红外测距仪的制作
姓名 班级 日期 一、摘要（5%）
本次设计任务是设计一个红外测距电路，它由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括发射模块和接收模块，先由stc8051单片机产生一个1khz 的信号，经红外发射管发射，碰到障碍物后返回，接收管接收到信号通过放大、滤波、峰值检波、AD 转换后传回单片机，单片机即可通过判断接收电压的大小来确定距离。软件部分包括信号产生、AD 接收、数据处理、液晶显示。 二、电路总体方案（5%）
整个电路包括：红外线发射、红外线发射、同向放大、带通滤波、检波、AD 转换、单片机显示和发出方波。
①红外线发射
发射红外线1khz 的信号经红外发射管发射
②红外线接收
接收红外线将其强度的变化转化为交流信号幅度的变化
③同向放大
耦合滤除部分杂波, 放大接收管的微弱交流信号
④二阶带通滤波器
由于经过放大以后的信号还有很多杂波，而我们需要的是接收到的1khz 的信号，一般的滤波器很难解决干扰问题，所以直接选用有源二阶带通滤波器。
⑤检波
化交流信号幅度的变化为直流电压大小的变化并放大
⑥A/D
将直流电压变化转化为数字量以便单片机读取
⑦单片机
处理数字量并将结果显示在液晶屏上
三、硬件设计（40%） 1、红外收发管电路设计
1.1 红外收发管原理
由STC8051的定时器产生一个1KHZ 的方波，用一个三极管驱动，将信号传送到红外发射管上，作为载波发射红外线。在红外接收管子上加一反向电压时，有光（无遮挡）时电流就增大，无光时几乎无电流通过。用一个电阻分压，电流的变化则可转换为电压的变化，如果接电阻在二极管负极端（也就是靠近电源正极端），有光时电压下降。
1.2 红外收发管外围电路和元件参数设计
红外发射管工作电流10至20mA 压降1至1.4V ，通过R2的调节改变测量范围。
2、放大器的设计
2.1 放大器的工作原理
考虑到题目测量范围和接收到的信号大小，选取放大倍数为30倍左右，倍数太大会出现波形失真，是测量范围的最短距离变小，倍数太小信号强度不够，则能测量的最远距离会变小。
2.2 放大器的元件参数设计 放大倍数
Au=-R5/R4
3、滤波器的设计
3.1 滤波器的工作原理
二阶带通滤波器用来滤除杂波，并放大。此次实验采用多路负反馈二阶有源带通滤波器 ，它使用单个通用运算放大器（通用运放）接成单电源供电模式，易于实现。它的上限截止频率和下限截止频率可以非常近，具有非常很强的频率选择性。令C3=C4=C，Req 是R8和R9并联的值。品质因数Q 等于中心频率除以带宽，Q = fC/BW。由式可以看出可以通过让R10的值远大于Req 来获得大的Q 值。Q 值越大，频率选择性越好，带宽越小。反之则反。
3.2 滤波器的元件参数设计
令中心频率为fc ，则计算公式如下：
其中
借助网页在线计算工具，取中心频率1khz ，带宽100hz 左右增益2，电容值10nf. 得R8=80k，R9=800，R10=315k。
四、程序设计（35%） 1、 红外发射驱动程序
利用单片机的定时器0可以持续不断的产生1khz 方波信号并输出（晶振12MHz ）
2、测距程序（信号采集和距离计算等）
（1）. 信号采集：由于输出信号时稳定的，而接收管接收的信号时随着障碍物距离的变远而变小，所以我们可以通过检测信号的强弱来判断距离，多次取值，再取平均。
YES
（2）. 距离计算: 由于接收的信号并不是完全是线性变化，但是可以采用一定范围内的几个固定的公式得出较准确的距离，所以采用提前把正确的距离和信号强弱的关系先测量好，拟合成函数，这样测量时就可以通过函数快速得出距离。处理好的数据直接传送到1602液晶屏显示即可。
五、测试方案与测试结果（15%） 1、测试方案和仪器
下列数据中电压均由数字示波器（DS1102CA ）测出，信号源为函数信号发生器（GD1102）
