基于單片機(jī)激光測距

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè) MACROBUTTON MTEditEquationSection2 SEQ MTEqn r h * MERGEFORMAT SEQ MTSec r 1 h * MERGEFORMAT SEQ MTChap r 1 h * MERGEFORMAT 基于單片機(jī)的激光測距院 系電氣信息工程學(xué)院 專 業(yè)電子信息工程 班 級 學(xué) 號 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

2、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?zhí)顚憽盁o”）： 簽名

3、： 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)和自動控制技術(shù)相結(jié)合的測距方案中，激光測距是目前應(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)，并在分析了激光測距的原理基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計(jì)測距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題，給出了以AT87C關(guān)鍵字：激光；測距；單片機(jī)ABSTRACTLaser possesses high brightness, high directional, high monochromatic and high coherence wait for

4、an advantage, therefore, by using laser sensor technology and automatic control technology in combination of measurement program, laser range is most broadly applied , the subject of laser sensors is introduced, and the principle and characteristics of single chip AT87C51 Atmel company performance a

5、nd characteristics, and analyzes the principle of laser range finder, points out the basis of ideas and design ranging system needed consider the question, given a AT87C51 singlechip is low cost, high precision. Miniaturization digital display laser ranging hardware circuit and software design metho

6、d, the system design is reasonable, stable work, energy, detection speed, good simple calculation. Easy to achieve real-time control, and the precision in measurement can reach the request of industrial applications. Key word: laser; ranging; microcontroller 目 錄 TOC o 1-3 h z u 1 緒 論二十世紀(jì)以來，激光傳感器技術(shù)日趨

7、成熟，并開始大量應(yīng)用于測距系統(tǒng)。八十年代，遠(yuǎn)程、中程、近程的激光測距主要采用YAG激光器，但隨著半導(dǎo)體激光二極管LD技術(shù)的出現(xiàn)和日臻完善，開始應(yīng)用于中、短程測距和成像雷達(dá)之中，它具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、對人眼安全等一系列優(yōu)點(diǎn)。九十年代國內(nèi)外開始大力發(fā)展LD激光測距雷達(dá)和成像雷達(dá)，在中、短程激光雷達(dá)應(yīng)用方面逐漸取代YAG激光雷達(dá)的趨勢。近年來發(fā)展了一種便攜式、對人眼安全、無合作目標(biāo)、低價的適用于家庭的LED激光測距儀。2 激光測距的基礎(chǔ)激光是以來，繼、之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。它的亮度為的100億倍。它的原理早在 1

8、916 年已被著名的美國物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，但直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光是在有理論準(zhǔn)備和生產(chǎn)實(shí)踐迫切需要的背景下應(yīng)運(yùn)而生的，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致整個一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。當(dāng)前激光技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了軍事領(lǐng)域，它己滲入到人類活動的各個方面。在科學(xué)研究、軍事技術(shù)、能源開發(fā)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、信息產(chǎn)業(yè)及醫(yī)療衛(wèi)生等方面，激光也正作為新的技術(shù)發(fā)揮著巨大的作用，融入到我們的日常生活中。諸如文化、娛樂、商業(yè)貿(mào)易等等?？傊?，當(dāng)今激光及其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為一個與人類社會息息相關(guān)、不可缺少的龐大產(chǎn)業(yè)。相信在新的世紀(jì)，激光技術(shù)將會給人類

9、的生活帶來全新的改變。軍用激光技術(shù)是早期激光開發(fā)最活躍領(lǐng)域，最早的激光軍用產(chǎn)品就是激光雷達(dá)和激光瞄準(zhǔn)器。當(dāng)前高精度激光制導(dǎo)武器、激光目標(biāo)自動識別系統(tǒng)、目標(biāo)自動跟蹤系統(tǒng)以及遠(yuǎn)距離目標(biāo)殺傷評估系統(tǒng)正在逐漸完善。2.1 激光測距設(shè)計(jì)的思路測量距離的方法有很多種，短距離的可以用米尺、卷尺，中遠(yuǎn)距離的可以用超聲波測距儀，遠(yuǎn)距離的可以用紅外線，激光也適用于遠(yuǎn)距離的測距，因?yàn)榧す庠诳諝庵械膫鞑ニ俣确€(wěn)定，可認(rèn)為是光速，由CPLD時間間隔測量模塊和單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時，CPLD時間間隔測量模塊使用40MHZ晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到100ps。激光的方向性好，能量集中，在介質(zhì)中的傳播距離遠(yuǎn)，等優(yōu)點(diǎn)，所以

