课程设计 脉冲激光测距仪
目 录
第一章 引言 (2)
1.1激光测距技
术 (2)
1.2激光测距的发展状
况 (2)
第二章 脉冲测距仪的工作原
理 (4)
2.1测距仪的基本工作原理 (4)
2.2脉冲激光测距实现的原理及光电读数的实现方法 (5)
第三章 部件分析 (7)
3.1激光器 (7)
3.2光电器件 (7)
第四章 激光测距系统性能分析 (8)
4.1光脉冲对测距仪的影响 (8)
4.2发散角对测距仪的影响 (8)
4.3测距系统信噪比分析 (9)
第五章 测距仪的精度分析 (10)
5.1精度分析 (10)
5.2提高脉冲激光测距精度的措
施 (10)
第六章 激光测距仪总体设计 (14)
总结 (16)
第一章引言
1.1 激光测距技术
激光测距是指根据激光往返待测距离的时间来测定距离的方法，激光测距技术是随着激光技术的出现而发展起来的一种精密测量技术，因其良好的测距性能而广泛应用在军事和民用领域。
自1960年美国T.H.Maiman博士制成世界上第一台红宝石激光器开始，激光优异的单色性、方向性和高亮度性就引起了人们的普遍关注。激光的这些特性，决定着它成为理想的测距光源。国内外均大力开展了激光测距系统的研制工作。1961年美国就成功的研制了世界上最早的红宝石激光测距系统，1969年美国又首次将激光测距系统应用于坦克火控系统。从此，激光测距技术发展迅猛，广泛的应用于战场上。
激光测距方法从原理上分主要有相位测距法和脉冲测距法两种。由于相位测量技术较为成熟，因此测距精度较高，目前的测距技术大多采用此法，但相位测距电路较为复杂，技术难度较大，测程短。脉冲式测距方法结构简单，信号易于处理，并且易于实现实时测量，具有测程长
的优点，因此发展潜力很大。
1.2激光测距的发展状况
激光测距技术与其它测距技术相比，具有测量距离远、抗干扰能力强、非接触目标、测量速度快、测距精度高等特点。目前，脉冲激光测距已获得了广泛的应用，如地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪、以及人造卫星、地球到月球距离的测量等。随着激光技术、数字电子技术、计算技术和集成电路的发展，激光脉冲测距正朝着低成本、模块化、小型化方向发展。
脉冲半导体激光测距技术的研究起始于20世纪60年代末，到80年代中期陆续解决了激光器件、光学系统以及信号处理电路中的关键技术，80年代后期转入应用研究阶段并研制出了各种不同样机，90年代中期各种成熟的产品不断出现，近期半导体激光测距发展迅速，在中、近激光测距方面有取代YAG激光的趋势。
2008年，中国计量学院余向东、张在宣、王剑锋等人研制了一种能有效地减少因接收信号幅度变化而引起的漂移误差和晶振时钟计时误差的小型高精度脉
冲式半导体激光测距仪，当接收脉冲信号幅度在11倍范围变化时，该测距仪可获得优于±7cm的单次测量精度。2009年，军事交通学院李志勇、李长安、李良洪等人基于TDC-GP2设计了一款测量时间间隔最小可达65ps，平均误差小于65ps的高精度时间间隔测量仪。航天科工集团第三研究院第八三五八所研制出测程200，精度0.5，分辨能力为100的激光测距机。中科院上海光机所研制出便携式激光测距机，无合作目标时对漫反射水泥墙的测距达100，采用300计数方式，测距精度0.5，重复频率1kHz。中国计量学院与国外合作开发了低成本、便携式半导体激光测距机，作用测距l，精度 国外有许多大学、研究机构和公司都开展了脉冲半导体激光测距系统的研究。Schwartz Electro-Optics公司为美国国家数据中心研制了激光海浪测量装置，用于无人看守的海浪测量站；为美国联邦政府高速公路管理局研制了激光自动传感系统，用于车辆速度和高度的测量，从而提 高了交通效率；还为军方研制了直升机激光防撞告警装置。EXXON公司研制了脉冲半导体激光角度距离测量系统，用于海上石油勘测。1992年美国亚特兰大激光公司为警方专门设计的手持式人眼安全激光二极管测距仪，用于对车辆的测距和测速。Lecia公司展出了实用的小型LD测距仪，测量距离0.2-30m。1995年以来国际上对人眼安全的半导体激光测距技术发展十分迅速，已开展了波长在800-900nm范围内、峰值功率为10W、脉冲宽度为20-50ns、重复频率为1-10kHz、测量距离10m-1km 无合作目标的激光测距系统研究。 1996年下半年，美国Bushnell公司推出了测距能力约365m的400型小型、轻便、省电、对人眼安全、低价LD的激光测距仪Yardage400。1997年Bushnell公司推出测距700米的800型激光测距仪。1998年美国Tasco公司推出测距能力为700米的摄像机型Lasersite LD激光测距仪。美国SACMFCSⅡ侧轻武器通用模块火控系统，具有测距和瞄准双重功能，据报道其测距能力大于2km。 2000年以来，各种性能极好的激光测距仪更如雨后春笋般不断涌现，如专为室内应用而设计徕卡手持测距仪D2，测程0.05至60 米，典型精度±1.5mm，不仅小巧便携，测量速度也很快且非常可靠。德国喜利得手持激光测距仪PD42型测量范围0.05 m- 200 m，精度为 ± 1.0mm，不仅可以测量距离，还可以进行面积、体积及面积累加等计算。 第二章 脉冲激光测距原理 2.1测距仪的基本工作原理 激光测距广泛采用飞行时间法，飞行时间法是根据直接或者间接获得的激光飞行时间来得到目标物距离【4】。其基本原理如图2-1所示：即分别在A、B两点架设测距机和反射器，测距机向B处发射一束激光，激光在被测距离A、B之间传播，到达B点后，激光被反射器反射。反射回的激光被测距机接收，如果激光测距机能测出激光从发射到接收这一段时间间隔，那么，在A、B之间的距离就可以计算出来【5】。根据光速c，则距离D为： (2. 1) 图2-1 激光测距基本原理 图2-2 测距仪光学原理框图 D——测站点A、B两点间距离； ——光往返A、B一次所需的时 间。 2.2脉冲激光测距实现的原理及光电读数的实现方法 脉冲激光测距是利用激光脉冲持续时间短，能量在时间上相对集中，瞬时功率很大（一般可达兆瓦）的特点进行测距，在有合作目标的情况下脉冲激光测距可达到极远的测程。脉冲激光测距以其测程远、测距精度高等优点获得了广泛的应用【6】。 脉冲激光测距原理如图2-3所示。 图2- 3 脉冲激光测距原理 激光器对目标发射一个或一列很窄的光脉冲（脉冲宽度一般小于 50ns），经取样棱镜，光脉冲接收器输出一个电脉冲信号，打开电子门让时标脉冲通过，计数电路开始进行计数。光脉冲被目标反射后回到接收器，接收器同样产生一个电脉冲，关闭电子门终止时标脉冲通过。通过测量光脉冲到达目标并由目标漫反射返回到接收系统的脉冲数就能计算出相应的时间间隔，从而计算出目标距离。 设目标距离为D，光脉冲往返时间为t，光在真空中的传播速度为 c（c ≈2.99 ×m /s，光速c在空气中传输受介质、气压、温度、湿度的影响可忽略），则有下列公式成立： (2. 2) 在脉冲激光测距中，t通常是通过测距计数器对从发射脉冲到目标并从目标返回到接收系统期间进入计数器的时钟脉冲个数的累计来测量的，具体如图2-3所示。 图2-3 计时波形图 设在t时间内，有N个时钟脉冲进入计数器，时钟脉冲周期为T，振荡频率为。 (2. 3) 式中，，表示每一个时钟脉冲所代表的距离增量。如计数器计数N 个时钟脉冲，则由公式(2.3)可得到目标距离R 。L的大小决定了脉冲测距的测量计数精度。即： (2. 4) 若要距离分辨率≤30cm，则要求≤2×10-9s，即要求时标脉冲的频率最低为500MHz。距离测量的精度主要取决于发射激光脉冲的上升沿、接收通道的带宽、探测器的信噪比、时间间隔测量的分辨率等因素有关。 TOF（飞行时间）测距系统构成相对简单，因而获得了普遍的应用。军用的作用距离大于1km的测距机基本上全都是基于TOF的。当前，采用精密的时间间隔测量方法，脉冲飞行时间激光测距的单次测量精度可以达到厘米量级。为获得更高精度，可以采取多次测量平均的方法，但是这需要更长的测量时间，从而限制了它的应用范围。