1、 苏州工业园区职业技术学院江苏省大学生实践创新训练计划项目项目报告项目来源：江苏省大学生实践创新训练计划立项项目项目名称： 激光测距仪设计与制作立项时间： 2011 年 6 月所属系部： 电子工程系主持人 ： 林亚东 、王翠翠 项目成员：徐晔、左鸿伟、朱国婷、左华洋 指导教师： 牟淑贤 2012 年 4 月 5 日摘 要本毕业项目小型手持式激光测距仪的设计与制作。首先确定激光测距仪的组成结构，确定激光测距仪的硬件组成模块，然后针对不同模块进行设计。首先进行光路系统的设计，主要确定激光发射的光谱及能量的大小，其次是硬件电路进行设计，包括激光发射部分的电路，光信号接收部分的电路，TDC-GP2 模
2、块的测量模块的电路，电源供给电路，晶振电路，单片机控制电路，显示输出电路，控制输入电路。然后对整个控制系统进行程序的编写，对部分电路进行仿真，采购元器件，最后根据前面的设计思路进行硬件电路的焊接与实施，针对整个是做一套激光测距仪的模型，进行激光测距仪模型测试及调试。因为激光测距仪的应用广泛，有必要了解产品的使用目的、使用功能的要求，以便从激光测距仪中的主要组成部分、激光测距仪的工作原理、激光测距仪的电路组成以及内部芯片、软件设计等方面进行研究。目 录激光测距仪的设计与制作 .11. 引言 .11.1 激光测距仪的研发背景 .11.2 研发意义 .21.3 本项目的主要内容 .22. 激光测距仪
3、的概述 .22.1 系统组成 .22.2 工作原理 .33. 激光测距仪的硬件电路 .43.1. 光信号发射和接收模块 .53.电源部分 .143.1 电压控制反馈电路 .143.2 电源电路 .153.3 时间测量 .174.单片机显示控制 .204.1 单片机控制芯片 AT89S52 .204.2 显示屏介绍 .224.3 按键控制 .234.4 显示电路 .235 系统的软件设计 .24总 结 .26附件 1（单片机芯片读取测试数据的部分程序图） .29源程序代码 .29苏州工业园区职业技术学院 2011 年大学生实践创新项目1激光测距仪的设计与制作1. 引言激光测距仪主要用来对距离、角
4、度、面积、体积等几何尺寸进行测量；同时也能实现对目标进行定位和跟踪。激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。若激光是连续发射的，测程可达 40 公里左右，并可昼夜进行作业。若激光是脉冲发射的，一般绝对精度较低，但用于远距离测量，可以达到很好的相对精度。世界上第一台激光器，是由美国休斯飞机公司的科学家梅曼于 1960 年，首先研制成功的。美国军方很快就在此基础上开展了对军用激光装置的研究。1961 年，第一台军用激光 测距仪通过了美国军方论证试验
5、，对此后激光测距仪很快就进入了实用联合体。 激光测距仪按空间分类一般分为（1）一维激光测距仪，用于距离测量、定位；激光测距仪（2）二维激光测距仪（Scanning Laser Range finder）用于轮廓测量，定位、区域监控等领域， （3）三维激光测距仪（3D Laser Range finder）用于三维轮廓测量，三维空间定位等领域。按测量距离分类： 测量距离分类可分为长距测量和短距测量。长距测量一般在 600-3000米左右，这类测距仪测量距离比较远，但精度相对较低，精度一般在 1 m 左右。短距测量一般在 200 米内，精度在 2mm 左右。这是目前使用范围最广的激光测距仪。在功能
6、上除能测量距离外，一般还能计算测量物体的体积。按工作原理分类：可分为脉冲式和位相式；脉冲激光测距是利用发射和接收脉冲信号的时间差来实现对被测物体距离的测量，而相位式激光测距是利用发射连续激光信号和接收的激光信号之间的相位差所含有的距离信息来实现对被测目标物体距离的测量。1.1 激光测距仪的研发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，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。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
7、小、体积小型化方向发展，苏州工业园区职业技术学院 2011 年大学生实践创新项目2而其中脉冲激光测距的应用领域也是越来越宽广，比如说建筑工地，户外测距离以及丈量房屋，野外应用等。1.2 研发意义本项目的研究可以使我们更好的巩固所学的工程光学、数字电路、模拟电路单片机知识，并且将这些知识运用到实践中去，更好的为我们将来的工作打好基础。1.3 本项目的主要内容本项目是研究手持式脉冲激光测距仪手持激光测距仪 ，因为脉冲式激光测距仪的测距比较长，相对原理比较简单。本项目研究手持式脉冲激光测距仪的光电发射接收模块，时间测量模块，单片机显示控制模块。2. 激光测距仪的概述2.1系统组成如图 2-1，激光测
