表達出程序的整體設(shè)計思想。（5）調(diào)試源程序，將編好的程序通過編譯去除語法及功能上的錯誤，然后將程序燒入單片機中以達到最終要求。但是為了更方地使用此款紅外傳感器，在更多商家的研究與開發(fā)下，通過不斷地采集實驗數(shù)據(jù)并對此款傳感器進行曲線擬合，最終實現(xiàn)了輸出曲線近似線性化的處理。 硬件功能調(diào)試單片機處理模塊、紅外傳感器模塊及LCD顯示模塊是紅外測距系統(tǒng)的三大組成，也是硬件設(shè)計中重要的部分，所以在設(shè)計完成后要分別對這三部分進行功能調(diào)試以達到穩(wěn)定的工作要求。（2）檢查開發(fā)板焊接情況，有無虛焊、錯焊等現(xiàn)象。（4）在確定整個開發(fā)板無誤的情況下，先燒入簡單程序試一試開發(fā)板的功能，隨后再燒入紅外測距系統(tǒng)程序。最后，對液晶顯示屏LCD1602模塊進行調(diào)試，在調(diào)試此模塊時，遇到的最大一個問題就是對LCD1602引腳3（VL）功能的忽視，最開始并沒有對此引腳接入相應(yīng)的滑動變阻器，導(dǎo)致了無論怎么調(diào)試程序或者更改硬件都無法顯示最簡單的字符，在不斷地實驗中發(fā)現(xiàn)了這個故障，最終接入相應(yīng)的滑動變阻器并調(diào)整到適當?shù)奈恢?，最終在LCD上得到了顯示的字符。 軟件功能調(diào)試對于紅外測距系統(tǒng)軟件的調(diào)試，主要是對主程序及子程序的調(diào)試，在最開始編寫程序的時候，首先對主函數(shù)進行大致編寫，并逐一加入一些算法公式及相應(yīng)的函數(shù)語句。在硬件電路制作并調(diào)試好以后，便可將編譯后的程序下載到單片機中運行調(diào)試。 測量數(shù)據(jù)繪圖經(jīng)過對紅外測距系統(tǒng)硬件及軟件的調(diào)試后使整個系統(tǒng)能正常運行，接下來就是要對整個系統(tǒng)的功能進行實際測量與驗證。由于我們采用的是擬合后的測量公式，見公式（31），所測量的數(shù)據(jù)曲線會有所不同。 （31）式中R代表測量距離，AD代表輸入單片機的AD轉(zhuǎn)換值，m，b，k均為常量；m=，b=，k=4。圖14是距離與電壓輸出曲線圖，也就是經(jīng)過擬合加入常量后的曲線，與實測輸出曲線相比更近乎線性化，由圖可知，紅外測距系統(tǒng)在1080cm范圍內(nèi)為正常測量范圍?？梢?，在沒有經(jīng)過公式變換的電壓距離輸出曲線是一條非線性反比例輸出曲線，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，添加常數(shù)參數(shù)使1/(R+k)與電壓成線性關(guān)系。圖16圖17圖18 本章小結(jié)對于整個紅外測距系統(tǒng)軟件的設(shè)計，是在硬件設(shè)計大致完成的基礎(chǔ)上展開的，主要是對STM32單片機運行程序的編寫，還有系統(tǒng)整體工作流程的設(shè)計與搭建。所以，通過系統(tǒng)軟件的設(shè)計，在STM32單片機編程著方面我得到了很大的提高，而在編譯每個程序的過程中對語句的修改更讓我煞費苦心，有的語句可以很通順的編寫成功，而有些語句則需改了又改才可以正常運行。最終所編寫的主要工作程序見附錄A。在工作范圍內(nèi)，此系統(tǒng)可以高精度實現(xiàn)對物體距離的測量。結(jié)論對本論文所設(shè)計的紅外測距系統(tǒng)進行測量、校準發(fā)現(xiàn)其測量范圍在1080厘米內(nèi)的平面物體。也就是說在此范圍之外的物體是無法測量的。由于實驗條件有限，對此紅外測距系統(tǒng)并為在不同溫度下分別進行實驗，所以不能確定的是外界溫度的高低變化對測量精度是否有影響。在干凈清新的空氣下所測量的結(jié)果一般要比塵埃過多情況下精準的多，也就是說空氣環(huán)境質(zhì)量對此紅外測距系統(tǒng)也有著相對的影響。