自触发脉冲飞行时间激光测距法，其原理利用激光接收单元的输出信号自行控制激光发射单元，进而触发激光脉冲向测距目标发射，即激光接收单元接收到激光脉冲之后，去触发激光发射单元产生下一个激光脉冲。激光脉 冲的发射和接收是循环相关的。经过多个脉冲后，接收的这一周期信号经过周期测量再除以接收的周期数，从单个周期得到距离。实际上是对测量结果进行多次平均，从而提高精度。分析其原理可知，这种方法仅对静止目标有效，而且为了获得由距离而产生的测距周期信号，激光器会长时间的处于发射状态，就效率而言是相对较低的。 第三章部件分析 3.1激光器（一般采用激光二极管） 半导体激光二极管（LD）是实用中最重要的一类激光器，它体积小、寿命长、并可以采用简单的电流注入的方式来泵浦。因此，半导体激光二极管在激光通信、光存储、激光测距以及激光雷达等都有广泛的应用。 半导体激光器工作原理和其他激光器一样，即都是基于受激发射。要使得激光器得到相干的受激光输出，须满足三个条件： 1．粒子数反转分布，即高能级导带底的电子数比处于低能级的价带顶的空穴数多得多。 2．有光学谐振腔，使受激辐射在谐振腔内多次反射形成激光震荡。 3．为了形成稳定的震荡，增益介质必须提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗，达到激光器的阈值条件，即 （3.1） 其中：g th为阈值增益，为增益介质的内部损耗，为激光器的输出损耗 3.2光电器件（采用雪崩光电二极管 APD） 光电探测器是一种把光信号转换成电信号的器件，是系统接收部分的核心组成部分。 雪崩二极管是借助反向偏执的强电场作用而产生载流子倍增效应的一种高速光电子器件。这种管子的灵敏度高，响应速度快，响应时间短，噪声等效功率低。它的工作原理：在光电二极管的PN 结上加一反相高电压，使结区产生一个很强的电场，当光激发载流子进入结区后，在强电场的加速下获得很大的能量，与晶格原子碰撞而使晶格原子发生电离，产生新的电子-空穴对，新的电子-空穴对再次被加速，又与晶格原子碰撞，产生新的电子-空穴对，这一过程不断重复，使 PN 结内的电流急剧增加，这种现象称为雪崩倍增效应，这样外电路的光电流就被放大了。 第四章激光测距系统性能分析 4.1光脉冲对测距仪的影响 为了扩大测量范围，提高测量精度，测距仪对光脉冲应有以下要求： （1）光脉冲应有足够的强度 无论怎样改善光束的方向性，它总不可避免地要有一定的发散，再加上空气对光线的吸收和散射，所以目标越远，反射回来的光线就越弱，甚至根本接收不到。为了测出较远的距离，就要使光源能发射出较高功率密度的光强。 （2）光脉冲的方向性要好 这有两个作用，一方面可把光的能量集中在较小的立体角内，在保证射得更远的同时提高保密性；另一方面可以准确的判断目标的方位。 （3）光脉冲的单色性要好 因为无论是白天还是黑夜，空中总会存在着各种杂散光线，这些光线往往会比反射回来的光信号要强得多。假如这些杂散光的光信号一起进入接收系统，那就根本无法进行测量了。因此，加入一个滤光片，只允许光信号中的单色光通过而不让其他频率的杂散光通过。显然，光脉冲的单色性越好，滤光片的滤光效果也就越好，这样就越能有效地提高接收系统的信噪比，保证测量的精确性。 （4）光脉冲的宽度要窄 所谓光脉冲的宽度，是指闪光从“发生”到“熄灭”之间的时间间隔。光脉冲的宽度窄一点，可以避免反射回来的光和发射出去的光产生重叠。 4.2发散角对测距仪的影响 激光测距性能分析是激光测距系统设计的理论基础, 在脉冲激光测距系统中,待测物的距离越远,回波强度越小,当回波强度小到和噪声相当,系统无法分辨时的最远距离,此距离为最大探测距离。影响脉冲激光测距仪最大测程的主要因素有脉冲激光的峰值功率、大气对光波的影 响、待测物体的反射率、发射接收系统的光通过率以及系统的噪声等因素。下面给出了最大可探测距离的计算公式： (4.1) 式中:ρ为目标物的反射率； P L为激光器发出的峰值光功率; T E为发射透镜的透过率; T R为接收透镜的透过率; Tα为单程大气衰减率； T F为窄带滤光片的透过率; A R为接收单元的面积; β为目标反射表面法线与光轴之间的夹角; P Rmin为最小可探测功率。 其中激光的远场发散角β为： （4.2） r(s)-离激光器s处的激光束的光斑半径。 由公式(1.3)可以看出: (1) 脉冲激光测距仪要想获得最大的测程,在设计过程中要尽量提高激光发射单元的峰值光功率,增大激光接收单元的接收面积,增大发射与接收单元光学系统的透过率,减少发射光束的发散角,提高接收灵敏度。因此,选择合适的高峰值功率输出的激光二极管和灵敏度较高的接收光电二极管,对提高系统的测程有非常重要的意义。 (2) 激光测距系统的最大测程还与外部测距条件密切相关,大气透过率越高,漫反射率越大,激光测距系统的最大测程会相应增大。在某些场合可以选用高反射率的发射镜配合测量以提高测量距离 。 4.3测距系统信噪比分析 光子测距系统的信噪比SNR为: (4.3) 式(1.5)中M为雪崩光电二极管APD的增益,通常在10~100左右,与波长有关; η为A0D的光量子效率; Δf为接收等效带宽;i d为APD暗电流;k为玻尔兹曼常数; T e为绝对温度，工作温度在233~343K;R L为等效电阻；P为探测信号功率；P B背景噪声功率；v为激光光波功率。其中分子是信号项,分母中有三项，一项和第二项为发射噪声,第三项为热噪声。一般对雪崩二极管而言,发射噪声是主要的。通常情况下,控制发射噪声为热噪声的两倍,当SNR=1可得到最小可探测的光功率为 (4.4) 以所选用的EG&G公司的硅光电二极管APD C30724P为分析对象,η=0.75, 增益范围为10~20,典型值M=15,C d=1pF,hv=2.106×10-19J,T =1493K,接收带宽Δf由探测器的频响特性和前放的带宽 e 1/2πR L C i（与测距精度无关）决定,对单级滤波的前放电路来说,接收器的最佳信号带宽Δf=0.189/Δt, Δt为激光脉冲宽度,一般在ns量级,在此,用到的激光二极管脉冲宽度为30ns,由此可得Δf=6.3MHz,则 P min=8.17×10-20W。说明APD C30724P具有较强的探测能力。 第五章 测距仪的精度分析 5.1精度分析 脉冲测距的精度可由下表示 (5.1) 由于光在大气中的传播速度C受大气折射率变化的影响，误差大约为1×10-6，可忽略不计。因此脉冲测距的精度基本上只取决于测距系统总的时间分辨率Δt。而时间分辨率主要与以下因素有关：激光器的脉冲宽度(持续时间)；大气传输引起的衰变和畸变；反射器(或反射目标)和光接收系统对脉冲的展宽；计数器的频率上限或者计时电路的精确度。在短距离测距时，选用窄脉宽激光和合适的脉冲时刻鉴别单元以达到消除或减小漂移误差和时间抖动，基于边沿鉴别的测距误差取决于信噪比以及信号前沿上升时间。 （5.2） 由此可得测距误差可表示为： (5.3) 由此可得：如果取信噪比SNR=8,i r=4ns，带入上式可得：最大测距误差为7．5cm。 由此可知，脉冲前沿越小，信噪比越高,测量精度就越高，如何获得更窄的脉冲 前沿是获得较高精度的关键之一。影响系统误差的另一个方面是计数器的频率上限或计时电路的分辨率，选用高精度的计时电路在很大程度上影响着测距精度，为此选用了一款性价比极高的TDC-GP2芯片，其典型 的分辨率为65ps，它的时间测量范围是O～1．89s，则系统距离测量范围在0～270m，测距误差为： (5.4) 所以整个系统的系统误差的计算公式为： (5.5) 5.2提高脉冲激光测距精度的措施 5.2.1时间间隔扩展法 时间间隔扩展法是在待测的部分时间范围中，对电容器做恒定电流充电，让电容器的端电压随着待测时间的长短做线性的增减，但是在待测时间结束时，则利用另外一个比充电电流要小得多的恒流源使电容器开始线性放电，直到电容器的端电压回到充电的起始值为止。在放电的过程中，利用计数器对较长的放电时间做一计数。在得到放电时间之后，就可以反推得到充电时间(即待测部分时间)的大小。 