1 控制系统设计
1.1 主控制器选择
基于单片机的红外测距系统设计需要通过一个主控制器来实现，通过查找资料和学习，提出了两种可供选择的主控制器，分别为单片机控制和DSP控制，具体方案如下：
方案一：采用DSP作为主控制器，DSP即数字信号处理器，是一种研究用数字对信号进行分析，转换，滤波，检测，调制，解调和高速算法的元件[3]。数字处理器是用来保证各模块之间的通信，主要包括开机引导、信号读取和液晶屏初始化，以及液晶屏显示数字编解码芯片的运行状态。音频数字信号存储在闪存中。
方案二：系统可以使用单片机作为主控制器，单片机是一种虽然小但很完整的芯片，应用在集成电路中，也可以称之为微型计算机系统。芯片中包含随机储存器RAM、中央处理器处理器、只读存储器ROM、中断、定时器以及若干个I/O口等模块[2]。有些芯片中还包括脉宽调节模块、驱动模块、多路模拟转换等电路。单片机大量运用在工业环境中。采用单片机作为本设计的控制部分，系统主要由单片机、红外传感器、蜂鸣器及液晶显示器构成。红外传感器接收到信号后，模数转换器将好的数字信号转换到单片机上，再由单片机进行数字信号处理，最后由软件计算出数据发送到LCD。综上,与单片机相比，DSP主要是针对一些应用程序需要更高的计算能力,DSP的运行速度很快，但其控制算法相对复杂。而单片机的系统的控制方法相对简单，且可靠性高、价格较低、功耗低，不过单片机相比DSP功能比较简单，但是完全满足本设计需求，同时单片机来实现红外测距有着非常大的研究价值。因此本设计选用单片机作为主控制器。
1.2 项目总体设计
本设计基于单片机的红外测距系统设计由：STC89C51、红外传感器、LCD1602液晶显示器以及报警装置组成。按下红外测距系统的启动按键，可以进行预测值的设置，接着红外传感器进行测距，信号通过单片机处理转变为数据，将数据显示在LCD1602液晶显示器上，构成完整的红外测距系统。由如下模块组成：
（1）测距模块：红外传感器，发射并接收被反射的红外线进行测距，将所测得的模拟信号信息传入单片机中。
（2）最小系统模块：STC89C51单片机作为系统的主控制器，接收红外传感器所传递的的模拟信号信息[1]，经过处理后再传递到液晶显示模块上。
（3）报警模块：有源蜂鸣器，如若测距范围超出装置的预设测量范围，则蜂鸣器发生报警。
（4）液晶显示模块：LCD1602液晶显示屏，接收单片机所处理好的数字信号信息，显示最终测得的数据值。
系统总体结构图如图1.1所示：
图1.1 系统总体框图
2 项目硬件设计
2.1 单片机控制模块
2.1.1 单片机型号选择
基于单片机的红外测距系统设计，对单片机的要求较高，要选用带有4K字节EEPROM存储空间的单片机，其次为了保证系统更好的运行，应选用性价比高、可靠性高、低功耗的控制器，以防止器件的损坏，影响系统的运行。基于此有以下两种方案可供选择：
方案一：采用STC89C51作为主控制器。STC89C51是系统中的可编程芯片。它使用8051内核，工作频率高达80MHz。该设备包含4K字节的只读程序内存，可进行擦除1000次，单片机指令与MCS-51完全兼容该设备。该芯片由8位通用处理器和ISP闪存单元组成。STC89C51单片机是一个时钟/机器周期的速度很快、能量消耗较低的新型单片机，它具有的开发简单、可在线编程下载、成本低的特点是非常不错的选择。
方案二：使用MSP430单片机作为主控制器。它被叫做混合信号处理器，它可以使许多功能各异的模块和微处理器集成在一个芯片上，MSP430系列单片机具有16位能量消耗超低和精简指令集[5]。一般来说，需要使用电池供电的设备仪表使用该系列的单片机。但是开发难度相对比较大、价格昂贵。
综上所述，与MSP430单片机相比，STC89C51单片机开发难度较低、稳定性高，而且价格合适，结合设计所需要的性能，最终选用STC89C51单片机作为主控制器。
2.1.2单片机的引脚说明
