基于单片机激光测距.docx
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基于单片机激光测距
本科生毕业设计
基于单片机的激光测距
院系 电气信息工程学院
专业 电子信息工程
班级
学号
学生姓名
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指导教师 职称：
2011年5月
独创性声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业论文（设计）是本人在指导老师指导下取得的研究成果。
除了文中特别加以注释和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果。
与本研究成果相关的所有人所做出的任何贡献均已在论文（设计）中作了明确的说明并表示了谢意。
签名：
年 月 日
授权声明
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签名：
年 月 日
指导教师签名：
年 月 日
摘要
激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性等优点，所以，利用激光传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，激光测距是目前应用最普遍的一种，本课题介绍了激光传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT87C51单片机的性能和特点，并在分析了激光测距的原理基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT87C51单片机为核心的低成本，高精度。
微型化数字显示激光测距的硬件电路和软件设计方法，该系统设计合理，工作稳定，能量良好，检测速度快，计算简单。
易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业应用的要求。
关键字：
激光；测距；单片机
ABSTRACT
Laserpossesseshighbrightness,highdirectional,highmonochromaticandhighcoherencewaitforanadvantage,therefore,byusinglasersensortechnologyandautomaticcontroltechnologyincombinationofmeasurementprogram,laserrangeismostbroadlyapplied,thesubjectoflasersensorsisintroduced,andtheprincipleandcharacteristicsofsinglechipAT87C51Atmelcompanyperformanceandcharacteristics,andanalyzestheprincipleoflaserrangefinder,pointsoutthebasisofideasanddesignrangingsystemneededconsiderthequestion,givenaAT87C51singlechipislowcost,highprecision.Miniaturizationdigitaldisplaylaserranginghardwarecircuitandsoftwaredesignmethod,thesystemdesignisreasonable,stablework,energy,detectionspeed,goodsimplecalculation.Easytoachievereal-timecontrol,andtheprecisioninmeasurementcanreachtherequestofindustrialapplications.
Keyword:
laser;ranging;microcontroller
1绪论
二十世纪以来，激光传感器技术日趋成熟，并开始大量应用于测距系统。
八十年代，远程、中程、近程的激光测距主要采用YAG激光器，但随着半导体激光二极管LD技术的出现和日臻完善，开始应用于中、短程测距和成像雷达之中，它具有体积小、重量轻、结构简单、使用方便、对人眼安全等一系列优点。
九十年代国内外开始大力发展LD激光测距雷达和成像雷达，在中、短程激光雷达应用方面逐渐取代YAG激光雷达的趋势。