图3-1 时间扩展法原理图 设充电电流为，放电电流，己知与之间的比例系数，就可以得到扩展后的时间与实际输入间隔之间的关系如下： (5.6) 其中： 时间间隔扩展法也可以得到很高的分辨率，受充电电流与放电电流的比值影响较大。由于它把待测时间放大了，因此两次测量之间的时间间隔长。 5.2.2时间振幅转换法 时间振幅转换法是在待测时间范围内，利用一个恒流源对一个电容充电，于是该电容的端电压就会随着待测时间的长短，即充电时间的长短而改变。在待测时间结束的同时，停止充电，并利用一个模数转换器(A/D)来测量此时的电容电压，则电压的大小将正比于待测时间的长短。利用两组充电电路与两个模数转换器，可以求得待测时间。 时间振幅转换法克服了时间间隔扩展法转换时间过长、非线性难以控制等问题，可以得到很高的插补分辨率。但在实际中，线性度的问题极大地限制了该方法的应用。若要使电容器的端电压随待测时间的长短做线性变化，则必须以稳定的电流充电。先不考虑电流源本身的不稳定度，在开始充电的瞬间，必定会有充电非线性现象出现。这种非线性现象的原因是作为控制充电开关的快速开关管，在由完全截止状态到完全 导通状态需要一点时间，通常为微秒量级，在这段时间里，通过的充电电流也由小变大，结果就造成了电压变化的非线性，使得其在测量很短的时间时出现较大的误差。 5.2.3传递延迟法 传递延时法利用了当信号传输经过电子元件与连接导线时，必定产生时间延迟作用的现象作为测量短暂时间的手段。图5-2是传递延时电路的基本结构示意图： 传递延迟法原理图(a) 图5-2 传递延迟法原理图(b) 图a中一个延时单元由一个缓冲门及一个D触发器组成，它是一串传递延时链的基本单位。逻辑缓冲门的输出逻辑状态随着输入改变，D触发器用来记录改变了状态的逻辑门数目。一个延时单元有两个输入端与两个输出端：逻辑缓冲门的输入端与输出端分别为延时单元的“串联输入端”与“串联输出端”；D触发器的时钟输入端与输出端Q则为延时单元的“并联输入端”与“状态输出端”。每一个串联输出端，均在同一个延时单元内连接到相对应的D触发器输入端，以便该触发器可以及时获得该逻辑缓冲门的输出状态。 图b中延时单元的串联输出端连接到下一个延时单元的串联输入端而成为链状。整个传递延时链的所有并联输入端均以并联的方式接在一起，接收同一个停止信号作为触发器的时钟信号。触发器的状态输出端并联式的顺序连接到编码电路的输入端口。信号经过一个逻辑缓冲门与其输入端前的一段连接路径所需要的传输时间，就是一个延时单元所造成的延迟时间。如果在待测部分时间开始的同时，将起始脉冲信号输入第一个延时单元的串联输入端，由于信号经过各逻辑门与连接导线都需要时间，所以这个信号将依次传输过每一个逻辑缓冲门，使各缓冲门的输出以的延迟时间为间隔，依次地改变其输出状态。当停止信号来临时，各U触发器记录下到此时为止有多少逻辑缓冲门的状态改变了，然后经过编码电路将状态改变的延时单元数目转换成数字信号输出。接着待测部分时间就马上可以经由此数码乘以一个延时单元的传递时间而获得： (5.7) 其中为任一个待测部分时间；为改变了状态的延时单元个数； j（0 延时单元的延迟时间即为此传递延时链可以解析的最小时间。使用第(5.7)式来计算时间，必须要求每一个延时单元所提供的延迟时间均完全相同，然而实际上这是不可能的。各个延时单元的延迟时间之差异越小，则制成插补器的线性度越好，测量误差也越小。 第六章 激光测距仪总体设计 激光测距仪总体设计如图6-1所示： 图6-1 实验系统总体设计图 该系统主要由脉冲激光发射系统、光电接收系统、脉冲输入信号整形电路、测量电路、单片机、电源电路、时钟电路组成。 如上图所示，假设激光器产生的激光脉冲脉宽是32ns，频率是 1kHz。激光产生后通过分光镜分成两束，一束光直接射到APD1上，另一束光射向目标并反射回来经滤光片打到APD2上，两者产生的电信号分别都通过电路处理，区别是APD1上产生的信号是作为高速时间测量单元的开始信号，而APD2上产生的信号是作为高速时间测量单元的停止信号，开始信号和停止信号都是以上升沿为触发。这样可以有效地消除在分光镜之前的时间误差，同时也有效地抵消光电传感器和信号处理的时间延时。 APD1出来的电信号有两条路径可走，一条是直接送入放大电路，另一条是通一个延时后再进送入放大电路。而选择哪一条路径就由CPU来控制，测量短距离时用第一条路径，测量长距离时用第二条路径。 该系统的测距过程为：激光器发出一个激光脉冲，经过近红外半导体激光用准直透镜06GLC得到发散角为4.56mrad的激光束。由于激光器发出的激光并不是平行的，到达远处测距目标光斑很大，故本系统在此加入了光束整形。光束整形部分采用焦距为2mm的目镜和焦距为3.84cm 物镜组成。光束经过分束镜后，约1%的能量直接送到APD1，约99%的能量射向目标。1%能量的激光脉冲经过APD1后被转换为电脉冲，然后经前置放大器和后续放大器逐级进行放大，最后经过定比鉴别器进行整形处理，得到理想的电脉冲，送给TDC-GP2作为计时起点的触发脉冲，起始时刻用表示；射向目标的能量经目标漫反射回来后变的较微弱，经接收光学系统，接光学口径=0.0254m，光学系统透过率=0.9，窄带光学滤波器的透过率=0.7。被APD2雪崩光电探测器接收，接收电路将接收到的光信号转换为幅值约1mV频率约1 KHz的电脉冲，然后经前置放大器和后续放大器分别进行放大，最后经过定比鉴别器进行整形处理，得到理想的电脉冲，送给时间数字转换器TDC-GP2作为计时终点的触发脉冲，终了时刻用表示。由公式即可算出被测目标距离。 在长时间工作过程中激光器内部温度升高，这将导致输出功率和输出波长发生变化，为了保证系统性能的高度稳定必须对激光器进行温度控制。 由于APD的内增益及反向击穿电压具有很大的温度系数，在正常工作时必须配置一个高精度温度采集单元和恒温控制电路单元来提供合适的偏置电压。恒温控制电路单元由单片机通过调节半导体制冷器（TEC）的工作电压来实现精确温度控制。 总结 脉冲式激光测距系统具有结构简单，信号易于处理，易于实现实时 测量等优点，具有巨大的发展潜力，但是由于受到时间间隔测量技术的限制，使其在短距离测量方面很难达到较高的测量精度。 超声波测距仪电路设计实验报告 轮机系楼宇071 周钰泉2007212117 实验目的：了解超声波测距仪的原理，掌握焊接方法，掌握电路串接方法，熟悉电路元件。 实验设备及器材：电烙铁，锡线，电路元件 实验步骤：1,学习keil软件编写程序2、焊接电路板3、运行调试 超声波测距程序： #include unsigned char i; sbit ST=P3^0; sbit OE=P3^1; sbit EOC=P3^4; sbit CLK=P3^5; sbit M1=P3^6; sbit M2=P3^7; sbit SPK=P2^6; sbit LA=P3^3; sbit LB=P3^2; sbit LC=P2^7; sbit K1=P2^4; sbit K2=P2^5; bit wd; bit yw; bit shuid; bit shuig; unsigned int cnta; unsigned int cntb; bit alarmflag; void delay10ms(void) { unsigned char i,j; for(i=20;i>0;i--) for(j=248;j>0;j--); } void main(void) { M1=0; M2=0; yw=1; wd=0; SPK=0; ST=0; OE=0; TMOD=0x12; TH0=0x216; TL0=0x216; TH1=(65536-500)/256; TL1=(65536-500)%256; TR1=1; TR0=1; ET0=1; ET1=1; EA=1; ST=1; ST=0; while(1) { if(K1==0) { delay10ms(); if(K1==0) { yw=1; wd=0; } } else if(K2==0) { delay10ms(); if(K2==0) { wd=1; yw=0; } } else if(LC==1) { delay10ms(); if(LC==1) { M1=0; M2=1; temp1=13; shuid=0; shuig=1; LB=0; } } else if((LC==0) && (LB==1)) { delay10ms(); if((LC==0) && (LB==1)) { M1=0; M2=0; temp1=12; shuig=0; shuid=0; LB=0; } 单片机课程设计 一、需求分析： 超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。