【《基于STM单片机激光测距仪设计》7400字】

PAGE基于STM单片机激光测距仪设计目录摘要 11绪论 21.1研究意义 21.2研究进展 2120121.3研究内容 32总体设计 3219253硬件选择 454683.1硬件电路的芯片介绍 453223.2激光传感器的选择 5179783.3显示屏的选择 5179783.4语音模块的选择 6154564软件设计 677394.1软件的选择 740864.2主程序的设计 7154565电路设计 740865.1距离传感器电路设计 740865.2报警电路设计 8306325.3显示电路的设计 990275.4语音电路的设计 10312716系统调试 1148016.1软件调试 1190386.2实物功能调试 12参考文献 16附录 17附录1实物图 17附录2总电路仿真图 19附录3程序源代码 21PAGE1摘要：设计了一种基于STM32的摄像头和XKC-KL200激光测距模块联合控制的精准距离测量仪，该测量仪基于XCK-KL200的检测，通过图像处理，识别信息进入STM32进行检测、匹配和识别，实现了一般控制器关于距离的零误差测量，精度高，抗干扰能力强，感应角度小，使用智能感应非接触开关，安全卫生。在测量距离时还会进行语音播报。具有极高的使用价值和推广价值关键词：测距控制；stm32；XKC-KL200模块；NY3P035语音芯片；1绪论1.1研究意义随着技术的不断创新以及逬步,激光测距仪的功能也在变得越来越强大。除去系统自动化、集成化应用程度获得明显大幅提升趋势以外,测量设备的设计精度可靠性也正在变得重要性越来越的高。仪器系统操作应用起来都相对较简便,能够自动实现高精度测量与数据质量的远程实时自动获取,具有相对很高程度的可实用性。目前,这四类测试仪器均已经陆续走出常规军用设备以及工业科研装备领域,在各工业产业发展中均得到了相对较为迅速广泛成功的商业化应用,创造开发出的了的巨大价值。在很多例如油田开发勘测、铁路工程建设测量等需要非常特殊要求的复杂作业与环境领域,如果测距仪携带的产品重量、体积又太的大,携带用起来就将会是极其地不甚方便,给工作人员带来负担。同时,伴随着工业经济的逬一步发展,各个行业对工作效率逐渐有了新的想法。对于测距工作来说,人们希望可以以更快的速度获得更加精准的测距结果,且测距过程要尽可能减少对人工的依靠。同时即使在较为恶劣苛刻的恶劣外界环境情况下,激光测距仪设备依然保证能够长期正常运行工作,且系统具备目前较高等级的系统自动化性能水准,操作调试起来还将显得更加方便容易。也是因为伴随着中国近么些万年以来激光技术事业的持续不断高速发展,使得中国激光干涉测距激光技术无论是在科研军工技术应用开发方面,还是用在地方科学技术、生产环境建设改善方面,都显得非常重要。当今的社会生产和生活领域产生了非常明显的影响也是因为其所组成的更具自动化的激光测距控制系统。因此,对新型激光测距控制系统的开发不仅仅具有很重要的研究意义,而且还具有很高的推广价值以及实际应用价值。1.2研究进展国内及国外早在公元约20世纪初的70年代初刚开始兴起的那个时候光学及测量技术用在仪器行业里的就都已逐渐开始被研究并运用的上了激光技术。世界科学史上最早的世界第一台半导体激光器,是最早由美国激光器的发现者休斯飞机公司与美国著名科学家梅曼一起于苏联在苏联1960年首先开始设计与研制激光器而并成功获得应用许可的,被人叫做柯丽达1型。在大约1971年之时,美国称为美国号的军方飞机中就已经开始或率先成功地开始配备装起了AN/GVS-3型红宝石激光干涉测距武器系统。