10、激光可以用于距離的測量。利用激光測量距離設(shè)計(jì)也比較方便，計(jì)算處理容易實(shí)現(xiàn)，并且在精度上也能夠達(dá)到要求。激光測距傳感器有脈沖式和相位式，脈沖激光法測距和相位激光法測距有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：(1) 在平均光功率輸出相同的條件下，脈沖光波型激光測距儀可測量的距離比連續(xù)光波型激光測距儀要長的多。因?yàn)槊}沖激光通常有很高的瞬間輸出光功率，使較遠(yuǎn)處的目標(biāo)物仍能夠反射回足夠被檢測到的光信號強(qiáng)度。(2) 測距速度快。脈沖激光測距只需要收到回波脈沖馬上結(jié)束計(jì)時，所以其單次測量所需要的時間非常短。而相位法所測量的是兩個“連續(xù)信號”間的相對相位差，因此在測量時間上較長。(3) 不需要合作目標(biāo)，隱蔽性和安全性好。連續(xù)波激光測

11、距通常需要在目標(biāo)處放置反射裝置用以提高回波功率，而脈沖激光測距的瞬時功率很高，不需要目標(biāo)有合作性，這在很多應(yīng)用環(huán)境下，特別是軍事用途是非常重要的；另一個方面，脈沖波激光測距由于是在瞬時發(fā)射激光脈沖，其隱蔽性和安全性均較高?？紤]到以上脈沖式激光和相位式激光測距的以上優(yōu)缺點(diǎn)，和實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用時要滿足體積小、功耗低、高重頻、測距速度快等特點(diǎn)，本文采用簡單的單脈沖激光測距法作為整體系統(tǒng)的測距方式。2.2 激光測距設(shè)計(jì)的原理發(fā)射器發(fā)出的激光以速度V在空氣中傳播，在到達(dá)被測物體時被反射返回，由光電探測器接收，其往返時間為T，由S=VT/2即可算出被測物體的距離，由于激光是光的一種，其速度V可認(rèn)為是m/s即0

12、.3m/ns，在使用時，可認(rèn)為速度是不變的。如圖:圖2.2 激光測距原理圖對于時間間隔T的測量，本文采用了單片機(jī)和CPLD實(shí)現(xiàn)的模擬內(nèi)插法，打開開關(guān)后，單片機(jī)的晶振結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定頻率的等時間間隔的脈沖序列，單片機(jī)處于工作狀態(tài)下，當(dāng)?shù)谝淮谓邮盏郊す鉁y參考信號時，單片機(jī)控制CPLD的計(jì)數(shù)功能開始計(jì)時，直到接收部分接收到回波信號，單片機(jī)控制停止計(jì)時，得到時間間隔分為三個部分（TA、TB、T），再由單片機(jī)軟件計(jì)算出被測物的距離，傳送到LED顯示系統(tǒng)，由LED顯示。2.3 本激光測距設(shè)計(jì)的要求(1) 利用激光接收和發(fā)射探頭接收和發(fā)生激光；(2) 該激光系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)各種距離的測量；(3) 能夠按鍵啟動/停

13、止，使用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，并可以把測量的數(shù)據(jù)經(jīng)過LED數(shù)字顯示。2.4 本論文的主要研究內(nèi)容本文第一章對各種激光測距方法的原理進(jìn)行了總結(jié)，將脈沖波激光測距和相位激光測距進(jìn)行了比較。第二章對激光測距的理論基礎(chǔ)，對脈沖激光測距系統(tǒng)硬件部分進(jìn)行了闡述，給出了可供參考的激光發(fā)射電路原理框圖。第三章對脈沖激光接收電路的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的敘述。第四章對本文采取的CPLD的計(jì)時及其控制的LED顯示系統(tǒng)做了介紹,并給出了單片機(jī)控制的LED顯示硬件系統(tǒng)及軟件設(shè)計(jì)。第五章對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的測量誤差進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了總結(jié)，出了將來可以改進(jìn)的幾個方面。3 脈沖激光測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 激光測距儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)激光測距系

14、統(tǒng)主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、激光發(fā)射電路、檢測接收電路、CPLD時間間隔計(jì)時部分組成。整體結(jié)構(gòu)如下圖：圖3-1激光測距系統(tǒng)整體框圖圖3-2 各節(jié)點(diǎn)波形示意圖本設(shè)計(jì)用按鍵開關(guān)K2來實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)的復(fù)位以及K1對激光發(fā)射單元的控制，同時由參考光束和回波光束所轉(zhuǎn)換的電信號通過改變單片機(jī)P2.7口的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)通過單片機(jī)控制CPLD計(jì)時部分開始計(jì)時與停止計(jì)時，并通過軟件計(jì)算控制LED顯示所測得的被測物的實(shí)際距離(單位為米)。CPLD計(jì)時部分采用40MHZ的脈沖信號，單個周期為2.5ns，單個周期測得距離為0.375m，考慮到時間間隔通過P0口調(diào)取到單片機(jī)的方便，本設(shè)計(jì)限定測量距離為37.5m3.2 激光