要求测量围在１m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、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实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。 本文旨在设计一种能对中近距离障碍物进行实时测量的测距装置，它能对障碍物进行适时、适量的测量，起到智能操作，实时监控的作用。 关键词单片机AT82S51 超声波传感器测量距离 二、硬件设计方案 设计思路 超声波传感器及其测距原理 超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离 测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为340米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。 超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。 根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如下图所示： 超声波测距器系统设计框图 主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。采用AT89S51来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。 目录 第一章绪论 (1) 1.1设计背景 (1) 第二章脉冲激光测距仪的工作原理 (2) 2.1测距仪的简要工作原理 (2) 第三章脉冲激光器的结构及工作过程 (3) 3.1激光脉冲测距仪光学原理结构 (3) 3.1.1测距仪的大致结构组成 (3) 3.2主要的工作过程 (4) 3.3主要部件分析： (4) 3.3.1激光器（一般采用激光二极管） (4) 3.3.2激光二极管的特性 (5) 3.3.3光电器件（采用雪崩光电二极管APD） (6) 第四章影响测距仪的各项因素 (7) 4.1光脉冲对测距仪的影响 (7) 4.2发散角对测距仪的影响 (8) 第五章测距仪的光电读数显示 (9) 5.1距离显示原理及过程 (9) 5.2测量精度分析 (10) 5.3总述 (11) 参考文献 (11) 第一章绪论 1.1设计背景 在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍。在很多领域，如电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，军事，农业，林业，房地产，休闲、户外运动等都可以用到激光测距仪。 激光测距仪一般具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，因而应用领域广、行业需求众多，市场需求空间大。 当前激光测距仪的发展趋势是向测量更安全、测量精度高、系统能耗小、体积小型化方向发展。激光测距仪一般采用两种方法来测量距离：脉冲法和相位法。而其中脉冲激光测距的应用领域也是越来越宽广，比如，地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪以及人造卫星、地球到月亮距离的测量等。脉冲激光测距法是利用激光脉冲持续时间非常短，能量相对集中，瞬时功率很大（可达几兆瓦）的特点，在有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测程；如果只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射所取得的微弱反射信号，也是可以测距的。因而脉冲激光测距法应用较多。 题目：超声波测距仪的设计 超声波测距仪的设计 一、设计目的： 以51单片机为主控制器，利用超声波模块HC-SR04，设计出一套可在数码管上实时显示障碍物距离的超声波测距仪。 通过该设计的制作，更为深入的了解51的工作原理，特别是51的中断系统及定时器/计数器的应用；掌握数码管动态扫描显示的方法和超声波传感器测距的原理及方法，学会搭建51的最小系统及一些简单外围电路(LED显示电路)。从中提高电路的实际设计、焊接、检错、排错能力，并学会仿真及软件调试的基本方法。 二、设计要求： 设计一个超声波测距仪。要求： 1.能在数码管上实时显示障碍物的实际距离； 2.所测距离大于2cm小于300cm，精度2mm。 三、设计器材： STC89C52RC单片机 HC-SR04超声波模块 SM410561D3B四位的共阳数码管 9014三极管（4） 按键（1） 电容（30PF2，10UF1） 排阻（10K），万用板，电烙铁，万用表，5V直流稳压电源，镊子，钳子， 导线及焊锡若干，电阻（200欧5）。 四、设计原理及设计方案： （一）超声波测距原理 超声测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即中断停止计时。通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。基本的测距公式为：L=(△t/2)*C 式中 L——要测的距离 T——发射波和反射波之间的时间间隔 C——超声波在空气中的声速，常温下取为344m/s 声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得L。 根据本次设计所要求的测量距离的围及测量精度，我们选用的是HC-SR04超声波测距模块。(如下图所示)。此模块已将发射电路和接收电路集成好了，硬件上不必再自行设计繁复的发射及接收电路，软件上也无需再通过定时器产生40Khz的方波引起压电陶瓷共振从而产生超声波。在使用时，只要在控制端‘Trig’发一个大于15us宽度的高电平,就可以在接收端‘Echo’等待高电平输出。单片机一旦检测到有输出就打开定时器开始计时。 当此口变为低电平时就停止计时并读出定时器的值，此值就为此次测距的时间，再根据传播速度方可算出障碍物的距离。 （二）超声波测距模块HC-SR04简要介绍 HC-SR04超声波测距模块的主要技术参数使用方法如下所述： 1. 主要技术参数： ①使用电压：DC5V ②静态电流：小于2mA ③电平输出：高5V 激光测距仪操作规 程 1.使用方法触按电源开关，接通电源，“电源、测试指示灯”为绿色。触按档位选择开关，选择适合的档位。 2.将仪表测量端子的两个电流输出端子用两根测试线接到被测导体的两个端子，两个电压输入端子也接到被测导体的两个端子。 3. 如图所示，电压端子应位于电流端子的内侧，并尽量靠近被测试品，以减少引线电阻引入的误差。 4.接线完毕后，触按一下 TESTE 键，“电源、测试指示灯”为红色，显示屏显示的值即为测得的电阻值。 5.当被测导体开路或阻值大于选定量程时, 显示屏首位显示“1”，后三位数字熄灭。 6.注意事项 a）本仪表使用6 节1.5V（LR6，AA）电池供电。当显示屏出现欠压符号“”时,请更换电池，以保障得到正确的试值。换下的旧电池请勿乱扔,以免造成污染。B)仪器应避免受潮、雨淋、跌落、暴晒等。 1.目的： 建立超声波测厚仪标准操作规程。 2.适用范围： 试验室所有检验人员执行本规程，部门领导监督，检查本规程的执行。 