红外测距学习

//参考资料：《全站仪红外测距系统的研究》王萍 张志强

基于AT89S51单片机的超声波测距系统
//2012/5/23日补充超声波测距原理
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一、红外测距小谈

1、光波测距原理：

利用电磁波在空气中传播速度c已知，测量其在待测距离D上的传播时间t，利用下面的公式求解：D=c*t/2.（1）

关键是求时间t。再按（1）求解。以下介绍三种方法来求解D。分别如下：

1.1脉冲法测距原理：

直接求得电磁波脉冲信号在待测距离D上的传播时间t，利用式（1）求解。

1.2相位法测距原理：

目前，精度较高的测距中，都采用测定“调制光波”往返于被测距离的相位差，间接求得距离。

一、调制光波

红外线光波长0.76um~1mm,光的传播速度c=3×10⁸m/s相应地红外线频率约为3×10¹¹

Hz~4×10¹⁴Hz。要精确测量这样高频率光波是不可能的。因此，目前使用相位法测距时，都是对光波再加一调制信号，使光波信号随所加调制信号变化。这种光强最所加信号变化的光称为调制光。调制信号时加在光波上传输出去的，这时光波又称为载波。

二、相位法测距基本公式：

设调制光波频率ｆ，在待测距AB上所用时间t，其相位移为Φ，如下图1：

图（1）相位法测距原理示意图

起始时刻t1发射的调制光光强为

I₁=Asin(ωt₁+Φ₀)

接收时调制光强为：

I₂=Asin(ωt₁+ωt₊Φ₀)

则接收与发射时刻相位差：Φ=(ωt₁+ωt₊Φ₀)-(ωt₁+Φ₀)=ωt=2πｆt

t=Φ/（2πｆ）（2）

将（2）代入（1）式得：D=ct/2=(c/2)*(Φ/（2πｆ）=cΦ/(4πｆ)(3)

可改写为：

D=λ/2（N+△φ/2/π）=L（N+△n）

式中，λ=c/ｆ，N为整形波（2π）数，△n为不足整形的尾数。

三、相位法测距简略框图（2）

发出的光波，经调制器成调制波，经发射器发出调制光，沿测线传播被返射器反回后，被接收器接收，得到测距信号，经放大送到相位计，与发射时刻送到相位计的起始信号进行比较，得到发射时刻与接收时刻调制光波的相位差，然后由计数显示单元计算并显示相位距离值。

局限性：相位计只能辨认0~360°的相位差△φ,不能测出整相位2π个数，因此只能测出不足整测尺的距离值，常用多把测尺即多个调制频率的方法来解决。

1.3变频法测距原理：

由相位法测距可知，一般情况，在二倍待测距离上除了有整波数N外，还有不足整波的部分△φ/2π。变频法则是在任何距离上都可以改变调制信号频率，即改变测尺长，是在二倍待测距上正好是测尺长的整数倍，从而使△φ=0。

变频法必须附有频率计，结构较复杂（如变频装置，判零装置等），因而在中短程测距仪中被淘汰。

2、测距实例：（以超声波测距为例浅谈红外测距）

基于AT89S51单片机的超声波测距系统

超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。

基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为40kHz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。其系统框图如图1-1所示。

图1-1 基于单片机的超声波测距系统框图

这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给LED显示。利用本测距系统测量范围应在40cm～599cm，其误差1cm。

利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。许多超声波测距系统都采用这种设计方法。

2、超声波测距原理概述

超声波是由机械振动产生的,可在不同介质中以不同的速度传播。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高;而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。

超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限; 声波幅值检测法易受反射波的影响。

本测距系统采用超声波渡越时间检测法。其原理为: 检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单片机开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。再由单机计算出距离，送LED数码管显示测量结果。

超声波在空气中的传播速度随温度变化，其对应值如表2-1 ，根据计时器记录的时间t(见图2-1)，就可以计算出发射点距障碍物的距离( s ) ，即: s = v t / 2。

表2-1 声速与温度的关系

图2-1 超声波测距时序图

超声波测距的步骤[1]：(1)采取IO触发测距，给至少10微秒的高电平信号；

(2)模块自动会发送8个40KHZ的方波，自动检测是否有信号返回；(无需编程干预，由

模块自动完成)

(3)模块通过IO返回8051单片机一个高电平信号，高电平持续的时间就是超声波从发

射到返回的时间。

2.1超声波传感器

2.1.1 超声波发生器

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类: 一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等; 机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。

2.1.2 压电式超声波发生器原理

压电型超声波传感器的工作原理：它是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。所谓压电逆效应如图2-2所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图a所示的已极化的压电陶瓷上施加如图b所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加的极性变反，如图c所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。

图2-2压电逆效应图

2.1.3单片机超声波测距系统构成

单片机AT89S51发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED数码管进行显示。

限制超声波系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。

图2-3 超声波测距系统框图

3、设计方案

按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块共四个模块组成。

单片机主控芯片使用51系列AT89S51单片机，该单片机工作性能稳定，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。