本紅外測距系統(tǒng)采用的是紅外傳感器GP2Y0A21和三角測距原理，由于紅外傳感器本身測量距離的限制，加上三角測距原理固有的缺陷，經(jīng)過上述實驗分析得知，在穩(wěn)定的電源、干凈清晰的空氣、穩(wěn)定的溫度、無外界電磁干擾、無障礙物的情況下，在測量允許的范圍內(nèi)，此紅外測距系統(tǒng)能獲得較高的測量精度。同時通過此次課題設(shè)計大大地提高了我對單片機的認識，在電路分析及編程能力方面也有著顯著的提高，對我意義匪淺。在此期間我遇到了無數(shù)的困難和挫折，都在老師和同學的幫助下順利度過。在論文撰寫期間，她對我進行了無私的指導(dǎo)和幫助，盡其所能的對我的每一項學術(shù)知識進行鞏固，不厭其煩的對我的論文進行修改。同時，我要感謝我的學長還有我的同學，在實驗室工作和論文撰寫期間，他們給予了我熱情的幫助，如果沒有他們的幫助與啟發(fā)我將很難完成本篇論文的撰寫。在論文撰寫期間我也要感謝我的家人，是他們給予了我莫大的支持，讓我更安心地去完成此次論文地撰寫。參考文獻[1] 彭偉．GP2D12紅外測距傳感器曲線擬合設(shè)計．湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院學報．2012，12（1）：13．[2] 韋偉，周凌翱，劉青．一種便攜式的紅外測距系統(tǒng)．電子設(shè)計工程．2011，19（21）：13．[3] 劉昌輝，帥考，楊維榮．嵌入式視覺的測距系統(tǒng)設(shè)計．武漢工程大學學報．2015，37（4）：14．[4] 毛玲，李振波，張大偉，陳佳品．基于紅外傳感器的移動微機器人定位系統(tǒng)．傳感器與微系統(tǒng)．2014，33（12）：14．[5] 魏雅，杜云．基于單片機遙控超聲波測距智能小車．信息技術(shù)．2014，11：14．[6] 朱杰，何凌霄，林凡強，茍喬欣．最小二乘法分段擬合紅外測距系統(tǒng)．電子器件．2014，37（3）：15．[7] 王慧娟，袁全波，房好帥．基于ARM的移動機器人紅外測距系統(tǒng)設(shè)計．北華航天工業(yè)學院學報．2010，20（2）：13．[8] 賀洪江，程琳．基于 STM32 與 MODBUS 協(xié)議的超聲波測距儀設(shè)計．儀表技術(shù)與傳感器．2014，11：14．[9] 王玲，鄒小昱，劉思瑤，陳兵林，朱宏超，朱镕杰．棉花采摘機器人紅外測距技術(shù)研究．農(nóng)業(yè)機械學報．2014，45（7）：16．[10] Dagang miao，Shouxiang Jiang，Songmin Shang，Zhuoming chen．Effect of heat treatment on infrared reflection property of Aldoped ZnO films．Solar Energy Materials and Solar Cells．2014，127：16．[11] Sheng Lu，XiaoLi Cao，ZhongJian Cai，GaoRong Zeng and Tan Liu．An Embedded CPU Based Automatic Ranging．2007 Mediterranean Conference On Control And Automation，AthensGreece，July 2729，2007：15．[12] Qi ZHANG Hao YANG Yuguang WEI．Calibration of LiDAR device usingimages．International symposium on Innovation and sustainability of modern railway3rd．Nanchang．2013：14．[13] Liang Xu，Zhiqiang Meng．An Infrared Ranging System For Automotive Anticollision．International workshop on internet of things39。float float_Distance,Sum_Distance=。 //整型距離之 u16 adc。