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1、激光脉冲测距实验报告一 实验目的通过学习激光脉冲测距的工作原理，了解激光脉冲测距系统的组成，搭建室内模拟激光器系统进行正确测距，为今后的工程设计奠定理论基础和工程实践基础。二 实验原理激光脉冲测距与雷达测距在原理上是完全相同的，如图2.1 所示。在测距点激光发射机发射激光脉冲，光脉冲经过光纤到达接收端，并被测距机上的探测系统 接收。测出从激光发射时刻到被接收时刻之间的时间间隔t,根据已知光速，即可求出光纤 的长度R为R=/2(2-1)式中 c 为光速。真空中的光速是一个精确的物理常数C1=299792458 m/s光纤中的平均折射率n为n=1.45 (查阅得知)故光纤中的光速为C=299710
2、000可见，激光测距的任务就是准确地测定时间间隔t。当不考虑光纤中光速的微小变化时，测 距精度/R主要是由测时精度/t确定的/R=C/t/2(2-2)实际脉冲激光测距机中是利用时钟晶体振荡器和脉冲计数器来测定时间间隔t的。时钟晶体 振荡器用于产生固定的频率的电脉冲振荡，脉冲计数器的作用是对晶体产生的电脉冲个数进 行计数。设晶体振荡器产生的电脉冲频率为f,则脉冲间隔T=1/f。若从激光脉冲发出时刻脉 冲计数器开始计数，到光脉冲被接收时刻停止计数。设这段时间内脉冲计数器共计得脉冲个 数为m,则可计算出被测光纤的长度为R=cmT=cm/f=1.6m (2-3)相应的测距精度为/ R =Ct=c/f
3、(2-4)可见，脉冲激光测距机的测距精度由晶振的频率决定。常用军用激光测距仪的晶振频率有15MHz、30MHz、75MHz和150MHz等，与其相对应的测距精度分别为正负10m、正负5m 、正负2m和正负1m。晶振的频率愈高，测距精度就愈高，但随之而来的，不仅是计数器的技术难度增加，而且要求激光脉冲的宽度愈窄，激光器的难 度也增加。对脉冲测距系统，计数器的“开门”信号是由取出一小部分发射激光脉冲经光探测器转换成 电信号形成的。这两个信号既可由同一探测器提供，也可以用两个探测器提供。 激光脉冲测距机由激光器、发射光学系统、接收及瞄准光学系统、取样及回波探测放大系统、 技数及显示器和电源几部分组成
4、，如图 2.2 所示系统操作人员一旦下达发射激光命令，激光器发射一束窄激光脉冲，经发射光学系统扩束后 射向接收系统，其中一小部分经取样后启动计数器开始计数。激光回波经测距机的接收和瞄 准光学系统，聚焦到前面有窄带滤光片的光探测器上。由探测器将其转换成电信号，再经取 样及回波探测放大系统处理后产生“关门”信号用于关闭计数器。由计数器计得的脉冲个数 计算出光纤得电源 计数及显示器激光器长度，再通过显示器显示出来。三 实验装置实验装置包括“激光脉冲发射/接收电路板”、电脑和“单片机开放板”。1. 激光脉冲发射/接收电路板组成及工作原理激光脉冲发射/接收电路板原理框图如图2.3所示。图中EMP 303
5、2为CPLD；MAX3656 为激光驱动器；MAX3747为限幅放大器；T22为单端信号到分差信号转换芯片；T23为 差分信号单短信号转换芯片；LD为半导体激光器；PD为光探测器。板子上端的EMP3032 被编程为脉冲发生器，输出重复频率为1KHz，脉冲宽度为48ns的电脉冲信号。此信号经 MAX3656放大后驱动LD发光。板子下端的EMP 3032被编程为计数器，对125MHz晶振 计数器。其计数的开门信号来自上端的TX信号，关门信号来自PD的输出。计数器的计数 结果采用12位二进制数据输出，对应时间范围为032.76us.A55 B5PD1PD1CUEABEIN4-/-OJT+AMAX3I
6、MAX37EM P 3D 32IXIMQ 斗 5EPjIP 3D32JTAGJTAGPD2图 2.3 发射 /接收模块原理框图发射/接收模块布局如图2.4所示，TX、RX1、RX2为三个Q9插座。其中，LD的 驱动信号由TX 口输出；PD接收到的信号由RX输出。2. 接口管脚说明插座 J9 为计数结果输出管脚，包括12 位数据管脚和 1 位计数指示管脚： 数据管脚的高八位（从第 12 到 5 位）分别对应 J9的 1、 3、 5、 7、 9、 11、 13、 15；数据管脚的低四位（从第4到11位）分别对应J9的16、14、12、10。高电平为1,低电平为 0； 计数指示管脚为 J9 的第六位