8、距仪总的来说包括激光发送部分、光电接收与转换部分、时间测量部分，单片机控制及显示输出部分。细的来分可分为电源、激光器、发射镜、放大整形部分、雪崩二极管用于光电转换的光电器件 MAX1673 和 MAX448 以及接收望远镜。用于计算的时间测量片的TDC-GP2 以及运用 52 单片机实现液晶屏幕转换。图 2-1 小型激光测距仪系统图发射系统:高功率窄脉宽脉冲激光器(二极管泵浦自调Q 激光器) 、驱动电源和红外发射光学系统;苏州工业园区职业技术学院 2011 年大学生实践创新项目3接收机:高灵敏度低噪声红外光电雪崩二极管、接收、放大电路、滤光片和红外接收光学系统;控制及信号处理系统:由中央控制器
9、(cpu) 、信号处理和距离测量(FPGA) 、LCD 显示器组成;电源模块:由逻辑电路控制的稳压供电电源；另外,还有光学瞄准镜。2.2 工作原理二极管泵浦自调 Q 激光器发射出的纳秒量级的激光脉冲，通过光学系统压缩发散角后发射，同时还有一小部分作为主波参考信号接收; 在激光发射的方向上，一定距离内的物体受到激光的照射会发生反射或散射,经过目标反射或散射的光会被接收光学系统接收，并由雪崩光电管和前置放大器组成的接收器作为目标回波信号接收，信号处理系统通过计数和一定的算法,获得主波和目标回波之间的较精确的到达时间差，从而得到目标距离输出。L = c t根据激光测距的基本原理，激光测距技术可以分为
10、激光飞行时间测距和非飞行时间激光测距两类，其中飞行时间测距根据所发射激光状态的不同，可分为脉冲激光测距和连续波激光测距，后者根据起止时刻标识的不同又分为相位激光测距和调频激光测距。非飞行时间激光测距技术是指在测距时并不像飞时测距法直接或者间接获得激光飞行时间，而是通过光子计数或者数学统计的方法来得到目标物距离。以上介绍的方法中，被广泛应用的是脉冲激光测距和相位激光测距，其他测距方法的应用范围较为有限，仅在特定条件下应用。目前，脉冲激光测距己获得了广泛的应用，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。脉冲激光测距利用激光脉冲持续时间极短，能量在时间上相对集
11、中，瞬时功率很大(可达兆瓦)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；在进行几公里的近程测距时，如果精度要求不高，即使不使用合作目标，只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射1所取得的反射信号，也可以进行测距。其基本原理是：根据发射波信号与回波信号之间的时间间隔，即激光脉冲从激光器到待测目标之间往返时间 t,就可以算出待测目标的距离 L。苏州工业园区职业技术学院 2011 年大学生实践创新项目4图 2-2 激光测距仪的电路模块原理图3. 激光测距仪的硬件电路激光测距仪的硬件电路的系统图如图 2-3 所示。苏州工业园区职业技术学院 2011 年大学生实践创新项目5图 2-3 总的硬
12、件电路图3.1. 光信号发射和接收模块图 2-4 光学原理图 激光发射与接收结构原理如图 2-4 是：根据发射波信号与回波信号之间的时间间隔，即激光脉冲从激光器到待测目标之间往返时间 t,就可以算出待测目标的距离 L 为:L=CT/2。苏州工业园区职业技术学院 2011 年大学生实践创新项目62.2.1. 光学系统的设计因为激光发射部分是在激光二极管发出光谱后经过透镜的扩束作用，然后传播到被测物，然后再经过接收透镜的成像到焦平面的光电雪崩二极管 APD 上，所以这二部分的光学透镜起到对光谱的传播和消色差作用，同时双保证了光束的口径。具体的光学透镜的结构如图所示。1. 可应用软件：CODEV 软
13、件和 ZEMAX。1) CODEV 软件是目前做光学设计软件的功能最强大的软件，使用方便，数据计算准确。界面容易看。价格昂贵，是众多研究所使用普遍的一个专业性非常强的软件。2) ZEMAX 软件是当前行业内使用最普遍的软件，价格便宜，是众多企业和研究所及高校学生都能够使用的一个软件。3) 本光学设计采用的是两种进行的软件系统设计，下面列举的是使用 CODEV 设计的数据。2. 激光发射和接收的透镜数据1) 光电接收透镜系统图 2-5 光学透镜示意图透镜参数如下表：透镜焦距 f=20mm，EPD=10mm。波长在可见到近红外区。图 2-6 透镜参数示意图苏州工业园区职业技术学院 2011 年大学生实践创新项目7图 2-7 光学传递函数：图 2-8 能量分布图2.2.2. 激光发射部分电路如图 2-8，以半导体激光器(LD)做为脉冲激光源的主要优点在于它的体积小、效率高，脉冲重复率高。八十年代以来，高功率红外光半导体激光器的发展与制造越来越完善，可以得到波长位于大气高穿透区的半导体激光器，作为近距离激光测距系统的光源。输出波长为 905nm 的砷化锢稼(工 nGaAs)半导体激光器是一种常用的高功率半导体激光器，其波长恰好位于大气的红外光第一穿透区边缘.有很高的穿透率。