STC89C51单片机有两种封装形式，分别是PDIP(40引脚)和PLCC(44引脚)。在本设计中，直接插入PDIP(40个引脚)。为了方便更换芯片，避免芯片在高温焊接时损坏，焊接时可采用集成电路插座进行焊接，焊接完成后可将芯片插入集成电路插座，STC89C51所拥有的40个引脚中可以控制的有P0、P1、P2、P3各32个。这些引脚可以单独或同时在特定位的I/O端口进行控制，不需要定义输入和输出就可以很方便地进行控制。当将值赋给I/O时，I/O端口将自动转换为输出，当读取I/O端口时，I/O端口将自动转换为输入。如图2.1所示
图2.1 STC89C51单片机引脚图
3 项目软件设计
3.1 软件开发环境
本设计使用Keil μVision来实现。Keil是一个软件开发系统，其中兼容C语言。对于汇编来说，C语言具备可移植、易于维护和修改、方便调用模块、简单易学。Keil提供了完整的开发计划，包括C编译器，库管理，宏程序集，连接器以及将这些组件组装到集成开发环境（Vision）中的非常强大的模拟器调试器[9]。而使用它则因为其集成环境很方便，并且适用于STC89C51单片机。,该软件开发界面如图3.1所示 。
图3.1 软件开发界面图
具体的操作步骤为：开发时首先需要建立“Project”工程，选择“New μVision Project”，为新建的工程命名后点击保存，选择本设计选取的单片机型号“STC89C51”；成功建立工程后，选择“Source Group”按键，可添加文件，如果想编辑文件，可以点击“Add”。如图3.2所示：
图3.2 Keil μVision软件开发流程图
4 系统调试
4.1 系统硬件测试
根据该系统的设计，焊接电路应注意是否有短路电路、开放电路、故障方向的部件、电路设计误差。部件的焊接误差和错误方向的检测方法是将物理电路基板与电路图的电路图进行比较，检查各部件和导线是否出现在物理对象上。如果发现没有或及时的重新需要，则不能进行比较，确定焊接的及时修理。在短路电路中，电路破坏、虚拟焊接等情况需要使用数字多仪表检测。在蜂鸣器文件中放入数字万用表。红笔和黑笔如果短路的话，万用表会发出蜂鸣声。根据这个原理，可以用来检测短路、故障电路和虚拟焊接。如果蜂鸣器响的话，线是正常的；如果听不到报警的话，那表示电路有什么错误。测试后，物理电路板与电路图一致，所有组件均正确连接，系统最终实现了所有硬件功能。
在这种设计中，显示模块是非常重要的部分，因为它不仅在硬件核心上，而且在硬件调试中也遇到了问题，如果连接到电源上，则显示画面不亮，不显示，这是为什么呢？我开始寻找原因，检查电源是否通电，确认指示器灯是否接通，编程后将P1降低，确认P1输出低，最终P0端口未连接到拉电阻。连接后，显示画面亮灯。在硬件调试中，虽然遇到了可以显示的显示画面，但是显示器上存在大问题。调整距离后，显示器没有变化。检查后发现红外传感器和VCC连接不好，与单片机接触不良。最小的系统板调试SCM软件确保了正常工作和硬件系统。最后，组合模块进行测试以实现系统整体的功能。
4.2 系统软件测试
基于硬件调试，C语言编号的程序将通过下载器下载到单片机。根据设计的电路参数和步骤，取景器的范围从10cm到80cm，范围取景器的最大误差在0.5cm以下。调试系统后，测量了好几次距离，与预设值进行比较，多次分析测量误差。修改程序以满足实际测量要求，调整设备并获得更完整的程序。设计软件的调试步骤如下。
（1）首先在Keil μVision中创建新的项目。单击菜单栏中的“porject”，为新工程命名，并命名保存。
（2）新的用户源文件：首先，创建一个新的空白文本来书写程序的源代码。写入和保存后，创建新文件，文件扩展名为“设计名.a”。
（3）程序编译和调试：单击“编译”按钮启动系统。操作中输出窗口中显示反馈信息。如果看到错误信息，可以根据错误进行修改。
但是，程序调试不能成功，首先是单片机的微型计算机，要写入实验，是由固定距离记录的信号强度收集的，然后在程序中添加相应的数据最后，通过红外测量模块可以显示相应的数据距离，主程序是整个程序的基础，也是核心。
最后按照以上软件步骤进行软件调试，循序渐进，检查出程序并没有错误，且可以正常运行，从而得到正确的测试结果，可知软件方面的调试也顺利完成。如图4.1所示：
图4.1 程序调试成功显示图
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