激光測距儀硬件設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告學生姓名陳健學號080710101專業(yè)自動化指導老師職稱所在院系宿遷學院 七系課題來源自擬課題課題性質(zhì)工程技術(shù)研究課題名稱激光測距儀硬件設(shè)計畢業(yè)設(shè)計的內(nèi)容和意義畢業(yè)設(shè)計（論文）的內(nèi)容 :1激光測距的工作原理，專用元件的工作原理；2用protel99se軟件完成原理圖和pcb圖；3按畢業(yè)設(shè)計（論文）進度計劃完成各階段工作，主動請老師檢查（可包括讀書筆記，查閱到的資料介紹，工作的進度、遇到的問題，下周的工作計劃等）；4完成要求的各種規(guī)范的技術(shù)文件。本課題對激光測距儀硬件設(shè)計進行研究，其研究意義如下：面向課題的研究,了解激光測距的發(fā)展及其所需的技術(shù)要求。對于激光測距技術(shù)的

2、發(fā)展，深入了解其應(yīng)用。在做設(shè)計的時候可以掌握protel99se軟件的應(yīng)用。利用本身所學的知識來處理各方面的問題提高自我處理能力，提高了自己各方面的能力與水平。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在軍事上，激光測距機的誕生，對軍隊的作戰(zhàn)和訓練等產(chǎn)生了革命性的影響。在激光測距機出現(xiàn)以前,坦克炮、地炮、高炮和艦炮等通常用光學測距機測距。光學測距機無論是合象式的還是體視式，其測試精度隨距離而變化，測程越遠，精度越差，操作也比較復雜，而且儀器的體積受基線長短的限制。文獻綜述1激光的特點由于激光有高單色性、高方向性和相干性好等特點, 因而被用于高精度的計量測量上。具體可以用于測量長度、距離、

3、速度、時間等, 也可以作為長度、頻率、光度等計量標準, 目前已形成一門新的干涉測量學。根據(jù)光學干涉方法測量長度是最為精密的, 如用氪86 紅光波進行精密干涉測長, 最大量程不超過1 米(約38.5厘米) 測量誤差約為1 微米, 同樣用紅色氦氖激光進行精密干涉測長, 其量程可以擴大到1 公里- 1000 公里,而相當于1 公里上的測量誤差小于100- 0.1 微米。由此可知, 用激光代替氪燈光做光子尺, 其“刻度”精度非常高。另外激光波長極為穩(wěn)定, 只要按照同一條件制造激光器, 在相同的工作條件下使用, 各個激光器射出的激光波長會準確一致, 即復制精度極高。因此, 可以根據(jù)1983 年第十七屆國

4、際計量大會的決定中指出:“國際計量局還認為必須根據(jù)總則為實際工作者規(guī)定一個新的實用的米定義, 以保證各個長度實驗室之間的量值統(tǒng)一”。這個新的實用米定義, 可以選用氦氖激光器輸出的激光波長作為長度的基準1。2. 傳感器的應(yīng)用（激光測距傳感器的介紹）當今時代 高新技術(shù)迅速發(fā)展的信息時代。為了能夠準確的獲取信息，就離不開傳感器。它在國民經(jīng)濟相關(guān)的各個領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，是信息的采集和信息的轉(zhuǎn)換的重要部件，因此，傳感器技術(shù)成為信息時代的焦點2。瑞士dimetix公司生產(chǎn)的dls-a型激光測距傳感器是新一代的測距設(shè)備,擁有許多卓越的性能,是一種較為先進的經(jīng)濟型在線位置檢測系統(tǒng),具有極高的測試精度和穩(wěn)定

5、性。該設(shè)備通過發(fā)射激光束至目標物體,利用反射光束精確計算距離,可達到100m的檢測距離, 而且對目標物體的尺寸面積比超聲波要求的面積小得多,使得對遠距離的小尺寸物體位置檢測成為可能?？蓮V泛應(yīng)用于工業(yè)液位、料位、生產(chǎn)線料坯傳送定位,大型工件裝配定位,超大物體幾何計量,光散射試驗,超聲波特性試驗,軍事槍械校正,靶距自動控制,集裝箱定位等領(lǐng)域。由于是在線式連續(xù)檢測,免去了使用手持激光測距儀的人工點發(fā),可無人值守連續(xù)監(jiān)測,其位置數(shù)據(jù)還可傳送到遠程監(jiān)控終端,是工業(yè)自動化和生產(chǎn)智能管理的理想儀器, 在國內(nèi)工業(yè)自動化領(lǐng)域得到了較多的應(yīng)用, 我們在水庫水位激光測距監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)中即采用了這種傳感器, 該傳感器