发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送。

接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作小较小。

图3-1：系统设计框图

硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。单片机采用AT89S51。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P0.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.7端口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P0.2、P0.3、P0.4口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。

3.1 AT89S51单片机介绍见后面

本系统由单片机AT89S51控制，包括单片机系统、发射电路与接收放大电路和显示电路几部分组成。硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。单片机采用AT89S51。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P0.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.7端口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P0.2、P0.3、P0.4口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。

超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机P3.7输入一个低电平脉冲。单片机控制着超声波的发送，超声波发送完毕后，立即启动内部计时器T0计时，当检测到P3.7由高电平变为低电平后，立即停止内部计时器计时。单片机将测得的时间与声速相乘再除以2即可得到测量值，最后经3位数码管将测得的结果显示出来。

3.2.1 超声波测距单片机系统

超声波测距单片机系统主要由：AT89S51单片机、晶振、复位电路、电源滤波部份构成。由K1、K2、K3组成测距系统的按键电路。用于设定超声波测距报警值。如图3-3。

图3-3：超声波测距单片机系统

3.2.2 超声波发射、接收电路

超声波发射、接收电路如图3-4。超声波发射电路由电阻R2、三极管BG1、超声波脉冲变压器B及超声波发送头T40构成，超声波脉冲变压器，在这里的作用是提高加载到超声波发送头两端的电压，以提高超声波的发射功率，从而提高测量距离。接收电路由BG1、BG2组成的两组三级管放大电路构成；超声波的检波电路、比较整形电路由C7、D1、D2及BG3组成。

40kHz的方波由AT89S51单片机的P0.0输出，经BG1推动超声波脉冲变压器，在脉冲变压器次级形成60VPP的电压，加载到超声波发送头上，驱动超声波发射头发射超声波。发送出的超声波，遇到障碍物后，产生回波，反射回来的回波由超声波接收头接收到。由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，输入单片机的P3.7脚。

图3-4：超声波测距发送接收单元、单元

该测距电路的40kHz方波信号由单片机AT89S51 的P0.0发出。方波的周期为1/40ms，即25µs，半周期为12.5µs。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生40kHz方波。由于单片机系统的晶振为12M晶振，因而单片机的时间分辨率是1µs，所以只能产生半周期为12µs或13µs的方波信号，频率分别为41.67kHz和38.46kHz。本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz的方波。

由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收电路需要将其进行放大。接收电路如图3-4所示。接收到的信号加到BG2、BG3组成的两级放大器上进行放大。每级放大器的放大倍数为70倍。放大的信号通过检波电路得到解调后的信号，即把多个脉冲波解调成多个大脉冲波。这里使用的是1N4148检波二极管，输出的直流信号即两二极管之间电容电压。该接收电路结构简单，性能较好，制作难度小。

3.2.3显示电路

本系统采用三位一体L E D数码管显示所测距离值，如图3-5。数码管采用动态扫描显示，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P0.2、P0.3、P0.4口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。

图3-5：显示单元图

3.2.4 供电电路

本测距系统由于采用的是LED数码管用为显示方式，正常工作时，系统工作电流约为30-45mA，考虑到调试方便，设计时直接由电脑的USB口供电。为提高超声波测距板的供电品质，板上设有C1、C2用为滤波。

图3-6：供电单元电路图

3.2.4报警输出电路

为提高测测距系统的实用性，本测距系统的报警输出提供开关量信号及声响信号两种方式。

报警信号由单片机P3.6口输出，提供声响报警信号，电路由电阻R10、三极管BG8、蜂鸣器BY组成，当测量值低于事先设定的报警值时，单片机P3.6口输出高电平，三极管BG8导通，蜂鸣器发出“滴、滴、滴…..”报警声响信号，测量值高于设定的报警值时，停止发出报警声响。报警输出电路如图3-7。

图3-7 报警输出电路

4、系统软件设计

4.1 主程序设计

超声波测距的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收程序及显示子程序组成。超声波测距的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言编程。

主程序首先是对系统环境初始化，设定时器0为计数，设定时器1定时。置位总中断允许位EA。进行程序主程序后，进行定时测距判断，当测距标志位ec=1时，测量一次，程序设计中，超声波测距频度是4-5次/秒。测距间隔中，整个程序主要进行循环显示测量结果。当调用超声波测距子程序后，首先由单片机产生4个频率为38.46kHz超声波脉冲，加载的超声波发送头上。超声波头发送完送超声波后，立即启动内部计时器T0进行计时，为了避免超声波从发射头直接传送到接收头引起的直射波触发，这时，单片机需要延时约1.5 -2ms时间（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因，称之为盲区值）后，才启动对单片机P3.7脚的电平判断程序。当检测到P3.7脚的电平由高转为低电平时，立即停止T0计时。由于采用单片机采用的是12 MHz的晶振，计时器每计一个数就是1μs，当超声波测距子程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式（2）计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离。

设计时取15℃时的声速为340 m/s则有：d=(c×t)/2=172×T0/10000cm其中，T0为计数器T0的计算值。测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。

