1、本科生畢業設計（論文） 目目 錄錄摘要摘要 .- - 1 1 - -ABSTRACTABSTRACT .- - 2 2 - -前言前言 .- - 3 3 - -第第 1 1 章章 緒論緒論 .- - 4 4 - -1.1 選題的目的和意義.- 4 -1.2 國內外研究綜述.- 4 -1.3 課題的研究內容.- 5 -第第 2 2 章章 系統設計系統設計 .- - 6 6 - -2.1 設計方案.- 6 -2.2 系統硬件部分設計.- 7 -2.2.1 STC89C51 模塊.- 7 -2.2.2 電源模塊 .- 8 -2.2.3 A/D 模塊.- 8 -2.2.4 傳感器電路 .- 9 -2.

2、2.5 LCD 顯示電路.- 9 -第第 3 3 章章 系統軟件設計系統軟件設計 .- - 1212 - -3.1 主程序.- 12 -3.2 基于 I2C 的 A/D 讀寫控制程序 .- 12 -3.3 LCD1602 顯示子程序 .- 14 -3.4 LCD1602 顯示子程序 .- 14 -本科生畢業設計（論文） 第第 4 4 章章 調試與功能說明調試與功能說明 .- - 1616 - -4.1 硬件調試.- 16 -4.2 軟件調試.- 18 -結論結論 .- - 1919 - -參考文獻參考文獻 .- - 2020 - -致謝致謝 .- - 2121 - -附附錄錄 .- - 222

3、2 - -附錄 1：實物照片說明 .- 22 -本科生畢業設計（論文）- 1 - 摘要摘要紅外是一種無線通訊方式，可以進行無線數據的傳輸。自 1974 年發明以來，得到很普遍的應用，如紅外線鼠標，紅外線打印機，紅外線鍵盤等等。當前在這方面還有很多要研究的，如紅外功能材料制備、紅外光電激發動力學研究、紅外量子器件、目標對象光譜特征與標定。因此研究紅外方法和控制具有重要的意義。本文介紹了一款以紅外傳感器為測量器件，以 LCD1602 為顯示器的設計，通過紅外傳感器測量距離的設計思路，詳細敘述了系統硬件、軟件的具體實現過程。硬件電路采用模塊化設計，主要包括主控制器、AD 轉換電路和顯示電路等。主控制

4、器采用 51 單片機，顯示電路采用液晶 LCD1602 來顯示出測量的距離；軟件同樣采用模塊化設計，包括顯示模塊、串行數據發送模塊，并采用目前流行的 C 語言編寫實現。 本文通過紅外傳感器測量來顯示測量距離，由于紅外測距是一種發射接收方式，因此不能離的太遠，要對準方向。校準系數以程序的形式儲存在 OTP 內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。所以本設計具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。關鍵詞：關鍵詞：紅外傳感器；PCF8591 轉換；LCD1602；STC89C51；本科生畢業設計（論文）- 2 - A ABSTRACTBSTRACT Infra-r

5、ed (IR) is a kind of wireless communication mode, and it can be a wireless data transmission. Since the invention in 1974,it was very widely, such as infrared mouse, infrared printer, infrared keyboard and so on. In this regard there are a lot of study, such as infrared functional materials preparat

6、ion, infrared excitation dynamics study infrared quantum devices, the spectral characteristics of the target object and calibration. So the infrared method and control is of great significance. This article describes the design of a measuring device to the infrared sensor LCD1602 display design, thr

7、ough infrared sensors measure the distance, and this paper describes the systems hardware and software implementation. The hardware circuit uses a modular design, including a master controller, the AD conversion circuit and the display circuit. The main controller using 51 microcontroller, and displ

8、ay circuit using liquid crystal LCD1602 to show the distance measurement ;The software uses the same modular design, including the display module, serial data sending module, and the currently popular written in C language to realize. In this paper, the infrared sensor measurement displays the measu

9、rement distance, due to the infrared range is a launch reception mode, so we can not be away too far, but to the direction of alignment. Calibration factor in the form of program stored in the OTP memory, sensor internal testing signal processing process to call these calibration coefficient. So thi

