激光测距仪硬件设计毕业设计

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1、本科毕业设计（论文）开题报告学生姓名陈健学号080710101专业自动化指导老师职称所在院系宿迁学院 七系课题来源自拟课题课题性质工程技术研究课题名称激光测距仪硬件设计毕业设计的内容和意义毕业设计（论文）的内容 :1激光测距的工作原理，专用元件的工作原理；2用Protel99SE软件完成原理图和PCB图；3按毕业设计（论文）进度计划完成各阶段工作，主动请老师检查（可包括读书笔记，查阅到的资料介绍，工作的进度、遇到的问题，下周的工作计划等）；4完成要求的各种规范的技术文件。本课题对激光测距仪硬件设计进行研究，其研究意义如下：面向课题的研究,了解激光测距的发展及其所需的技术要求。对于激光测距技术的

2、发展，深入了解其应用。在做设计的时候可以掌握Protel99Se软件的应用。利用本身所学的知识来处理各方面的问题提高自我处理能力，提高了自己各方面的能力与水平。随着激光技术的发展，激光的应用越来越广泛，尤其是在军事上，激光测距机的诞生，对军队的作战和训练等产生了革命性的影响。在激光测距机出现以前,坦克炮、地炮、高炮和舰炮等通常用光学测距机测距。光学测距机无论是合象式的还是体视式，其测试精度随距离而变化，测程越远，精度越差，操作也比较复杂，而且仪器的体积受基线长短的限制。文献综述1激光的特点由于激光有高单色性、高方向性和相干性好等特点, 因而被用于高精度的计量测量上。具体可以用于测量长度、距离、

3、速度、时间等, 也可以作为长度、频率、光度等计量标准, 目前已形成一门新的干涉测量学。根据光学干涉方法测量长度是最为精密的, 如用氪86 红光波进行精密干涉测长, 最大量程不超过1 米(约38.5厘米) 测量误差约为1 微米, 同样用红色氦氖激光进行精密干涉测长, 其量程可以扩大到1 公里- 1000 公里,而相当于1 公里上的测量误差小于100- 0.1 微米。由此可知, 用激光代替氪灯光做光子尺, 其“刻度”精度非常高。另外激光波长极为稳定, 只要按照同一条件制造激光器, 在相同的工作条件下使用, 各个激光器射出的激光波长会准确一致, 即复制精度极高。因此, 可以根据1983 年第十七届国

4、际计量大会的决定中指出:“国际计量局还认为必须根据总则为实际工作者规定一个新的实用的米定义, 以保证各个长度实验室之间的量值统一”。这个新的实用米定义, 可以选用氦氖激光器输出的激光波长作为长度的基准1。2. 传感器的应用（激光测距传感器的介绍）当今时代 高新技术迅速发展的信息时代。为了能够准确的获取信息，就离不开传感器。它在国民经济相关的各个领域中的应用日益广泛，是信息的采集和信息的转换的重要部件，因此，传感器技术成为信息时代的焦点2。瑞士Dimetix公司生产的DLS-A型激光测距传感器是新一代的测距设备,拥有许多卓越的性能,是一种较为先进的经济型在线位置检测系统,具有极高的测试精度和稳定

5、性。该设备通过发射激光束至目标物体,利用反射光束精确计算距离,可达到100m的检测距离, 而且对目标物体的尺寸面积比超声波要求的面积小得多,使得对远距离的小尺寸物体位置检测成为可能。可广泛应用于工业液位、料位、生产线料坯传送定位,大型工件装配定位,超大物体几何计量,光散射试验,超声波特性试验,军事枪械校正,靶距自动控制,集装箱定位等领域。由于是在线式连续检测,免去了使用手持激光测距仪的人工点发,可无人值守连续监测,其位置数据还可传送到远程监控终端,是工业自动化和生产智能管理的理想仪器, 在国内工业自动化领域得到了较多的应用, 我们在水库水位激光测距监测系统的开发中即采用了这种传感器, 该传感器