6、是通過rs232/rs422串行接口與控制器進行通訊, 我們利用vb開發(fā)了可連接多達10臺dls-a型激光測距傳感器的監(jiān)控軟件,同時開發(fā)出模擬器軟件,通過計算機的串口實現(xiàn)了該型傳感器的全部通信協(xié)議, 能夠用一臺計算機模擬多達10臺dls-a 型激光測距傳感器的各種工作狀態(tài),不僅可以模擬正常工作狀況,而且可以方便地模擬使用真實激光測距儀不易實現(xiàn)的距離設(shè)定、時間延遲、系統(tǒng)錯誤等狀態(tài),給調(diào)試工作帶來了很大方便,并且顯著降低了開發(fā)成本3、4。文獻綜述3.激光測距的實現(xiàn)方法5測距精度是激光測距的重要指標之一，激光測距傳感器由激光發(fā)射機、接收機、光學系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對激光脈沖信號的處

7、理精度對激光測距精度有重要的影響，對于傳統(tǒng)的直接脈沖計數(shù)法，實現(xiàn)一般的精度指標不成問題，但對于厘米級測距精度要求，由于受器件、工藝等諸多因素的制約，直接計數(shù)法則難以完成任務(wù)。由于近年來在時問測量技術(shù)水平不斷提高，采用時間數(shù)字化芯片(tdc)完全可以實現(xiàn)上述要求。激光脈沖6一次發(fā)送接收的工作過程大致如下：當測距儀對準目標后，按下start鍵，單片機驅(qū)動激光器發(fā)出開始信號，激光器就發(fā)出一個很強很窄的光脈沖；同時，其中極小一部分光立即由兩塊反射鏡反射而進入接收望遠鏡，經(jīng)過濾光片到達光電轉(zhuǎn)換器(光電倍增管或光電二極管等光電元件)，使光脈沖變成電脈沖。這個電脈沖經(jīng)放大、整形后送入時間測量系統(tǒng)tdcgpl

8、的start端，使其開始計時，而射向目標的光脈沖，由于測量目標的漫反射作用，總有一部分光從原路反射回來，而進入接收望遠鏡。它同樣經(jīng)過濾光片、光電轉(zhuǎn)換器、放大整形電路而進入時間測量系統(tǒng)tdcgpl的stop端，終止此次時間間隔測量，由此得到一個時間間隔。脈沖激光測距，是通過測量激光器發(fā)出光脈沖的時刻與光脈沖到達目標并由目標返同接收機的時間差計算出目標距離的。假設(shè)目標距離為r，光脈沖往返時間為t，光在空氣中傳播速度為c，則：r=ct2 (1)在激光測距系統(tǒng)中，造成測距誤差的岡素很多，主要包括光電系統(tǒng)延遲誤差，大氣折射誤差，激光脈沖上升沿抖動造成的誤差，測時誤差，運算截斷誤差等。對于任何一個系統(tǒng)來講

9、，系統(tǒng)一旦確定，系統(tǒng)誤差可以采取標定等手段來予以修正，岡此從提高系統(tǒng)精度的角度考慮，如何減小隨機誤差成為關(guān)鍵。系統(tǒng)中引入隨機誤差主要是系統(tǒng)的電路噪聲，同時考慮到系統(tǒng)的運算能力，加入低通濾波器可以有效的減小系統(tǒng)噪聲，提高系統(tǒng)測距精度。由(1)式可以看出，為了提高系統(tǒng)精度，提高t的測量精度是關(guān)鍵。 激光測距儀在各種測量行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用, 無論在軍事應(yīng)用方面, 還是在科學技術(shù)、生產(chǎn)建設(shè)方面, 都起著重要的作用。激光測距具有測量精度高、分辨率高、抗干擾能力強、體積小和重量輕等一系列優(yōu)點。激光測距在技術(shù)途徑上可分為脈沖式和連續(xù)波相位式激光測距, 脈沖式測程遠, 但是儀器體積較大, 測量精度較低,

