基于單片機(jī)激光測(cè)距畢業(yè)設(shè)計(jì)

MACROBUTTONMTEditEquationSection2SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\r1\h基于單片機(jī)的激光測(cè)距院系電氣信息工程學(xué)院專業(yè)電子信息工程班級(jí)學(xué)號(hào)學(xué)生姓名聯(lián)系方式指導(dǎo)教師職稱：2011年5月獨(dú)創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是本人在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下取得的研究成果。除了文中特別加以注釋和致謝的地方外，論文（設(shè)計(jì)）中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果。與本研究成果相關(guān)的所有人所做出的任何貢獻(xiàn)均已在論文（設(shè)計(jì)）中作了明確的說明并表示了謝意。簽名：年月日授權(quán)聲明本人完全了解許昌學(xué)院有關(guān)保留、使用本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的規(guī)定，即：有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的復(fù)印件和磁盤，允許畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱。本人授權(quán)許昌學(xué)院可以將畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編論文（設(shè)計(jì)）。本人論文（設(shè)計(jì)）中有原創(chuàng)性數(shù)據(jù)需要保密的部分為（如沒有，請(qǐng)?zhí)顚憽盁o”）：簽名：年月日指導(dǎo)教師簽名：年月日摘要激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等優(yōu)點(diǎn)，所以，利用激光傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的測(cè)距方案中，激光測(cè)距是目前應(yīng)用最普遍的一種，本課題介紹了激光傳感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT87C51單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，并在分析了激光測(cè)距的原理基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計(jì)測(cè)距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題，給出了以AT87C關(guān)鍵字：激光；測(cè)距；單片機(jī)ABSTRACTLaserpossesseshighbrightness,highdirectional,highmonochromaticandhighcoherencewaitforanadvantage,therefore,byusinglasersensortechnologyandautomaticcontroltechnologyincombinationofmeasurementprogram,laserrangeismostbroadlyapplied,thesubjectoflasersensorsisintroduced,andtheprincipleandcharacteristicsofsinglechipAT87C51Atmelcompanyperformanceandcharacteristics,andanalyzestheprincipleoflaserrangefinder,pointsoutthebasisofideasanddesignrangingsystemneededconsiderthequestion,givenaAT87C51singlechipislowcost,highprecision.Miniaturizationdigitaldisplaylaserranginghardwarecircuitandsoftwaredesignmethod,thesystemdesignisreasonable,stablework,energy,detectionspeed,goodsimplecalculation.Easytoachievereal-timecontrol,andtheprecisioninmeasurementcanreachtherequestofindustrialapplications.Keyword:laser;ranging;microcontroller目錄1緒論 )4.3計(jì)算機(jī)控制LED顯示部分本部分主要是通過單片機(jī)控制四個(gè)LED數(shù)碼管來顯示出所測(cè)得得距離，主要包括87C51單片機(jī)芯片，四個(gè)74HC573鎖存器，四個(gè)數(shù)碼管（分別顯示所測(cè)得的距離的十位、個(gè)位、十分位和百分位）、三個(gè)與門和四個(gè)三極管。