①调试发射部分：直接用示波器测量单片机输出的信号，为1khz ；
②调试接收部分的放大模块：先用函数信号发生仪模拟一个接收信号，把放大电路和滤波电路断开，测量TL082芯片的7脚，输入信号为1khz ，100mv 的正弦信号。
③二阶带通滤波器：测中心频率：输入5Vpp 偏移2.5V 的信号，调节频率在1KHz 左右变化，观察其输出电压幅值的变化，幅值最大时对应的频率即是其中心频率。（记录最大幅值为Vpp max）
测通带宽度 品质因数：同样条件下调节频率找出Vpp=0.707Vpp max的两个频率，他们的差即是通带宽度。品质因数=通带宽度/中心频率。
④检波：检波电路需要有平稳的电压输出，又要有对波峰电压整体下降的快速响应。平稳的电压输出：输入5Vpp 偏移2.5V ，1KHz 的信号观察其输出电压幅值的变化。对波峰电压整体下降的快速响应：输入5Vpp 偏移2.5V ，5Hz 的信号观察其输出电压值的变化是否接近方波。
⑥总体：移动反光屏，将所显示的数据与实际距离比较得出误差值
2、测试结果和分析
①调试发射部分：红外发射正常。
②调试接收部分的放大模块：用示波器测量1脚为1khz ，2.9v 的正弦信号，放大倍数为29倍，由于有信号的衰减，放大部分正常；
③二阶带通滤波器：测得中心频率为996~998Hz，两个截止频率分别是947~952和1048~1052。
④检波：平稳的电压输出：输入5Vpp 偏移2.5V 1KHz 的信号观察其输出电压幅值的变化。测得输出电压4.27V 幅值20mV ；对波峰电压整体下降的快速响应：输入5Vpp 偏移2.5V ，5Hz 的信号观察其输出电压值的变化是否接近方波。实际观察结果是基本是一方波。
3、测试结论
基本完成实验的要求。试验中每次做实验总会有偏差，受外界干扰较大。
参考文献：
[1].《新概念51单片机c 语言教程——入门、提高、开发、扩展全攻略》 ——郭天祥著 [2]. 《红外线测距》来自训练班
附录：
红外测距仪的制作
姓名 班级 日期 一、摘要（5%）
本次设计任务是设计一个红外测距电路，它由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括发射模块和接收模块，先由stc8051单片机产生一个1khz 的信号，经红外发射管发射，碰到障碍物后返回，接收管接收到信号通过放大、滤波、峰值检波、AD 转换后传回单片机，单片机即可通过判断接收电压的大小来确定距离。软件部分包括信号产生、AD 接收、数据处理、液晶显示。 二、电路总体方案（5%）
整个电路包括：红外线发射、红外线发射、同向放大、带通滤波、检波、AD 转换、单片机显示和发出方波。
①红外线发射
发射红外线1khz 的信号经红外发射管发射
②红外线接收
接收红外线将其强度的变化转化为交流信号幅度的变化
③同向放大
耦合滤除部分杂波, 放大接收管的微弱交流信号
④二阶带通滤波器
由于经过放大以后的信号还有很多杂波，而我们需要的是接收到的1khz 的信号，一般的滤波器很难解决干扰问题，所以直接选用有源二阶带通滤波器。
⑤检波
化交流信号幅度的变化为直流电压大小的变化并放大
⑥A/D
将直流电压变化转化为数字量以便单片机读取
⑦单片机
处理数字量并将结果显示在液晶屏上
三、硬件设计（40%） 1、红外收发管电路设计
1.1 红外收发管原理
由STC8051的定时器产生一个1KHZ 的方波，用一个三极管驱动，将信号传送到红外发射管上，作为载波发射红外线。在红外接收管子上加一反向电压时，有光（无遮挡）时电流就增大，无光时几乎无电流通过。用一个电阻分压，电流的变化则可转换为电压的变化，如果接电阻在二极管负极端（也就是靠近电源正极端），有光时电压下降。
1.2 红外收发管外围电路和元件参数设计
红外发射管工作电流10至20mA 压降1至1.4V ，通过R2的调节改变测量范围。
2、放大器的设计
2.1 放大器的工作原理