15、脈沖發(fā)生電路 本設(shè)計(jì)以半導(dǎo)體激光器(LD)做為脈沖激光源，它的主要優(yōu)點(diǎn)在于體積小、效率高。作為近距離激光測距系統(tǒng)的激光光源。砷化銦鎵（InGaAs）半導(dǎo)體激光器的輸出波長為905nm，位于大氣的紅外光第一穿透區(qū)邊緣，穿透率很高，是一種常用的高功率半導(dǎo)體激光器。本設(shè)計(jì)，以美國EG&G公司出品的型號為PGEW2S09激光二極管做為激光源，其輸出的峰值光功率可達(dá)20瓦。激光脈沖發(fā)生電路原理圖如下圖所示，其中Q1、Q2分別為NPN和PNP型耐高壓快速晶體管，半導(dǎo)體激光器(LD)采用的是型號為PGEW2S09的半導(dǎo)體傳感器，其響應(yīng)速度快、高峰值功率的905nm波段。TRIGER為單片機(jī)發(fā)出的激光發(fā)射啟動

16、信號。 圖3-3 激光脈沖發(fā)生電路當(dāng)給TRIGER低電平時，Ql、Q2截止，高壓經(jīng)過R4、C2、Dl和R5并聯(lián)電路向電容C2充電，使C2兩端的電壓達(dá)到150V左右。當(dāng)給TRIGER高電平時，Q1、02導(dǎo)通，電容C2經(jīng)Q1、Q2、激光器放電，此時，激光器在一個很短時間內(nèi)可通過一個峰值電流大約為20A左右的電流脈沖，使其發(fā)出相應(yīng)峰值功率大約為20w的激光脈沖。晶體管Q2主要起加速作用，Dl、R5并聯(lián)電路是用來抑制激光器的反向脈沖，保護(hù)激光器不被損壞。晶體管Q1、Q2的響應(yīng)速度、C2電容值大小及放電回路的等效電阻及電感共同決定了激光器發(fā)出的光脈沖上升沿和半脈寬。脈沖激光測距系統(tǒng)的測距精度和光脈沖的上

17、升沿有很大的關(guān)系，上升沿是直接控制系統(tǒng)計(jì)時開始的分界，因此應(yīng)選用快速的晶體管， C2的電容值也應(yīng)合適，過大會使光脈沖上升沿變大，影響測距精度，過小的取值會降低光脈沖的峰值功率的大小，縮短測距范圍。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)C2取0.01uF時，采用上圖電路可獲得大約上升時間為5ns、半脈寬為200ns的光脈沖。3.3 脈沖激光接收電路3.3.1 光電檢測傳感器的比較選擇作為信息的載體，光的速度是最快的，但光信號不能直接被電路處理，往往要將其變?yōu)殡娦盘?，光電檢測傳感器由此而來，他負(fù)責(zé)將測到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。各種光電傳感器工作原理不同，光電檢測傳感器可分為以下三類：(1) 光電導(dǎo)器件。該類器件采用具有光電導(dǎo)效

18、應(yīng)的光電材料制成，受光照射強(qiáng)度的變化它的電導(dǎo)值即器件的電阻值會發(fā)生變化。其光譜響應(yīng)從紫外、可見光、近紅外一直可擴(kuò)展到遠(yuǎn)紅外，響應(yīng)時間上升沿約為40ms，下降沿為100ms左右，其典型器件為光敏電阻。(2) 光塵伏特器件。該類器件是基于光生伏特效應(yīng)的一種半導(dǎo)體器件，多以PN結(jié)型為主。與其它光電器件相比有噪聲低、靈敏度高、響應(yīng)時間短和體積小等優(yōu)點(diǎn)，其響應(yīng)時間可小于1ns，其典型器件有光電池、半導(dǎo)體光電二級管、雪崩光電二級管等。(3) 光生電流器件。該類器件利用外光電效應(yīng)來工作，其典型代表是光電倍增管(PMT)，具有較高的增益和較低的噪聲。在激光測距系統(tǒng)中，由于激光脈沖的飛行時間是計(jì)算所測距離大小的

19、關(guān)鍵，對其的測量精度有很高的要求，即對光電檢測傳感器的響應(yīng)時間有很高的要求，另外，由于傳感器接收的是反射回來的回波信號（或者是參考信號），所以微弱信號敏感度有很高的要求，根據(jù)這兩點(diǎn)要求，本設(shè)計(jì)選用雪崩光電探測器作為光信號接收器件，它不僅僅有較高的增益，而且響應(yīng)的速度也很快，是一種理想的高靈敏度光電探測器。3.3.2 雪崩光電二極管APDAPD具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、抗強(qiáng)磁場干擾和動念范圍大等優(yōu)點(diǎn)，尤其是它的響應(yīng)時間非常短，對微弱信號也有相當(dāng)高的靈敏度，所以既能保證激光測距系統(tǒng)的測距精度，又能擴(kuò)大測距的范圍，是以APD是脈沖激光測距系統(tǒng)激光接收器件的最佳選擇。根據(jù)以上分析，結(jié)合市場

