基于单片机的红外测距系统的制作方法
【专利摘要】一种基于PIC16F877单片机的红外测距系统，采用sharpGP2系列红外测距传感器模块，有效的提高了测距精度；通过调整不同距离下的红外测距传感器的测量任务，避免了当传感器与障碍物间距处于有效探测范围下限（20cm）时，出现的“盲区”；本发明利用数字电路将两个红外测距传感器的启动信号一个设为高电平“1”、一个设为低电平“0”，同时通过A/D转换器将返回的模拟信号转换为数字信号，从而控制传感器的启动与停止；通过此改进，可将红外测距系统的测量范围上限延伸到150cm，同时最小可测距离精确到4cm。红外测距传感器由于其性能稳定，价格低廉，因此可进行大规模推广。
【专利说明】基于单片机的红外测距系统【技术领域】
[0001]本 发明属于光波测量【技术领域】，特别涉及一种基于单片机的红外短距离测量技术。
【背景技术】
[0002]近些年来，测距技术得到了飞速发展，在生产、生活各方面的应用也越来越广泛。先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距以及红外测距技术，其中激光测距是靠激光束照射在目标物体，通过反射光束探测距离。激光测距易受恶劣天气影响、成本高且维护不便；微波雷达测距技术主要应用于军事和某些工业开发采用的装备，开发费用昂贵，应用的普遍性较差，难以大规模在民用市场开发；超声波测距近些年得到了发展，但其需要采用特殊元件制作，制造成本也比较高；红外测距技术，由于其易于实现，且特别适用于短距离目标测距，在短距离目标测距上有着优良的精度和准确度，构成测距系统的成本低廉，性能优良，便于民用推广。
[0003]红外线虽然波长比可见光波长要长，但它也是一种光，空气中的传播速度接近光速。传统的红外测距主要是利用发射光线与反射光线间的时间差来计算，对于单位m范围内，发射光线与反射光线间的时间差达到ns级，这已经接近单片机处理的上限，从而成为影响测距精度的一个重要原因。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是克服现有技术中存在的缺陷，提供一种基于单片机PIC16F877的红外测距系统，它性能优良、稳定，抗干扰能力较好，可以实现测量范围溢出报警，以及人机交互等功能。
[0005]本发明提出的一种基于PIC16F877单片机的红外测距系统，该系统包括单片机PIC16F877，红外测距双模块，阈值选择器，数字控制选择电路，数码显示管和报警器；所述的红外测距双模块与PIC16F877单片机连接，PIC16F877单片机依次连接阈值选择器、数字控制选择电路和数码显示管，PIC16F877单片机同时连接报警器。
[0006]所述的单片机PIC16F877具有独特的RISC (精简指令集)结构，以及具有数据总线和指令总线分离的结构，使指令只有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的CISC结构的8为单片机相比，可以达到2:1的代码压缩，处理速度提高了 4倍，对于需要迅速反应的测距系统而言，是非常不错的选择。PIC16F877属于微型单片机，时钟输入为DC-20MHZ，指令周期为DC-200ns ;拥有14个8K的FLASH程序存储器，8个368byte的RAM数据存储器，8个256byte的EEPROM数据存储器。该单片机系统成熟稳定，完全满足本系统的设计要求。
[0007]单片机PIC16F877是本发明的核心控制芯片，内置时钟，通过发送时钟信号，控制红外测距传感器的工作状态，并实时、快速处理返回数据，并通过内部A/D转换器，将处理的数据以数字形式输出到数码显示管，作为显示最终结果。[0008]红外测距双模块，工作电压4.5V-5.5V，响应时间为38±10ms，平均电流消耗33mA。测量精度高，工作温度为工业温度范围。所述的红外测距双模块由GP2Y0A02YK0F和GP2D120XJ00F两个不同量程的红外传感器在不同的量程范围内工作，且阈值位于两红外测距传感器量程的内部，减小了出现较大误差的可能性；两个红外测距传感器通过一个阈值比较器连接到一起，通过数字选择电路控制，实现两个红外测距传感器不同量程的对接。
[0009]GP2D120XJ00F为高度集成的高灵敏度红外测距传感器，它的响应时间为38土 10ms，工作电压4.5-5.5V，平均电流消耗33mA，测量距离范围为4cm — 30cm ；
GP2Y0A02YK0F为大量程集成型红外测距传感器，测量距离为20cm — 150cm。
[0010]阈值选择器，用于对测量后输出进行判决，当测量距离在25cm以上时，给出一个高电平；当测量距离在25cm以内时，给出一个低电平，为数字选择控制电路提供一个控制输入信号。
[0011]数字选择控制电路采用2选I数据选择器74LS157，它具有数据选择输入端S，使能端G，数据输入端A、B,以及输出端Y。当使能端G为高电平时，数据选择器为禁止状态，当使能端G为低电平时，投入工作；数据选择输入端S为低电平时，输出Y为A端数据，当数据选择输入端S为高电平时，输出Y为B端数据。
[0012]数码显示管采用4位并行显示模块，用0.56英寸共阳数码管，SS8550三极管并行驱动，可直接与单片机相连，用于实时显示测量距离，实现人机交互。
[0013]报警器受单片机控制，当测量距离超过量程4cm-150cm，报警器会发出报警提示。
[0014]本发明的优点和有益效果