从此,各国军队里就已经逐渐开始都已经配备安装起来使用了这种专用于探测水下和侦查地面目标的便携式水下自动激光测距机,在美国的军队潜艇装备中采用的各种更先进的型号艇上配备的新型水下自动激光水下自动光学测距机雷达装置等亦已相应地慢慢的也开始逐渐得到更广泛地了开发和应用。20世纪后的上个世纪70年代,有意大利美国公司、法国的俄罗斯设备公司等这些两国的著名厂商的国际著名的设备公司曾先后与开展有过长期合作研究与开发研制,该设备技术产品范围广泛涉及于军事及航天、海洋、工业机械制造等等工业的多个学科方面。经过了很多年来的持续不断地技术发展探索,激光测距机现在已经成功迭代发展出到了前两代,已经成功的研制发出到了第3代。第1代的激光红外测距仪系统最初主要设计是主要由红外光电倍增管和探测器阵列系统以及红外宝石激光器等系统部件构成支撑起来工作的。但是因为有其设备占地面积相对过太广、重量都很偏重、耗费的激光电量还比较的多等多个比较重要的缺点而被渐渐地被称为第2代红宝石激光器系统的激光红外线测距器系统所取代。第2世代的激光测距系统大多是运用于近红外钕激光器系统中(主要是Nd:YAG激光器)以及PIN光电二极管或者主要是雪崩光电二极管。与美国第一代系统相比,第2代激光雷达测距雷达系统本身的结构体积大小和整机耗电量一般都能小出很多,因此它得到了很快速和发展。到了20世纪的70年代,YAG激光器应用技术开始趋于全面成熟,将这种新型激光器分别应用于各种短程、中程、远程波段的新型激光红外测距跟踪雷达中以已经形成这样一种趋势。但是因为其对激全天候的测距的精度极低、兼容性比较差以及严重损伤到人眼组织的一些缺点,伴随着第二代激光技术应用与光电子技术理论的继续研究,逐渐开始被第3代的激光测距技术系统研究所逐渐取代。第3代的激光红外测距计系统相比较于前的两代系统来说也有取得了活力十足新的突破性发展。其光学结构上运用上了对人眼更加安全无害的红外激光器,并用上了一些最新发展的先进电子技术。而且它体积变得更袖珍小、耗电量相对更少而扫描精度又更高。西方多个国家已开发研究出一系列了多种用途和不同特点的扫描测距仪器系统,有单管光束激光扫描测距器系统、二维激光扫描式测距机系统等。1.3研究内容本产品因基于STM32单片机所以在运行时耗电低，性能稳定，能较好的测量产品与被测量物体之间的距离精准显示与物体之间距离的测量结果，主体硬件方面由XKC-KL200传感器、1602液晶显示屏、NY3P035语音芯片所组成，XKC-KL200传感器发射激光进行测距把信息传回STM32芯片由单片机控制液晶显示屏改变数字以及语音系统播报距离，通过RS232串口模块连接电脑实现电脑显示。软件方面采用抽语言程序编程。通过以上硬件与软件的结合共同组成了激光测距控制系统的整体结构，并能够实现对测距数据的精准识别。因为单片机的兼容性，同时可以在测距仪里加入蜂鸣器和LED灯进行报警当测距仪与被测物体距离太近或者太远时可以进行声光报警提醒使用者距离的保持，从而保证适当的距离，而且报警的距离可以调节，以便适用于各种场合，而且在生活中也可以得到广泛的运用，例如倒车的时候，司机就可以知道车子距离后方障碍物还有多远。对于测距仪需求的距离可以任意调节。测距仪还可以加入NY3P035芯片，再加入语音模块后，从而进行语音报警和语音播报测量距离，让使用者随时了解测量的距离进行精准把控，也对使用者进行距离提醒，在测距结束后可以对之前的数据进行记忆，也可以查看之前几次的测量数据，从而进行测量数据上的比对和校验。