近年来发展了一种便携式、对人眼安全、无合作目标、低价的适用于家庭的LED激光测距仪。
2激光测距的基础
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。
它的亮度为太阳光的100亿倍。
它的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但直到1960年激光才被首次成功制造。
激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。
当前激光技术的应用远远超出了军事领域，它己渗入到人类活动的各个方面。
在科学研究、军事技术、能源开发、工农业生产、信息产业及医疗卫生等方面，激光也正作为新的技术发挥着巨大的作用，融入到我们的日常生活中。
诸如文化、娱乐、商业贸易等等。
总之，当今激光及其相关技术已经成为一个与人类社会息息相关、不可缺少的庞大产业。
相信在新的世纪，激光技术将会给人类的生活带来全新的改变。
军用激光技术是早期激光开发最活跃领域，最早的激光军用产品就是激光雷达和激光瞄准器。
当前高精度激光制导武器、激光目标自动识别系统、目标自动跟踪系统以及远距离目标杀伤评估系统正在逐渐完善。
2.1激光测距设计的思路
测量距离的方法有很多种，短距离的可以用米尺、卷尺，中远距离的可以用超声波测距仪，远距离的可以用红外线，激光也适用于远距离的测距，因为激光在空气中的传播速度稳定，可认为是光速，由CPLD时间间隔测量模块和单片机负责计时，CPLD时间间隔测量模块使用40MHZ晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到100ps。
激光的方向性好，能量集中，在介质中的传播距离远，等优点，所以激光可以用于距离的测量。
利用激光测量距离设计也比较方便，计算处理容易实现，并且在精度上也能够达到要求。
激光测距传感器有脉冲式和相位式，脉冲激光法测距和相位激光法测距有以下几项优点：
（1）在平均光功率输出相同的条件下，脉冲光波型激光测距仪可测量的距离比连续光波型激光测距仪要长的多。
因为脉冲激光通常有很高的瞬间输出光功率，使较远处的目标物仍能够反射回足够被检测到的光信号强度。
（2）测距速度快。
脉冲激光测距只需要收到回波脉冲马上结束计时，所以其单次测量所需要的时间非常短。
而相位法所测量的是两个“连续信号”间的相对相位差，因此在测量时间上较长。
（3）不需要合作目标，隐蔽性和安全性好。
连续波激光测距通常需要在目标处放置反射装置用以提高回波功率，而脉冲激光测距的瞬时功率很高，不需要目标有合作性，这在很多应用环境下，特别是军事用途是非常重要的；另一个方面，脉冲波激光测距由于是在瞬时发射激光脉冲，其隐蔽性和安全性均较高。
考虑到以上脉冲式激光和相位式激光测距的以上优缺点，和实际设计应用时要满足体积小、功耗低、高重频、测距速度快等特点，本文采用简单的单脉冲激光测距法作为整体系统的测距方式。
2.2激光测距设计的原理
发射器发出的激光以速度V在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由光电探测器接收，其往返时间为T，由S=VT/2即可算出被测物体的距离，由于激光是光的一种，其速度V可认为是
m/s即0.3m/ns，在使用时，可认为速度是不变的。
如图:
图2.2激光测距原理图
对于时间间隔T的测量，本文采用了单片机和CPLD实现的模拟内插法，打开开关后，单片机的晶振结构会产生一定频率的等时间间隔的脉冲序列，单片机处于工作状态下，当第一次接收到激光测参考信号时，单片机控制CPLD的计数功能开始计时，直到接收部分接收到回波信号，单片机控制停止计时，得到时间间隔分为三个部分（TA、TB、T），再由单片机软件计算出被测物的距离，传送到LED显示系统，由LED显示。
2.3本激光测距设计的要求
（1）利用激光接收和发射探头接收和发生激光；
（2）该激光系统可以实现各种距离的测量；
（3）能够按键启动/停止，使用单片机进行数据测量，并可以把测量的数据经过LED数字显示。
2.4本论文的主要研究内容
本文第一章对各种激光测距方法的原理进行了总结，将脉冲波激光测距和相位激光测距进行了比较。
第二章对激光测距的理论基础，对脉冲激光测距系统硬件部分进行了阐述，给出了可供参考的激光发射电路原理框图。
第三章对脉冲激光接收电路的各个环节进行了详细的叙述。
第四章对本文采取的CPLD的计时及其控制的LED显示系统做了介绍,并给出了单片机控制的LED显示硬件系统及软件设计。
第五章对系统中可能出现的测量误差进行了分析，并进行了总结，出了将来可以改进的几个方面。
