基于GP2Y0A02距离测量的仿真与辅助设计

李建新

（武汉软件工程职业学院电子工程学院，湖北 武汉 43020）

基于GP2Y0A02距离测量的仿真与辅助设计

李建新

（武汉软件工程职业学院电子工程学院，湖北 武汉 43020）

为了实现非接触距离测量，利用多个仿真与设计软件设计了采用GP2Y0A02模块的距离光学测试系统。在PROTEUS中测量GP2Y0A02电压值，并在Matlab中采用多元线性回归建立GP2Y0A02电压与距离的拟合曲线，最后在开发的测量程序中利用拟合曲线求解得到距离量。测试结果表明，对于非线性位置测量采用适当数据处理方法能得到满意的测量精度。

激光三角测量；距离传感器；非线性校正；曲线拟合

1．概述

距离测量广泛应用在工业液位、料位、生产线料坯传送定位，行吊XY定位，大型工件装配定位；超大物体几何计量，光散射试验，超声波特性试验，军事枪械校正，靶距自动控制，船舶安全靠距，集装箱定位等领域中。非接触式距离检测系统中广泛应用激光三角测量法，在中/低精度、高速场合其光电传感器常用采用PSD，而三角测量法存在着物像非线性位置关系，非线性校正对于测量精度影响大，需要采用适当数据处理以提高测量精度。通过仿真与设计软件进行数据处理和辅助设计，可提高研究和设计效率。

2．距离测量电路

距离测量电路组成如图1所示，距离测量传感器采用夏普一款距离测量传感器模块GP2Y0A02，距离测量范围：200～1500mm，输出信号范围：3～0V。调整放大器将GP2Y0A02输出信号从3～0V放大至A/D转换器输入范围0～10V，经A/D转换后数字量D送入计算机，测量程序进行数据处理，得出距离值。PROTEUS仿真电路如图4所示。

图1 位置测量电路组成框图

⑴距离测量传感器模块GP2Y0A02

GP2Y0A02由PSD和IRED以及信号处理电路三部分组成。GP2Y0A02采用了三角测量方法，传感器输出电压值对应探测的距离，通过测量电压值就可以得出所探测物体的距离。

在PROTEUS中有GP2Y0A02仿真元件，如表1所示，在PROTEUS中传感器类/距离传感器子类中可以找到GP2Y0A02仿真元件。

表1 GP2Y0A02仿真元件

在PROTEUS中GP2Y0A02特性测试仿真如图2所示，测的GP2Y0A02的距离与电压一组数据 ）（uf=L 如下：

图2 PROTEUS中GP2Y0A02特性测试仿真

（L，u）

={(200，2.66)，(210，2.53)，(220，2.42)，(230，2.32)，(240，2.22)，(250，2.14)，(260，2.06)，(270，1.98)，(280，1.91)，(290，1.85)，(300，1.79)，(310，1.73)，(320，1.68)，(330，1.63)，(340，1.58)，(350，1.54)，(360，1.50)，(370，1.46)，(380，1.42)，(390，1.38)，(400，1.35)，(410，1.32)，(420，1.29)，(430，1.26)，(440，1.23)，(450，1.20)，(460，1.18)，(470，1.15)，(480，1.13)，(490，1.11)，(500，1.08)，(530，1.02)，(550，0.988)，(600，0.908)，(650，0.839)，(700，0.781)，(750，0.73)，(800，0.685)，(850，0.645)，(900，0.610)，(950，0.579)，(1000，0.551)，(1050，0.525)，(1100，0.501)，(1150，0.480)，(1200，0.460)，(1250，0.442)，(1300，0.426)，(1350，0.410)，(1400，0.396)，(1450，0.382)，(1500，0.37)}。

在Matlab中将测得的数据构成电压U、距离L两个向量，用Matlab工具箱Toolboxes的Curve Fitting将两个数据向量转换为距离与电压的关系曲线，如图3所示。横坐标为电压，纵坐标为距离，由图可见曲线具有非线性关系。

图3 GP2Y0A02测距L与输出电压u的特性曲线

⑵A/D转换器AD1674

由GP2Y0A02测量范围和系统测量精度要求0.1mm，可知A/D转换最小分辨率N为A/D转换器位数且同时考虑其它误差，取N=12。为了确保足够的测量精度，采用12位A/D转换器AD1674。

