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红外测距系统设计.doc
第1章绪论
1.1课题研究背景及意义
1.2本论文主要研究内容
第2章红外测距系统硬件设计
2.1红外测距系统的工作原理
2.1.1时间差法测距原理
2.1.2反射能量法测距原理
2.1.3相位法测距原理
2.1.4三角法测距原理
2.2红外测距系统的基本结构
2.2.1红外传感器模块
2.2.2单片机处理模块
2.2.3LCD显示模块
2.3本章小结
第3章红外测距系统的软件设计及功能调试
3.1红外测距系统工作流程
3.2软件程序设计
3.3硬件功能调试
3.4软件功能调试
3.5测量数据绘图
3.6本章小结
结论
致谢
参考文献
附录A
附录B
附录C
哈尔滨理工大学学士学位论文
基于 STM32 的红外测距系统设计
摘 要
随着现代科学技术的发展，出现了很多新的领域，为了实现对物体近
距离、高精度的无线测量，本论文对红外测距领域进行了研究。本论文采
用单片机作为处理器，编写 A/D 转换程序及 LCD 显示程序，红外传感器
作为工作模块，完成一套高精度显示、实时测量的红外测距系统。本系统
结构简单、体积小、测量精度高、成本低、方便使用。
本论文所介绍的是一种基于 STM32 单片机并运用日本夏普公司型号
为 GP2Y0A21 的红外传感器所设计的红外测距系统。首先，介绍红外线及
红外传感器的分类及应用、STM32 单片机的简介与功能；其次，阐述红外
测距系统工作原理及基本结构并对单片机、红外传感器、LCD 液晶显示屏
的工作电路做了介绍；再次，对系统进行了整体设计构想，先后对系统硬
件及软件进行设计，并对整个系统的功能进行了调试。最后对整个设计进
行总结，说明红外测距系统实现的可行性。
关键词 红外测距；单片机；A/D 转换；LCD
- I -
哈尔滨理工大学学士学位论文
STM32-based infrared ranging system design
Abstract
With the development of modern science and technology, there are many new
areas,
in order to achieve the object close range, high-precision wireless
measurement，this topic of infrared ranging is studied. This topic using SCM as
the processor, to write A/D converter and LCD display program, an infrared
sensor as a working module, complete set of precision display, real-time
measurement of infrared ranging system. This system has the advantages of
simple structure, small size and high accuracy, low cost and convenient use.
This paper introduced is based STM32 microcontroller and use of Japan's Sharp
Corporation model GP2Y0A21 infrared sensor designed infrared ranging system.
Firstly,
infrared distance
measurement，it also introduces the function of STM32 microcontroller. Then
illustrate the work theory and basic structure of it and introduce the LCD screen
and work circuit. Again, the system has carried on the overall design idea,
successively on the system hardware and software design, and probes into the
function of the whole system debugging. Finally, summarize the entire design to
illustrate the feasibility of infrared distance measurement.
introduce the classification and application of
Keywords
Infrared range, SCM, A/D converter, LCD
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哈尔滨理工大学学士学位论文
目 录
摘要.......................................................................................................................I
Abstract................................................................................................................II
第 1 章 绪论........................................................................................................4
1.1 课题研究背景及意义...............................................................................4
1.2 本论文主要研究内容...............................................................................4
第 2 章 红外测距系统硬件设计........................................................................6
2.1 红外测距系统的工作原理.......................................................................6
2.1.1 时间差法测距原理............................................................................6