20、上的情況，選取了EG&G公司的C30724型APD作為接收電路的光電檢測傳感器。3.3.3 雪崩光電二極管APD的反向偏壓雪崩光電二極管APD正常工作的時候需要在陰極加一個160V左右的直流反向偏壓來驅(qū)動，使APD有足夠的增益，所以需要設(shè)計(jì)一個高壓發(fā)生電路來給APD提供160V的反向偏壓。雪崩光電二極管APD在沒有光照射的時候，只有噪聲電流通過，為幾十nA,而有光照射的時候，通過APD的電流最大能夠達(dá)到幾個uA，所以設(shè)計(jì)的高壓發(fā)生電路除了160V的電壓幅值要求外，還應(yīng)有uA級得驅(qū)動能力。3.3.4 電路工作原理 高壓發(fā)生電路有開關(guān)三極管Q3、儲能電感L1、隔離二極管D2、D3，以及輸出濾波電容

21、C8和用于產(chǎn)生方波的集成電路U1組成。下面是高壓發(fā)生電路的原理圖：圖3-4 高壓發(fā)生電路電路的基本工作原理是當(dāng)三極管Q3導(dǎo)通時，能量從電源流入，并儲存在電感L1中，因?yàn)槿龢O管在導(dǎo)通期間負(fù)向飽和壓降很小，所以這時二極管D2反偏，由濾波電容C8供給負(fù)載能量，將電容中儲存的能量(CV022)釋放給負(fù)載。而當(dāng)三極管截止時，電感中的電流不能瞬時突變，它上面產(chǎn)生的感應(yīng)電勢將阻止電流的減小，電流的方向由上到下，感應(yīng)電勢的極性為上負(fù)下正二極管處于D2導(dǎo)通狀態(tài)，電感中儲存的能量(LI 22)將有一部分流入電容(充電)，另一部分供給負(fù)載。NE555集成電路的主要作用是產(chǎn)生一定頻率的方波信號，使三極管周期性的處于導(dǎo)

22、通、截止的狀態(tài)，從而在輸出端得到持續(xù)的較高的輸出電壓。普通電感都有一定的電流飽和度，若導(dǎo)通時間過長，那么電感上流過的電流到達(dá)飽和的狀態(tài)，電流值停止增長。就不能在輸出端得到較大的電壓，三極管上的功率損耗也會加大。再加上電容上漏電流等因素的影響，如果長時間不對其充電，反而將使輸出電壓值減小電路的利用率也降低。所以要選擇合理的參數(shù)值，使從555電路中得到的方波周期能恰好使電感工作在接近飽和的狀態(tài)，這樣就能夠提高電路的轉(zhuǎn)化效率。同時，由于電路工作在不飽和的狀態(tài)下，就可以通過調(diào)節(jié)三極管的導(dǎo)通時間來較好的控制住輸出電壓的幅值變化。3.3.5 電壓控制反饋電路為了使得到的反向偏壓更穩(wěn)定，并且在一定范圍內(nèi)可調(diào)

23、，在高壓發(fā)生電路中加入一個反饋回路如下：圖3-5 反饋回路此反饋回路是利用輸出電壓，來控制555集成電路的第5腳，以控制555的輸出波形的頻率和占空比發(fā)生變化，來實(shí)現(xiàn)對輸出電壓Vo的控制作用。當(dāng)輸出的電壓等于160V時，反饋回路電流從R28（計(jì)為I1）經(jīng)R33到R29（計(jì)為I3）、從R32（計(jì)為I2）經(jīng)R33到R29，而當(dāng)高壓生成電路工作于穩(wěn)態(tài)時，555集成電路的兩個輸入端信號影響輸出端，即Vref來控制555集成電路的第5腳，使其控制產(chǎn)生的方波信號頻率正好使高壓生成回路產(chǎn)生160V的高電壓，讓電路到達(dá)平衡狀態(tài)。如果由于干擾等原因，Vo小于160V，I1將減少，因?yàn)镮3=I1+I2，所以12將

24、相應(yīng)的增加，導(dǎo)致ton增加即T1增加，則Vo也將增加，直到達(dá)到160V，工作于穩(wěn)態(tài)的情況下。同理，當(dāng)Vo大于160V，那么Il加大，I2將相應(yīng)減小。這樣就能拉低輸出電壓，使它穩(wěn)定在160V。也可以通過調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器的同向端電壓來改變Vo，即可得到不同電壓的穩(wěn)定狀態(tài)。圖3-6 555輸出方波圖形如圖，它的周期T=T1+T2。它值的大小由555電路中的電阻、電容，以及Vref來共同決定，具體的計(jì)算公式如下： MACROBUTTON MTEditEquationSection2 SEQ MTEqn r h * MERGEFORMAT SEQ MTSec h * MERGEFORMAT MACROBU

