激光跟踪导航系统.doc

目录第一章 概述1.1绪论1.2设计的思路第二章 系统的设计2.1全站仪2.1.1激光测距部分2.1.2激光测角部分2.1.3AT89S51控制芯片总结致谢参考文献第一章1.1绪论现代工业中，对于宏观大尺寸的测量有多种测量仪器和测量方法可以实现， 但测量原理和测量精度各不相同，差别很大。传统的大型精密仪器三坐标测量机不适合现场測量，测量范围有限。双经纬仪测量系统具有现场测量能力力，但其测量前标定所用的高精度标准棒易变形，且制作、标定和携带棘手，无法保证目前测量精度较高的是采用激光趿踪千涉动态测量的方法13】，这种方法最初是在机器人计量学领域发展起来的，是计量测试领域的一个新的发展方向，是激光技术在测试领域的最新应用。利用这种测量方法建立起来的激光跟踪测量系统很好地满足了大范围、髙精度、无导轨柔性测量、现场测量、动态实时跟踪测量等新要求【4】，5成为许多领域不可替代的测量工具，具有非常广阔的应用前录。1.2 设计的思路本系统的设计思路是采用AT89S51单片机为核心，来设计一种低成本、高精度的激光跟踪导航系统。第二章 系统的设计激光跟踪测量系统的工作原理15】是在被测量点处设立一个目标镜，激光干涉仪发出的测量光束经过一系列光路从目标镜中心入射，然后被目标镜反射并按原光路返回。当目标镜随被测点移动时，跟踪控制系统自动地调整测量光束的方向, 使其始终对准目标镜，同时，返回的测量光束与参考光束干涉，得出目标镜到跟踪转镜的长度变化量。根据目标镜到跟踪转镜的长度变化量，或与激光跟踪头给出的测量光束两个方向角度的变化量相综合，就可计算出目标镜的位置坐标，即被测点的位置坐标，这种测量方法是在成熟的激光干涉技术基础上，综合近二、三十年来飞速发展的计算机技术、电子技术、精密机械技术和现代伺服控制技术， 实现了对三维空间目标点的动态实时跟踪测量。按照获得目标镜位置信息的方法分类，激光跟踪测量系统原理可分为三角法、多边法和球坐标法。激光跟踪导航系统由全站仪、工业电脑、黄盒子、中央控制箱、ELS靶、远程操作调制调节器等几大部分。2.1全站仪即全站型电子速测仪（Electronic Total Station）。是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离（斜距、平距）、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。因其一次安置仪器就可完成该测站上全部测量工作，所以称之为全站仪。广泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测领域。测角部分补偿部分测距部分CPUI/O显示屏键盘接口电源 全站仪组成框图2.1.1激光测距部分系统结构原理如下图2.1所示:图1.1系统工作原理描述如下:微处理器控制脉冲发生电路产生上升沿约为5ns，脉宽约为IOOnS的电流脉冲，驱动LD激光器产生相应的激光脉冲，经分光镜和准直透镜后到达目标物，激光脉冲在物体表面漫反射后，由聚焦透镜聚焦，由接收与放大电路转化为电信号，又由时点判别电路产生“结束脉冲”，而“起始脉冲”以同样的道理由分光镜所分的发射激光得到，经过计时电路计时后，所得数据由微处理器经过计算后即可在液晶屏幕上显示出目标物距离测距装置2的距离。1.1激光脉冲发生电路以半导体激光器(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。图1.2 激光脉冲发生原理图1.2脉冲激光接收电路经过分析知雪崩光电二极管ADP是脉冲激光测距系统激光接收器件的最佳选择。它具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、抗强磁场干扰和动态范围大等优点，特别是其响应时间短，由于内倍增效应，它对微弱信号也有相当高的灵敏度，所以既能保证激光测距系统的测距精度，又能扩大测距范围。APD工作时需要较高的反向偏压故设计如下图的电路高压发生电路的主要元件有：开关三极管P7、储能电感Ll、隔离二极管D2、D3，以及输出滤波电容CS和用于产生方波的集成电路Ul。下面是高压发生电路的原理图：图1.3 高压发生电路原理图电路的基本工作原理是当三极管P7导通时，能量从电源流入，并储存于电感L1中，由于三极管导通期间正向饱和压降很小，因此这时二极管D2反偏，负载由滤波电容CS供给能量，将电容中储存的能量()释放给负载。当三极管截止时，电感中的电流不能突变，它上面产生的感应电势阻止电流的减小，感应电势的极性为上负下正，二极管D2导通，电感中储存的能量()流入电容(充电)，并供给负载。NE555集成电路的作用是产生一定频率的方波信号，使三极管周期性的导通、截止，从而在输出端得到较高的输出电压。在电感电流未到达饱和状态时，忽略管子的导通压降，可以通过下面的推导来计算输出电压。电感上的电压为： 因此，导通时电流的上升速率为: 其中i为导通时流过LI的电流，t为导通时间，v为电源电压，L为Ll的电感。假定电感反冲电压等于输出电压V，那么三极管截止时，电感上的电压为V-V。则电感上的截至电流的速率为: 而t是由三极管的截止时间决定的，如型号为3DK9的开关三极管其完全截止时间大约为1.5微秒，在这一段时间内，三极管完全截止，电流也到达0。由于三极管在导通之后，截至之前流过Ll的瞬间电流相等以及三极管的导通压降可以忽略，可以得出：v.t=v.t 由以上三式可得: 由上式可以看出，当t很小，而t相对比较大时，就能够得到很大的V值电压控制反馈电路为了得到更加稳定的电压，并且使电压在一定范围内可调，在高压发生电路中加入一个反馈回路。图1.4 反馈回路原理图这个反馈回路利用输出电压V来控制555集成电路的第5脚，使555的输出频率以及占空比发生变化，从而起到控制输出电压Vo的作用。图1.5 555输出方波图形如图3.7，555输出方波波形，它的周期T=T+T。其值由555电路中的电阻、电容，以及V来决定.