激光測(cè)距儀硬件設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告學(xué)生姓名陳健學(xué)號(hào)080710101專(zhuān)業(yè)自動(dòng)化指導(dǎo)老師職稱(chēng)所在院系宿遷學(xué)院 七系課題來(lái)源自擬課題課題性質(zhì)工程技術(shù)研究課題名稱(chēng)激光測(cè)距儀硬件設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和意義畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容 :1激光測(cè)距的工作原理，專(zhuān)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(jì)（論文）進(jìn)度計(jì)劃完成各階段工作，主動(dòng)請(qǐng)老師檢查（可包括讀書(shū)筆記，查閱到的資料介紹，工作的進(jìn)度、遇到的問(wèn)題，下周的工作計(jì)劃等）；4完成要求的各種規(guī)范的技術(shù)文件。本課題對(duì)激光測(cè)距儀硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，其研究意義如下：面向課題的研究,了解激光測(cè)距的發(fā)展及其所需的技術(shù)要求。對(duì)于激光測(cè)距技術(shù)的

2、發(fā)展，深入了解其應(yīng)用。在做設(shè)計(jì)的時(shí)候可以掌握protel99se軟件的應(yīng)用。利用本身所學(xué)的知識(shí)來(lái)處理各方面的問(wèn)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(lái)越廣泛，尤其是在軍事上，激光測(cè)距機(jī)的誕生，對(duì)軍隊(duì)的作戰(zhàn)和訓(xùn)練等產(chǎn)生了革命性的影響。在激光測(cè)距機(jī)出現(xiàn)以前,坦克炮、地炮、高炮和艦炮等通常用光學(xué)測(cè)距機(jī)測(cè)距。光學(xué)測(cè)距機(jī)無(wú)論是合象式的還是體視式，其測(cè)試精度隨距離而變化，測(cè)程越遠(yuǎn)，精度越差，操作也比較復(fù)雜，而且儀器的體積受基線長(zhǎng)短的限制。文獻(xiàn)綜述1激光的特點(diǎn)由于激光有高單色性、高方向性和相干性好等特點(diǎn), 因而被用于高精度的計(jì)量測(cè)量上。具體可以用于測(cè)量長(zhǎng)度、距離、

3、速度、時(shí)間等, 也可以作為長(zhǎng)度、頻率、光度等計(jì)量標(biāo)準(zhǔn), 目前已形成一門(mén)新的干涉測(cè)量學(xué)。根據(jù)光學(xué)干涉方法測(cè)量長(zhǎng)度是最為精密的, 如用氪86 紅光波進(jìn)行精密干涉測(cè)長(zhǎng), 最大量程不超過(guò)1 米(約38.5厘米) 測(cè)量誤差約為1 微米, 同樣用紅色氦氖激光進(jìn)行精密干涉測(cè)長(zhǎng), 其量程可以擴(kuò)大到1 公里- 1000 公里,而相當(dāng)于1 公里上的測(cè)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(zhǎng)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(gè)激光器射出的激光波長(zhǎng)會(huì)準(zhǔn)確一致, 即復(fù)制精度極高。因此, 可以根據(jù)1983 年第十七屆國(guó)

4、際計(jì)量大會(huì)的決定中指出:“國(guó)際計(jì)量局還認(rèn)為必須根據(jù)總則為實(shí)際工作者規(guī)定一個(gè)新的實(shí)用的米定義, 以保證各個(gè)長(zhǎng)度實(shí)驗(yàn)室之間的量值統(tǒng)一”。這個(gè)新的實(shí)用米定義, 可以選用氦氖激光器輸出的激光波長(zhǎng)作為長(zhǎng)度的基準(zhǔn)1。2. 傳感器的應(yīng)用（激光測(cè)距傳感器的介紹）當(dāng)今時(shí)代 高新技術(shù)迅速發(fā)展的信息時(shí)代。為了能夠準(zhǔn)確的獲取信息，就離不開(kāi)傳感器。它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)相關(guān)的各個(gè)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(shí)代的焦點(diǎn)2。瑞士dimetix公司生產(chǎn)的dls-a型激光測(cè)距傳感器是新一代的測(cè)距設(shè)備,擁有許多卓越的性能,是一種較為先進(jìn)的經(jīng)濟(jì)型在線位置檢測(cè)系統(tǒng),具有極高的測(cè)試精度和穩(wěn)定