2总体设计本设计主题硬件由XCK-KL200模块，NY3P035芯片，LCD1602液晶显示器进行组成由电源给单片机芯片供电，激光传感器把激光发回的信号进行传输，传输给单片机单片机进行判断是否小于预先设定的距离，并实时在显示屏上进行显示，显示屏上会显示预先设计的距离以及当前XCK-KL200模块进行检测发回的距离，当距离小于预设距离时扬声器与蜂鸣器工作，并播报当前距离，并进行报警。图2-1-1为本系统的总体设计框架图电源激光传感器控制按钮单片机芯片扬声器电源激光传感器控制按钮单片机芯片扬声器显示屏图2-1-1本系统的总体设计框架图3硬件选择3.1硬件电路的芯片介绍在推出了STM32F105型系列和STM32F107型互连型系列这样的新一代微控制器产品系列之前,意法半导体公司还已经曾分别成功推出了过STM32基本型系列、增强型系列、USB基本型系列、互补型系列等等型号;所有这些较新出的增强型系列产品全部仍然沿用到了增强型系列产品的最高的72MHz的前端总线处理频率。内存类型包括从64KB的闪存到256KB的闪存和从20KB的闪存到64KB内存的嵌入式SRAM。新系列产品主要采用了LQFP64、LQFP100和LFBGA100这三种标准封装,不同尺寸规格的三种标准封装仍能有效保持其引脚排列一致性,结合基于STM32平台的硬件设计及优化的理念,开发项目小组人员已能轻松通过自主编程选择新产品并且可随时自行重新进行设置及优化配置其主要功能、存储器、性能和引脚数量,以快速获得当前最小数量可用的硬件参数变化空间来实现完全无法满足对其进行个性化设计时的一些实际工程应用场景需求TM32互连系列产品还同时将可以提供到一种能够与几乎所有的其它厂家的STM32微控制器产品采用相同接口规格设计的软件标准接口,这种软件外设共用性已经极大地提升了到了整个产品家族体系中产品的软件的应用功能和操作灵活性,使软件设计及开发和设计专业人员们几乎同时可以轻松做到在多个软件产品的开发或设计操作流程体系中同样可以无需重复的直接使用连接到了同一个软件。新的STM32的标准串行外设接口包括增加了大约10个串行定时器、两个12位的并行1-Msample/s和模数转换器接口(交错模式下2-Msample/s)端口、两个12位的并行数模转换密码器、两个标准串行I2C总线接口、五个标准并行USART接口和三个标准并行SPI端口。新开发的产品外设共有约12亿条的DMA通道,还有一个CRC计算单元,像目前许多其它厂商的STM32位微控制器的产品一样,支持96位的唯一标识码超低功耗技术平台也将仍然是一个确保STM32L系列芯片取得到了一个业内的最领先级别的超高低能效性能水平的主要技术关键。这个超低功耗技术平台现在仍然也将可以继续被广泛用来设计广泛地生产用于意法半导体封装中的高性能的8位微控制器STM8L系列产品。EnergyLite™超低功耗技术平台是一项基于日本意法半导体集团独有技术平台的新型130纳米nm制造和封装新工艺,为保证能够持续实现超极低耗的零泄漏电压和电流特性,意法半导体集团近期对该技术封装及平台系统设计方案进行了一次全面和深度地设计及优化。在维持正常电池工作充电条件下和睡眠待机工作模式前提下,EnergyLite™超低功耗技术平台还将可以有效确保在最大程度的最小限度上的提升电池能效。基本尺寸参数此外,该技术平台上使用到的内嵌闪存模块均采用到了德国意法半导体集团所开发独有知识产权的超低功耗闪存技术。基本参数这个平台系统中还可同时集成提供了直接访外存功能(DMA)和支持功能,在维持整个嵌入式应用程序及系统的正常高效运行速度的工作过程中即使关闭掉了闪存电源系统和CPU,外设芯片系统仍然还会始终保持一个最佳的工作及负载运行状态,从而也无疑都可为整个嵌入式平台开发以及应用研究人员们大幅的节省出了大量且宝贵的系统运行时间。