10、s design has the excellent quality, super-fast response, strong anti-jamming ability, the advantages of high performance-to-price ratio pole.Keywords: infrared sensor; PCF8591 conversion; LCD1602;STC89C51；本科生畢業設計（論文）- 3 - 前言前言紅外線自 1800 年被發現以來，人們對她的研究從來沒有停止過，目前已經開發出了眾多的應用產品，從醫療、檢測、航空到軍事等領域，幾乎處處都能看到紅外

11、的身影。但人們對她的研究仍然延續，時不時出現的新發明新應用，帶給我們驚訝與感嘆，人類對這座寶藏的開發還遠遠不夠，紅外產業還有廣闊的擴張空間。用 LCD 液晶顯示器來顯示測距數值或者形成的圖像，看起來更加直觀。用紅外線來測量距離的關鍵是紅外傳感器。隨著技術的進步和人們生活的需要，現在出現了更好更穩定的紅外傳感器。隨著便攜式紅外傳感器的體積越來越小，價格逐漸降低，在食品、采暖空調和汽車等領域也有了新的應用。紅外傳感器正在經歷逐漸走向數字智能化這樣一個階段。 對于紅外傳感器的全球市場，第三世界國家將比歐美更加看好。雖然歐美很多工業國家加工業廣泛，但其市場以趨向飽和；而在中國以及拉美一些新興國家和地區

12、，隨著其經濟的復蘇與發展，各國各地區紛紛加強工業化建設，加工廠不斷增多，紅外傳感器在該區域的銷量每年以 25的速度增長，并且其市場銷量還處于增長趨勢。本文第一章為緒論，闡述了選題的意義以及目前國內外紅外傳感器研究的概況。第 2 章為系統設計方案的對比與選擇，并詳細介紹了硬件各模塊的設計思路與方法。第 3 章介紹了系統各模塊軟件代碼的編寫。第 4 章介紹了主要的調試工具以及在調試過程中遇到的問題和解決方法。本科生畢業設計（論文）- 4 - 第第 1 1 章章 緒論緒論1.1 選題的目的和意義隨著社會的發展，人們對環境中距離精度要求也越來越高，尤其是在醫學、電力電子、航空航天、食品發酵等領域中對距

13、離要求尤其嚴格。紅外測距在研究對周邊環境感知技術等方面有很好的應用，它也是其中的重要組成部分。隨著計算機技術、微電子技術、信息技術的快速進步，紅外也應用到了很多領域，諸如，紅外電路板故障診斷、智能移動機器人等，它們的研究也越來越受到了科學人員的重視。設計一種測量距離，成本低的障礙物檢測報警系統對智能移動機器人的發展有重要的意義，也是人們爭相研究的熱點。由于紅外和單片機系統自身優點，兩者結合開發的障礙物檢測報警系統有巨大的應用前景。不得不說，紅外測距已經占據了很重要的位置。其已經在現代科技、國防和工農業等領域得到了廣泛的應用。1.2 國內外研究綜述近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，不僅僅對家庭

14、環境、生活空間的美化要求日益增高，而且對身體狀況越來越有高度的重視，如果能開發出更多遠紅外保健產品將會受到廣大人們的青睞和厚愛，將會有廣闊的市場前景和應用價值。隨著科技的進步，紅外系統也向著智能化、小型化、低功耗的方向發展。在這個發展過程中，以單片機為核心控制器的紅外檢測系統體積小、操作簡單、性能穩定等諸多優點正逐步進入生產生活的各個方面。常見的紅外傳感器可分為熱傳感器和光子傳感器。熱傳感器是利用如射紅外輻射引起傳感器的溫度變化，進而使有關物理參數發生相應的變化，通過測量有關物理參數的變化來確定紅外傳感器所吸收的紅外輻射。熱探測器的主要優點是相應波段寬，可以在溫室下工作，使用簡單。但是熱傳感器