25、TTON MTEditEquationSection2 SEQ MTEqn r h * MERGEFORMAT SEQ MTSec h * MERGEFORMAT MACROBUTTON MTEditEquationSection2 SEQ MTEqn r h * MERGEFORMAT SEQ MTSec h * MERGEFORMAT MACROBUTTON MTEditEquationSection2 SEQ MTEqn r h * MERGEFORMAT SEQ MTSec r 3 h * MERGEFORMAT MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT

26、 SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTSec c * Arabic * MERGEFORMAT 3- SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 1) MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTSec c * Arabic * MERGEFORMAT 3- SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 2)以上兩式可以看出，改變Vref時，T2是不變的，僅T1發(fā)生了變化，也就是說頻率和占空比發(fā)生了變化。因?yàn)門2不變

27、，所以當(dāng)Vref變大時，T1變大，使Vo變大Vref變小時，T1也減小使Vo減小。為了使電感能夠持續(xù)工作在不飽和的狀態(tài)下，在所選的元件參數(shù)下，應(yīng)該使T1小于30微秒。該電路提供的電流值由下式?jīng)Q定： MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTSec c * Arabic * MERGEFORMAT 3- SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 3)其中ILm為流過電感的最大電流，Vo為輸出電壓。如果元件參數(shù)選擇恰當(dāng)，這個電壓放大電路可以將輸入的電壓放大到五十倍以上，并

28、且輸出電壓的穩(wěn)定度很好。該電路可以提供的電流約為O5mA，足以驅(qū)動APD正常工作。當(dāng)輸入電壓在45V時，工作電流約為0，1A，輸出電壓160V，可提供的電流約為05mA。3.3.6 放大電路放大電路的原理圖如下，此放大電路的關(guān)鍵器件包括APD，電壓放大部分的Q122，Q124,電流放大-電壓轉(zhuǎn)換部分的Q118和Q120高頻三極管。APD已介紹，Q118，Q120采用高頻三極管，其部分典型工作參數(shù)如下：工作頻率： F1=5GHz類型： NPN放大倍數(shù)Hpe=90集電極最大正向電流： Io=25mAQ122和Q124采用高頻三極管，典型工作參數(shù)：工作頻率： F1=5GHz類型： PNP放大倍數(shù) H

29、pe1=50集電極最大正向電流： I=25mA圖3-7 放大電路原理框圖對于脈沖激光測距系統(tǒng)，當(dāng)該系統(tǒng)的探測概率為99時，APD接收到的回波脈沖信噪比SNR應(yīng)不小于于8，即： MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTSec c * Arabic * MERGEFORMAT 3- SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 4)故得： MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ

30、 MTSec c * Arabic * MERGEFORMAT 3- SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 5)此時，最小可探測功率為： MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTSec c * Arabic * MERGEFORMAT 3- SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 6)經(jīng)過Q118，Q120兩級放大以后，Q120的集電極電流在脈沖到達(dá)時放大為： MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT

31、 SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTSec c * Arabic * MERGEFORMAT 3- SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 7)在R123上形成的壓降為： MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTSec c * Arabic * MERGEFORMAT 3- SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 8)當(dāng)回波信號較弱，探測概率為99CEl點(diǎn)處測得壓降變化約為200mV左右，經(jīng)過后面一級

32、的放大后，輸出信號幅度約為3V左右，完全可供后繼電路進(jìn)行處理。當(dāng)該放大電路接收中等回波強(qiáng)度時R123上的壓降約為25V， APD上接收的激光功率約為169*10-8 w。當(dāng)接收回波較強(qiáng)時，經(jīng)過放大電路以后輸出的波形不僅幅值增加，而且脈寬也展寬。4 計(jì)時及顯示部分設(shè)計(jì)4.1 計(jì)時部分4.1.1 計(jì)時原理脈沖激光測距系統(tǒng)的測量精確度主要依賴于接收通道的頻帶寬度、激光脈沖的上升沿寬度和脈沖激光飛行的時間測量精確度。其中飛行時間的測量精度對脈沖激光測距儀的測距精度其重要作用。傳統(tǒng)的測距系統(tǒng)采用直接計(jì)數(shù)法來測量主波信號與回波信號之間的時間間隔，該激光測距系統(tǒng)的計(jì)時原理如下圖：圖4-1 計(jì)時原理圖由圖可知

33、，時間間隔=NT+(TA-TB)，其中TA-TB就是時間間隔測量誤差，假設(shè)所用的計(jì)數(shù)脈沖為12MHZ，則TA-TB就可達(dá)到0.08us，計(jì)算出來的距離誤差可達(dá)到大約0.4m，顯然不能滿足要求較高測量精度。本設(shè)計(jì)提高脈沖激光測距測量精度的方法主要是采用CPLD的模擬內(nèi)插法。本設(shè)計(jì)只做簡單介紹，不進(jìn)行具體分析實(shí)現(xiàn)。4.1.2 內(nèi)插法內(nèi)插法主要有延遲線內(nèi)插法、差頻測相法和模擬內(nèi)插法三種。其中模擬內(nèi)插法精度高、測量盲區(qū)小、電路容易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用也最為廣泛。模擬內(nèi)插法是利用電容充放電時間與所達(dá)到的電壓的積分關(guān)系，在高精度電容C的電流與電荷呈線性關(guān)系的區(qū)域內(nèi)，利用短短的時間Ta或Tb時間內(nèi)對電容C充電，根據(jù)線