5、性。該設(shè)備通過(guò)發(fā)射激光束至目標(biāo)物體,利用反射光束精確計(jì)算距離,可達(dá)到100m的檢測(cè)距離, 而且對(duì)目標(biāo)物體的尺寸面積比超聲波要求的面積小得多,使得對(duì)遠(yuǎn)距離的小尺寸物體位置檢測(cè)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(jì)量,光散射試驗(yàn),超聲波特性試驗(yàn),軍事槍械校正,靶距自動(dòng)控制,集裝箱定位等領(lǐng)域。由于是在線式連續(xù)檢測(cè),免去了使用手持激光測(cè)距儀的人工點(diǎn)發(fā),可無(wú)人值守連續(xù)監(jiān)測(cè),其位置數(shù)據(jù)還可傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端,是工業(yè)自動(dòng)化和生產(chǎn)智能管理的理想儀器, 在國(guó)內(nèi)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到了較多的應(yīng)用, 我們?cè)谒畮?kù)水位激光測(cè)距監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中即采用了這種傳感器, 該傳感器

6、是通過(guò)rs232/rs422串行接口與控制器進(jìn)行通訊, 我們利用vb開(kāi)發(fā)了可連接多達(dá)10臺(tái)dls-a型激光測(cè)距傳感器的監(jiān)控軟件,同時(shí)開(kāi)發(fā)出模擬器軟件,通過(guò)計(jì)算機(jī)的串口實(shí)現(xiàn)了該型傳感器的全部通信協(xié)議, 能夠用一臺(tái)計(jì)算機(jī)模擬多達(dá)10臺(tái)dls-a 型激光測(cè)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(shí)激光測(cè)距儀不易實(shí)現(xiàn)的距離設(shè)定、時(shí)間延遲、系統(tǒng)錯(cuò)誤等狀態(tài),給調(diào)試工作帶來(lái)了很大方便,并且顯著降低了開(kāi)發(fā)成本3、4。文獻(xiàn)綜述3.激光測(cè)距的實(shí)現(xiàn)方法5測(cè)距精度是激光測(cè)距的重要指標(biāo)之一，激光測(cè)距傳感器由激光發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、光學(xué)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(duì)激光脈沖信號(hào)的處

7、理精度對(duì)激光測(cè)距精度有重要的影響，對(duì)于傳統(tǒng)的直接脈沖計(jì)數(shù)法，實(shí)現(xiàn)一般的精度指標(biāo)不成問(wèn)題，但對(duì)于厘米級(jí)測(cè)距精度要求，由于受器件、工藝等諸多因素的制約，直接計(jì)數(shù)法則難以完成任務(wù)。由于近年來(lái)在時(shí)問(wèn)測(cè)量技術(shù)水平不斷提高，采用時(shí)間數(shù)字化芯片(tdc)完全可以實(shí)現(xiàn)上述要求。激光脈沖6一次發(fā)送接收的工作過(guò)程大致如下：當(dāng)測(cè)距儀對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)后，按下start鍵，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)出開(kāi)始信號(hào)，激光器就發(fā)出一個(gè)很強(qiáng)很窄的光脈沖；同時(shí)，其中極小一部分光立即由兩塊反射鏡反射而進(jìn)入接收望遠(yuǎn)鏡，經(jīng)過(guò)濾光片到達(dá)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(gè)電脈沖經(jīng)放大、整形后送入時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)tdcgpl

8、的start端，使其開(kāi)始計(jì)時(shí)，而射向目標(biāo)的光脈沖，由于測(cè)量目標(biāo)的漫反射作用，總有一部分光從原路反射回來(lái)，而進(jìn)入接收望遠(yuǎn)鏡。它同樣經(jīng)過(guò)濾光片、光電轉(zhuǎn)換器、放大整形電路而進(jìn)入時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)tdcgpl的stop端，終止此次時(shí)間間隔測(cè)量，由此得到一個(gè)時(shí)間間隔。脈沖激光測(cè)距，是通過(guò)測(cè)量激光器發(fā)出光脈沖的時(shí)刻與光脈沖到達(dá)目標(biāo)并由目標(biāo)返同接收機(jī)的時(shí)間差計(jì)算出目標(biāo)距離的。假設(shè)目標(biāo)距離為r，光脈沖往返時(shí)間為t，光在空氣中傳播速度為c，則：r=ct2 (1)在激光測(cè)距系統(tǒng)中，造成測(cè)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(dòng)造成的誤差，測(cè)時(shí)誤差，運(yùn)算截?cái)嗾`差等。對(duì)于任何一個(gè)系統(tǒng)來(lái)講