4LED說明本設(shè)計(jì)假設(shè)的測(cè)量距離在37.5m以內(nèi)，四位顯示，分別為十位、個(gè)位和兩個(gè)小數(shù)位十分位、百分位，所以選用了四個(gè)LED數(shù)碼管。數(shù)碼管分為共陰極和共陽極兩種，發(fā)光二極管的陰極連在一起即為共陰極，陽極連在一起即為共陽極，一個(gè)數(shù)碼管由8個(gè)發(fā)光二極管組成，其中，7個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成字形“8”，另一個(gè)作為小數(shù)點(diǎn)顯示。本設(shè)計(jì)選用了八位共陽極數(shù)碼管，如下圖，其中a、b、c、d、e、f、g由不同的信號(hào)控制顯示數(shù)字，dp圖4-7八位共陽極LED引腳圖當(dāng)陽極的公共端為高電平時(shí)，根據(jù)a、b、c、d、e、f、g、dp各個(gè)端口的信號(hào)高低（低電平有效）可以控制不同數(shù)字的顯示和小數(shù)點(diǎn)的顯示，其中a、b、c、d、e、f、g的數(shù)字顯示信號(hào)及其對(duì)應(yīng)的顯示數(shù)字表如下：顯示字符abcdefg控制端信號(hào)顯示字符abcdefg控制端信號(hào)00000001B50100111B11001111B60100000B20010010B70001111B30000110B80000000B41001100B90000100Bdp控制小數(shù)點(diǎn)的顯示，當(dāng)dp=1時(shí)滅；當(dāng)dp=0時(shí)亮只有在第九個(gè)端口即C端口為高電平是才能使數(shù)碼管工作圖4-8LED顯示字符與端口信號(hào)對(duì)照表4.3.274HC573說明本設(shè)計(jì)的顯示部分共有四個(gè)數(shù)碼管，但都共用一個(gè)單片機(jī)的輸出口來控制數(shù)字的顯示，為了使各個(gè)數(shù)碼管的顯示不互相干擾，在各個(gè)數(shù)碼管前加一個(gè)74HC573鎖存器以控制數(shù)碼管的穩(wěn)定顯示，74HC573鎖存器引腳圖如下：圖4-974HC573引腳圖其工作原理是：當(dāng)C端口為高電平時(shí)，左側(cè)輸入端輸入什么二進(jìn)制信號(hào)對(duì)應(yīng)的右側(cè)輸出端輸出同樣的二進(jìn)制信號(hào)；當(dāng)C端口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，無論左側(cè)輸入端輸入什么二進(jìn)制信號(hào)對(duì)應(yīng)的右側(cè)輸出端保持輸出C端口上次為高電平是的輸入信號(hào)。示例如下圖：C電平值變化輸入1D—8D輸出1Q—8Q011111111ＸＸＸＸＸＸＸＸ110101010101010100000000001010101010101010101010101圖4-1074HC573信號(hào)變化表由該表可以看出74HC573的作用就是控制端口由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)保持輸出。4單片機(jī)控制的LED顯示部分電路設(shè)計(jì)本部分主要是單片機(jī)控制所測(cè)得的距離各個(gè)位的顯示，各個(gè)LED的顯示由P2口得、、、分別控制四個(gè)LED即距離值的十位、個(gè)位、十分位、百分位顯示，對(duì)應(yīng)低電平有效，同時(shí)，當(dāng)口控制各位顯示的時(shí)候同時(shí)控制十位數(shù)的74HC573鎖存并持續(xù)顯示，其中，個(gè)位數(shù)的小數(shù)點(diǎn)持續(xù)顯示，接低電平，具體硬件電路圖如下：圖4-11單片機(jī)與LED硬件連接圖4顯示部分程序設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)部分和計(jì)算部分已經(jīng)將所測(cè)得的距離值計(jì)算出來，顯示部分就是解決如何將計(jì)算出的小數(shù)的各個(gè)位顯示在有四個(gè)數(shù)碼管，首先要對(duì)該小數(shù)進(jìn)行分離，用四個(gè)新的變量來分別代表這個(gè)小數(shù)的十位、個(gè)位、十分位和百分位，然后再對(duì)應(yīng)數(shù)碼管的顯示控制信號(hào)來通過單片機(jī)的P1口來控制數(shù)碼管顯示相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。