34、性關(guān)系得到與時間相對應(yīng)的電壓值Va或Vb，再由高速A/D最其采樣，得到對應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)。對應(yīng)式子如下： MACROBUTTON MTEditEquationSection2 SEQ MTEqn r h * MERGEFORMAT SEQ MTSec h * MERGEFORMAT MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTSec c * Arabic * MERGEFORMAT 4- SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 1)或者： MACROBUTTON MTPl

35、aceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTSec c * Arabic * MERGEFORMAT 4- SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 2)其中，C為電容，I為充電電流，m為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。利用模擬內(nèi)插法得到的時間測量精度可達(dá)到： MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTSec c * Arabic * MERGEFORMAT 4- SEQ MTEqn c * Arabic * MER

36、GEFORMAT 3)該方法與傳統(tǒng)計(jì)數(shù)法相比，把脈沖激光測距的測量精度提高倍，假設(shè)采用40MHZ的計(jì)數(shù)頻率（周期為25ns），8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，那么時間測量精度約為100ps，對應(yīng)的距離精度即為15mm。4.1.3 利用單片機(jī)和CPLD實(shí)現(xiàn)模擬內(nèi)插CPLD與單片機(jī)是整個系統(tǒng)的核心部件，CPLD的作用是住計(jì)數(shù)器、分離出TA與TB、控制A/D采樣以及與單片機(jī)進(jìn)行通信。單片機(jī)的作用是控制測量過程、接收CPLD測量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)運(yùn)算及數(shù)據(jù)顯示控制。時間間隔測量系統(tǒng)原理框圖圖4-2 單片機(jī)與CPLD模塊連接圖其中CPLD時間間隔測量模塊包括時間分離模塊，控制A/D采樣模塊，主計(jì)數(shù)器模塊和與單片機(jī)數(shù)據(jù)通信模塊。

37、其工作原理是：START是由單片機(jī)控制的，當(dāng)單片機(jī)接收到參考信號時，單片機(jī)從P1.1端口給出START一個高電平脈沖，啟動CPLD模塊的計(jì)時功能，開始計(jì)時，當(dāng)系統(tǒng)接收到回?fù)艿男盘枙r，單片機(jī)從P1.0端口給出一個高電平脈沖，計(jì)數(shù)停止。CPLD所測得的時間間隔包括三個部分:NT、TA和TB，單片機(jī)通過P2.4、P2.5、P2.6三個端口（低電平有效）來控制將三個時間值由P0口輸送給單片機(jī)進(jìn)行儲存。計(jì)時開始與結(jié)束程序設(shè)計(jì)框圖如下：圖4-3 單片機(jī)控制計(jì)時原理框圖由于本設(shè)計(jì)針對近程測距，為了便于程序編寫，假設(shè)所測的最遠(yuǎn)距離為37.5m，這樣變量T256可以用一個八位二進(jìn)制數(shù)表示，即只用P0口就能完成T

38、的輸入。而實(shí)際測量是并不能確定是否超出量程，所以該調(diào)取程序需要有檢測功能，通過判斷T來確定是否超出量程，當(dāng)沒有超出時繼續(xù)調(diào)取，當(dāng)超過量程時，各個時間間隔歸零，通過顯示00.00來提醒操作者超出了量程范圍，其程序圖4-4 單片機(jī)控制調(diào)取時間間隔原理框圖4.2 距離計(jì)算部分前一部分已經(jīng)給出了三個時間變量，即為所測的時間間隔T（ns）TA（10-1ns）TB（10-1ns），該計(jì)算部分主要由單片機(jī)完成，其功能主要是針對CPLD送來的三個時間值進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)計(jì)算，計(jì)算出相對應(yīng)的所測得的距離值。4.2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)主要是為了保證單片機(jī)系統(tǒng)正常工作。主要由AT87C51單片機(jī)、外部振蕩

39、電路、復(fù)位電路和+5V電源組成。在外部振蕩電路中，單片機(jī)的XTAL1和XTAL2管腳分別接12MHZ晶振和兩個30PF電容夠成的振蕩電路兩側(cè)，為單片機(jī)提供正常的時鐘脈沖。在復(fù)位電路中，復(fù)位電路如圖，單片機(jī)RESET管腳一方面經(jīng)20F的電容接至電源正極，實(shí)現(xiàn)自動復(fù)位，另一方面經(jīng)開關(guān)S接電源。主要功能是使單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序，另外當(dāng)程序出錯或者操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，只要按復(fù)位鍵就可以圖4-5 單片機(jī)最小系統(tǒng)4.2.2 計(jì)算部分子程序設(shè)計(jì)由于所測得的時間間隔分為三個部分TA、TB和T，并且這三個部分的時間單位并不統(tǒng)一，分別是ns、ns、ns，所以在這個部分要先對他們的單位進(jìn)行整

