謝方 張鵬 白舜升 巴片

摘要：一套完整的紅外傳感測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用儀器多，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和儀器設(shè)備成本。在對(duì)紅外線測(cè)距技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，采用擁有虛擬儀器開發(fā)軟件 LABVIEW 的計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)接受數(shù)據(jù)，使用STC89C52單片機(jī)作為下位機(jī)對(duì)紅外傳感測(cè)距模塊進(jìn)行控制，從而進(jìn)行距離數(shù)據(jù)的測(cè)量、采集和分析，隨后通過FC-201/SP微功率數(shù)傳模塊將下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，經(jīng)LABVIEW的后面板算法處理后，在界面上顯示測(cè)量結(jié)果。

關(guān)鍵詞：LABVIEW;STC89C52單片機(jī);紅外傳感測(cè)距;FC-201/SP

1 引言

光電測(cè)距技術(shù)自上世紀(jì)60年代以來一直在迅速的發(fā)展， 與傳統(tǒng)的卷尺、鋼尺測(cè)距方法相比，光電測(cè)距精度更高、靈活機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)、作業(yè)速度更快，受地形的影響也小，特別是以半導(dǎo)體紅外光源的紅外光電測(cè)距儀，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于城市及各種工程的測(cè)量工作。但紅外測(cè)距儀主要由調(diào)制光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、相位檢測(cè)模塊、計(jì)數(shù)顯示模塊、邏輯控制模塊和電源變換器等多個(gè)電路器件模塊構(gòu)成，故此類儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用硬件設(shè)備多，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和儀器設(shè)備成本。同時(shí)，重量較大，甚至有幾十千克， 如何減輕重量和減小體積的問題尚待解決。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基于LABVIEW的紅外傳感測(cè)距系統(tǒng)，使用虛擬儀器取代傳統(tǒng)儀器，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的系統(tǒng)運(yùn)算能力，再加一些基本的硬件支持就可以擁有數(shù)據(jù)采集、控制、分析和處理等功能。這在一定程度上降低了整套系統(tǒng)的成本和設(shè)計(jì)難度，提高了系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化水平，同時(shí)能夠更方便地快速升級(jí)系統(tǒng)，克服硬件設(shè)備更新周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

紅外光電測(cè)距技術(shù)是上世紀(jì)60年代末期的技術(shù)，發(fā)展迅速，尤其GaAs紅外發(fā)光管被廣泛使用后，光電測(cè)距儀的短程測(cè)距精度快速提高，儀器也開始小型化。近年來，紅外測(cè)距儀在小型化、自動(dòng)化、高效率、多功能等方面都有很大進(jìn)步，測(cè)程也有巨大的突破，如瑞典AGA公司的AGA-14A，測(cè)程達(dá)到2km，精度有5mm，重量卻只有2.5 kg。此外，有的測(cè)距儀還具有自動(dòng)修正，跟蹤動(dòng)態(tài)目標(biāo)測(cè)距的功能，儀器式樣新穎、型號(hào)繁多，約有100種以上。另外具有代表性紅外測(cè)距儀還有克恩公司的DM-502型、瑞士威爾特公司的Dl-4等。近年來光電子技術(shù)、微型集成電路、半導(dǎo)體電子元件等科學(xué)技術(shù)和微處理機(jī)的迅猛發(fā)展，讓紅外光電測(cè)距儀開始突破性發(fā)展。測(cè)距儀器、測(cè)角儀器和微處理機(jī)結(jié)合一體，由微處理機(jī)控制，自動(dòng)地測(cè)角、測(cè)距、計(jì)算豎直距離和坐標(biāo)增量，并自動(dòng)顯示、記錄、存貯和輸出數(shù)據(jù)的紅外光電測(cè)距儀開始出現(xiàn)，如瑞士Wild公司的TC-1型、西德OPTON公司的Elta-2型和美國(guó)的HP3820A型等。