2.1.2 反射能量法测距原理........................................................................6
2.1.3 相位法测距原理................................................................................6
2.1.4 三角法测距原理................................................................................7
2.2 红外测距系统的基本结构.......................................................................7
2.2.1 红外传感器模块................................................................................8
2.2.2 单片机处理模块................................................................................9
2.2.3 LCD 显示模块..................................................................................16
2.3 本章小结.................................................................................................17
第 3 章 红外测距系统的软件设计及功能调试..............................................18
3.1 红外测距系统工作流程.........................................................................18
3.2 软件程序设计.........................................................................................19
3.3 硬件功能调试.........................................................................................19
3.4 软件功能调试.........................................................................................20
3.5 测量数据绘图.........................................................................................20
3.6 本章小结.................................................................................................23
结论....................................................................................................................25
致谢....................................................................................................................26
参考文献............................................................................................................27
附录 A................................................................................................................29
附录 B................................................................................................................35
附录 C................................................................................................................38
- III -
哈尔滨理工大学学士学位论文
第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着科学技术的不断发展，在测距领域也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等方式。激光测距是以激光为传输信
号对目标物体进行精确的测量。激光测距在工作开始瞬间向物体发射出一
束很细的激光，并由接受端接收物体反射回来的激光束，同时计时器通过
测定激光束从发射到接收的时间进而计算出从测量者到物体的距离。该方
法对使用环境要求较高，应用范围较少。微波雷达测距是军事和工业上开
发采用的技术，其技术要求严格和设备价格非常之高，在民用市场上几乎
得不到应用。超声波测距原理与激光测距原理相似，只不过是以声音为传
输介质，但是此方法灵活性差、组件造价相对昂贵，在市场开拓空间并不
大。作为一种应用广泛、测量精度高的测量方式，红外测距利用红外线传
播时不扩散、折射率小的特性，根据红外线从发射模块发出到被物体反射
回来被接受模块接受所需要的时间，采用相应的测距公式来实现对物体距
离的测量。
红外测距最早出现于上世纪 60 年代，是一种以红外线作为传输介质
的测量方法。红外测距的研究有着非比寻常的意义，其本身具有其他测距
方式没有的特点，技术难度相对不大，系统构成成本较低、性能良好、使
用方便、简单，对各行各业均有着不可或缺的贡献，因而其市场需求量更
大，发展空间更广。红外测距仪是指用调制的红外光进行精密的距离测
量，测量范围一般为 1-5 公里，在 100 米以内的范围内则超声波测距更有
优势，但是超声波测距无法检测到 1 米以内的区域距离，而红外测距可以
精准的测出这一段距离，本论文研究的就是这一种情况的红外线测距。
1.2 本论文主要研究内容