AD1674是美国AD公司推出的一种完整的12位并行模/数转换单片集成电路。该芯片内部自带采样保持器(SHA)、10伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器。

⑶距离测量仿真电路

距离测量的PROTEU仿真电路如图4所示，AD1674使用单极性输入，输入模拟电压范围0～10V，输出转换数字量0～4095。AD1674的模拟量输入端的输入阻抗比较低，所以需要阻抗变换电路以提高输入阻抗；如图4所示，同相放大器将GP2Y0A02输出的0～3V放大至A/D转换器输入范围0～10V，同时也实现输入阻抗变换。A/D转换器将转换结果送入计算机，计算机选用单片机AT89C52，晶振频率12MHz。

图4 PROTEUS中距离测量仿真位电路

3．距离测量算法

GP2Y0A02采用了三角测量方法，图5示出三角测距原理。

图5 三角测量的原理图

物距L与像在PSD上位置X关系非线性，测量程序应当实现非线性校正。使用最小二乘法，得出距离L测量多元线性回归方程。对前述测得的数据组利用Matlab工具箱Toolboxes的Curve Fitting将反复进行曲线拟合，结果八次拟合曲线满足精度要求，如图6所示。八次拟合函数如式（3-1），关系标准差1.307。

图6 GP2Y0A02输出电压u与距离L拟合曲线

其中：[a0，a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7，a8]

=[5371，-21540，47100，-62290，51910，-27370，8838，-1593，122.7]

根据图4，AD1674输入与输出转换关系：

u'、D分别为A/D转换器AD1674输入电压与转换输出数字量，u为GP2Y0A02输出电压。

测量算法描述：

A/D转换时，D以低八位DL、高八位DH二次分别读入，低、高八位为单字节补码表示的定点数，拼接为D=256*DH+ DL双字节补码表示的定点数。运算时，D转换为浮点数以防止数据丢失。以下为Keil C51实现测量算法的片段。

float L，u，v；

float a[9]

={5371，-21540，47100，-62290，51910，-27370，8838，-1593，122.7}；

uchar DH，DL；

uint D；

float L；

∶

D=(256*DH+DL)；

D=D＞＞4；

v=(float)D/1365.3；

if(v＞0．58)

{

u=1；

L=a[0]；

for(i=1；i＜8；i++)

{

u*=v；

L=L+a[i]*u；

}

}

else

L=-2500*v+2550；

D=(uint)L；

4．测试与误差

表2 输出距离值与计算值的比较

由表2所示可知，最大拟合误差发生在L=200mm附近，故最大相对百分拟合误差：=在测量距离较大时，测量误差较小。

5．结束语

通过PROTEUS仿真测得传感器模块GP2Y0A02输出数据。为解决三角测量非线性校正问题，利用Matlab的功能反复实验，找到满足测量精度要求数据处理结果。又通过PROTEUS仿真和辅助设计了距离光学测试系统信号测量电路和测量程序，得出了结果，为进一步的实际设计奠定了基础，简化了设计复杂性，提高了设计效率，使整个设计过程科学化、自动化。

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[5]钱鹏，沈为群，刘旺开．基于拟合曲线的非标高温传感器在采集系统中的应用[J]．兵工自动化，2011，30(3)：83-85．

Simulation and Design of Distance Measurement Based on GP2Y0A02

Li Jianxin
(Wuhan Vocational College of software and engineering,Hubei 43020,Wuhan)

tract】 To realize the non-contact distance measurement,the distance optical test system based on GP2Y0A02 is designed using multiple simulation and design software.The voltage value of GP2Y0A02 is measured in PROTEUS,and the fitting curve of GP2Y0A02 voltage and distance is established using multiple linear regressions in Matlab;finally distance is measured by the fitting curve with procedure.The test results show that satisfied measurement accuracy can be attained using appropriate data processing methods for the nonlinear position measurement.

words】 laser triangulation measurement;sensor;nonlinear correction;curve fitting

李建新，男，湖南常宁人,硕士，教授、高级工程师，研究方向：光电检测研究。