2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著我國(guó)測(cè)量工作的需要，近年來國(guó)內(nèi)一些光學(xué)、電子儀器廠從瑞典、日本和瑞士等紅外測(cè)距儀器發(fā)展領(lǐng)先的國(guó)家引進(jìn)紅外測(cè)距儀組裝線，開始組裝測(cè)距儀。當(dāng)然，我國(guó)的儀器工廠和高等院校近年來也研制出一些產(chǎn)品，如常州第二電子儀器廠研制的DCHZ型紅外測(cè)距儀，儀器外型美觀、重量輕、體積小、操作方便、精度高和性能穩(wěn)定;蘇州第一光學(xué)儀器廠與清華大學(xué)共同研制的使用微機(jī)控制的DCHI型測(cè)距儀，其主要特點(diǎn)與DCHZ型一致;武漢測(cè)繪科技大學(xué)電子技術(shù)研究室研制的BHC-5型側(cè)距儀，使用三把測(cè)尺，成功地解決了不同測(cè)尺之間銜接不正確的問題。除此以外，北京大學(xué)、清華大學(xué)和國(guó)家測(cè)繪局測(cè)繪科學(xué)研究所正在共同研究制造測(cè)程5公里的半導(dǎo)體激光測(cè)距儀;北京光學(xué)儀器廠當(dāng)前也在研制新型的測(cè)距儀。

3設(shè)計(jì)方案和技術(shù)原理

3.1總體設(shè)計(jì)方案

通電后，STC89C52單片機(jī)通過程序控制紅外傳感測(cè)距模塊，紅外測(cè)距傳感器采用相位測(cè)距原理測(cè)量得到與被測(cè)物之間的距離值。隨后將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)，隨后FC-201/SP微功率數(shù)傳模塊使單片機(jī)和PC 機(jī)進(jìn)行通信，將下位機(jī)所測(cè)量到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)、備份、處理、分析及顯示，LABVIEW程序能夠控制整個(gè)系統(tǒng)開始和結(jié)束?；贚ABVIEW的紅外傳感測(cè)距系統(tǒng)主要由電源模塊、單片機(jī)控制模塊、紅外傳感測(cè)距模塊、FC-201/SP微功率數(shù)傳模塊及上位機(jī)的LABVIEW平臺(tái)構(gòu)成?？傮w系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示：

3.2相位差式紅外測(cè)距原理

紅外線的本質(zhì)是電磁波，其波長(zhǎng)在750nm-1mm之間，頻率低于可見光，人眼不能看到。理論上高于絕對(duì)零度（-273.15℃）的物質(zhì)都會(huì)向外發(fā)射紅外線。故紅外測(cè)距原理為：紅外發(fā)射電路模塊的紅外發(fā)光管發(fā)出紅外光，其被對(duì)應(yīng)的接收電路模塊的光敏接收管接收，由于光的強(qiáng)度是隨著發(fā)光管與測(cè)量物的距離變化而變化的，故根據(jù)接收管接收到的光的強(qiáng)弱可以判斷出所測(cè)的距離。

相位差式紅外測(cè)距原理為：紅外光波經(jīng)過所測(cè)距離后會(huì)產(chǎn)生相位延遲，通過計(jì)算紅外調(diào)制光波信號(hào)在所測(cè)距離上往返一次產(chǎn)生的相位差，再結(jié)合其波長(zhǎng)的大小，便可計(jì)算出相位差與距離的關(guān)系，繼而根據(jù)相位差求出對(duì)應(yīng)的距離。相位差式紅外測(cè)距測(cè)量距離為幾米到上千米，測(cè)量精度可達(dá)毫米量級(jí)。

3.3硬件設(shè)計(jì)方案

3.3.1 STC89C52單片機(jī)

STC89C52是一款低功耗、高性能的單片機(jī)，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，其與 MCS-51系列單片機(jī)兼容。擁有3個(gè)16位定時(shí)器或計(jì)數(shù)器、8個(gè)中斷源、32個(gè)可編程I/O口線、全雙工UART串行通道，能為客戶設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案。單片機(jī)的引腳使用如下： P1.2至P1.5為輸入口，外接電路連接紅外光電測(cè)距儀，獲取與被測(cè)物之間的距離信息;P2.1口為輸出口，輸出一定頻率的方波信號(hào)，啟動(dòng)紅外測(cè)距儀;P2.2為輸出口，外接電路連接FC-201/SP微功率數(shù)傳模塊，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信。