40、合，得出準(zhǔn)確的測量距離，要求單位為米（m）。距離計(jì)算部分子程序框圖如下： TA - TB TAB /10 將單位統(tǒng)一為ns T + TAB T 完整的時間間隔 0.3/2 S 所測得得距離值（小數(shù)）/m 圖4-6 距離計(jì)算框圖其計(jì)算公式如下： MACROBUTTON MTPlaceRef * MERGEFORMAT SEQ MTEqn h * MERGEFORMAT ( SEQ MTSec c * Arabic * MERGEFORMAT 4- SEQ MTEqn c * Arabic * MERGEFORMAT 4)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LED數(shù)碼管來

41、顯示出所測得得距離，主要包括87C51單片機(jī)芯片，四個74HC573鎖存器，四個數(shù)碼管（分別顯示所測得的距離的十位、個位、十分位和百分位）、三個與門和四個三極管。4.3.1 LED說明本設(shè)計(jì)假設(shè)的測量距離在37.5m以內(nèi)，四位顯示，分別為十位、個位和兩個小數(shù)位十分位、百分位，所以選用了四個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，一個數(shù)碼管由8個發(fā)光二極管組成，其中，7個發(fā)光二極管構(gòu)成字形“8”，另一個作為小數(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由不同的信號控制顯示數(shù)字，dp圖4-7 八位共陽

42、極LED引腳圖當(dāng)陽極的公共端為高電平時，根據(jù)a、b、c、d、e、f、g、dp各個端口的信號高低（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)字顯示信號及其對應(yīng)的顯示數(shù)字表如下：顯示字符abcdefg控制端信號顯示字符abcdefg控制端信號0B5B1B6B2B7B3B8B4B9Bdp控制小數(shù)點(diǎn)的顯示，當(dāng)dp=1時滅；當(dāng)dp=0時亮只有在第九個端口即C端口為高電平是才能使數(shù)碼管工作圖4-8 LED顯示字符與端口信號對照表4.3.2 74HC573說明 本設(shè)計(jì)的顯示部分共有四個數(shù)碼管，但都共用一個單片機(jī)的輸出口來控制數(shù)字的顯示，為了使各個數(shù)碼管的顯示不互相干

43、擾，在各個數(shù)碼管前加一個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4-9 74HC573引腳圖其工作原理是：當(dāng)C端口為高電平時，左側(cè)輸入端輸入什么二進(jìn)制信號對應(yīng)的右側(cè)輸出端輸出同樣的二進(jìn)制信號；當(dāng)C端口變?yōu)榈碗娖綍r，無論左側(cè)輸入端輸入什么二進(jìn)制信號對應(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。示例如下圖：C電平值變化輸入1D8D輸出1Q8Q01111 1111 11010 10101010 101000000 00001010 101010101 01010101 0101圖4-10 74HC573 信號變化表由該表可以看出74HC573的作用就是

44、控制端口由高電平變?yōu)榈碗娖綍r保持輸出。4.3.3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)控制所測得的距離各個位的顯示，各個LED的顯示由P2口得P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分別控制四個LED即距離值的十位、個位、十分位、百分位顯示，對應(yīng)低電平有效，同時，當(dāng)P2.1口控制各位顯示的時候同時控制十位數(shù)的74HC573鎖存并持續(xù)顯示，其中，個位數(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4.3.4 顯示部分程序設(shè)計(jì)計(jì)時部分和計(jì)算部分已經(jīng)將所測得的距離值計(jì)算出來，顯示部分就是解決如何將計(jì)算出的小數(shù)的各個位顯示在有四個數(shù)碼管，首先要對該小數(shù)

45、進(jìn)行分離，用四個新的變量來分別代表這個小數(shù)的十位、個位、十分位和百分位，然后再對應(yīng)數(shù)碼管的顯示控制信號來通過單片機(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，對于個位，只要對S取整，然后減去10m就可得到個位數(shù)了。單片機(jī)控制的LED位顯示框圖：If b = 0YN If b = 1C= 11000000YN If b = 2C =11111001YN If b = 3C =10100100YN If b = 4C =10110000YN If b = 5C =1001100

46、1YN If b = 6C= 11110010YN If b = 7C =10000010YN If b = 8C= 11111000YNb=9C= 10000000C= 10010000圖4-12 單片機(jī)判斷LED位顯示符號框圖4.4 系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)共設(shè)計(jì)了四個按鍵分別控制測距過程的各個不同階段，分別計(jì)為K1、K2。各個按鍵功能如下表：按鍵號按鍵功能K1單片機(jī)手動復(fù)位按鍵K2開始測距，單片機(jī)測距控制位變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K1鍵，使單片機(jī)復(fù)位，然后按動K2鍵，給激光發(fā)射電路的TRIGER端口一個高電