7、。计数指示为 1 表示正在计数， 0 表示计数结束。四 实验结果及程序：#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar codeSEG7 = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x6f,0x00;/数码管的段选，1 为亮，0 为灭uchar SAV6=0xa0,0xa0,0xa0,0xa0,0xa0,0xa0;uchar code ACT6 = 0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf;/数码管位选void display();void dela
8、y(uchar);void count(uint);uint get_Data();void main()uint re_data=get_Data();count(get_Data();while(1)display();void delay(uchar time) /延时函数，延时时长等于time*机器周期while(time0)time-;void count(uint con_data)SAV0=con_data%10;/取数据的个位SAV1=con_data/10%10;/取数据的十位SAV2=con_data/100%10;/取数据的百位SAV3=con_data/100/10%1
9、0; /取数据的千位void display() /数码管显示函数uchar i=0;for(i=0;i4;i+)if(i=1) P0=SEG7SAVi|0x80; /与 0x80 相“或”，点亮小数点 P2=ACTi;/数码管位选else P0=SEG7SAVi; P2=ACTi;delay(200); /视觉暂留效应 P0=0xff; uint get_Data()uint last_data;uchar data;P3=0xff;data=P3; last_data=data&0xf0;的高四位 last_data=last_data4;xxxxOOOO，因为读入的是高四位P1=0xff
10、;data=P1; last_data=last_data+data; return last_data* 。 ;/P3 口置高，读取数据的需要/读取 P3 口数据/与 0xf0 相“与”，获取 P3 口数据/ 数据左 移 4 为，数 据成为/读取低4位/last_data*1.6*10 ，由公式R二cm/fn可知，其中c为光速3* 10八8米每秒，/n 为玻璃的折射率 1.5， f 为激光测距模块的晶振，为 125 兆赫兹， m 为脉冲计 数器计得的脉冲个数，即last_data,由于小数点加在了数据的个位和十位之间,故需倍乘以 10附实验结果图:五. 附加功能附加程序：60 秒倒计时(从
11、60-0 倒计时)#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code SEG=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;uchar code ACT6=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf;uchar j=3,i;void display();void delay(uint);void count(uint);void main()TMOD=0X01;ET0=1;TR0=1;EA=1;TH0=(65535-50000)/25
12、6;TL0=(65535-50000)%256;while(1)if(j0;b-)for(c;c0;c-);void display()P0=SEGj%10;P2=0xfe;delay(100);P0=SEGj/10%10;P2=0xfd;delay(100);P0=0x00;void timer0() interrupt 1TH0=(65535-50000)/256;TL0=(65535-50000)%256; i+;六、思考题：1. 激光脉冲测距的精度与哪些因素有关？ 答：晶振的频率，被测距离的远近，电路延时的长短,计数器阈值的 电平调整误差，时基误差等。2. 如何提高激光脉冲测距的精度?答：提高晶振频率，缩短电路延时。3. 激光光源的选择要考虑哪些方面？答：被测物的状态，被测物表面光亮情况，反射率情况，被测物的温 度（如果是高温的，表面是否会有像发红钢板的情况），这些直接关 系到光源的选择。七. 实验总结与建议 答：通过这一次实验，我们了解了单片机的基本原理，掌握了单片机 的使用技巧和相关软件的应用，复习并更深入掌握了编程，最后得以 取得良好的结果更得益于全体成员的努力和配合，这为以后的几次的 实验都打好了良好的基础，最后一个小小的建议是希望老师对实验原 理和单片机方面多进行一些深入的讲解。
