基于單片機的紅外測距系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于PIC16F877單片機的紅外測距系統(tǒng)，采用sharpGP2系列紅外測距傳感器模塊，有效的提高了測距精度；通過調(diào)整不同距離下的紅外測距傳感器的測量任務(wù)，避免了當(dāng)傳感器與障礙物間距處于有效探測范圍下限（20cm）時，出現(xiàn)的“盲區(qū)”；本發(fā)明利用數(shù)字電路將兩個紅外測距傳感器的啟動信號一個設(shè)為高電平“1”、一個設(shè)為低電平“0”，同時通過A/D轉(zhuǎn)換器將返回的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而控制傳感器的啟動與停止；通過此改進，可將紅外測距系統(tǒng)的測量范圍上限延伸到150cm，同時最小可測距離精確到4cm。紅外測距傳感器由于其性能穩(wěn)定，價格低廉，因此可進行大規(guī)模推廣。
【專利說明】基于單片機的紅外測距系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本 發(fā)明屬于光波測量【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于單片機的紅外短距離測量技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年來，測距技術(shù)得到了飛速發(fā)展，在生產(chǎn)、生活各方面的應(yīng)用也越來越廣泛。先后出現(xiàn)了激光測距、微波雷達(dá)測距、超聲波測距以及紅外測距技術(shù)，其中激光測距是靠激光束照射在目標(biāo)物體，通過反射光束探測距離。激光測距易受惡劣天氣影響、成本高且維護不便；微波雷達(dá)測距技術(shù)主要應(yīng)用于軍事和某些工業(yè)開發(fā)采用的裝備，開發(fā)費用昂貴，應(yīng)用的普遍性較差，難以大規(guī)模在民用市場開發(fā)；超聲波測距近些年得到了發(fā)展，但其需要采用特殊元件制作，制造成本也比較高；紅外測距技術(shù)，由于其易于實現(xiàn)，且特別適用于短距離目標(biāo)測距，在短距離目標(biāo)測距上有著優(yōu)良的精度和準(zhǔn)確度，構(gòu)成測距系統(tǒng)的成本低廉，性能優(yōu)良，便于民用推廣。
[0003]紅外線雖然波長比可見光波長要長，但它也是一種光，空氣中的傳播速度接近光速。傳統(tǒng)的紅外測距主要是利用發(fā)射光線與反射光線間的時間差來計算，對于單位m范圍內(nèi)，發(fā)射光線與反射光線間的時間差達(dá)到ns級，這已經(jīng)接近單片機處理的上限，從而成為影響測距精度的一個重要原因。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種基于單片機PIC16F877的紅外測距系統(tǒng)，它性能優(yōu)良、穩(wěn)定，抗干擾能力較好，可以實現(xiàn)測量范圍溢出報警，以及人機交互等功能。
[0005]本發(fā)明提出的一種基于PIC16F877單片機的紅外測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括單片機PIC16F877，紅外測距雙模塊，閾值選擇器，數(shù)字控制選擇電路，數(shù)碼顯示管和報警器；所述的紅外測距雙模塊與PIC16F877單片機連接，PIC16F877單片機依次連接閾值選擇器、數(shù)字控制選擇電路和數(shù)碼顯示管，PIC16F877單片機同時連接報警器。
[0006]所述的單片機PIC16F877具有獨特的RISC (精簡指令集)結(jié)構(gòu)，以及具有數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的結(jié)構(gòu)，使指令只有單字長的特性，且允許指令碼的位數(shù)可多于8位的數(shù)據(jù)位數(shù)，這與傳統(tǒng)的CISC結(jié)構(gòu)的8為單片機相比，可以達(dá)到2:1的代碼壓縮，處理速度提高了 4倍，對于需要迅速反應(yīng)的測距系統(tǒng)而言，是非常不錯的選擇。PIC16F877屬于微型單片機，時鐘輸入為DC-20MHZ，指令周期為DC-200ns ;擁有14個8K的FLASH程序存儲器，8個368byte的RAM數(shù)據(jù)存儲器，8個256byte的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器。該單片機系統(tǒng)成熟穩(wěn)定，完全滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求。