6、是通过RS232/RS422串行接口与控制器进行通讯, 我们利用VB开发了可连接多达10台DLS-A型激光测距传感器的监控软件,同时开发出模拟器软件,通过计算机的串口实现了该型传感器的全部通信协议, 能够用一台计算机模拟多达10台DLS-A 型激光测距传感器的各种工作状态,不仅可以模拟正常工作状况,而且可以方便地模拟使用真实激光测距仪不易实现的距离设定、时间延迟、系统错误等状态,给调试工作带来了很大方便,并且显著降低了开发成本3、4。文献综述3.激光测距的实现方法5测距精度是激光测距的重要指标之一，激光测距传感器由激光发射机、接收机、光学系统、数据处理系统等组成。数据处理系统对激光脉冲信号的处

7、理精度对激光测距精度有重要的影响，对于传统的直接脉冲计数法，实现一般的精度指标不成问题，但对于厘米级测距精度要求，由于受器件、工艺等诸多因素的制约，直接计数法则难以完成任务。由于近年来在时问测量技术水平不断提高，采用时间数字化芯片(TDC)完全可以实现上述要求。激光脉冲6一次发送接收的工作过程大致如下：当测距仪对准目标后，按下START键，单片机驱动激光器发出开始信号，激光器就发出一个很强很窄的光脉冲；同时，其中极小一部分光立即由两块反射镜反射而进入接收望远镜，经过滤光片到达光电转换器(光电倍增管或光电二极管等光电元件)，使光脉冲变成电脉冲。这个电脉冲经放大、整形后送入时间测量系统TDCGPl

8、的START端，使其开始计时，而射向目标的光脉冲，由于测量目标的漫反射作用，总有一部分光从原路反射回来，而进入接收望远镜。它同样经过滤光片、光电转换器、放大整形电路而进入时间测量系统TDCGPl的STOP端，终止此次时间间隔测量，由此得到一个时间间隔。脉冲激光测距，是通过测量激光器发出光脉冲的时刻与光脉冲到达目标并由目标返同接收机的时间差计算出目标距离的。假设目标距离为R，光脉冲往返时间为t，光在空气中传播速度为c，则：R=ct2 (1)在激光测距系统中，造成测距误差的冈素很多，主要包括光电系统延迟误差，大气折射误差，激光脉冲上升沿抖动造成的误差，测时误差，运算截断误差等。对于任何一个系统来讲

9、，系统一旦确定，系统误差可以采取标定等手段来予以修正，冈此从提高系统精度的角度考虑，如何减小随机误差成为关键。系统中引入随机误差主要是系统的电路噪声，同时考虑到系统的运算能力，加入低通滤波器可以有效的减小系统噪声，提高系统测距精度。由(1)式可以看出，为了提高系统精度，提高t的测量精度是关键。 激光测距仪在各种测量行业中得到了广泛的应用, 无论在军事应用方面, 还是在科学技术、生产建设方面, 都起着重要的作用。激光测距具有测量精度高、分辨率高、抗干扰能力强、体积小和重量轻等一系列优点。激光测距在技术途径上可分为脉冲式和连续波相位式激光测距, 脉冲式测程远, 但是仪器体积较大, 测量精度较低,

10、一般为几米。连续波相位式是用连续调制的激光波束照射目标, 从测量光束往返中造成的相位变化, 得出被测目标的距离,其测量精度高, 相对误差可达百万分之一。但是, 普通的相位式测距方法测程较短, 需要合作目标, 传统测相方法精度还达不到要求。近期, 有人提出了脉冲相位式激光测距仪7的设计方案。在我们的研究中, 把电子领域广泛应用的直接数字频率合成(DDS) 技术应用到相位式激光测距中, 在提高测程和精度方面, 取得了较好的效果。文献综述3. 设计思路与原理方框图8（1） 脉冲法激光测距原理脉冲法激光测距的原理非常直观,即从激光射出开始计时,到激光经反射后被测距系统接收时计时结束,期间所测得的时间t

