【文章內(nèi)容簡介】 標反射率，θ為觀察方向與法線方向之間的夾角。從公式(6)可以看出，不同目標反射率β，大氣條件相同的條件下，接收光子數(shù)會隨著測量距離成指數(shù)衰減變化，同時，它也會隨目標反射率變大而增加，所以在可以選擇的情況下，盡量以高反射率的物體作為目標物來實現(xiàn)距離測量。在相同的目標反射率β，大氣條件不同，即大氣的衰減系數(shù)α不同的情況下，接收光子數(shù)會隨著大氣衰減系數(shù)變小而增加。接收光功率等于接收光子能量除以脈沖時間，因此，接收光功率為： (7)其中，WR光電探測器接收光能量，Δτ為脈沖寬度。假設接收的光子數(shù)NR等于105，脈寬Δτ為90ns時，經(jīng)過計算，107W。 硬件系統(tǒng)總體方案設計本激光測距儀是基于脈沖法激光測距原理設計的，硬件系統(tǒng)部分由單片機控制激光測距模塊測距，并將測量結果送入液晶模塊進行實時的顯示，同時可以將測量結果累加，保存在單片機內(nèi)部自帶的E2PROM存儲模塊中。測量完畢后，可以通過串口通訊模塊將數(shù)據(jù)傳遞給上位機，對測量結果進行再現(xiàn)及數(shù)據(jù)保存。硬件系統(tǒng)主要包括單片機核心控制、脈沖激光測距、按鍵、顯示、串口通訊等幾個模塊。其結構總體框圖如圖4所示。圖4 激光測距儀硬件總體框圖 軟件系統(tǒng)總體方案設計在設計了石油管線長度的激光測距儀的硬件系統(tǒng)后，還需要設計軟件系統(tǒng)來實現(xiàn)儀器的各個功能。軟件系統(tǒng)設計的好壞直接影響到儀器的穩(wěn)定性以及功能的實現(xiàn)。本儀器的軟件設計主要包括以下兩個部分：（1）下位機軟件設計：該程序的編寫是基于Keil μVision4集成開發(fā)環(huán)境（IDE），利用單片機C語言進行，目的是完成石油管線序號的錄入、長度的測量、顯示、累加、存儲以及與上位機通信。（2）上位機軟件設計：該程序的編寫是基于LabVIEW平臺，基于圖形化編程，目的是實現(xiàn)石油管線長度測量的數(shù)據(jù)結果的傳送、處理、并以表格的方式存儲，方便用戶查看。3 脈沖激光測距儀的硬件設計 脈沖激光測距模塊脈沖激光測距模塊主要的功能是實現(xiàn)石油管線長度的實時在線測量，脈沖激光測距模塊的核心器件是激光器和光電探測器。激光器的原理：在工作物質(zhì)的能帶（導帶與價帶）之間，或能帶與雜志（受主或施主）能級之間，通過一定的激勵方式，實現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，當處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的電子與空穴復合時，就可以產(chǎn)生受激發(fā)射作用。產(chǎn)生激光的必須的條件是：增益大過損耗和粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，所以激光器中必不可少的部分是：激勵源、工作物質(zhì)、諧振腔。工作物質(zhì)也稱激活物質(zhì)，它是指用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)，它的原子能級間距離可提供所需的激光頻率。諧振腔可使腔內(nèi)的光子具有一致的頻率、相位和運行方向，從而使激光具有良好的方向性和相干性。按工作物質(zhì)來分類的話，激光器可以分為以下幾種：（1）氣體激光器氣體激光器。目前，最常用的是氦氖激光器。（2）固體激光器固體激光器?，F(xiàn)階段，最長用的固體激光器是Nd:YAG（摻釹釔鋁石榴石），它的工作波長一般為1064nm。（3）染料激光器染料激光器。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的液體激光器共500多種，它主要有以下特點：連續(xù)可調(diào)節(jié)輸出激光波長，價格低廉，效率高，多用于光譜分析、激光化學、醫(yī)療、分光光譜和農(nóng)業(yè)。（4）半導體激光器。半導體激光器本質(zhì)上屬于固體激光器。目前，用的最為廣泛的是砷化鎵（GaAs）激光器，波長為840nm，另外還有摻鋁的砷化鎵、硫化鉻、硫化鋅等。（5）自由電子激光器。