[0007]單片機PIC16F877是本發(fā)明的核心控制芯片，內(nèi)置時鐘，通過發(fā)送時鐘信號，控制紅外測距傳感器的工作狀態(tài)，并實時、快速處理返回數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器，將處理的數(shù)據(jù)以數(shù)字形式輸出到數(shù)碼顯示管，作為顯示最終結(jié)果。[0008]紅外測距雙模塊，工作電壓4.5V-5.5V，響應(yīng)時間為38±10ms，平均電流消耗33mA。測量精度高，工作溫度為工業(yè)溫度范圍。所述的紅外測距雙模塊由GP2Y0A02YK0F和GP2D120XJ00F兩個不同量程的紅外傳感器在不同的量程范圍內(nèi)工作，且閾值位于兩紅外測距傳感器量程的內(nèi)部，減小了出現(xiàn)較大誤差的可能性；兩個紅外測距傳感器通過一個閾值比較器連接到一起，通過數(shù)字選擇電路控制，實現(xiàn)兩個紅外測距傳感器不同量程的對接。
[0009]GP2D120XJ00F為高度集成的高靈敏度紅外測距傳感器，它的響應(yīng)時間為38土 10ms，工作電壓4.5-5.5V，平均電流消耗33mA，測量距離范圍為4cm — 30cm ；
GP2Y0A02YK0F為大量程集成型紅外測距傳感器，測量距離為20cm — 150cm。
[0010]閾值選擇器，用于對測量后輸出進行判決，當(dāng)測量距離在25cm以上時，給出一個高電平；當(dāng)測量距離在25cm以內(nèi)時，給出一個低電平，為數(shù)字選擇控制電路提供一個控制輸入信號。
[0011]數(shù)字選擇控制電路采用2選I數(shù)據(jù)選擇器74LS157，它具有數(shù)據(jù)選擇輸入端S，使能端G，數(shù)據(jù)輸入端A、B,以及輸出端Y。當(dāng)使能端G為高電平時，數(shù)據(jù)選擇器為禁止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)使能端G為低電平時，投入工作；數(shù)據(jù)選擇輸入端S為低電平時，輸出Y為A端數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)選擇輸入端S為高電平時，輸出Y為B端數(shù)據(jù)。
[0012]數(shù)碼顯示管采用4位并行顯示模塊，用0.56英寸共陽數(shù)碼管，SS8550三極管并行驅(qū)動，可直接與單片機相連，用于實時顯示測量距離，實現(xiàn)人機交互。
[0013]報警器受單片機控制，當(dāng)測量距離超過量程4cm-150cm，報警器會發(fā)出報警提示。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果
本發(fā)明的主要優(yōu)點是采用了處理速度更快的PIC16F877單片機，較51系列、80系列單片機的速度提高4倍。本發(fā)明中采用的GP系列紅外測距傳感器，均為“三角”測距原理，相對于傳統(tǒng)采用收發(fā)信號時間差測距的傳感器來說，在測量精度上有了很大提高。在紅外測距模塊工作過程中，投入了閾值比較器，交替采用兩個紅外測距傳感器的測量數(shù)據(jù)，這種方案不但可以很好的避免單個測距傳感器測量距離處于量程邊緣時所引起的較大誤差，而且擴大了其量程。該設(shè)計方案具有良好的可擴展性和實際可操作性。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有效效果:
1、本發(fā)明采用PIC16F877單片機，它屬于微型單片機范疇，處理速度更快，電源利用率更高，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。而且它引腳數(shù)較多，接入器件的選擇性更多，可擴展性也更好。
[0016]2、本發(fā)明方案中的GP系列紅外測距傳感器，采用“三角測距”原理，有效提高了測量的精準(zhǔn)度，減小了測量誤差。
[0017]3、引入的閾值比較以及數(shù)據(jù)選擇模塊，提高了測量電路的工作效率，擴大了紅外測距傳感器的原有量程，并且避免了量程邊緣處的固有誤差。
[0018]4、數(shù)碼顯示模塊，將測得的模擬量顯示為易讀取的數(shù)字量，更好的實現(xiàn)了人機交互。
[0019]5、報警器實現(xiàn)報警功能，用以提醒用戶超出量程，相對于讓系統(tǒng)自身判斷并作出動作來說，操作更加快捷、方便。
[0020]
【專利附圖】

【附圖說明】[0021]圖1為系統(tǒng)整體構(gòu)架原理圖。
[0022]圖2為數(shù)字控制選擇電路原理圖。
[0023]圖3為sharp GP2系列紅外測距傳感器工作原理解析圖，圖中(I)表示中心線，(2)表不發(fā)射光線，(3)表不反射光線，(4)表不CCD檢測器，(5)代表紅外發(fā)射器。
[0024]
【具體實施方式】