一、操作规程 1、机器校准 仪器壳下方有一个厚度为4mm的试块，按“菜单”键进入菜单，经过“上下”箭头选择“声速”，在选择“声速设置”，把声速设置为5920m/s，并在试块上涂抹耦合剂，把探头放在试块中央轻轻压紧，按一下“下箭头”，能够看到仪器显示试块厚度为4.000mm，如果试块厚度测试值不为4.000mm请在进行校准，直到试块测量厚度为 4.000mm。仪器校准完成后即能够正常测量了。 2、测试块准备 准备50mm的测试医用消毒超声耦合剂样品三份，以备测试。 3、声速测试 将探头与已准备好的测试样品耦合，确保探头不晃动并耦合良好，此时能够看到显示屏上耦合标志。选择声速测试界面，输 摘要 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。 本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89C51单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。 经实验证明，这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以有效地解决汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控。 关键词AT89C51；超声波；测距 Abstract Ultrasonic wave has strong pointing to nature ,slowly energy consumption ,propagating distance farther ,so, in utilizing the scheme of distance finding that sensor technology and automatic control technology combine together ,ultrasonic wave finds range to use the most general one at present ,it applies to guard against theft , move backward the radar , water level measuring,building construction site and some industrial scenes extensively. This subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail ,and the performance and characteristic of one-chip computer AT89C51 of Atmel Company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,the systematic thinking and questions needed to consider that have pointed out that designs and finds range ,provide low cost , the hardware circuit of high accuracy , ultrasonic range finder of miniature digital display and software design method taking AT89C51 as the core. Modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module. The research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified, the anti-disturbance competence is powerful and the real-time capability is satisfactory and by extension and upgrade, this system can resolve the problem of the car availably, building construction the position of the workplace and some industries spot supervision. Key words AT89C51; Ultrasonic Wave; Measure Distance 美国LaserCraft高精度激光测距仪－Contour XLRic型，这款激光测距仪是高精度和远量程的结合体，是目前市场性能最好的一款手持激光测量系统。它能成功地在保持良好精度的前提下测量以下目标到前所未有的距离：175米到电力线，400米到电线杆，800米到建筑物。同时，它是一款坚固防水的仪器，遇到下雨，下雪，大雾或沙尘暴天气时，您只把工作模式选择到“坏天气”模式，您的工作就不会受到任何影响。在坏天气下使用它，就如同在好天气下使用一样方便，好用。如果装配了三脚架，它就可以用来进行更远距离的精确测量和进行精密的倾斜测量。 Contour XLR采用最新激光技术，小巧、轻便、使用方便，可准确测量目标距离。有恶劣天气工作模式保证仪器在仪器在雨、雪、雾、沙尘暴天气条件下仍可可靠工作。仪器配备HUD显示器，可边瞄准边测量。是建筑结构规划等通用距离测量的得力仪器。最大测量距离1850米，精度0.1米。 Contour XLRi具有XLR系列的全部特点，同时增加360度倾角传感器。有六种工作模式，分别是距离、角度、水平距离、垂直距离、二点高度、三点高度。有串行口，可通过计算机或数据记录器记录数据。典型应用：矿山地形测量、森林资源调查、倾斜测量、高度测量、水平杆测量、塔高测量。 Contour XLRic将XLRi和GPS以及数据采集器结合起来，可测量不易达到目标的参数。内置软件可计算树高、倾斜、面积、周长、不见线的长度、水平距离等。XLRic内部有数字罗盘和倾角传感器，是测绘的得力仪器。 ContourMAX最大测量距离达到3000米，重仅1.6公斤，首/末目标可选，门控能力、恶劣天气模式、手持/平台安装可选。典型应用：火灾控制系统、遥测、GPS偏移测、航空测量等。和Contour 系列手持激光测量系统中的Contour XLRi比较起来，Contour XLR ic在内部又集成了一个高精度磁通量数字罗盘。配合高精度磁通量数字罗盘，XLR ic在功能就比XLR和XLRi多了不少。有了Contour XLRic，您就可以把它和您的GPS系统连接起来，去测量那些无法到达或不容易到达的地方的坐标信息，省时又省钱。或者您也可以使用它内置的软件计算：树高，倾斜度，面积，周长，空间线段的长度，水平距离，高差等等数据。由于Contour XLRic配置了数字罗盘和倾斜角度测量仪，所以它完全可以被看作是一个手持式全站仪，可以协助您进行测绘和测量工作。一级人眼安全的激光测距仪精确地向您报告以下测量数据：距离，方位，倾斜角。技术特点－测量距离到： 1850米；－测量精度达到：10厘米；－倾斜角度测量；－方位角测量；－周长测量；－面积测量；－电力线高度和垂度测量；－ 3D空间尺寸测量；－连接GPS工作；－高度测量功能；－“点到点”斜距测量；－水平距离测量和垂直距离测量；－独特的坏天气模式：一般的测距仪在天气不好的情况下，测量的距离往往会大大缩短，甚至无法工作。Contour系列激光测距仪的“坏天气模式”消除了这种现象。当天气情况不好的时候，比如：多云，大雾，扬尘，潮湿等，启动该模式，测量起来就和好天气时测量一样轻松快速！工作模式（详细功能）模式一标准测量模式：该模式测量仪 设计天地 Ｄｅｓｉｇｎ Ｆｉｅｌｄ 引言 该测距仪利用测量调制的激光信号相位差进行距离的测量。为了提高精度，采用高速时钟利用数字方式进行相位测量。使用单片机技术实现人机接口和数据运算。 