3脉冲激光测距系统设计
3.1激光测距仪系统结构
激光测距系统主要由单片机系统及显示电路、激光发射电路、检测接收电路、CPLD时间间隔计时部分组成。
整体结构如下图：
图3-1激光测距系统整体框图
图3-2各节点波形示意图
本设计用按键开关K2来实现对单片机的复位以及K1对激光发射单元的控制，同时由参考光束和回波光束所转换的电信号通过改变单片机P2.7口的状态来实现通过单片机控制CPLD计时部分开始计时与停止计时，并通过软件计算控制LED显示所测得的被测物的实际距离（单位为米）。
CPLD计时部分采用40MHZ的脉冲信号，单个周期为2.5ns，单个周期测得距离为0.375m，考虑到时间间隔通过P0口调取到单片机的方便，本设计限定测量距离为37.5m，即计时间隔不超过250ns。
3.2激光脉冲发生电路
本设计以半导体激光器（LD）做为脉冲激光源，它的主要优点在于体积小、效率高。
作为近距离激光测距系统的激光光源。
砷化铟镓（InGaAs）半导体激光器的输出波长为905nm，位于大气的红外光第一穿透区边缘，穿透率很高，是一种常用的高功率半导体激光器。
本设计，以美国EG&G公司出品的型号为PGEW2S09激光二极管做为激光源，其输出的峰值光功率可达20瓦。
激光脉冲发生电路原理图如下图所示，其中Q1、Q2分别为NPN和PNP型耐高压快速晶体管，半导体激光器（LD）采用的是型号为PGEW2S09的半导体传感器，其响应速度快、高峰值功率的905nm波段。
TRIGER为单片机发出的激光发射启动信号。
图3-3激光脉冲发生电路
当给TRIGER低电平时，Ql、Q2截止，高压经过R4、C2、Dl和R5并联电路向电容C2充电，使C2两端的电压达到150V左右。
当给TRIGER高电平时，Q1、02导通，电容C2经Q1、Q2、激光器放电，此时，激光器在一个很短时间内可通过一个峰值电流大约为20A左右的电流脉冲，使其发出相应峰值功率大约为20w的激光脉冲。
晶体管Q2主要起加速作用，Dl、R5并联电路是用来抑制激光器的反向脉冲，保护激光器不被损坏。
晶体管Q1、Q2的响应速度、C2电容值大小及放电回路的等效电阻及电感共同决定了激光器发出的光脉冲上升沿和半脉宽。
脉冲激光测距系统的测距精度和光脉冲的上升沿有很大的关系，上升沿是直接控制系统计时开始的分界，因此应选用快速的晶体管，C2的电容值也应合适，过大会使光脉冲上升沿变大，影响测距精度，过小的取值会降低光脉冲的峰值功率的大小，缩短测距范围。
经实验，当C2取0.01uF时，采用上图电路可获得大约上升时间为5ns、半脉宽为200ns的光脉冲。
3.3脉冲激光接收电路
3.3.1光电检测传感器的比较选择
作为信息的载体，光的速度是最快的，但光信号不能直接被电路处理，往往要将其变为电信号，光电检测传感器由此而来，他负责将测到的光信号转换成电信号。
各种光电传感器工作原理不同，光电检测传感器可分为以下三类：
（1）光电导器件。
该类器件采用具有光电导效应的光电材料制成，受光照射强度的变化它的电导值即器件的电阻值会发生变化。
其光谱响应从紫外、可见光、近红外一直可扩展到远红外，响应时间上升沿约为40ms，下降沿为100ms左右，其典型器件为光敏电阻。
（2）光尘伏特器件。
该类器件是基于光生伏特效应的一种半导体器件，多以PN结型为主。
与其它光电器件相比有噪声低、灵敏度高、响应时间短和体积小等优点，其响应时间可小于1ns，其典型器件有光电池、半导体光电二级管、雪崩光电二级管等。
（3）光生电流器件。
该类器件利用外光电效应来工作，其典型代表是光电倍增管（PMT），具有较高的增益和较低的噪声。
在激光测距系统中，由于激光脉冲的飞行时间是计算所测距离大小的关键，对其的测量精度有很高的要求，即对光电检测传感器的响应时间有很高的要求，另外，由于传感器接收的是反射回来的回波信号（或者是参考信号），所以微弱信号敏感度有很高的要求，根据这两点要求，本设计选用雪崩光电探测器作为光信号接收器件，它不仅仅有较高的增益，而且响应的速度也很快，是一种理想的高灵敏度光电探测器。
3.3.2雪崩光电二极管APD
APD具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、抗强磁场干扰和动念范围大等优点，尤其是它的响应时间非常短，对微弱信号也有相当高的灵敏度，所以既能保证激光测距系统的测距精度，又能扩大测距的范围，是以APD是脉冲激光测距系统激光接收器件的最佳选择。
根据以上分析，结合市场上的情况，选取了EG&G公司的C30724型APD作为接收电路的光电检测传感器。