9、，系統(tǒng)一旦確定，系統(tǒng)誤差可以采取標(biāo)定等手段來(lái)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(jī)誤差成為關(guān)鍵。系統(tǒng)中引入隨機(jī)誤差主要是系統(tǒng)的電路噪聲，同時(shí)考慮到系統(tǒng)的運(yùn)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(cè)距精度。由(1)式可以看出，為了提高系統(tǒng)精度，提高t的測(cè)量精度是關(guān)鍵。 激光測(cè)距儀在各種測(cè)量行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用, 無(wú)論在軍事應(yīng)用方面, 還是在科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)建設(shè)方面, 都起著重要的作用。激光測(cè)距具有測(cè)量精度高、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小和重量輕等一系列優(yōu)點(diǎn)。激光測(cè)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(cè)距, 脈沖式測(cè)程遠(yuǎn), 但是儀器體積較大, 測(cè)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(biāo), 從測(cè)量光束往返中造成的相位變化, 得出被測(cè)目標(biāo)的距離,其測(cè)量精度高, 相對(duì)誤差可達(dá)百萬(wàn)分之一。但是, 普通的相位式測(cè)距方法測(cè)程較短, 需要合作目標(biāo), 傳統(tǒng)測(cè)相方法精度還達(dá)不到要求。近期, 有人提出了脈沖相位式激光測(cè)距儀7的設(shè)計(jì)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(cè)距中, 在提高測(cè)程和精度方面, 取得了較好的效果。文獻(xiàn)綜述3. 設(shè)計(jì)思路與原理方框圖8（1） 脈沖法激光測(cè)距原理脈沖法激光測(cè)距的原理非常直觀,即從激光射出開(kāi)始計(jì)時(shí),到激光經(jīng)反射后被測(cè)距系統(tǒng)接收時(shí)計(jì)時(shí)結(jié)束,期間所測(cè)得的時(shí)間t

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

12、,而傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)器制造工藝很難達(dá)到這樣的要求。而tdc - gp1 的應(yīng)用可以在這個(gè)問(wèn)題上提供很好的保障,其最小時(shí)標(biāo)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(cè)距系統(tǒng)可以達(dá)到較高的測(cè)量精度。(2) tdc- gp1 特性簡(jiǎn)述9tdc - gp1 主要由tdc 測(cè)量單元、16 位算術(shù)邏輯單元、rlc 測(cè)量單元以及與8 位單片機(jī)的接口等組成。其中, tdc 測(cè)量單元所用信號(hào)通過(guò)邏輯門(mén)電路的絕對(duì)時(shí)間是測(cè)量的關(guān)鍵,應(yīng)精確設(shè)計(jì)邏輯門(mén)電路,從而確定信號(hào)通過(guò)每個(gè)邏輯門(mén)電路的最小單位時(shí)間。該最小單位時(shí)間即是前文所指的時(shí)標(biāo)脈沖的周期,因此在測(cè)量過(guò)程中,只要計(jì)算出開(kāi)始信號(hào)和結(jié)束信號(hào)

13、之間的邏輯門(mén)個(gè)數(shù),就可以精確地得到間隔時(shí)間。而芯片內(nèi)部的鎖相和標(biāo)定電路可以避免因工作環(huán)境的變化給測(cè)量誤差帶來(lái)的影響。tdc -gp1 內(nèi)部集成有2 個(gè)算術(shù)邏輯單元alu1 、alu2 。其中,alu1 負(fù)責(zé)將采集所得的粗值進(jìn)行處理,得到一個(gè)無(wú)符號(hào)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(jìn)行時(shí)間間隔的計(jì)算;將計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定;將標(biāo)定后的結(jié)果進(jìn)行乘法運(yùn)算。此外芯片設(shè)計(jì)有與8 位微處理器的交互接口,可以及時(shí)地將測(cè)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(gè)脈沖輸入) ; stop 信號(hào)之間不能相互比較, 僅stop 與start 信號(hào)可進(jìn)行比較; 最大量程為60 ns 200 ms。為進(jìn)行大量程時(shí)間測(cè)量,芯片引入了一個(gè)16 位的predivider 。下圖為模式2 的測(cè)量時(shí)序波形圖。文獻(xiàn)綜述圖2 工作模式2波形圖(3)相位式激光測(cè)距儀原理10,11激光測(cè)距儀的測(cè)距原理是由激光器對(duì)被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一個(gè)光信號(hào), 然后接受目標(biāo)反射回來(lái)的光信號(hào), 通過(guò)測(cè)量光信號(hào)往返經(jīng)過(guò)的時(shí)間, 計(jì)算出目標(biāo)的距離。設(shè)目標(biāo)的距離為l, 光信號(hào)往返所走過(guò)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(hào)往返所經(jīng)過(guò)的時(shí)

