【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于脈沖激光的測距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書學(xué)院：電氣工程學(xué)院 系級(jí)教學(xué)單位：儀器科學(xué)與工程系學(xué)號(hào)1101 學(xué)生姓名 專 業(yè)班 級(jí)精儀112題目題目名稱基于脈沖激光的測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目性質(zhì)：工程設(shè)計(jì) （）；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型（214。）；理論研究型（ ）；計(jì)算機(jī)軟件型（ ）；綜合型（ ）。（ ）；（ ）；（ ）。題目類型（214。） （ ）題目來源科研課題（ ） 生產(chǎn)實(shí)際（ ）自選題目（214。） 主要內(nèi)容1. 掌握脈沖激光法測距的基本原理，了解影響測量性能的因素；2. 以二極管激光器作為激光發(fā)射源，設(shè)計(jì)激光測距系統(tǒng)，主要包括脈沖激光發(fā)射電路、激光接收電路，并用仿真軟件進(jìn)行模擬分析?；疽?. 完成激光測距系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)；2. 完成關(guān)鍵部件的選型與設(shè)計(jì)；3. 通過仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬、調(diào)試；4. 按照燕山大學(xué)電氣學(xué)院本科生學(xué)位論文撰寫規(guī)范完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）的編寫。參考資料1. 劉鋒，脈沖半導(dǎo)體激光測距機(jī)的研制及應(yīng)用[J]，紅外與激光工程，20032. 周炳琨，激光原理[M]，國防工業(yè)出版社，20013. 朱林泉，現(xiàn)代激光工程應(yīng)用技術(shù)[M]，國防工業(yè)出版社，2008周 次1—4周5—8周9—12周13—16周17周應(yīng)完成的內(nèi)容熟悉任務(wù)，查閱相關(guān)資料，完成設(shè)計(jì)方案和技術(shù)分析。關(guān)鍵部件的選型、設(shè)計(jì)、分析和計(jì)算。完成算法與硬件電路設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試。整理數(shù)據(jù)，完成論文。制作PPT，準(zhǔn)備答辯。指導(dǎo)教師： 徐偉職稱：講師 2014 年 12月 30日系級(jí)教學(xué)單位審批： 年 月 日 摘要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(dòng)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AT87C51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示激光測距的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，工作穩(wěn)定，能量良好，檢測速度快，計(jì)算簡單，易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的要求。并且應(yīng)用TDCGP21時(shí)間測量原理，設(shè)計(jì)了基于TDCGP21的時(shí)間間隔測量單元。關(guān)鍵詞　激光；測距；單片機(jī)；TDCGP2I 第1章 緒論 AbstractLaserpossesseshighbrightness,highdirectional,highmonochromaticandhighcoherence and so forth,therefore, bining the laser sensor technology and automatic control technology in the distance measurement,laser ranging is one of the most popular applications. The principle and characteristics of laser sensor are introduced in this paper, and the performance and characteristics of AT87C51 single chip on the basis of analyzing the principle of laser ranging, the idea and the problem of the design of ranging system are pointed hardware circuit and software design method of low cost, high precision and micro digital display of the core of AT87C51 microcontroller are given,the system is reasonable, stable, and energy is good, the detection speed is fast, and the calculation is simple. And the system is easy to do realtime control, and the measurement accuracy can meet the requirements of industrial the time interval measurement unit based on TDCGP21 is designed by using TDCGP21 time measurement principle.Keywords:　laser。 