本发明的主要优点是采用了处理速度更快的PIC16F877单片机，较51系列、80系列单片机的速度提高4倍。本发明中采用的GP系列红外测距传感器，均为“三角”测距原理，相对于传统采用收发信号时间差测距的传感器来说，在测量精度上有了很大提高。在红外测距模块工作过程中，投入了阈值比较器，交替采用两个红外测距传感器的测量数据，这种方案不但可以很好的避免单个测距传感器测量距离处于量程边缘时所引起的较大误差，而且扩大了其量程。该设计方案具有良好的可扩展性和实际可操作性。
[0015]本发明与现有技术相比，具有以下有效效果:
1、本发明采用PIC16F877单片机，它属于微型单片机范畴，处理速度更快，电源利用率更高，实现了节能环保。而且它引脚数较多，接入器件的选择性更多，可扩展性也更好。
[0016]2、本发明方案中的GP系列红外测距传感器，采用“三角测距”原理，有效提高了测量的精准度，减小了测量误差。
[0017]3、引入的阈值比较以及数据选择模块，提高了测量电路的工作效率，扩大了红外测距传感器的原有量程，并且避免了量程边缘处的固有误差。
[0018]4、数码显示模块，将测得的模拟量显示为易读取的数字量，更好的实现了人机交互。
[0019]5、报警器实现报警功能，用以提醒用户超出量程，相对于让系统自身判断并作出动作来说，操作更加快捷、方便。
[0020]
【专利附图】
【附图说明】[0021]图1为系统整体构架原理图。
[0022]图2为数字控制选择电路原理图。
[0023]图3为sharp GP2系列红外测距传感器工作原理解析图，图中(I)表示中心线，(2)表不发射光线，(3)表不反射光线，(4)表不CCD检测器，(5)代表红外发射器。
[0024]
【具体实施方式】
[0025]如图1所示，本发明提供的基于PIC16F877单片机的红外测距系统，包括单片机PIC16F877，红外测距双模块，阈值选择器，数字控制选择电路，数码显示管和报警器；所述的红外测距双模块与PIC16F877单片机连接，PIC16F877单片机依次连接阈值选择器、数字控制选择电路和数码显示管，PIC16F877单片机同时连接报警器。
[0026]如图2所示，74LS154数字选择器的选通端G为低电平有效，数据选择端S接阈值选择器LM339的输出信号，由LM339的输出高低电平控制输入数据A、B的输出；经选择后的信号由Y端输出，经过A/D转换最后显示到数码管。
[0027]操作流程
基于单片机PIC16F877的红外测距系统，以单片机PIC16F877为核心处理器件，包括红外测距双模块，报警器，数码显示管，阈值选择器以及数字控制选择电路部分。当系统工作时，单片机的P3.5 口发出一个高电平脉冲信号，红外测距双模块其中一个开始工作，测量的数据传回单片机进行处理计算，然后将计算结果送到阈值选择器，经过选择后，若高于阈值25cm则会输出一个高电平信号,若低于25cm则会输出一个低电平信号；两传感器的输出数据端分别接于数据控制选择器74LS157的数据输入端A、B，通过高低电平的不同作用，选择输出所测距离，并将所测距离数据以十进制数字形式显示于数码显示管，单位cm。
[0028]当系统与障碍物距离超过量程4cm-150cm是，测距系统无数据返回，此时单片机的P3.4输出一个高电平，报警器进行报警提示。
[0029]测量原理
本发明中采用的GP系列红外测距传感器，是利用“三角测距”原理来计算距离D (如图3所示)，通过发射光线与中心线间的夹角α、发射器与接收器间的中心距X、反射光线的偏移量L，就可以计算得出测量距离，计算公式如下:
【权利要求】
1.基于PIC16F877单片机的红外测距系统，其特征在于，该系统包括单片机PIC16F877，红外测距双模块，阈值选择器，数字控制选择电路，数码显示管和报警器；所述的红外测距双模块与PIC16F877 单片机连接，PIC16F877单片机依次连接阈值选择器、数字控制选择电路和数码显示管，PIC16F877单片机同时连接报警器； 其中所述的红外测距双模块由GP2Y0A02YK0F和GP2D120XJ00F两个不同量程的红外测距传感器在不同的量程范围内工作，且阈值位于两红外测距传感器量程的内部，减小了出现较大误差的可能性； GP2D120XJ00F为高度集成的高灵敏度红外测距传感器，它的响应时间为38±10ms，工作电压4.5-5.5V，平均电流消耗33mA，测量距离范围为4cm — 30cm ； GP2Y0A02YK0F为大量程集成型红外测距传感器，测量距离为20cm — 150cm。
2.按照权利要求书I所述的基于PIC16F877单片机的红外测距系统，其特征在于所述的单片机PIC16F877具有独特的RISC (精简指令集)结构，以及具有数据总线和指令总线分离的结构，使指令只有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的CISC结构的8为单片机相比，可以达到2:1的代码压缩，处理速度提高了 4倍，对于需要迅速反应的测距系统而言，是非常不错的选择； PIC16F877属于微型单片机，时钟输入为DC-20MHZ，指令周期为DC_200ns ;拥有14个8K的FLASH程序存储器，8个368byte的RAM数据存储器，8个256byte的EEPROM数据存储器； 该单片机系统成熟稳定，完全满足本系统的设计要求。
【文档编号】G01S17/08GK103901437SQ201410130252
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】周成华, 于杰, 江宁 申请人:天津理工大学