15、間，s l-檢測(cè)目標(biāo)的距離，m4. 激光測(cè)距主要技術(shù) （1）單片機(jī)的的應(yīng)用，單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)掌握單片機(jī)技術(shù)理論并有實(shí)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(guó)際流行的開(kāi)發(fā)調(diào)試軟件keil c51，對(duì)于現(xiàn)用的atmega88單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)主要包括總體的論證和設(shè)計(jì)、硬件電路的設(shè)計(jì)和制作、軟件程序的設(shè)計(jì)和編程、應(yīng)用系統(tǒng)的仿真調(diào)試和維護(hù)等12、13 。 （2）電路設(shè)計(jì)與制版protel99se14，隨著計(jì)算機(jī)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(lái)越復(fù)雜、集成度越來(lái)越高，加之新型元器件層出不窮，使得越來(lái)越多的工作已經(jīng)無(wú)法依靠手工來(lái)完成、計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用

16、恰恰解決了這一問(wèn)題，而且大大提高了工作效率。因此，計(jì)算機(jī)輔助電路板設(shè)計(jì)已經(jīng)成為電路板設(shè)計(jì)制作的必然趨勢(shì)。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(jì)功能。 （3）激光測(cè)距儀的應(yīng)用，美國(guó)華盛頓地區(qū)的美國(guó)陸軍研究所c.w.trussell等人提出一種新的測(cè)距方案，這種激光測(cè)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(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)傳輸?shù)揭粋€(gè)目標(biāo)，然后接收從目標(biāo)返回的多重光。掃描接收的激光，并聚焦到分立的光電探測(cè)器上，多重探測(cè)器元件中每個(gè)探測(cè)器都對(duì)應(yīng)被選擇的目標(biāo)距離。此測(cè)距儀增加了信噪比和增大了最大的可測(cè)距離。（美國(guó)專(zhuān)利號(hào)：5790241）5.總結(jié)激

17、光測(cè)距儀無(wú)論在軍事應(yīng)用方面, 還是在科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)建設(shè)方面, 都起著重要作用。由于激光波長(zhǎng)單一, 測(cè)量精度高, 且激光測(cè)距儀結(jié)構(gòu)小巧, 安裝調(diào)整方便, 故激光測(cè)距儀是目前高精度測(cè)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(diǎn)：激光有小的光束發(fā)散角, 即所謂的方向性好或準(zhǔn)直性好。激光的單色性好, 或者說(shuō)相干性好, 普通燈源或太陽(yáng)光都是非相干光。激光的輸出功率雖然有限度, 但光束細(xì), 所以功率密度很高, 一般的激光亮度遠(yuǎn)比太陽(yáng)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(jìn)行pcb原理圖的

18、設(shè)計(jì)，對(duì)每一個(gè)部件進(jìn)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(shí)做好這次激光測(cè)距硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。主要參考文獻(xiàn)1劉明.等，激光在測(cè)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(bào)社編，電子報(bào)2004年合訂本，四川科學(xué)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(guó)青年出版社，20024dls-a型激光測(cè)距傳感器技術(shù)參考手冊(cè)5胡大可msp430系列超低功耗16位單片機(jī)原理與應(yīng)用 m北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20006 沈麗青.周簸正，等人眼安全的半導(dǎo)體激光測(cè)距儀j激光與光電子學(xué)進(jìn)展，1996，37 朱相磊, 王存記. 脈沖相位式激光測(cè)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(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工礦自動(dòng)化，2006.109張坤宜. 光電測(cè)距m . 長(zhǎng)沙:中南工業(yè)大學(xué)出版社, 199110羅先和，張廣軍，駱飛等.光電檢測(cè)技術(shù)m.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，199611黃瑞光.王劍華.顧天龍.等.相位式光波測(cè)距儀m.12何立