自由電子激光器是一種特殊的新型的激光器。它的特點是：短波長、大功率、高效率。它的應用前景非?？捎^，可以用在通訊、光譜學、光化學、遙感、同位素分離等領域。目前，最短工作波長的自由電子激光器位于斯坦福。由于激光器的種種優(yōu)點，激光器被廣泛應用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、精密測量、通訊、醫(yī)療、軍事等各領域，特別是作為測距光源，它方向性好、功率大、測量精度高、測程遠。由于氣體、固體、液體、自由電子激光器的體積笨重、價格昂貴等缺點，現(xiàn)階段，激光測距儀一般多采用半導體激光器，它體積小、性能可靠、價格相對便宜。目前，應用較廣且性能較好的半導體激光器是具有雙異質(zhì)結構的電注入式，波長為 。 光電探測器的介紹光電探測器主要是以單值方式把輻射功率或輻射能量轉(zhuǎn)換為一個個一般的電學量而不進行信號處理或顯示的器件。它廣泛應用于在軍事、國民經(jīng)濟的各個領域。在紅外波段主要用于紅外熱成像、紅外遙感、導彈制導，而在近紅外或可見光波段則用于光度計量、工業(yè)自動控制、射線的測量和探測。影響它性能的主要因素有：光電二極管類型、材料、摻雜物質(zhì)和光電二極管的體積。它的種類很多，按結構分類主要有：硅光電二極管、MSM、PIN、雪崩（APD）光電二極管以及光電倍增管等?？紤]到動態(tài)特性（即頻率響應與時間響應）時，光電二級管和光電倍增管較好；考慮靈敏度時，光敏電阻、光電三極管、雪崩光電二極管、光電倍增管較好，考慮光電特性（即線性）時，光電池、光電二極管、光電倍增管較好。硅光電二極管特點：，體積小，壽命長，本身噪聲小。缺點是：本身不具備內(nèi)增益，對放大器的要求很高，僅用在對體積和重量要求嚴格，接受靈敏度和響應速度不高的場合。硅雪崩（APD）光電二極管具有硅光電二極管的所有優(yōu)點，并且克服了硅光電二極管不具有內(nèi)增益的缺點，探測器的靈敏度也高，缺點是噪聲較大。在選擇光電探測器時，應注意一下幾點的匹配：（1）在光譜特性上，必須與光學系統(tǒng)及輻射信號源匹配。若信號是可見光，則可選擇光敏電阻、硅光電器件、光電倍增管；若為紫外光，則選用專門的紫外光光電半導體器件、光電倍增管；若為近紅外，則選擇光電倍增管、硅光電器件。（2）在光電轉(zhuǎn)換特性上，必須與入射輻射信號匹配。對于微弱的光信號，光電探測器必須有合適的靈敏度，確保一定的信噪比以及輸出足夠強的電信號。（3）在電特性上，必須與輸入電路匹配，確保有足夠大的信噪比、線性范圍、轉(zhuǎn)換系數(shù)以及快的動態(tài)響應等。（4）必須與光信號的調(diào)制形式、調(diào)制頻率與相位匹配，確保輸出波形不會有頻率失真以及具有良好的時間響應。（5）必須注意選擇器件的規(guī)格以及使用環(huán)境相匹配，保證器件長期、穩(wěn)定可靠的工作。目前，激光測距儀一般選用雪崩(APD)光電探測器或PIN光電探測器?，F(xiàn)階段，世界上著名的生產(chǎn)激光脈沖測距模塊的公司有博世(BOSCH)公司，德國喜利得(HILTI)公司。國內(nèi)也有不少生產(chǎn)廠商，但是由于國內(nèi)的技術比較落后，雖然在精度和性能方面仍達不到國外的先進水平，但是國內(nèi)的生產(chǎn)的激光脈沖模塊性價比比較高，也能滿足本系統(tǒng)的基本的測量要求[4]。 總體電路設計該激光測距系統(tǒng)硬件設計的核心是單片微型計算機STC12C5A60S2系列AT89C52芯片。它基于8051內(nèi)核，是新一代高速、低功耗、超強抗干擾單片機，指令代碼完全兼容8051，但處理速度卻快812倍。它的優(yōu)點是：含通用I/O 口36個，可設置為四種模式：強推挽/強上拉、準雙向口/弱上拉、開漏、僅為輸入/高阻，每個I/O的驅(qū)動能力均達20mA，但整個芯片最大不能超過120mA；它內(nèi)部自帶 E2PROM，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的掉電保存；它除了含有與傳統(tǒng)51單片機兼容的16位定時器T0和T1，還包括2路PCA模塊，也可做16位定時器；它內(nèi)部自帶8路A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度是10位，轉(zhuǎn)換速度達250K/S（每秒25萬次）；它還有雙串口：RXDTXD2。