考虑到题目测量范围和接收到的信号大小，选取放大倍数为30倍左右，倍数太大会出现波形失真，是测量范围的最短距离变小，倍数太小信号强度不够，则能测量的最远距离会变小。
2.2 放大器的元件参数设计 放大倍数
Au=-R5/R4
3、滤波器的设计
3.1 滤波器的工作原理
二阶带通滤波器用来滤除杂波，并放大。此次实验采用多路负反馈二阶有源带通滤波器 ，它使用单个通用运算放大器（通用运放）接成单电源供电模式，易于实现。它的上限截止频率和下限截止频率可以非常近，具有非常很强的频率选择性。令C3=C4=C，Req 是R8和R9并联的值。品质因数Q 等于中心频率除以带宽，Q = fC/BW。由式可以看出可以通过让R10的值远大于Req 来获得大的Q 值。Q 值越大，频率选择性越好，带宽越小。反之则反。
3.2 滤波器的元件参数设计
令中心频率为fc ，则计算公式如下：
其中
借助网页在线计算工具，取中心频率1khz ，带宽100hz 左右增益2，电容值10nf. 得R8=80k，R9=800，R10=315k。
四、程序设计（35%） 1、 红外发射驱动程序
利用单片机的定时器0可以持续不断的产生1khz 方波信号并输出（晶振12MHz ）
2、测距程序（信号采集和距离计算等）
（1）. 信号采集：由于输出信号时稳定的，而接收管接收的信号时随着障碍物距离的变远而变小，所以我们可以通过检测信号的强弱来判断距离，多次取值，再取平均。
YES
（2）. 距离计算: 由于接收的信号并不是完全是线性变化，但是可以采用一定范围内的几个固定的公式得出较准确的距离，所以采用提前把正确的距离和信号强弱的关系先测量好，拟合成函数，这样测量时就可以通过函数快速得出距离。处理好的数据直接传送到1602液晶屏显示即可。
五、测试方案与测试结果（15%） 1、测试方案和仪器
下列数据中电压均由数字示波器（DS1102CA ）测出，信号源为函数信号发生器（GD1102）
①调试发射部分：直接用示波器测量单片机输出的信号，为1khz ；
②调试接收部分的放大模块：先用函数信号发生仪模拟一个接收信号，把放大电路和滤波电路断开，测量TL082芯片的7脚，输入信号为1khz ，100mv 的正弦信号。
③二阶带通滤波器：测中心频率：输入5Vpp 偏移2.5V 的信号，调节频率在1KHz 左右变化，观察其输出电压幅值的变化，幅值最大时对应的频率即是其中心频率。（记录最大幅值为Vpp max）
测通带宽度 品质因数：同样条件下调节频率找出Vpp=0.707Vpp max的两个频率，他们的差即是通带宽度。品质因数=通带宽度/中心频率。
④检波：检波电路需要有平稳的电压输出，又要有对波峰电压整体下降的快速响应。平稳的电压输出：输入5Vpp 偏移2.5V ，1KHz 的信号观察其输出电压幅值的变化。对波峰电压整体下降的快速响应：输入5Vpp 偏移2.5V ，5Hz 的信号观察其输出电压值的变化是否接近方波。
⑥总体：移动反光屏，将所显示的数据与实际距离比较得出误差值
2、测试结果和分析
①调试发射部分：红外发射正常。
②调试接收部分的放大模块：用示波器测量1脚为1khz ，2.9v 的正弦信号，放大倍数为29倍，由于有信号的衰减，放大部分正常；
③二阶带通滤波器：测得中心频率为996~998Hz，两个截止频率分别是947~952和1048~1052。
④检波：平稳的电压输出：输入5Vpp 偏移2.5V 1KHz 的信号观察其输出电压幅值的变化。测得输出电压4.27V 幅值20mV ；对波峰电压整体下降的快速响应：输入5Vpp 偏移2.5V ，5Hz 的信号观察其输出电压值的变化是否接近方波。实际观察结果是基本是一方波。
3、测试结论
基本完成实验的要求。试验中每次做实验总会有偏差，受外界干扰较大。
参考文献：
[1].《新概念51单片机c 语言教程——入门、提高、开发、扩展全攻略》 ——郭天祥著 [2]. 《红外线测距》来自训练班
附录：