S是個(gè)浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，并且整數(shù)位只有兩位，我們要分離十位的方法就是讓這個(gè)浮點(diǎn)數(shù)除以10，然后取整就可以了得到S的十位數(shù)m了，同理，對(duì)于個(gè)位，只要對(duì)S取整，然后減去10m就可得到個(gè)位數(shù)了。單片機(jī)控制的LED位顯示框圖：Ifb=0YNIfb=1C=11000000YNIfb=2C=11111001YNIfb=3C=10100100YNIfb=4C=10110000YNIfb=5C=10011001YNIfb=6C=11110010YNIfb=7C=10000010YNIfb=8C=11111000YNb=9C=10000000C=10010000圖4-12單片機(jī)判斷LED位顯示符號(hào)框圖4.4系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)共設(shè)計(jì)了四個(gè)按鍵分別控制測(cè)距過程的各個(gè)不同階段，分別計(jì)為K1、K2。各個(gè)按鍵功能如下表：按鍵號(hào)按鍵功能K1單片機(jī)手動(dòng)復(fù)位按鍵K2開始測(cè)距，單片機(jī)測(cè)距控制位變0，發(fā)射激光圖4-13系統(tǒng)開光及其功能圖圖4-14各部分硬件連接框圖系統(tǒng)的工作過程是：首先由使用者按動(dòng)K1鍵，使單片機(jī)復(fù)位，然后按動(dòng)K2鍵，給激光發(fā)射電路的TRIGER端口一個(gè)高電平脈沖信號(hào)，使該電路發(fā)出一激光信號(hào)。光電檢測(cè)端接收到的參考信號(hào)，經(jīng)檢測(cè)電路、放大電路轉(zhuǎn)換成一高電平信號(hào)傳入單片機(jī)的P2.7端口，單片機(jī)經(jīng)過軟件檢測(cè)通過P1.1端口發(fā)射一高電平使CPLD計(jì)時(shí)部分開始計(jì)時(shí)，當(dāng)光電檢測(cè)端接收到回波信號(hào)時(shí)，再次經(jīng)過檢測(cè)電路、放大電路轉(zhuǎn)換成一高電平信號(hào)經(jīng)P2.。單片機(jī)軟件調(diào)取時(shí)間間隔，經(jīng)軟件檢測(cè)，判斷是否超過量程，若超過量程，設(shè)計(jì)時(shí)間間隔為清零來使使用者明白所要測(cè)的障礙物距離已超出系統(tǒng)量程范圍；若沒有超過量程，則通過軟件計(jì)算，將所測(cè)得得距離值通過LED顯示給使用者。5誤差分析及總結(jié)5.1誤差分析由于本設(shè)計(jì)并沒有做出相應(yīng)的實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，所以只做理論上的分析，首先可以確定實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的誤差必滿足以下條件：(1)在一定的測(cè)量條件下的有限測(cè)量中，誤差的絕對(duì)值在一定的范圍內(nèi)；(2)絕對(duì)值較小的誤差出現(xiàn)的頻率大，絕對(duì)值較大的誤差出現(xiàn)的頻率小；(3)出現(xiàn)的誤差一定是隨機(jī)性的從整個(gè)激光測(cè)距的原理出發(fā)，可以想象，從脈沖激光從發(fā)射之后要穿過空氣等等外界環(huán)境，再經(jīng)過反射回到接收裝置，各種外界因素是不可控制的，這些外界因素主要有;(1)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度變化。溫度的變化會(huì)引起信號(hào)在CPLD中的傳播速度變化，直接影響測(cè)量結(jié)果。(2)電源電壓的變化。(3)量化誤差，本設(shè)計(jì)所采用的時(shí)間間隔計(jì)時(shí)部分的精確率為，對(duì)應(yīng)的誤差為。(4)噪聲和干擾，信號(hào)從信號(hào)發(fā)生器傳到計(jì)時(shí)電路中，有可能引入各種干擾。5.2總結(jié)展望本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單地介紹了種基于APD的激光測(cè)距接收電路和一種基于CPLD的計(jì)時(shí)電路的研究情況。給出了用于參考的脈沖激光發(fā)射接收元器件及驅(qū)動(dòng)其工作的電路，重點(diǎn)介紹了單片機(jī)控制的測(cè)量距離的顯示部分，介紹了基于CPLD和單片機(jī)的模擬內(nèi)插法測(cè)時(shí)間間隔，目前為止主要完成了一下工作：(1)對(duì)激光技術(shù)做了簡(jiǎn)要的介紹，重點(diǎn)是對(duì)脈沖激光測(cè)距技術(shù)原理做了介紹。(2)針對(duì)APD工作是需要較高的反向偏壓，給出了建議性的硬件電路圖(3)對(duì)時(shí)間間隔的測(cè)量提出了利用CPLD和單片機(jī)的模擬內(nèi)插法，使計(jì)時(shí)精度達(dá)到了測(cè)量范圍在500ns之內(nèi)。