摘要：现代制造业中对测量的范围、精度、实时性、动态性提出了很高的要求。在这种需求的推动下,各种非接触式测距技术被开发出来，并且比较成功地解决了问题。红外测距传感器是一种非接触式的测距传感器，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。

针对这种情况，本设计提出了便携式红外测距系统，以较低的硬件成本满足生产现场的要求。本系统设计以单片机为核心，运用红外测距传感器测量距离，将采集到的电压信号经单片机内部A/D转换，对转换后的数字量信息进行拟合得到测量的距离。另外本系统的外围电路如语音模块可以播报数据信息，显示模块可以显示计量结果，这些大大提高了系统的实用性和可操作性。

关键词：红外测距传感器，A/D转换，微控器

1 课题背景

现代科学技术的发展进入了许多新领域，而在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距。其中激光测距是靠激光束照射在物体上反射回来的激光束探测物体的距离。由于受恶劣的天气、污染等因素影响，使反射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少一半左右，损失很大，影响探测的精确度；微波雷达测距技术为军事和某些工业开发采用的装备和振荡器等电路部分价格昂贵，现在几乎还没有开拓民用市场；超声波测距在国内外已有人做过研究，由于采用特殊专用组件使其价格高，难以推广；红外线作为一种特殊的光波，具有光波的基本物理传输特性—反射、折射、散射等，且由于其技术难度相对不太大，构成的测距系统成本低廉，性能优良，便于民用推广。红外测距传感器是一种非接触式的测距传感器，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。为了实现物体近距离/高精度的无线测量,采用红外传感器采集距离数据,微控制器作为处理器,编写A/D转换、显示以及语音播报，开发了一套便携式的红外距离测量系统，系统可以实时显示所测的距离，并且可以进行语音播报。

2 研究内容

便携式红外测距系统是以单片机为核心，通过对红外传感器的测量数据进行采集，将采集到的电压值转换成距离值，实现在液晶上显示出处理后的距离值，并同时进行语音播报。本系统主要由红外传感器、单片机、语音播报模块、液晶显示组成，通过红外传感器采集数据，经过A/D转换，对转换后的数字量信息进行拟合得到测量的距离，再将其结果进行实时显示，同时具有语音播报功能。本文研究的红外测距系统成本较低，机体尺寸小，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。

3 研究方案

3.1 硬件设计及原理

本设计本系统以单片机作为微控制器，通过对红外传感器数据进行采集并进行处理，将处理后的数据在液晶上显示出来，并进行语音播报。主要有红外传感器、单片机、语音播报、液晶显示等组成，通过红外传感器采集数据，经过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，再将其结果进行实时显示，同时具有语音播报功能。因此系统可分为五个模块，分别为微控制器模块、A/D转换模块、语音播报模块、红外传感器采集模块、显示模块。系统框图如图3-1所示：

图3-1 便携式红外测距系统设计框图

便携式红外测距系统由以下几部分组成：

（a）微控制器：TC15L2K60S2单片机为增强型51内核，指令速度增大了8~12倍；宽工作电压范围：STC15L2K60S2工作电压为3.6V~5.5V；片内有多种容量的Flash存储器，包括8K、32K、48K和60K等；片内大容量2048BSRAM；内部8通道的ADC，精度可达10位，速度可达30万次/秒；内部含有可靠复位电路，无需外部复位电路；内部高精度R/C时钟，时钟从5MHz~35MHz可选，工作频率范围为5MHz~ 35MHz，相当于普通8051的60MHz~420MHz，因此本设计选用STC15L2K60S2为主控制芯片。

（b）红外传感器：选择夏普GP2Y0A02YK0F(20-150cm)和GP2Y0A710K0F(100-550cm)不同量程的两种红外传感器进行切换。GP2Y0A02YK0F和GP2Y0A710K0F都是夏普的距离测量传感器模块。它由PSD(position sensitive detector位置敏感传感器)和IRED(infrared emitting diode红外发光二极管)以及信号处理电路三部分组成。由于采用了三角测量方法，被测物体的材质、环境温度以及测量时间都不会影响传感器的测量精度。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的物体的距离，所以可以用于距离测量、避障等场合。

（c）语音芯片：WT588D的应用电路，三线串口控制模式由三条通信线组成，分别是片选 CS，数据 DATA，时钟 CLK，时序根据标准 SPI 通信方式。通过三线串口可以实现语音芯片命令控制、语音播放。三线串口模式下，所有按键均无效。可通过专业上位机操作软件，随意组合语音，可插入静音，插入的静音不占用内存的容量，一个已加载语音可重复调用到多个地址，USB下载方式，支持在线下载/脱机下载；即便是在WT588D语音芯片通电的情况下，也一样可以正常下载数据到SPI-Flash，配套 WT588D VoiceChip上位机软件，接口简单，使用方便，能极大限度的发挥出 WT588D 语音单片机的各项功能。