-4
红外线别名红外光或者热辐射线，是一种波长比红色可见光（约
7.5 10 ㎜）较长、比微波（约1㎜）较短的电磁波。以波长长度为基准，
红外线可分为三部分，即近红外线是波长为
㎜之间；
中 红 外 线 是 波 长 为
㎜ 之 间 ； 远 红 外 线 是 波 长 为
㎜之间。物质本身温度在不低于绝对零度（-273.15℃）的情
1.0
4.0 10
况下均可以产生红外线。它不能引起人的视觉反应，有显著的热效应（易
被物体吸收而转化为内能）。能产生反射、折射、干涉、衍射等光学现
0.75 10
3.0 10
3.0 10
-3
4.0 10
-2
-3
-3
-2
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哈尔滨理工大学学士学位论文
象。不易被云雾等悬浮微粒散射而具有较强的穿透力。凭借着诸多优点，
红外线在军事、人造卫星以及工业、卫生、科研等工作领域方面的应用日
益广泛，有着不可替代的作用及研究价值。
红外测距传感器是以红外线为传输介质的精确测量系统，主要应用于
现代科学技术、国防军队建设、工业和农业等领域。按照其功能可以分为
五种类型：
（1）辐射计，又称“发射计”，是一种用于电磁辐射和光谱测量的装
置。
（2）搜寻和锁定系统，具有寻找和锁定红外目标的功能，确定其空
间位置并对它的运动进行追踪。
（3）热成像系统，通过辐射的分布图像。
（4）红外测距系统。
（5）综合系统，是集于两个或者多个的系统功能的组合系统。
本论文选用的红外测距传感器 GP2Y0A21 是由日本夏普公司推出的一
款性价比高、最常用的红外测距传感器，与其前身 GP2D12 相比，测量射
程相同，但探测面积略有增加，可用来对物体的距离进行测量。具有体积
小、功耗低、价格便宜等优点，而且测量效果好适合在小范围内高精度测
量物体的实时距离。
红外传感器 GP2Y0A21 技术规格如表 1 所示。
表 1 红外传感器 GP2Y0A21 技术规格
测量射程范围
最大允许角度
电源电压
平均功耗
峰值功耗
更新频率/周期
模拟输出噪声
10-80cm
>40°
4.5-5.5V
33-40mA
200mA
25Hz/40ms
<200mV
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数
据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多
种 I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、
脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上
构成的一个小而完善的微型计算机系统。
本 论 文 选 用 的 单 片 机 型 号 为 STM32F103RBT6 ， 其 中 STM32 代 表
ARM Cortex-M 内核 32 位微控制器；F 代表芯片子系列；103 代表增强型
系列；R 表示芯片有 64 个引脚；B 代表内嵌 Flash 容量为 128K 字节；T
代表芯片封装为 LQFP 封装；6 代表工作温度范围为-40—85℃。
- 5 -
哈尔滨理工大学学士学位论文
第 2 章 红外测距系统硬件设计
2.1 红外测距系统的工作原理
2.1.1 时间差法测距原理
时间差法测距原理是将红外测距传感器的红外发射端发送信号与接收
端接受信号的时间差 t 写入单片机中，通过光传播距离公式来计算出传播
距离 L，见公式（2-1）。
（2-1）
式中 c 是光的传播速度为
2.1.2 反射能量法测距原理
t
L c
3 10 m / s
8
。
反射能量法是由发射控制电路控制发光元件发出信号（通常为红外
线）射向目标物体，经物体反射后传回系统的接收端，通过光电转换器接
收的光能量大小进而计算出目标物体的距离 L，见公式（2-2）。
3P
Kd
式中 P 为接收端接收到的能量，
L
（2-2）
K 为常数，其大小由发射系统输出功率、转换效率决定，
d 为被测目标漫反射率。
2.1.3 相位法测距原理
相位测距法是利用无线电波段的频率，对红外激光束进行幅度调制并
测定调制光往返一次所产生的相位延迟 ，再根据调制光的波长，换算
出此相位延迟所代表的距离 D，此方式测量精度非常之高，相对误差可以
保持在百分之一以内，但要求被测目标必须能主动发出无线电波产生相应
的相位值。见公式（2-3）。
（2-3）
/ 2
D c
3 10 m / s
，
8
式中 c 是光的传播速度为
是调制信号的角频率。
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哈尔滨理工大学学士学位论文
2.1.4 三角法测距原理
三角法测距原理是由一个红外发射管和一个 PSD（Position Sensing
Device 位置敏感检测装置）以及相应的计算电路来实现的。而夏普公司的
PSD 具有更优良的性能，它可以检测到光点落在它上面微小的位移，分辨
率达微米，红外传感器 GP2Y0A21 正是利用了这个特性来实现对目标物体
距离的精确测量。如图 1 所示。
图 1 三角法测距原理
红外测距传感器首先通过红外发射管发出红外线，遇到障碍物反射回
来落在 PSD 上形成了一个等腰三角形。而两个底角是固定的，由发射管来
确定，且红外发射管到 PSD 的距离为已知，此时便可运用三角函数来推算
出高，即我们要测量的距离。
本论文就是采用此原理来实现对物体距离的测量。
2.2 红外测距系统的基本结构
红外测距系统主要有红外传感器模块（包括红外发射端和红外接收端
两部分）、单片机处理模块、LCD 显示模块三大部分组成。如图 2 所示。
图 2 红外测距系统基本结构
- 7 -
哈尔滨理工大学学士学位论文
图 3 为红外测距系统整体硬件原理图，对应系统组成的三大部分，由
图可知，系统工作核心为单片机，红外传感器及 LCD 液晶显示屏分别接
收单片机发出的指令来实现各自的功能，最后结合各个部分的功能来实现
整个红外测距系统的运作。对于单片机、红外传感器、LCD 液晶显示屏的
工作原理及实现功能在下文会一一对其进行介绍。
图 3 红外测距系统硬件工作原理图
2.2.1 红外传感器模块
本模块选用的是由日本夏普公司研发的型号为 GP2Y0A21 的红外传感
器。引脚图如图 4 所示。此红外传感器一共有三个引脚，其中 VCC（电源
电压）为信号接入，接入电源电压为 4.5-5.5V，单片机 5V 工作电压即
可；GND 为接地引脚，连接地线即可；Vout 为模拟电压输出引脚，此引
脚输出的模拟电压值为 0.4-2.4V，相对应的距离范围是 80-10 ㎝。此引脚
需要接入单片机处理模块中的多路 A/D 转换通道上的任意一路上。即
STM32 单片机内部 A/D 转换通道的 PA7 引脚上。
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