11、2L 乘以光在空气中飞行的速度C ,就可得出被测距离L: L = 1/2Ct2L (1)由(1) 式可以看出,影响脉冲法测距精度的关键在于时间间隔t2L 的精度。在具体测量时,时间间隔t2L 是通过在开始信号( START) 到来时,打开计数器,直到结束信号(STOP) 到来时,关闭计数器。具体可参看如图所示的波形图。图1 脉冲法激光测距测量时序图 通过观察时序图可知, t2L 的精度问题最终转化为时标脉冲周期特性问题,若时标脉冲的周期越短,即时标脉冲频率越高,则所测得的时间间隔t2L 精度越高。使用传统的脉冲法激光测距时,若要求测量精度为0. 5 m ,则要求采用频率为300 MHz的计数器

12、,而传统的计数器制造工艺很难达到这样的要求。而TDC - GP1 的应用可以在这个问题上提供很好的保障,其最小时标脉冲周期为125 ps ,即频率为8 000 MHz ,在此基础上建立的激光测距系统可以达到较高的测量精度。(2) TDC- GP1 特性简述9TDC - GP1 主要由TDC 测量单元、16 位算术逻辑单元、RLC 测量单元以及与8 位单片机的接口等组成。其中, TDC 测量单元所用信号通过逻辑门电路的绝对时间是测量的关键,应精确设计逻辑门电路,从而确定信号通过每个逻辑门电路的最小单位时间。该最小单位时间即是前文所指的时标脉冲的周期,因此在测量过程中,只要计算出开始信号和结束信号

13、之间的逻辑门个数,就可以精确地得到间隔时间。而芯片内部的锁相和标定电路可以避免因工作环境的变化给测量误差带来的影响。TDC -GP1 内部集成有2 个算术逻辑单元ALU1 、ALU2 。其中,ALU1 负责将采集所得的粗值进行处理,得到一个无符号的整数。ALU2 主要完成以下三方面的工作:按照控制寄存器中的指令进行时间间隔的计算;将计算出的结果进行标定;将标定后的结果进行乘法运算。此外芯片设计有与8 位微处理器的交互接口,可以及时地将测量结果输出到后续电路处理。TDC - GP1 有三种工作模式,本文采用其中的一种工作模式,即模式2 。在模式2 情况下:芯片只有通道1 可用(正常精度模式下允许

14、4 个脉冲输入) ; STOP 信号之间不能相互比较, 仅STOP 与START 信号可进行比较; 最大量程为60 ns 200 ms。为进行大量程时间测量,芯片引入了一个16 位的predivider 。下图为模式2 的测量时序波形图。文献综述图2 工作模式2波形图(3)相位式激光测距仪原理10,11激光测距仪的测距原理是由激光器对被测目标发射一个光信号, 然后接受目标反射回来的光信号, 通过测量光信号往返经过的时间, 计算出目标的距离。设目标的距离为L, 光信号往返所走过的距离即为2L，则t=2L/c即L=ct/2式中 c-光在空气中的传播速度c=3*108m/s t-光信号往返所经过的时

15、间，s L-检测目标的距离，m4. 激光测距主要技术 （1）单片机的的应用，单片机和嵌入式系统的应用日益广泛，对掌握单片机技术理论并有实战能力的人才的需求也日益增多。随着技术的发展，现在已经都采用国际流行的开发调试软件KEIL C51，对于现用的Atmega88单片机应用系统主要包括总体的论证和设计、硬件电路的设计和制作、软件程序的设计和编程、应用系统的仿真调试和维护等12、13 。 （2）电路设计与制版protel99SE14，随着计算机软硬件技术的飞速发展，集成电路被广泛应用，电路越来越复杂、集成度越来越高，加之新型元器件层出不穷，使得越来越多的工作已经无法依靠手工来完成、计算机的广泛应用