3.3.3雪崩光电二极管APD的反向偏压
雪崩光电二极管APD正常工作的时候需要在阴极加一个160V左右的直流反向偏压来驱动，使APD有足够的增益，所以需要设计一个高压发生电路来给APD提供160V的反向偏压。
雪崩光电二极管APD在没有光照射的时候，只有噪声电流通过，为几十nA,而有光照射的时候，通过APD的电流最大能够达到几个uA，所以设计的高压发生电路除了160V的电压幅值要求外，还应有uA级得驱动能力。
3.3.4电路工作原理
高压发生电路有开关三极管Q3、储能电感L1、隔离二极管D2、D3，以及输出滤波电容C8和用于产生方波的集成电路U1组成。
下面是高压发生电路的原理图：
图3-4高压发生电路
电路的基本工作原理是当三极管Q3导通时，能量从电源流入，并储存在电感L1中，因为三极管在导通期间负向饱和压降很小，所以这时二极管D2反偏，由滤波电容C8供给负载能量，将电容中储存的能量（CV02／2）释放给负载。
而当三极管截止时，电感中的电流不能瞬时突变，它上面产生的感应电势将阻止电流的减小，电流的方向由上到下，感应电势的极性为上负下正．二极管处于D2导通状态，电感中储存的能量（LI2／2）将有一部分流入电容（充电），另一部分供给负载。
NE555集成电路的主要作用是产生一定频率的方波信号，使三极管周期性的处于导通、截止的状态，从而在输出端得到持续的较高的输出电压。
普通电感都有一定的电流饱和度，若导通时间过长，那么电感上流过的电流到达饱和的状态，电流值停止增长。
就不能在输出端得到较大的电压，三极管上的功率损耗也会加大。
再加上电容上漏电流等因素的影响，如果长时间不对其充电，反而将使输出电压值减小．电路的利用率也降低。
所以要选择合理的参数值，使从555电路中得到的方波周期能恰好使电感工作在接近饱和的状态，这样就能够提高电路的转化效率。
同时，由于电路工作在不饱和的状态下，就可以通过调节三极管的导通时间来较好的控制住输出电压的幅值变化。
3.3.5电压控制反馈电路
为了使得到的反向偏压更稳定，并且在一定范围内可调，在高压发生电路中加入一个反馈回路如下：
图3-5反馈回路
此反馈回路是利用输出电压，来控制555集成电路的第5脚，以控制555的输出波形的频率和占空比发生变化，来实现对输出电压Vo的控制作用。
当输出的电压等于160V时，反馈回路电流从R28（计为I1）经R33到R29（计为I3）、从R32（计为I2）经R33到R29，而当高压生成电路工作于稳态时，555集成电路的两个输入端信号影响输出端，即Vref来控制555集成电路的第5脚，使其控制产生的方波信号频率正好使高压生成回路产生160V的高电压，让电路到达平衡状态。
如果由于干扰等原因，Vo小于160V，I1将减少，因为I3=I1+I2，所以12将相应的增加，导致ton增加即T1增加，则Vo也将增加，直到达到160V，工作于稳态的情况下。
同理，当Vo大于160V，那么Il加大，I2将相应减小。
这样就能拉低输出电压，使它稳定在160V。
也可以通过调节运算放大器的同向端电压来改变Vo，即可得到不同电压的稳定状态。
图3-6555输出方波图形
如图，它的周期T=T1+T2。
它值的大小由555电路中的电阻、电容，以及Vref来共同决定，具体的计算公式如下：
以上两式可以看出，改变Vref时，T2是不变的，仅T1发生了变化，也就是说频率和占空比发生了变化。
因为T2不变，所以当Vref变大时，T1变大，使Vo变大Vref变小时，T1也减小使Vo减小。
为了使电感能够持续工作在不饱和的状态下，在所选的元件参数下，应该使T1小于30微秒。
该电路提供的电流值由下式决定：
其中ILm为流过电感的最大电流，Vo为输出电压。
如果元件参数选择恰当，这个电压放大电路可以将输入的电压放大到五十倍以上，并且输出电压的稳定度很好。
该电路可以提供的电流约为O．5mA，足以驱动APD正常工作。
当输入电压在4．5V时，工作电流约为0，1A，输出电压160V，可提供的电流约为0．5mA。
3.3.6放大电路
放大电路的原理图如下，此放大电路的关键器件包括APD，电压放大部分的Q122，Q124,电流放大-电压转换部分的Q118和Q120高频三极管。
APD已介绍，Q118，Q120采用高频三极管，其部分典型工作参数如下：
工作频率：
F1=5GHz
类型：
NPN
放大倍数Hpe=90
集电极最大正向电流：
Io=25mA
Q122和Q124采用高频三极管，典型工作参数：
工作频率：
F1=5GHz
类型：
PNP
放大倍数Hpe1=50
集电极最大正向电流：
I=25mA
图3-7放大电路原理框图