15、響應的時間較長，靈敏度較低，一般用于低頻調制的場合。主要類型有：熱敏傳感器型、熱電偶型、高萊氣動型和熱釋放電型。光子傳感器是利用某些半導體材料在入射光的照射下，產生光子效應，使材料電學性質發生變化。通過測量電學性質的變化，可以知道紅外輻射的強弱。利用光子效應所制成的紅外傳感器。統稱光子傳感器。光子傳感器的主要特點靈敏度高，響應速度快，具有較高的響應頻率。但是其一般須在低溫下工作，探測波段較窄。按照光子傳感器的工作原理，一般可以分為內光電和外光電傳感器兩種，后者又分為光電導傳感器、光生伏特傳感器和光磁電傳感器等三種。本科生畢業設計（論文）- 5 - 隨著紅外材料及傳感器類型的不斷開發研究，新型測

16、距儀器正逐步不代替傳統的測試手段。目前美、英等國正致力于加強前視紅外系統信息處理能力與發展（如自動人工目標分類）。便攜式整機配個人計算機可產生實時、高分辨率圖像來解決研究領域和工業領域中的問題。1.3 課題的研究內容本次課題是研究通過紅外來測量距離的問題，通過紅外傳感器測量出相應的距離，但是，它測量出的是以電壓信號形式輸出的，這不能直接顯示在現實器上，單片機也不能轉換電壓相應的信號，只有通過 AD 轉換器，將電壓信號轉為模擬信號，然后將模擬信號送到單片機中，經過處理后，通過顯示器顯示相應的距離。所以，本課題也就是研究如何將電壓信號轉為模擬信號，然后如何通過單片機處理模擬信號，使其通過顯示器顯示

17、的問題。本科生畢業設計（論文）- 6 - 第第 2 2 章章 系統設計系統設計2.1 設計方案由課題需要，利用紅外線測量距離，根據此要求和現有條件選用較為合適的硬件、設計出合理的硬件原理圖，并盡量采用模塊化將它們分幾個小部分，對每個小模塊設計對應程序，然后把它們結合起來，使其可以達到工作要求。本系統是以單片機為核心，通過紅外傳感器測出距離的對應電壓，以及相關的電路組成。由紅外傳感器測算與對應物體之間的距離（實際是電壓），測出的電壓信號，通過 AD 轉換，轉換為數字信號，然后通過單片機處理顯示到液晶屏上，可以時時顯示與對應物體之間的距離。但是基于紅外傳感器自身不足，測量范圍有限，所以對測量的數據

18、要進行分析判斷，是否在測量范圍內，否則不能測出較準確距離（存在誤差）。基于 STC89C51 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統可編程 Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。系統結構如圖 2.1。 圖 2.1 系統框圖 各個小模塊的原理圖如圖 2.2 系統原理圖。處理器模塊處理器模塊傳感器模塊傳感器模塊顯示模塊顯示模塊AD 模塊模塊按鍵模塊按鍵模塊電源模塊電源模塊本科生畢業設計（論文）- 7 - 圖 2.2 系統原理圖2.2 系統硬件部分

19、設計2.2.1 STC89C51 模塊 STC89C51 具有以下標準功能： 8k 字節 Flash，512 字節 RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器，內置 4KB EEPROM，MAX810 復位電路，2 個 16 位 定時器/計數器，一個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口。另外 STC89X52 可降至 0Hz 靜態邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率 35MHz，6T/12T

20、可選。圖 2.3 為 51 單片機的系統框圖。本科生畢業設計（論文）- 8 - 圖 2.3 單片機系統框圖2.2.2 電源模塊由于電路系統需要+5V 電源（不是+5V 時候，顯示不穩定，波動較大） ，而通過外接 USB 線會不方便，所以本次課題選用了自帶電源。應為生活中現有的+5V 不容易找到，所以選用 4 節干電池（大于+5V） ，然后通過 7805 降壓模塊，將電壓穩定在+5V。電源模塊如圖 2.4 所示圖 2.4 電源模塊2.2.3 A/D 模塊PCF8591 是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS 數據獲取器件。PCF8591 具有 4 個模擬輸入、1 個模擬輸出和 1

21、 個串行 I2C 總線接口。PCF8591 的 3個地址引腳 A0, A1 和 A2 可用于硬件地址編程，允許在同個 I2C 總線上接入 8 個本科生畢業設計（論文）- 9 - PCF8591 器件，而無需額外的硬件。在 PCF8591 器件上輸入輸出的地址、控制和數據信號都是通過雙線雙向 I2C 總線以串行的方式進行傳輸。A/D 電路模塊如圖 2.5 圖 2.5 A/D電路模塊2.2.4 傳感器電路紅外測距傳感器具有一對紅外信號發射與接收二極管，利用紅外測距傳感器LDM301 發射出一束紅外光，在照射到物體后形成一個反射的過程，反射到傳感器后接收信號，然后利用 CCD 圖像處理接收發射與接收

