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1、 . 南阳理工学院本科生毕业设计(论文)学院：电子与电气工程学院专业：电气工程与其自动化学生：白君毅指导教师： 尉乔南 完成日期 2013 年 5 月理工学院本科生毕业设计（论文）石油管线长度的激光测距仪设计Design on Laser Length Measuring Instrument of the Petroleum Pipeline Length总计：34页表格： 5个插图：18幅南阳理工学院毕业设计（论文）石油管线长度的激光测距仪设计Design on Laser Length Measuring Instrument of the Petroleum Pipeline Leng
2、th学院：电子与电气工程学院专业：电气工程与其自动化学生姓名：白 君 毅学号：1109614059指导教师（职称）：尉乔南（讲师）评阅教师：完成日期：理工学院Nanyang Institute of Technology34 / 41石油管线长度的激光测距仪设计电气工程与其自动化专业 白君毅摘 要:由于激光测距具有量程大、高精度、昼夜可用、方向性好等特点，使得激光测距成为一种应用广泛的测距方式。激光测距仪一般采用两种方法来量距离：脉冲法和相位法。本设计采用应用领域更广泛的脉冲激光测距法。石油管线长度的激光测距仪应以STC12C5A60S2系列89C52单片机为控制核心，通过控制脉冲激光测距模块
3、去测量石油管线的长度，实时的显示测量结果，并将测量的结果保存在部的E2PROM 存储器中。测量完毕后，通过串口通信，还能将测量结果上传至上位机上，实现测量结果的再现，自动生成数据表格的形式存储，有助于查看历史测量结果。关键词:石油管线；脉冲激光测距；89C52单片机；计数储存；高精度测量Design on Laser Length Measuring Instrument of the Petroleum Pipeline LengthElectrical Engineering and Automation Specialty BAI JunyiAbstract:Because the la
4、ser ranging has the characteristics of large range high precision and availability good direction makes the laser ranging has become a widely used measurement methods. Laser range finderare generally two ways to measure the distance: the pulse method and the phase method. The design uses pulsed lase
5、r which make a wider range of applications ranging method. Laser range finder oil pipeline length should be based on the STC12C5A60S2 series microcontroller 89C52 as the control core, through to measure petroleum pipeline control pulse laser ranging module length, display the real-time measurements,
6、 and the measurement results are saved in the internal E2PROM memory. After measurement, through the serial port communication, but also the measurement results will be uploaded to the host computer, reappearing the measurement results, the automatic generation of the data table is stored, is helpfu
7、l to view the history of measurement results.Keywords:Petroleum pipeline；pulsed laser ranging；89C52 microcontroller；count storage；high precision measure目 录1 引言11.1设计的背景与意义11.2激光测距仪发展历史和现状11.3 设计主要容22 激光测距仪的总体方案设计22.1 激光测距法的分类22.1.1 按测量原理分类22.1.2 按测距能力分类32.1.3 按激光载波数分类42.2 相位式激光测距42.3 脉冲式激光测距原理52.4 相
8、位法与脉冲法的比较72.5 脉冲激光测距仪的总体方案设计82.5.1 设计原则与技术指标82.5.2 脉冲激光测距方程82.5.3 硬件系统总体方案设计92.5.4 软件系统总体方案设计93 脉冲激光测距仪的硬件设计103.1 脉冲激光测距模块103.1.1激光器的介绍103.1.2 光电探测器的介绍113.2 总体电路设计123.3 键盘的设计123.3.1 测量、通信按键123.3.2 序号录入按键设计123.4 显示模块设计133.5 串口通讯模块设计143.5.1.串口通讯设计143.5.2.单片机与脉冲激光测距模块的串口通信153.6电源电路设计153.7 硬件系统的抗干扰154 脉
