基于单片机激光测距毕业设计

基于单片机激光测距毕业设计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联系方式指导教师职称：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：年月日授权声明本人完全了解许昌学院有关保留、使用本科生毕业论文（设计）的规定，即：有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允许毕业论文（设计）被查阅和借阅。

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本人论文（设计）中有原创性数据需要保密的部分为（如没有，请填写“无”）：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ABSTRACTLaser possesses high brightness, high directional, high monochromatic and high coherence wait for 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 and 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 method, 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目录1 绪论 12 激光测距的基础 22.1 激光测距设计的思路 22.2 激光测距设计的原理 32.3 本激光测距设计的要求 42.4 本论文的主要研究内容 43 脉冲激光测距系统设计 53.1 激光测距仪系统结构 53.2 激光脉冲发生电路 63.3 脉冲激光接收电路7光电检测传感器的比较选择7雪崩光电二极管APD 8雪崩光电二极管APD的反向偏压 9 电路工作原理9电压控制反馈电路10放大电路124 计时及显示部分设计144.1 计时部分14计时原理 14内插法14利用单片机和CPLD实现模拟内插 15 4.2 距离计算部分17最小系统17计算部分子程序设计184.3 计算机控制LED显示部分19LED说明1974HC573说明20控制的LED显示部分电路设计21显示部分程序设计234.4 系统控制部分设计245 误差分析及总结 255.1 误差分析255.2 总结展望26参考文献27附录28致谢321 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。

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。