22、的時間差的數據。經信號處理器處理后計算出物體的距離。這不僅可以使用于自然表面，也可用于加反射板。測量距離遠，很高的頻率響應，適合于惡劣的工業環境中。由于紅外測距傳感器是單總線傳輸，只用一根數據線，本次課題的紅外傳感器是通過連接 A/D，然后再連接到單片機 P3.6P3.7 上。紅外傳感器與單片機的接口電路如圖 2.6 所示：圖 2.6 紅外傳感器通過 A/D 與單片機接口電路2.2.5 LCD 顯示電路液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富等特點，現在字符型液晶顯示本科生畢業設計（論文）- 10 - 模塊已經是單片機應用設計中最常用的信息顯示器件了。1602A 可以顯示 2 行 16 個

23、字符，有 8 位數據總線 D0D7，和 RS、RW、EN 三個控制端口，工作電壓為 5V，并且帶有字符對比調節和背光。該模塊也可以只用 D4D7 作為四位數據分兩次傳送。這樣的話可以節省 MCU的 I/O 口資源。本系統即使用此接法。各引腳的功能見表 2.1.表 2.1 LCD1602 引腳功能圖第 1 腳：VSS 為地電源。第 2 腳：VDD 接 5V 正電源。第 3 腳：VL 為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影” ，使用時可以通過一個 10K 的電位器調整對比度。第 4 腳：RS 為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令

24、寄存器。第 5 腳：R/W 為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS 和 R/W 共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當 RS 為低電平 R/W 為高電平時可以讀忙信號，當 RS 為高電平 R/W 為低電平時可以寫入數據。第 6 腳：E 端為使能端，當 E 端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。第 714 腳：D0D7 為 8 位雙向數據線。第 15 腳：背光源正極。第 16 腳：背光源負極。它與單片機的連接如圖2.7所示本科生畢業設計（論文）- 11 - 圖 2.7 LCD 與單片機連接圖本科生畢業設計（論文）- 12 - 第第 3 3 章章 系統軟件設計系統軟

25、件設計本章主要介紹紅外測距傳感器的軟件程序設計，重點講述了主程序、發送接收與發送子程序、顯示子程序的設計思路、程序流程圖。3.1 主程序首先單片機初始化，LCD 初始化，啟動 A/D 轉換，通過 A/D 對紅外傳感器電信號的轉換送到單片機中處理，然后通過計算得出當前距離并送到 LCD1602 顯示。主程序流程圖如圖 3.1開始單片機初始化液晶初始化AD轉換輸出轉換結果數值轉換顯示轉換是否結束YN圖 3.1 主程序流程圖 3.2 基于 I2C 的 A/D 讀寫控制程序(1)、 讀一個字節：89C51 的數據接受程序流程圖如圖 3.2 所示，該段程序為 I2C 數據傳輸函數的子本科生畢業設計（論文

26、）- 13 - 程序，單片機對 A/D 進行讀操作時，執行該程序。啟動總線重新啟動總線讀出數據發送數據發送器件地址結束總線發送非應答位發送應答位圖 3.2 基于 I2C 的讀一個字流程圖(2)、 寫一個字節89C51 的數據發送程序流程圖如圖 3.3 所示，該段程序為 I2C 數據傳輸函數的子程序，單片機對 A/D 進行寫操作時，執行該程序。本科生畢業設計（論文）- 14 - 啟動總線發送器件子地址結束總線發送數據發送器件地址圖 3.3 基于 I2C 的寫一個字流程圖3.3 LCD1602 顯示子程序數據轉換是根據 Y=-0.77X+166 把 AD 讀取的數值轉化為相應的距離，然后把該距離拆