16、恰恰解决了这一问题，而且大大提高了工作效率。因此，计算机辅助电路板设计已经成为电路板设计制作的必然趋势。Protel 99在这样大的环境下产生和发展的。Protel 99具有前所未有的丰富的设计功能。 （3）激光测距仪的应用，美国华盛顿地区的美国陆军研究所C.W.Trussell等人提出一种新的测距方案，这种激光测距仪采用低峰值功率发射器，连续发射激光束脉冲。光束通过准直系统传输到一个目标，然后接收从目标返回的多重光。扫描接收的激光，并聚焦到分立的光电探测器上，多重探测器元件中每个探测器都对应被选择的目标距离。此测距仪增加了信噪比和增大了最大的可测距离。（美国专利号：5790241）5.总结激

17、光测距仪无论在军事应用方面, 还是在科学技术、生产建设方面, 都起着重要作用。由于激光波长单一, 测量精度高, 且激光测距仪结构小巧, 安装调整方便, 故激光测距仪是目前高精度测距最理想的仪器。激光器与普通光源有显著的区别, 它利用受激发射原理和激光腔的滤波效应, 使所发光束具有一系列新的特点：激光有小的光束发散角, 即所谓的方向性好或准直性好。激光的单色性好, 或者说相干性好, 普通灯源或太阳光都是非相干光。激光的输出功率虽然有限度, 但光束细, 所以功率密度很高, 一般的激光亮度远比太阳表面的亮度大。 根据以上这些激光的特性，利用好这些特性，再结合Protel99SE软件进行PCB原理图的

18、设计，对每一个部件进行分析，搞清楚它们的工作原理，以及它们相互之间的联系时做好这次激光测距硬件设计的关键所在。主要参考文献1刘明.等，激光在测距上的应用，1994-2008 China Academic Journal ElectronicPublishing House2孟立凡，郑宾主编.传感器原理及技术，兵器工业出版社，2000.2电子报社编，电子报2004年合订本，四川科学技术出版社，20043范逸之，陈立元.Visual Basic与RS232串行通信M.北京：中国青年出版社，20024DLS-A型激光测距传感器技术参考手册5胡大可MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用 M北京

19、：北京航空航天大学出版社，20006 沈丽青.周簸正，等人眼安全的半导体激光测距仪J激光与光电子学进展，1996，37 朱相磊, 王存记. 脉冲相位式激光测距仪的研究J . 仪器仪表研究, 2004, 11 8童敏明，张徽，采用TDC - GP1 的激光测距系统设计，工矿自动化，2006.109张坤宜. 光电测距M . 长沙:中南工业大学出版社, 199110罗先和，张广军，骆飞等.光电检测技术M.北京：北京航空航天大学出版社，199611黄瑞光.王剑华.顾天龙.等.相位式光波测距仪M.12何立民.MCS 51 系列单片机应用系统设计M . 北京:北京航空航天大学出版社, 1990.13 顾滨

20、, 赵伟军, 王泰1 单片微计算机原理、开发及应用 M . 北京: 高等教育出版社, 2003.14和卫星，殷春芳，李长杰.电子电路CAD简明教程，中国科学技术大学出版社，2005.815 丁洪影基于激光测距原理的船舶防撞系统研制D.吉林：吉林大学硕士学位论文，2007. 16金文敬，钱昌夏，杨志根Annnls of Shanghai Observatory Academia Sinica,编辑部邮箱 1983 00期17张子进 Chinese Journal of Astronnomy and Astrophysics,编辑部邮箱 1987 01期研究内容1.激光测距的原理分析。2.器件的选用。3.电路原理图设计。4.pcb设计。5.软件设计。研究计划 12周 设计准备，收集相关资料； 3周 完成任务书； 4周 完成开题报告； 5周 测距原理的优选； 6-8周 原理图设计； 9-11周 PCB设计、软件设计； 12-14周 撰写论文，准备答辩；特色与创新创新本论文特色与创新：1 根据激光测距原理设计，成本比较低，效益明显。2 激光有高单色性、高方向性和相干性好等特点。3 激光测距相应时间短，易于实现复杂运算，如面积、体积等。指导教师意见指导教师签名: 年 月 日 教研室意见主任签名 年 月 日 院系意见 院系主管领导签名： 年 月 日