(4)利用單片機(jī)和數(shù)碼管來實(shí)現(xiàn)了所測(cè)距離是顯示。今后可以改進(jìn)的方面有以下幾個(gè)方面：(1)實(shí)驗(yàn)開發(fā)更可靠具體的光電接收部分電路，實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的接收。(2)選擇靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍更大的APD，可以提高測(cè)距范圍。(3)選用更多的數(shù)碼管，以顯示更大范圍的測(cè)量距離。(4)在布局布線是，注意關(guān)鍵信號(hào)的高頻特性，防止元器件的不理想性的顯現(xiàn)。參考文獻(xiàn)[1]卞正富.測(cè)量學(xué)[M].中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2002[2]彭軍.光電器件基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].科學(xué)出版社,[3]俞寬新,江鐵良,趙啟大.激光原理與激光技術(shù)[M].北京工業(yè)大學(xué)出版社,2003[4]郭培源,付揚(yáng).光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社,[5]戴永江.激光雷達(dá)原理[M].北京國(guó)防工業(yè)出版社,2002[6]楊培根,張承銓.激光技術(shù)在兵器工業(yè)中的應(yīng)用[M].兵器工業(yè)出版社,1995[7]王清正,胡渝.光電探測(cè)技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社,1982[8]陳千頌,楊成偉.激光與紅外[J],2002[9]黃正瑾,徐堅(jiān).CPLD系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)入門與應(yīng)用[M].北京電子工業(yè)出版社,2002[10]林伸茂.8051單片機(jī)徹底研究基礎(chǔ)篇.人民郵電出版社,2004[11]徐維祥,[M].大連理工大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inti; do { i=P2^7; } while(i==1); P1=0xfe; /*開始計(jì)時(shí)*/ do { i=P2^7; } while(i==1); P1=0xfd; /*計(jì)時(shí)結(jié)束*/}調(diào)試界面：2TA、TB、T調(diào)取程序#include<reg51.h>#include<stdio.h>voidmain(){intT,TA,TB;P2=0x1f; /*調(diào)取T*/T=P0;if(T>>256)/*判斷，計(jì)數(shù)超過范圍則計(jì)數(shù)值清零*/{ T=0; TA=0; TB=0;}else /*沒超過范圍則繼續(xù)調(diào)取TA、TB*/{ P2=0x2f; /*調(diào)取TB*/ TB=P0; P2=0x4f; /*調(diào)取TA*/ TA=P0; }}調(diào)試界面：3計(jì)算及顯示程序#include<reg51.h>#include<stdio.h>#include<math.h>intfenli(floata);/*位分離函數(shù)聲明*/intxianshi(intb);/*顯示函數(shù)聲明*/voidmain(){intm,n,x,y,T;floatTAB,TA,TB,q,S; /*距離計(jì)算*/TAB=TA-TB;TAB=TAB/10;TA=TAB+T;S=TAB*0.3;S=S/2; q=S/10;/*各個(gè)位的分離*/m=fenli(q);P2=0xfe;/*控制顯示距離十位的數(shù)碼管工作*/P0=0xff;/*先使數(shù)碼管的發(fā)光二極管全滅*/P0=xianshi(m);/*使距離的十位數(shù)顯示在數(shù)碼管上*/q=S;n=fenli(q);P2=0xfc;/*控制顯示個(gè)位和十位的數(shù)碼管工作同時(shí)鎖定十位數(shù)碼管的數(shù)據(jù)輸入*/P0=0xff;/*使發(fā)光二極管全滅*/P0=xianshi(n);/*顯示個(gè)位*/q=S*10;x=fenli(q);P2=0xf8;/*控制顯示個(gè)位、十位和十分位的數(shù)碼管工作同時(shí)鎖定個(gè)位位數(shù)碼管的數(shù)據(jù)輸入*/P0=0xff;P0=xianshi(x);q=s*100;y=fenli(q);P2=0xf0;P0=0xff;P0=xianshi(y);}intfenli(floata)/*位分離函數(shù)*/{intz;z=floor(a)