ranging。 microcontroller。 TDCGP2IX目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 國外方面 2 國內(nèi)方面 3 研究意義 4 本論文研究的內(nèi)容 4第2章 脈沖激光測距的基礎(chǔ) 5 脈沖激光測距的原理 5 脈沖激光測距的性能方程 7 脈沖激光測距儀的信噪比方程 10 脈沖激光探測器的光探測原理 10 信噪比方程 10 脈沖激光測距儀的測距性能指標(biāo) 12 最大測程 13 探測靈敏度 13 距離誤差 14 15 時(shí)間間隔測量技術(shù) 15 16 17 本章小結(jié) 19第3章脈沖激光測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20 脈沖激光測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 20 脈沖激光接收電路 22 雪崩光電二極管APD 22 APD驅(qū)動(dòng)電路 22 高壓發(fā)生電路 23 24 24 本章小結(jié) 26第4章 計(jì)時(shí)及顯示部分設(shè)計(jì) 27計(jì)時(shí)部分 27時(shí)刻鑒別電路設(shè)計(jì) 27 預(yù)鑒別恒定比值時(shí)刻鑒別電路設(shè)計(jì) 30 時(shí)間間隔測量原理 31 32 距離計(jì)算部分 33 34 計(jì)算部分子程序設(shè)計(jì) 36計(jì)算機(jī)控制LED顯示部分 36 LED 36 74HC573 38 38顯示部分程序設(shè)計(jì) 39系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì) 40 本章總結(jié) 40結(jié)論 41參考文獻(xiàn) 43致謝 45附錄1 程序代碼附錄2 開題報(bào)告 附錄3 中期報(bào)告III 第1章 緒論 課題背景激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，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”。它的亮度為太陽光的100億倍。它的原理早在1916年已被著名的美國物理學(xué)家愛因斯坦發(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(gè)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(dòng)的各個(gè)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?dāng)今激光及其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)與人類社會(huì)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(huì)給人類的生活帶來全新的改變。早在史前文明時(shí)期，便出現(xiàn)了關(guān)于距離測量的技術(shù)，不過，這些測量技術(shù)被稱為接觸測量，一直持續(xù)了幾千年。由于接觸測量具有很大的局限性，非接觸測量[1]技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。激光便被應(yīng)用于距離測量中來，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(duì)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(duì)人眼安全、無合作目標(biāo)、低價(jià)的適用于家庭的LED激光測距儀 [2]。在民用方面，例如：在鋼鐵廠和軋鋼廠用于過程監(jiān)控、行車定位系統(tǒng)、裝卸處理設(shè)備的定位系統(tǒng)、大型工件裝配定位等等。激光測距代替了人工測尺，解決了有人為因素帶來的精度誤差問題，而且測量速度更快，大大提高5了工作效率。 在軍事方面，世界各國的軍事競賽促進(jìn)了各項(xiàng)科技的飛速發(fā)展，激光從軍方的青睞，目前，世界各國對(duì)激光測距的研究越來越多，各種不同型號(hào)的激光測距儀得到了廣泛的應(yīng)用。例如：機(jī)載脈沖激光測距儀，艦載脈沖激光測距儀以及導(dǎo)彈靶場脈沖激光測距儀等等。脈沖激光測距是由單脈沖激光器向目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，然后通過測算被目標(biāo)反射回來的光脈沖的往返時(shí)間，從而計(jì)算出目標(biāo)的距離，這被稱為飛行時(shí)間法。