（d）液晶显示模块：由于本系统设计中使用的STC15单片机为SOP28封装，IO口数量有限，为了便于驱动LCD12864，显示接口电路使用串行驱动方式，图中PSB引脚为液晶并行/串行操作切换引脚，高电平并行显示，低电平串行显示。所需控制线只需要三根：RS（串行片选信号）、R/W（串行数据信号）、E（串行同步时钟信号）。

（e）电源模块：单片机所需电压在2.4V-3.6V范围内，在此选取典型电压3.3V；其余模块诸如液晶12864、语音芯片WT588D所需电压均为3.3V，但是红外传感器所需电压为5V，故整个电路采用5.0V直流电压输入，通过AMS1117-3.3将5V电压转换成3.3V供单片机和液晶12864、语音芯片WT588D使用。

3.2 软件设计

软件设计使用KEIL C进行C语言的编程。本系统的主要功能是实现距离测量，根据之前对系统分析，可将本设计划分为几大模块，如语音模块，显示模块，电源模块等，并分别对其进行编程，实现相应功能。在需要各模块间产生交互关系时，通过单片机控制进行交换。该设计的主控芯片是STC15L2K60S2，首先对其寄存器及各引脚进行初始化、赋初值等，为之后功能实现做好准备。

首先，对单片机进行初始化，启动红外系统。然后，当单片机扫描到有测量按键按下时，开始接收来自红外传感器传输的电压信号。测量时采用夏普大小两种量程的红外传感器(GP2Y0A02YK0F和GP2Y0A710K0F)进行切换。GP2Y0A02YK0F传感器的量程为20cm-150cm，GP2Y0A710K0F传感器的量程为100cm-550cm。在测量距离时，首先保留小量程红外传感器作为距离判断，当距离小于100cm时采用小量程红外传感器（GP2Y0A02YK0F）进行测量；当距离为100cm到150cm之间时，采用两个红外传感器同时进行测量，并求取均值；当距离超出150cm时采用大量程红外传感器（GP2Y0A710K0F）进行测量。红外传感器将采集到的电压模拟值经A/D转换程序，将片外的模拟信号转换为单片机可识别的数字信号，并经电压-距离转换子程序，将电压值转换成距离值。最后，在动态扫描LCD12864显示器上显示出来并进行语音播报。

4 总结

便携式红外测距系统以STC15L2K60S2为核心处理器，与语音芯片，液晶显示等共同完成距离的测量，并将数据信息显示在液晶屏上。具体总结为以下几点：

（a）通过非接触式测距的国内外研究现状，了解现有的非接触式测距技术和方法。

（b）进行系统总体方案的设计，进行模块划分以及各模块芯片的选择。针对系统需求，系统由微处理器、红外传感器(GP2Y0A02YK0F和GP2Y0A710K0F)、语音芯片WT588D、液晶12864组成。分为微处理器模块、A/D转换模块、语音播报模块、红外传感器采集模块、显示模块五大模块。可以对测量的结果进行语音播报并实时显示。

（c）进行各个模块的软硬件调试，设计各模块的接口电路，利用Keil C软件进行编程，将程序下载入15单片机分别成功控制各个模块。

（d）绘制PCB板、安插元器件、焊接。

（e）实物的综合调试。电路板的测试，确保没有短路和断路，然后对各个模块进行调试，最后总体调试。

（f）与PC机的串口通信。

主要有以下工作需要进一步研究：

（a）开发上位机界面。

（b）增强系统的精度以及稳定性

（c）优化PCB设计，使其更加美观

（d）进一步开发，使其应用于如如移动机器人避障及红外感应控制等诸多领域。

基于以上的分析，今后可以对这些方面进行功能扩展，并在此基础上进行不断改进。

参考文献

[1] 韦伟，周凌翱，刘青. 一种便携式的红外测距系统[J].电子设计工程，2011，21：40-41.

[2] 蒋晓玲，孟志强.汽车追尾防撞红外测距系统[J].光电子技术，2011，31(1)：67-72.

[3] 文俊峰， 乔小军.便携式红外收发器的设计与实现[J].光电子技术，2006, 26( 4)：234-238.

[4] 安啸．非接触式测距技术在工业现场的应用研究[D]．西安：长安大学．2012