9、冲激光测距仪的软件设计164.1下位机的软件设计164.1.1 单片机软件开发系统简介164.1.2 按键程序设计164.1.3 显示程序设计174.1.4 串口通信程序设计174.1.5 存储程序设计184.1.6 脉冲发射程序194.1.7 脉冲接收程序204.2 上位机软件设计214.2.1 Labview软件介绍214.2.2 激光测距仪前面板设计224.2.3 上位机的串口通信设计224.2.4 数据处理模块设计224.2.5 数据存储模块设计234.2.6 创建软件安装程序235 脉冲激光测距仪的不确定度分析与性能测试245.1 脉冲激光测距仪的不确定度分析245.2 与人工拉皮尺
10、测量方法比较255.3 脉冲激光测距仪的性能测试265.3.1 稳定性实验265.3.2 重复性实验26结束语28参考文献29附录30致341 引 言1.1设计的背景与意义距离的精确测量对国防建设、工程建设、国民经济的发展都有十分重要的意义。在公共交通、测量、工程建筑检测等领域，对距离测量的量程和精度要求都不断提高，由于激光测距具有量程大、高精度、昼夜可用、方向性好等特点，使得激光测距成为一种应用广泛的测距方式。油田开发以来，如何准确测量石油管道的长度是关注问题。随着石油钻探生产程度不断提高，原油管道长度测量工作强度也越来越大。这个阶段，中国的技术水平是仍然相对落后的。主要石油领域的石油管线长
11、度测量常用传统的人工面对升降脚的测量方法，期间需要3人来完成测量，2人分别站在两端管道拉皮卷尺，1人测量结果记录。每次测量需要手动将测量卷尺整齐，然后测量累积的结果，这种方法不仅劳动强度大，效率低，而且测量精度低1。虽然一些油田已采用了更先进的测距方法，如超声波测距，光学测距，雷达测距，但普遍有存储差，防污差，体积大，携带不方便等缺点。为了改变这一落后现状，国设计出一种新型的高精度，便携带，操作方便，防污能力强的石油管线长度激光测量仪，是为石油工业的发展具有十分重要的意义。1.2激光测距仪发展历史和现状激光测距仪是电子技术，激光技术，信号控制和处理技术，单片机控制技术和精密机械技术和其他技术的
12、综合应用。激光测距仪的特点是一个衡量距离，峰值功率高且要求有相对较低的相干光源。因此，它已广泛应用于航空航天，工业领域，建筑测量和测量学。激光测距仪的发展趋势为高精度、小型化、人眼安全。其中，对人眼安全是脉冲激光测距仪的重要设计指标。小型化脉冲半导体激光测距仪的主要特点:功耗较低，测量方便，没有合作目标，对人眼安全，精度高。最早问世的第一代激光测距仪为发射0.6943m的红外红色IK石激光器和光电倍增管检测器，然后第二代激光测距仪大多为近红外钕激光器（主要是Nd：YAG激光，少量的钕玻璃激光）和硅光电二极管或雪崩光电二极管检测器，它的波长为1.06m，若不采取防护措施会危害人类视网膜。第三代人
13、眼安全的激光测距仪，CO2激光测距仪，它有较大的功率和高的能量转换，目前已进入生产和应用阶段2。随着激光技术和电子信息的飞速发展，电子产品的研发和制造的成本继续降低，激光测距技术被逐渐应用到民用领域。在近30年，也就是20世纪80年代初，国外许多大学，科研机构和企业开展工业用途和民用研究工作。国小型LD激光测距仪是仍处于发展阶段。航天科工集团8358开发的测量围200m时，精度为0.5m，数据速率为100Hz激光测距仪。中国科学院光学精密机械研究所，于1996年开发的半导体激光测距仪选择国半导体激光器，波长800-900nm，重复频率为lkHz，测距围100m，精度为0.5m。在1999年，学
14、院信息工程学院光电子所与国外合作开发了低成本，低功耗，便携式激光测距仪工作波长905nm，10W峰值功率，脉冲宽度为25ns，重复频率为1000 Hz的并发性和合作。在这样的情况下，结合非合作目标，测距围为14-1000m，4M晶体的线性扩增技术。市莱赛开发了一种测量距离200m，测距精度0.5m的半导体激光测距仪。在工程领域的工程测量工具使用激光测距仪测量。1.3 设计主要容这个设计的最终目标是开发一种精度高，实现实时测量，低成本的手持式激光测距仪。石油管线长度激光测距仪设计的容包括以下几个方面：（1）在石油管道的长度测量中，包括：超声波测距法，红外测距，激光测距方法，仔细考虑了各种测量的优
15、势和地位并全面调查各方法的缺点，最终确定了激光测距的方法来衡量的石油管线的长度。（2）仔细研究脉冲法和相位法测距的工作原理，并比较他们的优点和缺点，并最终选择使用脉冲激光测距法测量石油管线的长度，并给出了激光测距仪仪器的整体设计。（3）选择激光测距仪的每个模块的硬件部分，每一部分的电路设计，并给出了相应的图或示意性的图。（4）激光测距仪设计的软件部分，包括使用单片机C语言开发的激光测距仪下位机软件下在KEILVision4平台，进入仪器主机计算机软件开发，同时利用LabVIEW图形化工具。（5）分析的激光测距仪，主要是对仪器的稳定性、可重复性的不确定性测试。2 激光测距仪的总体方案设计2.1 激光测距法的分类2.1.1 按测量原理分类从测量原理分类，大体可分为三类：相位测距发、脉冲测距法、干涉测距法。（1）相位测距法采用连续发射激光的激光器，将输出