如今，隨著激光技術(shù)的深入發(fā)展，激光測距開始逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測距方法，將會(huì)對(duì)測距行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外方面1960年，世界第一臺(tái)紅寶石激光器出現(xiàn)[3]，隨即，美國的休斯飛機(jī)制造公司研制出了世界上第一臺(tái)激光測距儀，被稱為柯利達(dá)I型[4]。之后，激光測距技術(shù)迅速發(fā)展。美國Bushnell公司于1996年推出測距距離為400m的400型LD激光測距儀YD400，同年，又研制出了測量距離為800m的800型激光測距儀。美國Leica公司也在同一年，研制出了實(shí)用的小型激光測距機(jī)，[5]。20世紀(jì)70年代，美國，俄羅斯等國家的知名公司開始合作研發(fā)，推出的產(chǎn)品涉及工業(yè)、海洋和航天等各個(gè)行業(yè)。至今，激光測距儀已經(jīng)發(fā)展至第三代。，這也是最早的激光測距儀。20世紀(jì)70年代初，少量的激光測距儀開始裝備到了軍隊(duì)里，例如美國的AN/GVS日本的70型，但是，由于第一代的激光測距機(jī)效率較低、隱蔽性較差、體積大、重量大、耗電多等一系列的原因，很快被第二代激光測距機(jī)所取代。:YAG激光器和硅光電二極管或雪崩二極管作為探測器。與第一代相比，在隱蔽性、體積、重量、耗電等方面都有著很大的改善，因此，第二代激光測距儀開始迅速發(fā)展。美國于1977年研制出了AN/GVS5型的第一臺(tái)手持式Nd:YAG激光測距機(jī)，該測距機(jī)的外形采用了普通手持式雙筒望遠(yuǎn)鏡的外形特征，而且大小與普通望遠(yuǎn)鏡相當(dāng)，重量僅為2kg。經(jīng)過近些年的發(fā)展，激光測距技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟，激光測距儀已經(jīng)發(fā)展至第三代[6]，稱為人眼安全激光測距。例如美國的“斯米爾”人眼安全激光測距儀[7]。這類激光器具有在煙霧中的傳輸性好，兼容性好，對(duì)方探測困難等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些問題，比如激光易被濕氣吸收、目標(biāo)反射率低、需要制冷等。目前，世界上在激光測距方面技術(shù)最發(fā)達(dá)的是瑞士的徠卡測量系統(tǒng)和德國的博世測距。當(dāng)然，這時(shí)基于民用方面的手持式激光測距機(jī)而言的。就激光測距儀在軍工方面的研究和應(yīng)用來說，美國是處于領(lǐng)先地位的[8]。 國內(nèi)方面國內(nèi)的樣機(jī)的研究是從20世紀(jì)70年代開始的，是在原來的固體和氣體激光測距機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[9]。目前已經(jīng)具備了基礎(chǔ)技術(shù)，主要是解決工程應(yīng)用方面的問題。國內(nèi)研究激光測距儀的具體單位有：北京光儀廠、常州第二電子儀器廠、中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所等[10]。1996年，中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制出的半導(dǎo)體激光測距機(jī)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)LD1。該樣機(jī)的基本參數(shù)為：激光發(fā)射脈沖的頻率為1kHz、使用的激光器是國產(chǎn)的半導(dǎo)體激光器，其波長為800900nm，測量距離為10100m。后來，中國計(jì)量學(xué)院研制出了便攜式激光測距儀，成果較為成功。此測距儀的具體測量參數(shù)為：激光發(fā)射頻率為100Hz，波長905nm，峰值功率10W，激光的脈沖寬度為25nm，測量范圍從141000米，精度為1m[11]。但是，由于國內(nèi)研究的激光測距機(jī)是小型化和低功耗等方面的產(chǎn)品，因此無法滿足復(fù)雜環(huán)境下的軍事上的特殊用途[12]，故而，國內(nèi)的研究一般只是針對(duì)民用方面而言的?？傮w而言，國內(nèi)對(duì)激光測距技術(shù)的研究尚處于發(fā)展階段，技術(shù)還不夠成熟，需要做的工作還有很多。由于起步較晚，所以更應(yīng)該加快激光測距方面的研究步伐。 研究意義隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，激光將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，激光波測距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求，無庸置疑，未來的激光波測距儀將與自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合,形成多測距儀。隨著測距儀的技術(shù)進(jìn)步，測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。 本論文研究的內(nèi)容如今，雖然激光測距有著廣泛的應(yīng)用，但國內(nèi)的激光測距機(jī)與國外相比，依然有著很大的差距。研制低成本，高精度，大量程，低功耗的激光測距機(jī)有很大的現(xiàn)實(shí)意義。本課題通過對(duì)傳統(tǒng)測距儀的電路的研究及改進(jìn)，力圖設(shè)計(jì)出一款精度較高的激光測距儀，具體內(nèi)容如下：(1) 研究脈沖激光測距系統(tǒng)影響