对于脉冲激光测距系统，当该系统的探测概率为99％时，APD接收到的回波脉冲信噪比SNR应不小于于8，即：
故得：
此时，最小可探测功率为：
经过Q118，Q120两级放大以后，Q120的集电极电流在脉冲到达时放大为：
在R123上形成的压降为：
当回波信号较弱，探测概率为99％CEl点处测得压降变化约为200mV左右，经过后面一级的放大后，输出信号幅度约为3V左右，完全可供后继电路进行处理。
当该放大电路接收中等回波强度时R123上的压降约为2．5V，APD上接收的激光功率约为1．69*10-8w。
当接收回波较强时，经过放大电路以后输出的波形不仅幅值增加，而且脉宽也展宽。
4计时及显示部分设计
4.1计时部分
4.1.1计时原理
脉冲激光测距系统的测量精确度主要依赖于接收通道的频带宽度、激光脉冲的上升沿宽度和脉冲激光飞行的时间测量精确度。
其中飞行时间的测量精度对脉冲激光测距仪的测距精度其重要作用。
传统的测距系统采用直接计数法来测量主波信号与回波信号之间的时间间隔，该激光测距系统的计时原理如下图：
图4-1计时原理图
由图可知，时间间隔
=NT+（TA-TB），其中TA-TB就是时间间隔测量误差，假设所用的计数脉冲为12MHZ，则TA-TB就可达到0.08us，计算出来的距离误差可达到大约0.4m，显然不能满足要求较高测量精度。
本设计提高脉冲激光测距测量精度的方法主要是采用CPLD的模拟内插法。
本设计只做简单介绍，不进行具体分析实现。
4.1.2内插法
内插法主要有延迟线内插法、差频测相法和模拟内插法三种。
其中模拟内插法精度高、测量盲区小、电路容易实现，应用也最为广泛。
模拟内插法是利用电容充放电时间与所达到的电压的积分关系，在高精度电容C的电流与电荷呈线性关系的区域内，利用短短的时间Ta或Tb时间内对电容C充电，根据线性关系得到与时间相对应的电压值Va或Vb，再由高速A/D最其采样，得到对应的采样数据。
对应式子如下：
或者：
其中，C为电容，I为充电电流，m为模数转换器的位数。
利用模拟内插法得到的时间测量精度可达到：
该方法与传统计数法相比，把脉冲激光测距的测量精度提高
倍，假设采用40MHZ的计数频率（周期为25ns），8位模数转换器，那么时间测量精度约为100ps，对应的距离精度即为15mm。
4.1.3利用单片机和CPLD实现模拟内插
CPLD与单片机是整个系统的核心部件，CPLD的作用是住计数器、分离出TA与TB、控制A/D采样以及与单片机进行通信。
单片机的作用是控制测量过程、接收CPLD测量数据、数据运算及数据显示控制。
时间间隔测量系统原理框图
图4-2单片机与CPLD模块连接图
其中CPLD时间间隔测量模块包括时间分离模块，控制A/D采样模块，主计数器模块和与单片机数据通信模块。
其工作原理是：
START是由单片机控制的，当单片机接收到参考信号时，单片机从P1.1端口给出START一个高电平脉冲，启动CPLD模块的计时功能，开始计时，当系统接收到回拨的信号时，单片机从P1.0端口给出一个高电平脉冲，计数停止。
CPLD所测得的时间间隔包括三个部分:
NT、TA和TB，单片机通过P2.4、P2.5、P2.6三个端口（低电平有效）来控制将三个时间值由P0口输送给单片机进行储存。
计时开始与结束程序设计框图如下：
图4-3单片机控制计时原理框图
由于本设计针对近程测距，为了便于程序编写，假设所测的最远距离为37.5m，这样变量T<256可以用一个八位二进制数表示，即只用P0口就能完成T的输入。
而实际测量是并不能确定是否超出量程，所以该调取程序需要有检测功能，通过判断T来确定是否超出量程，当没有超出时继续调取，当超过量程时，各个时间间隔归零，通过显示00.00来提醒操作者超出了量程范围，其程序框图如下：
图4-4单片机控制调取时间间隔原理框图
4.2距离计算部分
前一部分已经给出了三个时间变量，即为所测的时间间隔T（ns）TA（10-1ns）TB（10-1ns），该计算部分主要由单片机完成，其功能主要是针对CPLD送来的三个时间值进行一系列的数据计算，计算出相对应的所测得的距离值。
4.2.1单片机最小系统
单片机最小系统主要是为了保证单片机系统正常工作。
主要由AT87C51单片机、外部振荡电路、复位电路和+5V电源组成。
在外部振荡电路中，单片机的XTAL1和XTAL2管脚分别接12MHZ晶振和两个30PF电容够成的振荡电路两侧，为单片机提供正常的时钟脉冲。
在复位电路中，复位电路如图，单片机RESET管脚一方面经20F的电容接至电源正极
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