该系统采用单片机加ＣＰＬＤ的设计方法， ＣＰＬＤ主要进行地址译码、鉴相、时钟分频等功能，单片机采用最常用的ＡＴ８９Ｃ５１，主要完成运算和人机接口。 设计思路 该测距仪利用反射方式进行测量。测距仪发射经过调制的激光信号到达目的地，经目的地反射后回到仪器，仪器计算出信号从发送到接收的时间差，再和激光信号的速度进行相乘。得到信号经过的总距离。 由此可得到测距基本公式为： 假设仪器发射角频率为ω的正弦波，经反射器反射回测试设备，被仪器的接收系统接收。收到的正弦信号在相位上和发射的正弦信号相比较，有一个相位差Φ。 发射信号为：ｕ＝Ｖｍｓｉｎ（ωｔ＋φ０） 其中Ｖｍ为振幅，ω为角频率，ｔ为时间，φ０为初相位。 经反射后回到设备的正弦信号不考虑其振幅变化ｕ＝Ｖｍｓｉｎ（ωｔ－ωｔ２Ｄ＋φ０） 其中，ωｔ２Ｄ就是正弦波在二倍距离上传播所引起的相位变化： Φ=ωｔ２Ｄ 将其带入测距基本公式，可得到： 式中： ｃ——电磁波在真空中的传播速度；ｆ——电磁波的频率；ｎ——大气的折射率； Φ——电磁波在被测距离上往返传播的相位差。因此，只要计算出信号从发送到接收的相位差就可以求出设备与被测点之间的距离。 该设备需要测量１００ｍ距离，我们选用１５０ｍ作为设备的测程范围。并取混频时中频Ｆ中＝１０ＫＨｚ。用 ４０ＭＨｚ时钟对混频后１０ＫＨｚ信号进行采样。由下式 ｃ＝ｆ×λ和 Ｌ＝λ／２可得（４０ＭＨｚ／１０ＫＨｚ＝４０００）： 令Ｌ１＝１５０ｍ， 可得λ＝３００ｍ，ｃ＝３×１０８ｍ／ｓ，计算得Ｆ１＝１．０×１０６Ｈｚ。Ｌ１最小＝３００／４０００＝０．０７５ｍ。 令Ｌ２＝７．５ｍ，可得λ＝１５ｍ，ｃ＝３×１０８ｍ／ｓ，计算得Ｆ２ ＝２０×１０６Ｈｚ。Ｌ２最小＝１５／４０００＝０．００３７５ｍ。 由以上计算可得，选择Ｆ１＝１ＭＨｚ，Ｆ２＝２０ＭＨｚ可符一种手持式激光测距仪的电路设计 Ｔｈｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａ Ｌａｓｅｒ Ｒａｎｇｅ Ｆｉｎｄｅｒ 西安邮电学院继续教育学院 高敏西安深亚电子有限公司 王建锋 摘 要：本文介绍了一种以单片机和ＣＰＬＤ为核心的测距仪的电路设计。该电路用高速时钟进行数字鉴相、测量， 省去了模数转换，利用软硬件相结合的方式，提高了测量精度，缩短了测量时间。 关键词：激光测距；数字鉴相 10米超声波测距仪设计实现 一、功能要求 设计一个超声波测距仪，可以测量测距仪与被测物体间的距离。要求测量范围0.1~10.00米，测量精度1cm，测量时与被测物体不接触，并将测量结果显示出来。 二、系统硬件电路 1．单片机系统及显示电路 单片机采用89C51或89S51。采用12MHz高精度晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用p1.0端口输出超声波换能器所需的40Hz方波信号，利用外中断0口监测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳极LED数码管，段码用74LS244驱动，位用PNP8550驱动。 2．超声波发射电路 主要由74LS04和超声波换能器T构成。这种推挽形式的方波信号可以提高发射强度。反相器并联提高驱动能力。上拉电阻R1、R2提高74LS04输出高电平的驱动能力。 3．超声波接收电路 CX20106A是接收38KHz超声波的芯片，可利用它做接收电路。 4．系统程序 超声波测距仪的软件主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。 主程序： 开始 系统初始化 发送超声波脉冲 等待反射超声波 计算距离 显示结果 丢系统初始化，设置T0为方式1，EA=1，P0，P2清0。为避免超声波发射器直接接传送到接收器，需要延时0.1ms。由于时钟的频率是12MHz，计数器每计一个数就是1us。如果按声速344m/s，则d=c*t/2=172T0 cm 超声波发生子程序：通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号，脉宽12us，同时T0计数。 超声波测距仪利用中断0检测返回的超声波，一旦接收到返回的信号，立即进入中断。中断后就立即关闭T0停止计时。如果计数器益出则测试不成功。 3方案设计和选择 根据本次设计的要求，方案的选择应力求实用性强，性价比高，使用简单。 3.1 超声波测距的基本原理 谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。超声波 目录 前言 1课题设计目及意义----------------------------------------------- 1 1.1设计目----------------------------------------------------- 1 1.2设计意义----------------------------------------------------- 1 1.3课题设计任务和规定------------------------------------------- 1 正文 1 课程方案设计------------------------------------------------- 2 1.1系统整体方案--------------------------------------------------- 2 1.2系统整体方案论证-------------------------------------------- 2 2系统硬件构造设计------------------------------------- 2 2.1 51系列单片机功能特点及测距原理------------------------------ 3 2.1.1 51系列单片机功能特点------------------------------------- 3 2.1.2 单片机实现测距原理 ----------------------------------------- 3 2.2 超声波电路构造------------------------------------------------ 4 2.3 超声波测距系统硬件电路设计---------------------------------- 4 2.4 PCB版图设计---------------------------------------------------- 5 3 系统软件设计----------------------------------------- 6 3.1 超声波测距仪算法设计---------------------------------------- 7 3.2 主程序流程图--------------------------------------------------- 7 3.3单片机某些C语言程序-------------------------------------------- 8 3.4超声波测距某些C语言程序-------------------------------------- 11 激光脉冲测距 组长：孙汉林(制作PPT) 组员：张莹（讲解） 吕富敏（制作报告） 目录 一工作原理 (3) （1）测距仪工作原理 (3) （2）激光脉冲测距仪光学原理结构 (3) （3）测距仪的大致结构组成 (4) （4）主要的工作过程 (4) （5）激光脉冲发射、接收电路板组成及工作原理 (5) 二激光脉冲测距的应用领域 (5) 三关键问题及解决方法 (6) （1）优点 (6) （2）问题及解决方案 (7) 一工作原理 （1）测距仪工作原理 现在就脉测距仪冲激光测距简要叙述其工作原理。简单地讲，脉冲法测距的过程是这样的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间t，光速 c 和往返时间t 的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。