47、平脈沖信號，使該電路發(fā)出一激光信號。光電檢測端接收到的參考信號，經(jīng)檢測電路、放大電路轉(zhuǎn)換成一高電平信號傳入單片機(jī)的P2.7端口，單片機(jī)經(jīng)過軟件檢測通過P1.1端口發(fā)射一高電平使CPLD計(jì)時部分開始計(jì)時，當(dāng)光電檢測端接收到回波信號時，再次經(jīng)過檢測電路、放大電路轉(zhuǎn)換成一高電平信號經(jīng)P2.7端口傳入單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過P1.0端口發(fā)射一高電平信號使CPLD計(jì)時部分結(jié)束計(jì)時。單片機(jī)軟件調(diào)取時間間隔，經(jīng)軟件檢測，判斷是否超過量程，若超過量程，設(shè)計(jì)時間間隔為清零，通過顯示00.00來使使用者明白所要測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，將所測得得距離值通過LED顯示給使用者。5

48、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)時出現(xiàn)的誤差必滿足以下條件：(1) 在一定的測量條件下的有限測量中，誤差的絕對值在一定的范圍內(nèi)；(2) 絕對值較小的誤差出現(xiàn)的頻率大，絕對值較大的誤差出現(xiàn)的頻率??；(3) 出現(xiàn)的誤差一定是隨機(jī)性的從整個激光測距的原理出發(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。溫度的變化會引起信號在CPLD中的傳播速度變化，直接影響測量結(jié)果。(2) 電源電壓的變化。(3) 量化誤差，本設(shè)計(jì)

49、所采用的時間間隔計(jì)時部分的精確率為0.1ns，對應(yīng)的誤差為0.02m。(4) 噪聲和干擾，信號從信號發(fā)生器傳到計(jì)時電路中，有可能引入各種干擾。5.2 總結(jié)展望本設(shè)計(jì)簡單地介紹了種基于APD的激光測距接收電路和一種基于CPLD的計(jì)時電路的研究情況。給出了用于參考的脈沖激光發(fā)射接收元器件及驅(qū)動其工作的電路，重點(diǎn)介紹了單片機(jī)控制的測量距離的顯示部分，介紹了基于CPLD和單片機(jī)的模擬內(nèi)插法測時間間隔，目前為止主要完成了一下工作：(1) 對激光技術(shù)做了簡要的介紹，重點(diǎn)是對脈沖激光測距技術(shù)原理做了介紹。(2) 針對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) 對時間間隔的測量提出了利用C

50、PLD和單片機(jī)的模擬內(nèi)插法，使計(jì)時精度達(dá)到了0.1ns測量范圍在500ns之內(nèi)。(4) 利用單片機(jī)和數(shù)碼管來實(shí)現(xiàn)了所測距離是顯示。今后可以改進(jìn)的方面有以下幾個方面：(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)微弱信號的接收。(2) 選擇靈敏度和動態(tài)范圍更大的APD，可以提高測距范圍。(3) 選用更多的數(shù)碼管，以顯示更大范圍的測量距離。(4) 在布局布線是，注意關(guān)鍵信號的高頻特性，防止元器件的不理想性的顯現(xiàn)。參考文獻(xiàn)1卞正富.測量學(xué)M.中國農(nóng)業(yè)出版社,20022彭軍.光電器件基礎(chǔ)與應(yīng)用M. 科學(xué)出版社,2009.63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

51、4郭培源,付揚(yáng).光電檢測技術(shù)與應(yīng)用M.北京航空航天大學(xué)出版社, 2006.35戴永江.激光雷達(dá)原理M.北京國防工業(yè)出版社,20026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,19957王清正,胡渝.光電探測技術(shù)M.電子工業(yè)出版社,1982 8陳千頌,楊成偉.激光與紅外J,20029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, 200210林伸茂. 8051單片機(jī)徹底研究基礎(chǔ)篇.人民郵電出版社,200411徐維祥,劉旭敏.單片微型機(jī)原理及應(yīng)用M.大連理工大學(xué)出版社,199612于永權(quán).單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)M.北京電子工業(yè)出版社,200213李廣弟,朱月秀,冷祖祁.單片機(jī)基礎(chǔ)（第三版）M.北京航空航天大學(xué)出版社,2007.614李勛.單片機(jī)實(shí)用教程M.北京航空航天大學(xué)出版社,200015譚浩強(qiáng). C程序設(shè)計(jì)（第二版）M.北京清華大學(xué)出版社,199916譚浩強(qiáng). C語言程序設(shè)計(jì)（第三版）M.北京清華大學(xué)出版社,200517周興華.手把手教你學(xué)單片機(jī)