STC12C5A60S2 系列的單片機基本上包含了數(shù)據(jù)采集模塊控制所需要的所有的單元，包含：中央處理器（CPU），程序存儲器（Flash），數(shù)據(jù)存儲器（SRAM），定時/計數(shù)器、UART串口、串口I/O接口、高速A/D轉(zhuǎn)換，SPI接口、PCA、看門狗及片內(nèi)R/C振蕩器和外部晶體振蕩電路等。AT89C52芯片與外圍電路74LS37AT28C6字符型LCD、MAX239針串行接口、44鍵盤等組成了系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。 鍵盤的設計 測量、通信按鍵本系統(tǒng)測量、通信按鍵區(qū)用到的是常開按鍵，包含四個按鍵，分別是激光開關按鍵、測量按鍵、存儲按鍵及通信按鍵。開關按鍵用來打開激光光源，測量按鍵是用來測量石油管線的長度，存儲按鍵是用來存儲數(shù)據(jù)結果的，通信按鍵用來與上位機通信。它們分別與單片機的四個 I/O 口相連，當有按鍵觸發(fā)時，由系統(tǒng)做出相應的響應。系統(tǒng)測量、通信按鍵區(qū)的設計原理圖如圖5所示。 序號錄入按鍵設計作為用戶和激光測長儀的交互操作的界面，系統(tǒng)的鍵盤電路采用了44的矩陣式通用鍵盤電路，與AT89C52的Pl口直接相連，其中P1口的高四位作為鍵盤的行驅(qū)動線，低四位作為鍵盤列讀入線，P1口的高四位的行驅(qū)動線每隔40ms被逐次拉低，以便避免鍵盤的顫動干擾造成用戶的輸入的識別錯誤鍵盤輸入信號的任何變化，可以通過循環(huán)掃描的方式確定是那個鍵被按下，計算出按鍵的掃描碼，根據(jù)按鍵的發(fā)出的命令，查詢相應的命令并通過串口把命令發(fā)送到激光測長儀中。本系統(tǒng)錄入?yún)^(qū)需要15個按鍵，它們分別是：10個09的數(shù)字按鍵，確認錄入按鍵，退格按鍵，序號錄入按鍵，具體電路參見圖6所示[5]。圖5 測量、通信按鍵模塊圖6 按鍵模塊 顯示模塊設計液晶顯示模塊LCM(LCD Module)是一種將多個器件集成在一起的組件，包括液晶顯示器、集成電路、背光源、連接件、PCB線路板、結構件等。因此它具有體積小、功耗低、使用靈活等特點，在儀器儀表領域中得到廣泛應用。本系統(tǒng)采用圖形點陣式液晶，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字（1616點陣）、128個字符（816點陣）及64256點陣顯示RAM（GDRAM）。 主要技術參數(shù)和顯示特性: 多種硬件功能：光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等。(1)電源: VDD ~+(內(nèi)置升壓電路，無需負壓； (2)顯示內(nèi)容：128(列)64(行)點； (3)顯示顏色：黃綠 可選藍屏； (4)與MCU接口：8位或4位并行/3位串行；(5)背光：黃綠色LED；(6)工作溫度: 20℃~+70℃，存儲溫度: 30℃~+80℃（可選寬溫LCD）；單片機P0口的8個引腳用來連接LM016L液晶的8個數(shù)據(jù)引腳，連有外電源和復位。硬件圖如圖7所示。圖7 顯示模塊 串口通訊模塊設計串口在計算機、儀器儀表設備領域應用非常廣泛。串口通信非常簡單，按位(bit)發(fā)送和接收字節(jié)，一般用到3根線：地線、發(fā)送線、接收線。它最重要的參數(shù)有：數(shù)據(jù)位、停止位、波特率和奇偶校驗位。因為PC機是RS232電平，而單片機的串口是TTL或CMOS電平，所以單片機要與PC之間進行串行通訊，就必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路。美MAX232是專門為電腦的RS232標準串口設計的接口電路，使用+5V的單電源供電。串口通信模塊的原理圖如圖8所示，本系統(tǒng)采用3線制連接串口，也就是電腦九針串口中的3個管腳：第2腳RXD，第3腳TXD，第5腳GND，通過MAX232芯片的電平轉(zhuǎn)換后，R1OUT、，串行通信模塊如圖8所示。圖8 串口通信