基于单片机的红外测距的设计与实现

第一章 系统设计背景与核心目标

在智能机器人避障、工业液位检测、安防距离预警等场景中，实时距离测量是实现自动化控制的基础。传统测距技术中，超声波测距易受环境噪声干扰，激光测距成本较高，而红外测距凭借体积小、功耗低、抗干扰能力较强等优势，成为中短距离（0-100cm）测量的理想选择。基于单片机的红外测距系统，以单片机为控制核心，整合红外信号发射、接收、数据处理与结果输出功能，可实现非接触式距离的快速测量与直观显示，填补传统中短距测量在经济性与便携性上的缺口。

该系统的核心目标包括三点：一是实现0-100cm的有效测距范围，覆盖多数民用与工业中短距场景；二是保证测量精度，误差控制在±1cm以内，满足避障、液位检测等对精度的基本要求；三是提升响应速度，单次测量周期≤50ms，确保动态场景下的实时性。相比独立红外测距模块，单片机系统可通过软件算法优化测量稳定性，且支持参数自定义，适配性更强。

第二章 系统硬件设计方案

系统硬件以STC89C52单片机为核心，构建“发射-接收-转换-显示”的完整硬件链路，兼顾测量精度与硬件成本。

红外检测模块选用夏普GP2Y0A21YK模拟输出型红外测距传感器，该传感器通过红外发射管发射调制红外光，经被测物体反射后由接收管接收，输出与距离成反比的模拟电压信号（距离越近电压越高），有效测距范围20-150cm，满足系统设计的0-100cm需求，且对可见光干扰的抑制能力较强。

信号处理模块包含ADC0832模数转换器与滤波电路。传感器输出的模拟电压（0-5V）经RC低通滤波电路（滤除高频噪声）后，送入ADC0832转换为8位数字信号，再通过SPI总线传输至单片机，确保距离数据的稳定采集。

显示与交互模块采用LCD1602液晶屏与2个独立按键。LCD实时显示测量距离（单位：cm）与系统状态（如“正常”“超出范围”）；按键用于校准（修正传感器误差）与切换测量模式（连续测量/单次测量）。供电采用5V直流电源，经LM1117-5V稳压芯片输出稳定电压，为单片机、传感器及显示模块供电，避免电压波动影响测量精度。

第三章 系统软件设计逻辑

系统软件基于C语言模块化编程，核心是“信号采集-数据处理-距离计算-结果输出”的自动化流程，通过算法优化提升测量稳定性，满足实时性要求。

主程序流程分为三步：首先是系统初始化，完成单片机I/O口、ADC0832、LCD1602及按键的参数配置，设定采样周期为50ms，初始化距离校准参数（默认误差补偿值为0）；其次是数据采集与滤波，子程序通过ADC0832连续采集3次传感器电压信号，采用滑动平均滤波算法去除瞬时干扰，得到稳定的电压平均值；最后是距离转换与输出，根据GP2Y0A21YK的电压-距离特性曲线（预设多项式拟合公式），将电压值转换为实际距离（单位：cm），若距离在0-100cm范围内，LCD显示具体数值；超出范围则显示“OUT OF RANGE”。

软件还加入校准功能：长按校准键时，系统进入校准模式，此时将标准物置于已知距离（如50cm），短按确认键，单片机自动计算误差补偿值并存储，后续测量时自动修正，进一步降低传感器个体差异导致的误差。

第四章 系统实际应用与优化方向

该系统经调试后，已在小型避障机器人、智能垃圾桶、液位监测装置等场景应用，实际使用中展现出良好的适配性，同时明确了优化方向。

在避障机器人场景中，系统安装于机器人前端，实时输出前方障碍物距离，当距离≤30cm时，单片机向电机驱动模块发送转向指令，实现自动避障，响应延迟≤100ms，满足低速移动需求；智能垃圾桶应用中，测距模块安装于桶盖内侧，检测到手部距离≤15cm时，自动驱动电机开盖，替代传统红外感应的机械按钮，提升使用便捷性。

当前优化方向主要有两点：一是提升环境适应性，加入BH1750光照传感器，通过软件算法补偿强光环境对红外接收的干扰（如强光下增强发射功率）；二是拓展测距范围，替换传感器为GP2Y0A710K（测距范围100-500cm），并优化电压-距离拟合公式，适应仓储货架间距测量等中长距场景。未来还可集成NRF24L01无线模块，实现距离数据的远程传输，满足多点位协同测量需求。





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