4.2 超声波测距子程序
voidcsbcj()//超声波测距子程序

{

if(cl==1)

{

sx=0;

delay(5000);

csbint=1;

TR1=0;

TH0=0x00;

TL0=0x00;

csbfs();//超声波发送

csbout=1;

TR0=1;

while(i--)

{

}

i=0;

while(csbint)//判断接收回路是否收到超声波的回波

{

i++;

if(i>=2000)//如果达到一定时间没有收到回波,则将csbint置零,退出接收回波处理程序

csbint=0;

}

csbint=1;

TR0=0;

t=TH0;

t=t*256+TL0;

t=t;

s=t*csbc;//计算测量结果

s=s/2;

cl=0;

TH1=0xE7;

TL1=0xC2;

TR1=1;

}

}

产生超声波的子程序：

为了方便程序移置及准确产生超声波信号，本测距的超声波产生程序是用汇编语言编写的进退声波产生程序。产生的超声波个数为

UCSBFS SEGMENTCODE

RSEG UCSBFS

PUBLICCSBFS

CSBFS:mov R6,#8h;超声波发射的完整波形个数：共计四个

here:cplp0.0;输出40kHz方波

nop

nop

nop

nop

nop

nop

nop

nop

nop

nop

djnzR6,here

RET

END

4.3 超声波测距程序流程图

4.4 超声波测距程子序流程图

5、调试及性能分析

5.1调试步骤

我们的步骤是先焊接各个模块，焊接完每个模块以后，再进行模块的单独测试，以确保在整个系统焊接完能正常的工作，原件安装完毕后，将写好程序的AT89S51机装到测距板上，通电后将测距板的超声波头对着墙面往复移动，看数码管的显示结果会不会变化，在测量范围内能否正常显示。如果一直显示“- - -”，则需将下限值增大。本测距板1s测量2-3次，超声波发送功率较大时，测量距离远，则相应的下限值（盲区）应设置为高值。试验板中的声速没有进行温度补偿，声速值为340m/s，该值为15℃时的超声波值。

5.2 性能分析

从实物测试的总体来说本测距板基本上达到了要求，理想上超声波测距能达到500到700厘左右，而我们所能实现的最大距离只有699厘，测量结果受环境温度影响。分析原因如下：

1. 超声波发射部份由电阻R2、三极管BG1、超声波脉冲变压器B及超声波发送头T40构成，以提高超声波的发射功率，从面提高测量距离。这种方式，加大的超声波了送头的余振时间，造成超声波测距盲区值较大（本系统盲区值为40厘米）。

2.本测距板没有设计温度补偿对测量结果进行修正。但在硬件的PCB上预留的位置。

参考文献

[1]赵建领薛园园 51单片机开发与应用技术详解北京:电子工业出版社,2009

[2] 沈红卫. 基于单片机智能系统设计与实现.北京:电子工业出版社,2005

[3] 杨国田 白 焰 董 玲 51单片机实用C语言程序设计中国电力出版社 2009

[4] 李群芳,黄建. 单片机微型计算机与接口技术.北京:电子工业出版社,2001

[5] 楼然苗、李光飞.51系列单片机设计实例. 北京:北京航空航天大学出版社,2003

[6] 王守中51单片机开发入门与典型实例. 北京：人民邮电出版社，2009

附录一：基于AT89S51单片机超声波测距系统电原理图

附录二基于AT89S51单片机超声波测距系统PCB图

附录三基于AT89S51单片机超声波测距系统焊接组装图

附录四元件清单

51单片机超声波DIY

AT89S51简介：

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

主要性能参数：

·与MCS-51产品指令系统完全兼容

·4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器

·1000次擦写周期

·4.0－5.5V的工作电压范围

·全静态工作模式：0Hz－33MHz

·三级程序加密锁

·128×8字节内部RAM

·32个可编程I／O口线

·2个16位定时／计数器

·6个中断源

·全双工串行UART通道

·低功耗空闲和掉电模式

·中断可从空闲模唤醒系统

·看门狗（WDT）及双数据指针

·掉电标识和快速编程特性

·灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）

功能特性概述：

AT89S51 提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I／O 口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16 位定时／计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

引脚功能说明

·Vcc：电源电压

·GND：地

·P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I／0口，也即地址／数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在F1ash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

·P1口：Pl 是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。

端口引脚 第二功能：

P1.5 MOSI（用于ISP编程）

P1.6 MISO（用于ISP编程）

P1.7 SCK （用于ISP编程）

·P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@Ri 指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。

·P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I／0 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I／0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

AT89S51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1 和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图3-2。

外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容Cl、C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容Cl、C2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。如果使用石英晶体，推荐电容使用30pF±10pF，而如使用陶瓷谐振器选择40pF±10F。

用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图5右图所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。

由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。图3-2为晶体接线图和外接时钟线路图。

图3-2 内部振荡电路

[1]http://blog.sina.com.cn/s/blog_4f8cdc9e0100g3e7.html

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