一般一个典型的激光测距系统应具备以下四个模块：激光发射模块；激光接收模块；距离计算与显示模块；激光准直与聚焦模块，如图2-1 所示。系统工作时，由发射单元发出一束激光，到达待测目标物后漫反射回来，经接收单元接收、放大、整形后到距离计算单元计算完毕后显示目标物距离。在测距点向被测目标发射一束强窄激光脉冲，光脉冲传输到目标上以后，其中一小部分激光反射回测距点被测距系统光功能接收器所接受。假定光脉冲在发射点与目标间来回一次所经历的时间间隔为t，那么被测目标的距离 D 为：式中：c 为激光在大气中的传播速度；D 为待测距离；t 为激光在待测距离上的往返时间。 R=C*T/2 (公式1) 图一脉冲激光测距系统原理框图 （2）激光脉冲测距仪光学原理结构 图二 （3）测距仪的大致结构组成 脉冲激光测距仪主要由脉冲激光发射系统、光电接收系统、门控电路、时钟脉冲振荡器以及计数显示电路组成 （4）主要的工作过程 其工作过程大致如下：首先接通电源，复原电路给出复原信号，使整机复原，准备进行测量；同时触发脉冲激光发生器，产生激光脉冲。该激光脉冲有一小部分能量由参考信号取样器直接送到接收系统，作为计时的起始点。大部分光脉冲能量射向待测目标，由目标反射回测距仪的光脉冲能量被接收系统接收，这就是回波信号。参考信号和回波信号先后由光电探测器转换成为电脉冲，并加以放大和整形。整形后的参考信号能触发器翻转，控制计数器开始对晶格振荡器发出的时钟脉冲进行计数。整形后的回波信号使触发器的输出翻转无效，从而使计数器停止工作。这样，根据计数器的输出即可计算出待测目标的距离。三实验装置实验装置包括“激光脉冲发射、接收电路”和“单片机开放板”。 《微机原理及应用》课程设计 超声波测距器的设计 学生姓名郝强 学号20110611113 学院名称机电工程学院 专业名称机械电子工程 指导教师王前 2013年12月27日 摘要 随着科学技术的快速发展，超声波将在科学技术中的应用越来越广。本文对超声波传感器测距的可能性进行了理论分析，利用模拟电子、数字电子、微机接口、超声波换能器、以及超声波在介质的传播特性等知识，采用以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。为了保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性，采取了相应的抗干扰措施。就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性、超声波发射、接收、超声微弱信号放大、波形整形、速度变换、语音提示电路及系统功能软件等做了详细说明。 关键词：超声波；传感器；测量距离；控制 目录 摘要 (2) 目录 (3) 1.设计目的 (4) 2.总体方案 (4) 3.硬件设计 (5) 3.1 超声波测距器硬件电路设计 (5) 3.2.1单片机芯片的选择 (6) 3.2.2AT89C51定时计数应用电路 (6) 3.3超声波发射电路设计 (6) 3.3.1选择超声波发生器类型 (6) 3.3.2 超声波发射电路设计 (7) 3.4超声波接收电路设计 (8) 3.5超声波显示电路设计 (9) 4.软件设计 (9) 4.1波测距器的算法设计 (10) 4.2系统的主控制程序设计 (11) 4.3发生子程序设计 (12) 4.4接收中断程序设计 (13) 4.5显示程序设计 (14) 4.6距离计算程序 (15) 5.结论 (17) 参考文献 (18) 激光测距原理 激光测距工作方式上可分为：脉冲激光测距和连续波激光测距。 (1) 脉冲激光测距 脉冲激光测距原理是，用脉冲激光器向目标发射一列很窄的光脉冲(脉冲宽度小于50ns)，光达到目标表面后部分被反射，通过测量光脉冲从发射到返回接收机的时间，可算出测距机与目标之间的距离。 假设所测距离为h，光脉冲往返时间为t，光在空中的的传播速度为c，则： h=ct/2 脉冲激光测距机能发出很强的激光.测距能力较强,即使对非合作目标,最大测距也能达到30000m以上。其测距精度一般为5米，.最高的可达0.15m。脉冲激光测距机既可在军事上用于对各种非合作目标的测距,也可在气象上用于测定能见度和云层高度.以及应用在对人造卫星的精密距离测量等领域。 (2)连续波激光测距(相位式激光测距) 相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。 与脉冲激光测距机相比，连续波激光测距机发射的(平均)功率较低，因而测远距离能力相对较差。相位式激光测距仪一般应用在精密测距中。由于其精度高，一般为毫米级，为了有效的反射信号，并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上，对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。对非合作目标，相位法测距的最大测程只有1~3km。 若调制光角频率为ω，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为φ，则对应时间t 可表示为： t=φ/ω 将此关系代入式中距离D可表示为 D=1/2 ct=1/2 c·φ/ω=c/(4πf) (Nπ+Δφ) =c/4f (N+ΔN)=U(N+) 式中： φ——信号往返测线一次产生的总的相位延迟。 ω——调制信号的角频率，ω=2πf。 基于单片机的超声波测距仪设计 基于单片机的超声波测距仪设计 1总体设计方案介绍 1.1超声波测距原理 发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速v 与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。 表1-1 超声波波速与温度的关系表 表1-1 1.2超声波测距仪原理框图如下图 单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED 显示。 图1-1 超声波测距仪原理框图 2 系统的硬件结构设计 硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管8550驱动。 2.1 51系列单片机的功能特点及测距原理 2.1.1 51系列单片机的功能特点 5l系列单片机中典型芯片(AT89C51)采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2个16b的定时／计数器TO和T1，4个8 b的工／O端I：IP0， 综合性课程设计报告基于proteus仿真软件的超声波测距报警控制器设计 院系：计算机与通信工程学院 专业：电子信息工程 学号： 姓名： 指导教师： 设计时间：2012/6/27 综合课程设计任务书 专业：电子信息工程班级：4091603： 设计题目：基于proteus仿真软件的超声波测距报警控制器设计 一、设计实验条件 keil C和proteus仿真软件 二、设计任务 1)总体功能设计 2)硬件电路设计 3)软件设计 4)工作总结 三、设计说明书的容 1．设计题目与设计任务（设计任务书） 2．前言（绪论）(设计的目的、意义等) 3．主体设计部分（各部分设计容、总结分析、结论等） 4．结束语 5．参考文献 （答辩时间18周星期日晚7：30，地点：综合楼1313室） 四、设计时间与设计时间安排 1、设计时间：2周 2、设计时间安排： 熟悉实验设备、实验、收集资料：2 天 设计计算、绘制技术图纸：5 天 编写课程设计说明书：2 天 答辩：1 天 目录 一、设计题目 (2) 二、设计任务及要求 (3) 三、设计容 (3) 1.绪论 (3) 2.总体方案 (4) 2.1 总体设计方案 (4) 2.2超声波测距框图 (4) 3.系统硬件设计 (5) 3.1 硬件设计方案 (5) 3.2 各主要模块的硬件设计 (6) 4.