一种便携式的红外测距系统

韦 伟，周凌翱，刘 青

（南京钟山职业技术学院 江苏 南京 210049）

红外测距[1]是一种非直接接触的测量方式，由于其结构简单、抗干扰性强、成本低等优点，在测量测绘上得到广泛的运用。该系统由红外发射接收传感器、A/D转换电路、信号采集处理、数据显示电路等组成，体积小，操作简单，非常适合于近距离的测量应用。本系统形成了一套完整的硬件系统和软件开发平台，便于功能的改造，扩展及其他应用研究。

1 红外测距原理

本控制系统的MCU采用STC公司的STC89LE516RD，它是MCS－51系列的派生产品，在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容，最高时钟频率90 MHz，低功耗，可支持（ISP IAP）编程。 红外测距采用GP2Y0A02YK芯片，它采用光学三角测量的方法，测量精度受反射物体的颜色和光线的影响比较小。内部集成了红外接收发射两个模块，感应距离为 20 cm 至 150 cm，宽范围供电（0～7 V），不需要多余的外部接口电路，也不需要额外的处理电路，简化了底层控制器的外围电路，使用方便。感应距离与输出电压的关系如图1所示[2]。

由于在20～150 cm范围内测量距离与输出电压成曲线变化，测量输出电压将其进行A/D转换，对转换后的数字量信息进行归算得到测量的距离，在将其结果用数码管或者上传到PC机进行实时显示。结构图如图2所示。

图1 测量距离与输出电压关系图Fig.1 Measuring distance and output voltage curve

2 AD转换模块设计

图2 系统结构图Fig.2 System structure

AD/DA采用PHILIP的PCF8591芯片，精度为8 bit。有4路A/D转换输入，一路D/A转换输出，既可以作A/D也可以作D/A转换。A/D转换为逐次比较型，采用典型的I2C总线接口器件寻址方法，即总线地址由器件地址、引脚地址和方向位组成。通过控制字寄存器对4路模拟量的输入方式进行编程，实现A/D转换功能[3]。原理图如图3所示。ADC的转换公式为：VOUT=（VADJ－VAGND）·256/（VREF－VAGND）。

图3 AD/DA原理图Fig.3 AD/DA schematic

24LC02作为EEPROM，输出信号采用I2C方式与STC89LE516 MCU通信，SDA和SCL分别由是启动和关闭I2C的控制信号[4]。当I2C总线空闲时，SDA和SCL都处于高电平状态。当SCL保持高电平时，一个SDA下降沿表示初始化一个起始条件。当SCL保持高电平时，SDA的一个上升沿表示初始化一个停止条件。起始和停止条件都是由MCU发起的。传输数据开始前，MCU控制24LC02的SDA和SCL发送起始位，传输数据结束时，控制SDA和SCL发送停止位。输出到SDA线上的每个字节必须是8位，每次传输的字节数则不受限制，起始条件后紧跟着地址字节，每个字节必须有一个确认位（ACK），如果 MCU在完成其他功能之前不能传输另一数据的完整字节，24LC02会保持时钟线SCL为低，使其进入等待状态，当MCU准备好接收并释放SCL信号后，数据传输继续进行[5]。

3MCU设计程序算法

1）PCF8591 AD 转换程序

电路上PCF8591的第0通道采集的是GP2Y0A02YK芯片的模拟量。采用KEIL软件环境编写AD转换及传输程序。在主函数中编写读PCF8591第0通道数据的函数如下：

当模拟量信号为3.3 V时，Val返回255，当模拟量信号为0 V时，Val返回0，呈线性的关系，计算得到每伏电压的数值为 77.27。

2）数据归算问题

图1所示测量距离与输出电压关系并不是线性的关系，在20～150 cm范围内测量距离与输出电压近似成二次曲线的关系。用MATLAB编写程序，输入坐标值求解关系式，将图一拟合成如下函数关系式：y=35x2－160x+191（其中x为红外输出电压，y为测量距离值），最后将其归算成距离量。

num=ReadADC（0）；//采集第 0 通道的模拟量

x=（num）/77.27；//将 AD 转换的数换算成电压值，以便代入函数。

y=35*x*x－160*x+191.25 ；//归算成距离量（单位为 cm）。

3）测量结果显示

本系统设有3个SEG共阳的数码管，如图4所示，它可以用来显示红外传感器测量的距离量[6]。

图4 SEG显示原理图Fig.4 SEG display schematic

STC89LE516RD的P0口控制3个SEG显示的数值，由于P0口在某一特定的时刻只有一个特定的值，所以如果让P0口控制3个不同的SEG，就需要经过数据锁存器，对数据先进行锁存再送入SEG。锁存器选用74HC574，OE一直为有效，3个 CP 分别用 MCU 的 P2.5 P2.6 P2.7控制， 当 CP 上升沿时锁存数据。经0到9这十个数据按照SEG共阳的接法写成一个有10个成员一维的数组，成员从0到9依次对应于SEG显示的0到9。这样的写法易于SEG显示程序的编写。

4 软件编程

本系统与上位机采用串口通讯[7]的方式，在VC下编程实现红外距离数据的接收。除了红外测距，本开发系统还具有实时报警，继电器开关控制，直流/步进电机正反转等其他模块。在对STC89LE516RD编程时，对各个硬件模块进行了地址上的分配以及命令格式上的定义。如蜂鸣器开为AA01其中AA为通讯测试编码，01为接收距离数据，AA02为关闭接收数据，AA03为继电器吸合，AA04为继电器释放，AA05为直流电机运行，AA06为直流电机停止等。这里定义写入到MCU后，上位机只需将这些命令通过串口发出即可实现对硬件系统的控制。Microsoft公司在WINDOWS中提供了一个串口 通 讯 ActiveX控 件 Communication Control（MSComm），MSComm间接调用Windows API，然后再传递给驱动设备进行处理[8]。将控件加在单文档对话框上再用ClassWizard生成相应的对象，就可以使用其函数如：SetCommPort（指定使用的串口），GetCommPort（得到当前使用的串口），SetPortOpen（打开或关闭串口），GetPortOpen（取得串口状态），GetInPut（读取输入缓冲区），GetOutBufferCount（输出缓冲区中待发送的字符数），SetOutPut（写入输出缓冲区）。设置好MSComm的属性，将以上命令编码通过SetOutPut等函数发出即可。采用MSComm编程控制该系统的界面如图5所示。

图5 红外测距系统上位机界面Fig.5 PC interface of system

图6 测距系统实物图Fig.6 Material object of system

5 结束语

本便携式测距系统完成了一整套软件硬件的系统设计，具有成本低、实用性高、功率小、反映速度快、抗干扰能力强、易于小型化等特点，非常适用于短距离测量、移动机器人避障及红外感应控制等诸多领域。为了避免盲区和提高测量精度，还可以采用多个红外发送接收模块同时工作，得到更准确的数据。

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