[0025]如圖1所示，本發(fā)明提供的基于PIC16F877單片機的紅外測距系統(tǒng)，包括單片機PIC16F877，紅外測距雙模塊，閾值選擇器，數(shù)字控制選擇電路，數(shù)碼顯示管和報警器；所述的紅外測距雙模塊與PIC16F877單片機連接，PIC16F877單片機依次連接閾值選擇器、數(shù)字控制選擇電路和數(shù)碼顯示管，PIC16F877單片機同時連接報警器。
[0026]如圖2所示，74LS154數(shù)字選擇器的選通端G為低電平有效，數(shù)據(jù)選擇端S接閾值選擇器LM339的輸出信號，由LM339的輸出高低電平控制輸入數(shù)據(jù)A、B的輸出；經(jīng)選擇后的信號由Y端輸出，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換最后顯示到數(shù)碼管。
[0027]操作流程
基于單片機PIC16F877的紅外測距系統(tǒng)，以單片機PIC16F877為核心處理器件，包括紅外測距雙模塊，報警器，數(shù)碼顯示管，閾值選擇器以及數(shù)字控制選擇電路部分。當(dāng)系統(tǒng)工作時，單片機的P3.5 口發(fā)出一個高電平脈沖信號，紅外測距雙模塊其中一個開始工作，測量的數(shù)據(jù)傳回單片機進行處理計算，然后將計算結(jié)果送到閾值選擇器，經(jīng)過選擇后，若高于閾值25cm則會輸出一個高電平信號,若低于25cm則會輸出一個低電平信號；兩傳感器的輸出數(shù)據(jù)端分別接于數(shù)據(jù)控制選擇器74LS157的數(shù)據(jù)輸入端A、B，通過高低電平的不同作用，選擇輸出所測距離，并將所測距離數(shù)據(jù)以十進制數(shù)字形式顯示于數(shù)碼顯示管，單位cm。
[0028]當(dāng)系統(tǒng)與障礙物距離超過量程4cm-150cm是，測距系統(tǒng)無數(shù)據(jù)返回，此時單片機的P3.4輸出一個高電平，報警器進行報警提示。
[0029]測量原理
本發(fā)明中采用的GP系列紅外測距傳感器，是利用“三角測距”原理來計算距離D (如圖3所示)，通過發(fā)射光線與中心線間的夾角α、發(fā)射器與接收器間的中心距X、反射光線的偏移量L，就可以計算得出測量距離，計算公式如下:
【權(quán)利要求】
1.基于PIC16F877單片機的紅外測距系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括單片機PIC16F877，紅外測距雙模塊，閾值選擇器，數(shù)字控制選擇電路，數(shù)碼顯示管和報警器；所述的紅外測距雙模塊與PIC16F877 單片機連接，PIC16F877單片機依次連接閾值選擇器、數(shù)字控制選擇電路和數(shù)碼顯示管，PIC16F877單片機同時連接報警器； 其中所述的紅外測距雙模塊由GP2Y0A02YK0F和GP2D120XJ00F兩個不同量程的紅外測距傳感器在不同的量程范圍內(nèi)工作，且閾值位于兩紅外測距傳感器量程的內(nèi)部，減小了出現(xiàn)較大誤差的可能性； GP2D120XJ00F為高度集成的高靈敏度紅外測距傳感器，它的響應(yīng)時間為38±10ms，工作電壓4.5-5.5V，平均電流消耗33mA，測量距離范圍為4cm — 30cm ； GP2Y0A02YK0F為大量程集成型紅外測距傳感器，測量距離為20cm — 150cm。
2.按照權(quán)利要求書I所述的基于PIC16F877單片機的紅外測距系統(tǒng)，其特征在于所述的單片機PIC16F877具有獨特的RISC (精簡指令集)結(jié)構(gòu)，以及具有數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的結(jié)構(gòu)，使指令只有單字長的特性，且允許指令碼的位數(shù)可多于8位的數(shù)據(jù)位數(shù)，這與傳統(tǒng)的CISC結(jié)構(gòu)的8為單片機相比，可以達(dá)到2:1的代碼壓縮，處理速度提高了 4倍，對于需要迅速反應(yīng)的測距系統(tǒng)而言，是非常不錯的選擇； PIC16F877屬于微型單片機，時鐘輸入為DC-20MHZ，指令周期為DC_200ns ;擁有14個8K的FLASH程序存儲器，8個368byte的RAM數(shù)據(jù)存儲器，8個256byte的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器； 該單片機系統(tǒng)成熟穩(wěn)定，完全滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求。
【文檔編號】G01S17/08GK103901437SQ201410130252
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月2日
【發(fā)明者】周成華, 于杰, 江寧 申請人:天津理工大學(xué)