系统软件设计 (10) 4.1 程序设计 (10) 4.2 程序流程图 (10) 四、结束语 (13) 五、参考文献 (13) 附录A 系统仿真图 (14) 附录B程序代码 (15) 一、设计题目 基于proteus仿真软件的超声波测距报警控制器设计 激光测距仪激光测距基本原理 激光测距是光波测距中的一种测距方式，如果光以速度c在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用下列表示。 D=ct/2 式中：D——测站点A、B两点间距离；c——光在大气中传播的速度；t——光往返A、B 一次所需的时间。 由上式可知，要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t，根据测量时间方法的不同，激光测距仪通常可分为脉冲式和相位式两种测量形式。 相位式激光测距仪 相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。 相位式激光测距仪一般应用在精密测距中。由于其精度高，一般为毫米级，为了有效的反射信号，并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上，对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。 若调制光角频率为ω，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为φ，则对应时间t 可表示为： t=φ/ω 将此关系代入（3-6）式距离D可表示为 D=1/2 ct=1/2 c·φ/ω=c/(4πf) (Nπ+Δφ) =c/4f (N+ΔN)=U(N+) 式中：φ——信号往返测线一次产生的总的相位延迟。 ω——调制信号的角频率，ω=2πf。 U——单位长度，数值等于1/4调制波长 N——测线所包含调制半波长个数。 Δφ——信号往返测线一次产生相位延迟不足π部分。 ΔN——测线所包含调制波不足半波长的小数部分。 ΔN=φ/ω 在给定调制和标准大气条件下，频率c/(4πf)是一个常数，此时距离的测量变成了测线所包含半波长个数的测量和不足半波长的小数部分的测量即测N或φ，由于近代精密机械加工技术和无线电测相技术的发展，已使φ的测量达到很高的精度。 为了测得不足π的相角φ，可以通过不同的方法来进行测量，通常应用最多的是延迟测相和数字测相，目前短程激光测距仪均采用数字测相原理来求得φ。 由上所述一般情况下相位式激光测距仪使用连续发射带调制信号的激光束，为了获得测距高精度还需配置合作目标，而目前推出的手持式激光测距仪是脉冲式激光测距仪中又一新型测距仪，它不仅体积小、重量轻，还采用数字测相脉冲展宽细分技术，无需合作目标即可达到毫米级精度，测程已经超过100m，且能快速准确地直接显示距离。是短程精度精密工程测量、房屋建筑面积测量中最新型的长度计量标准器具。 ： 在脉冲式激光测距仪的设计当中，时差测量（time of flight measurement）成为了一个影响整个测量精度最关键的因素。德国acam 公司设计的时间数字转换芯片TDC-GP2为激光测距的时间测量提供了完美的解决方法。本文着重介绍了应用TDC-GP2 在设计激光测距电路当中的优势，以及在应用中给出一些建议和提出了需要注意的一些问题。 1. 概述 在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍。在很多领域，电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，反恐/军事，农业，林业，房地产，休闲/户外运动等都可以用到激光测距仪。激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法脉冲式激光测距仪是通过测量激光从发射到返回之间的时间来计算距离的。因此时间测量对于脉冲式激光测距仪来说是非常重要的一个环节。由于激光的速度特别快，所以发射和接收到的激光脉冲之间的时间间隔非常小。。例如要测量1 公里的距离，分辨率要求1cm，则时间间隔测量的分辨率则要求高达67ps。德国acam 公司的时间数字转换器TDC-GP2 单次测量分辨率为典型65ps，功耗超低，集成度高，测量灵活性高，是脉冲式激光测距仪时差（TOF）测量非常理想的选择。 2. TDC-GP2 激光测距原理 TDC-GP2 的激光测距基本原理如图1 所示： 图1：TDC-GP2 激光测距原理 激光发射装置发射出光脉冲同时将发射脉冲输入到TDC-GP2 的start 端口，触发时差测量。一旦从物体传回的反射脉冲达到了光电探测器（接收电路）则给TDC 产生一个Stop 信号，这个时候时差测量完成。那么从Start 到Stop 脉冲之间的时差被TDC-GP2精确记录下来，用于计算所测物体与发射端的距离。在这个原理中，单片机对于TDCGP2进行寄存器配置以及时间测量控制，时间测量结果传回给单片机通过算法进行距离的精确计算，同时如果有显示装置的话，将距离显示出来。在这个原理当中距离的测量除了与TDC-GP2 的时差测量精度有关外还与很多其他因素有关系： - 激光峰值功率 - 激光束发散程度 - 光学元件部分 - 光传输的媒体(空气，雨天，雾天等) - 物体的光反射能力 光电子课程设计： 基于三角测量法的激光测距 摘要：本文先对激光测距的种类及原理进行介绍，其次分析不同种类的优缺点。确定制作测距仪器的制作方向。分析测量当中不同元器件存在的问题，寻找有效的解决方案，重点研究摄像头成像时存在误差的形成原因。根据研究得到的数据，对PC客户端的程序设计进行调整。利用程序尽可能减少由于硬件产生的误差。重点是设计出能确定光点的定位算法，通过对摄像头的定标、激光定位，达到实验数据与实际测量误差在10%以内。最后，提出对作品进行优化和系统功能提升计划 关键词：短距离、低成本、三角测量法 ABSTRACT: In this paper, the principle of laser ranging species and introduced first, followed by analysis of the advantages and disadvantages of different types. Production rangefinder to determine the direction of the production. Analytical measurements among different components of the problems, to find effective solutions to the causes errors in the presence of the camera focused on imaging. According to data obtained from studies on the client PC programming adjustments. The use of procedures to minimize errors due to hardware-generated. Focuses the light spot can be determined to design the location algorithm, through the camera calibration, laser positioning, to the experimental data and the actual measurement error is within 10%. Finally, the work in optimizing system functionality and Enhancement Programme KEY WORDS: Short distance、Low cost 、Triangle measurement超声波测距仪硬件电路的设计
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