27、分為個、十、百位的單個數值。為下一步的液晶顯示做準備。數值轉換流程圖如圖 3.4。讀取AD轉換結果，保存在D2中計算實際距離數據處理圖 3.4 數值轉換流程圖3.4 LCD1602 顯示子程序 89C51 通過往 1602 寫數據子程序將距離數據寫入 1602 顯示出來。送顯之前，89C51 通過 1602 寫指令子程序往 1602 中寫入顯示字符地址，來設定顯示位置。特別值得注意的是，液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以執行每條指令之前一本科生畢業設計（論文）- 15 - 定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則指令失效。因此，89C51 往 1602寫指令或數據之前，都要確認液晶模塊空閑

28、。1602 內部顯示地址如圖 3-1 所示：圖 3-1 1602 內部顯示地址89C51 往 1602 寫入顯示地址時，要求最高位 D7 必須為高電平，本設計的處理方法是：將顯示字符地址與 0 x80 相或，然后由 89C51 直接將結果寫入。 寫指令（數據）到 LCD 子程序設計：如圖 3.5按端口設置RS-0,RW-0,E-0(寫指令)RS-0,RW-0,E-1(寫數據)延時延時液晶模塊執行指令開始LCD忙YN將指令傳給I/O口結束圖 3.5 LCD1602 寫數據/指令流程圖本科生畢業設計（論文）- 16 - 第第 4 4 章章 調試與功能說明調試與功能說明4.1硬件調試硬件電路焊接完成

29、后，檢查了一遍，沒發現有短路斷路等現象，開始時候，采用開發板上的電源通電，通電源后（+5V） ，LCD 沒顯示，后發現少了電位器，焊接上后，經過調節電位器，顯示器有顯示，但不正確，出現亂碼，檢查程序，沒發現問題。對電路板檢查，是焊接不牢固，導致接觸不穩定，影響了顯示，重新焊接后，顯示正常。后來考慮到不方便做演示，改電源采用 4 節干電池供電，雖然顯示出了距離，但是顯示的數據不停的變化，非常不穩定，要求是 5V 電源，4 節干電池供電是 6V，所以導致顯示不穩定，思考后，加了一個 5V 穩壓器后，經測試，輸出的電壓為 5V，達到要求，通電后，顯示正常。通過對每 5cm 取一個數，測量其顯示與記錄

30、對應的實際值，記錄值如表 4.1。表 4.1 測量結果實際距離(cm) YAD 轉換的數據 X20288252353013735155401754515050140551356012165111701077598809685969094959010088本科生畢業設計（論文）- 17 - 10589 通過對記錄的數據進行分析，將數據一一描點在坐標軸上，從點可以看出明顯呈線性關系，經過多次計算，最終確定了一條曲線，Y=-0.77X+166 ,曲線方程如圖 4.1圖 4.1 曲線方程圖曲線方程：y=-0.77x+166 把得到的曲線方程添加到程序中，然后把程序下載到單片機中，通上電源后，隨機取一段

31、距離，將障礙物放在此高度，顯示器清晰顯示了當前距離（有時候顯示會有所波動，正常的） ，液晶顯示如圖 4.2。本科生畢業設計（論文）- 18 - 圖 4.2 顯示4.2 軟件調試軟件調試采用 KEIL 單步調試，軟件程序在 KEIL 里編譯通過后，在連接上硬件電路能夠通過液晶正確的顯示當前測量的距離才算完成。但在軟硬件結合時，顯示的距離與實際距離不相符，甚至會顯示出亂碼。通過對顯示的數據與實際的數據做統計，然后計算出方程曲線，在修改程序后，LCD1602 能夠顯示出數值，但與實際距離值還是有誤差，在對顯示與實際距離分析調整后，調試程序后在液晶上顯示出了相對理想的數值。本科生畢業設計（論文）- 19 - 結論結論 通過努力，此次畢業設計課題成功地實現了紅外傳感器測距的顯示功能。本課題電路上相對較簡單，通過一個 A/D 對電信號轉換，將電信號轉為模擬信號，經過 89C51 單片機處理后顯示。在對單片機軟件程序設計方面顯得相對復雜。在本課題設計和實現的過程中遇到了許多的問題，例如：如何調試程序、如何正確讀取總線，如何排版等，通過思考以及同學之間探討幫助，這些問題最終得以解決。經過對這次畢業設計，不僅學習了更過相關專業知識，而且也通過自己動手制作，以及和同學之間