3.3.2紅外傳感測(cè)距模塊

紅外傳感測(cè)距模塊主要由GP2Y0A21紅外傳感器和A/D轉(zhuǎn)換電路組成。GP2Y0A21是夏普公司生產(chǎn)的一款紅外距離傳感器，探測(cè)距離為10-80cm，測(cè)量的有效角度大于40°，工作電壓在4.5-5.5V，輸出為模擬電壓信號(hào)，在0～8cm的范圍內(nèi)與距離成正比非線性的關(guān)系，在10～80cm的距離范圍內(nèi)卻與距離成反比非線性關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)電流功耗約為30mA，接口類型為PH2.0-3P，反應(yīng)時(shí)間為5ms，最大尺寸為40x20x13.5 mm，其對(duì)背景光及溫度的適應(yīng)性較強(qiáng)。

3.3.3 FC-201/SP微功率數(shù)傳模塊

FC-201/SP是深圳友訊達(dá)通訊有限公司生產(chǎn)的一種短距離無線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品，其抗干擾能力強(qiáng)、傳輸性能優(yōu)良、接口多樣、低功耗、可靠性高、體積小，適用于短距離無線數(shù)據(jù)采集與傳輸。通信時(shí)用戶無需其它控制，只需從接口收/發(fā)數(shù)據(jù)即可，其它如空中收/發(fā)轉(zhuǎn)換，控制的操作，模塊能自主完成。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)一次至少可以傳輸150Bytes的數(shù)據(jù)幀。

3.4軟件設(shè)計(jì)方案

FC-201/SP微功率數(shù)傳模塊接收到的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后，由數(shù)據(jù)采集卡對(duì)檢測(cè)信號(hào)采集，送入 PC 機(jī)，由 LabVIEW 軟件進(jìn)行測(cè)相，從而將攜帶有被測(cè)目標(biāo)距離信息的信號(hào)計(jì)算出來，并將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。LabVIEW開發(fā)平臺(tái)的顯示界面有前后兩個(gè)控制面板。前面板為測(cè)距系統(tǒng)的顯示面板，上面有開始和結(jié)束按鈕、距離顯示、通信狀態(tài)顯示等。后面板則是數(shù)據(jù)處理的程序框圖，總體程序流程圖如圖2所示。

4試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

4.1實(shí)驗(yàn)調(diào)試

在紅外測(cè)距儀正前方放一把鋼尺，用一塊不透光的小方塊緊貼著鋼尺上移動(dòng)，觀察顯示界面上數(shù)據(jù)的變化情況。

4.2結(jié)果分析

把顯示結(jié)果與鋼尺比對(duì)，發(fā)現(xiàn)在10-60cm范圍內(nèi)誤差較小，距離小于10cm或大于60cm的范圍內(nèi)誤差較大。

5 結(jié)束語

本次研究的基于 LABVIEW 的紅外傳感測(cè)距系統(tǒng)，使用虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件的軟化，節(jié)省了物質(zhì)資源，增加了系統(tǒng)靈活性. 降低了設(shè)計(jì)難度，能夠方便快捷的升級(jí)系統(tǒng)。并通過軟件技術(shù)和相應(yīng)數(shù)值算法，實(shí)時(shí)、直接地對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理;而且通過圖形用戶界面技術(shù)，真正做到界面友好、人機(jī)交互。

當(dāng)然，本文所研究的基于 LabVIEW 的紅外傳感測(cè)距系統(tǒng)只是一個(gè)初步的方案，在提高系統(tǒng)的性能、優(yōu)化LabVIEW程序和測(cè)試數(shù)據(jù)誤差分析等方面還有待進(jìn)一步的提高。

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作者簡(jiǎn)介：謝方，生于1996年11月，男，彝族，貴州六盤水人，江蘇大學(xué)本科在讀，測(cè)控技術(shù)與儀器方向

項(xiàng)目來源：本文系江蘇大學(xué)2019年度大學(xué)生科研立項(xiàng)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：18A189