10、一般為幾米。連續(xù)波相位式是用連續(xù)調(diào)制的激光波束照射目標, 從測量光束往返中造成的相位變化, 得出被測目標的距離,其測量精度高, 相對誤差可達百萬分之一。但是, 普通的相位式測距方法測程較短, 需要合作目標, 傳統(tǒng)測相方法精度還達不到要求。近期, 有人提出了脈沖相位式激光測距儀7的設(shè)計方案。在我們的研究中, 把電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的直接數(shù)字頻率合成(dds) 技術(shù)應(yīng)用到相位式激光測距中, 在提高測程和精度方面, 取得了較好的效果。文獻綜述3. 設(shè)計思路與原理方框圖8（1） 脈沖法激光測距原理脈沖法激光測距的原理非常直觀,即從激光射出開始計時,到激光經(jīng)反射后被測距系統(tǒng)接收時計時結(jié)束,期間所測得的時間t

11、2l 乘以光在空氣中飛行的速度c ,就可得出被測距離l: l = 1/2ct2l (1)由(1) 式可以看出,影響脈沖法測距精度的關(guān)鍵在于時間間隔t2l 的精度。在具體測量時,時間間隔t2l 是通過在開始信號( start) 到來時,打開計數(shù)器,直到結(jié)束信號(stop) 到來時,關(guān)閉計數(shù)器。具體可參看如圖所示的波形圖。圖1 脈沖法激光測距測量時序圖 通過觀察時序圖可知, t2l 的精度問題最終轉(zhuǎn)化為時標脈沖周期特性問題,若時標脈沖的周期越短,即時標脈沖頻率越高,則所測得的時間間隔t2l 精度越高。使用傳統(tǒng)的脈沖法激光測距時,若要求測量精度為0. 5 m ,則要求采用頻率為300 mhz的計數(shù)器

12、,而傳統(tǒng)的計數(shù)器制造工藝很難達到這樣的要求。而tdc - gp1 的應(yīng)用可以在這個問題上提供很好的保障,其最小時標脈沖周期為125 ps ,即頻率為8 000 mhz ,在此基礎(chǔ)上建立的激光測距系統(tǒng)可以達到較高的測量精度。(2) tdc- gp1 特性簡述9tdc - gp1 主要由tdc 測量單元、16 位算術(shù)邏輯單元、rlc 測量單元以及與8 位單片機的接口等組成。其中, tdc 測量單元所用信號通過邏輯門電路的絕對時間是測量的關(guān)鍵,應(yīng)精確設(shè)計邏輯門電路,從而確定信號通過每個邏輯門電路的最小單位時間。該最小單位時間即是前文所指的時標脈沖的周期,因此在測量過程中,只要計算出開始信號和結(jié)束信號

13、之間的邏輯門個數(shù),就可以精確地得到間隔時間。而芯片內(nèi)部的鎖相和標定電路可以避免因工作環(huán)境的變化給測量誤差帶來的影響。tdc -gp1 內(nèi)部集成有2 個算術(shù)邏輯單元alu1 、alu2 。其中,alu1 負責將采集所得的粗值進行處理,得到一個無符號的整數(shù)。alu2 主要完成以下三方面的工作:按照控制寄存器中的指令進行時間間隔的計算;將計算出的結(jié)果進行標定;將標定后的結(jié)果進行乘法運算。此外芯片設(shè)計有與8 位微處理器的交互接口,可以及時地將測量結(jié)果輸出到后續(xù)電路處理。tdc - gp1 有三種工作模式,本文采用其中的一種工作模式,即模式2 。在模式2 情況下:芯片只有通道1 可用(正常精度模式下允許

14、4 個脈沖輸入) ; stop 信號之間不能相互比較, 僅stop 與start 信號可進行比較; 最大量程為60 ns 200 ms。為進行大量程時間測量,芯片引入了一個16 位的predivider 。下圖為模式2 的測量時序波形圖。文獻綜述圖2 工作模式2波形圖(3)相位式激光測距儀原理10,11激光測距儀的測距原理是由激光器對被測目標發(fā)射一個光信號, 然后接受目標反射回來的光信號, 通過測量光信號往返經(jīng)過的時間, 計算出目標的距離。設(shè)目標的距離為l, 光信號往返所走過的距離即為2l，則t=2l/c即l=ct/2式中 c-光在空氣中的傳播速度c=3*108m/s t-光信號往返所經(jīng)過的時