放大电路放大电路的原理图如图，此放大电路关键器件包括AOD，电流放大-电压转换部分的Q118,Q120高频三极管和电压放大部分的Q122，Q124。，Q118,Q120采用高频三极管，其部分典型工作参数如下：工作频率：Ft=5GHz类型:NPN放大倍数:h=90集电极最大正向电流：Ic=25mAQ122和Q124采用高频三极管，其部分典型工作参数如下：工作频率: Ft=5GHz类型: PNP放大倍数:h=50集电极最大正向电流:Ic=5mA图1.6 放大电路原理图对于脉冲测距系统，当系统的探测概率为99%时，APD接收到的回波脉冲，其信噪比SNR应大于8，即: .计数器电路如下图所示:图1.7 计数器电路原理图将输出结果送入控制芯片。2.1.2 激光测角部分激光测角技术综述：光学测角法由于具有测量准确度高和非接触测量的特点，在角度测量中得到了越来越广泛的应用，而且在某些场合下正在逐渐取代机械式和电磁式测量方法。激光干涉法小角度测量技术激光干涉测角大多是以迈克尔逊干涉仪作为基本原理，将角度的变化转换为长度变化来进行测量，如下图左所示 经角锥棱镜反射的一路光的光程随着转角的变化而变化，因此干涉条纹也发生相应的移动，测得条纹的移动量，就可测得转台的转角。这种技术已经发展得非常成熟，美国、日本、德国、俄罗斯等国家早已将激光干涉小角度测量技术作为小角度测量的国家基准。为了消除转盘径向移动对角度测量的影响，采用如下图右所示的测量光路，用两个角锥棱镜形成差动测量，大大提高了系统的线性和灵敏度。为了增强干涉仪抗环境干扰的能力，可以采用双频激光外差干涉测量法，用双频激光代替普通光源。激光干涉测角仪的测量精度极高、易于实现数字化和智能化。不过，由于激光干涉测角仪是采用干涉条纹进行测量的，因此对环境的要求极为苛刻，许多外界因素，如周围空气流动、车辆运行等都会对测量结果产生很大影响，而且仪器结构精密、稳定性不好、体积大，因而通常只作为一种测量基准和检测手段，很难用于现场测量。2.1.3 AT89S51单片机由于此单片机应用在测距仪上，所以本设计选用了低功耗、低价格、小管脚(40脚)的AT89S51单片机。如图所示：图AT89S51芯片引脚图AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80S51引脚结构， AT89S51具有40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 Bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。引脚功能介绍 1.Vcc：电源电压。2.GND：地。3.P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个TTL。逻辑门电路，对端口写：“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。4.P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路，对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。表 P1口的功能端口引脚第二功能P1.5MOSI（用于ISP编程）P1.6MISO（用于ISP编程）P1.7SCK （用于ISP编程）5.P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。6.P3口：P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口，作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表表 P3口的功能端口引脚第二功能P3.0PXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外中断0）P3.3INT1（外中断1）P3.4T0（定时/计数器0）P3.5T1（定时/计数器1）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器写选通）7.RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。8.ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。9.EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。10.PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期为两次PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN信号。11.XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。12.XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。总结本设计系统采用了美国ATMEL公司生产的单片机AT89S51芯片为控制。设计了激光脉冲发射电路，实现了激光从发射到接受的时间测量，达到了距离测量的目的。致谢本次课程设计，要特别感谢姚丽老师的教导，她给我讲解了好多有光激光测量的知识，她认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我受益匪浅。在此我还要感谢在设计过程中所有给我真诚热情帮助的同学。最后，也要感谢老师能抽出时间来对我的设计进行评论，谢谢！参考文献1， 贾柏年，传感器技术。南京：东南大学出版社，20002， 闫石，数字电子技术基础。北京：高等教育出版社，19983， 赵晶，PROTEL 99高级应用。北京：清华大学出版社