15、間，s l-檢測目標的距離，m4. 激光測距主要技術(shù) （1）單片機的的應(yīng)用，單片機和嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，對掌握單片機技術(shù)理論并有實戰(zhàn)能力的人才的需求也日益增多。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)都采用國際流行的開發(fā)調(diào)試軟件keil c51，對于現(xiàn)用的atmega88單片機應(yīng)用系統(tǒng)主要包括總體的論證和設(shè)計、硬件電路的設(shè)計和制作、軟件程序的設(shè)計和編程、應(yīng)用系統(tǒng)的仿真調(diào)試和維護等12、13 。 （2）電路設(shè)計與制版protel99se14，隨著計算機軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路被廣泛應(yīng)用，電路越來越復雜、集成度越來越高，加之新型元器件層出不窮，使得越來越多的工作已經(jīng)無法依靠手工來完成、計算機的廣泛應(yīng)用

16、恰恰解決了這一問題，而且大大提高了工作效率。因此，計算機輔助電路板設(shè)計已經(jīng)成為電路板設(shè)計制作的必然趨勢。protel 99在這樣大的環(huán)境下產(chǎn)生和發(fā)展的。protel 99具有前所未有的豐富的設(shè)計功能。 （3）激光測距儀的應(yīng)用，美國華盛頓地區(qū)的美國陸軍研究所c.w.trussell等人提出一種新的測距方案，這種激光測距儀采用低峰值功率發(fā)射器，連續(xù)發(fā)射激光束脈沖。光束通過準直系統(tǒng)傳輸?shù)揭粋€目標，然后接收從目標返回的多重光。掃描接收的激光，并聚焦到分立的光電探測器上，多重探測器元件中每個探測器都對應(yīng)被選擇的目標距離。此測距儀增加了信噪比和增大了最大的可測距離。（美國專利號：5790241）5.總結(jié)激

17、光測距儀無論在軍事應(yīng)用方面, 還是在科學技術(shù)、生產(chǎn)建設(shè)方面, 都起著重要作用。由于激光波長單一, 測量精度高, 且激光測距儀結(jié)構(gòu)小巧, 安裝調(diào)整方便, 故激光測距儀是目前高精度測距最理想的儀器。激光器與普通光源有顯著的區(qū)別, 它利用受激發(fā)射原理和激光腔的濾波效應(yīng), 使所發(fā)光束具有一系列新的特點：激光有小的光束發(fā)散角, 即所謂的方向性好或準直性好。激光的單色性好, 或者說相干性好, 普通燈源或太陽光都是非相干光。激光的輸出功率雖然有限度, 但光束細, 所以功率密度很高, 一般的激光亮度遠比太陽表面的亮度大。 根據(jù)以上這些激光的特性，利用好這些特性，再結(jié)合protel99se軟件進行pcb原理圖的

18、設(shè)計，對每一個部件進行分析，搞清楚它們的工作原理，以及它們相互之間的聯(lián)系時做好這次激光測距硬件設(shè)計的關(guān)鍵所在。主要參考文獻1劉明.等，激光在測距上的應(yīng)用，1994-2008 china academic journal electronicpublishing house2孟立凡，鄭賓主編.傳感器原理及技術(shù)，兵器工業(yè)出版社，2000.2電子報社編，電子報2004年合訂本，四川科學技術(shù)出版社，20043范逸之，陳立元.visual basic與rs232串行通信m.北京：中國青年出版社，20024dls-a型激光測距傳感器技術(shù)參考手冊5胡大可msp430系列超低功耗16位單片機原理與應(yīng)用 m北京：北京航空航天大學出版社，20006 沈麗青.周簸正，等人眼安全的半導體激光測距儀j激光與光電子學進展，1996，37 朱相磊, 王存記. 脈沖相位式激光測距儀的研究j . 儀器儀表研究, 2004, 11 8童敏明，張徽，采用tdc - gp1 的激光測距系統(tǒng)設(shè)計，工礦自動化，2006.109張坤宜. 光電測距m . 長沙:中南工業(yè)大學出版社, 199110羅先和，張廣軍，駱飛等.光電檢測技術(shù)m.北京：北京航空航天大學出版社，199611黃瑞光.王劍華.顧天龍.等.相位式光波測距儀m.12何立