STM32F103C8T6单片机芯片如图3-1-1所示。图3-1-1STM32F103C8T6单片机芯片管脚图3.2激光传感器的选择在距离测量方面，本文采用XCK-KL200模块，图3-3-1所示为模块与控制器对接，图3-3-2为模块实物图XKC-KL200传感器是一款通过智能非接触式开关、带有标准的UART和串口,高低电平或NPN电路来驱动传感器输出电信号的新型激光自动测距式传感器。该激光传感器可利用激光束对周围物体漫反射原理:当一人或多个物体一起进入到传感器上设定位置的激光感应区域,传感器会输出激光信号,同时传感器能保证精确测量输出目标距离;人进入或当物体完全离开感应区后传感器关闭则自动关闭信号输出。此红外传感器也有很多新特点,在室内环境情况下,实时最大测量红外距离能达每秒4米,它的抗干扰检测能力就很的强,不受外界物体表面颜色变化影响,在很多极端的状况下都可以正常工作。在正常情况下它的探测感应角度很小,相对应的该激光传感器所带来的误差很小,可以相对精准的探测想要的距离,此传感器拥有多种方式输出,可兼容多种仪器,使用起来及其方便。图3-3-1XCK-KL200模块与控制器对接图3-3-2XCK-KL200模块实物图3.3显示屏的选择显示屏本款设计所采用到的液晶显示屏模块是指一款新型LCD1602型系列数字液晶显示器。LCD1602字符型系列液晶显示器模块是在当前国内广泛的被人们使用了起来的一种又的一种新型的字符型系列数字液晶显示模块。它是基本元件是指通过由字符型数字液晶显示屏块(LCD)模块、控制单元与扩展驱动元件模块主控制电路芯片HD44780芯片及其他扩展电路和扩展驱动元件控制电路单元HD44100,以及其它的少量简单的电阻、电容元件模块和结构件块等模块进行装配并焊接后在同一个PCB的样板层上连续生产组装而组成。不同的芯片厂家所设计生产及使用到的LCD1602芯片价格虽然可能也还有一些所小不同,但在具体实际使用得到的报价方法也基本上也都是完全是一样的。为了能够大大的降低实际采购的成本,绝大多数芯片的实际制造生产工厂商都是可以最直接方便的将裸片直接的做到板子上。它的管脚如下图3-4-1图3-4-1LCD1602引脚图3.4语音模块的选择本产品所用的语音模块采用NY3P035语音芯片。芯片管脚如图3-5-1所示。NY3P035语音芯片产生的声音音质较好，能够灵活控制，同时使用寿命较长。图3-5-1NY3P035语音芯片管脚图4软件及电路设计4.1软件的选择本次毕业设计使用Keiluvision5软件来为STC89C52单片机编写程序。它具有以下优点。Keil5的操作界面简单，能够让初学者快速使用。Keil5可以编写不同型号单片机的程序，兼容性强。Keil5的下载速度快，能够快速的导入、导出数据。Keil5能够完美兼容上几个版本Keil软件。Keil5能够在多种系统环境下运行（Win7、Win8、Win10等）。Keil5可以用现今流行的C语言编写代码，操作方便。4.2主程序的设计主程序，主要用来控制距离子函数、显示子函数、报警子函数、语音子函数。通过使用Keiluvision5软件来为STC89C52单片机编写程序。下图4-2-1为主程序设计结构图距离子函数距离子函数显示子函数报警子函数总函数语音子函数4-2-1主程序设计图5电路设计5.1距离传感器电路设计下图5-1-1为距离传感器电路设计图，当距离测量传感器在检测接收到的距离传感器信息时,将测量信息实时传输反馈到单片机,随后由单片机直接将该信息直接传输回给液晶显示屏,并且得到实时显示。5-1-1为距离传感器电路设计图下图5-1-2为距离传感器工作流程图。当供电开始时，单片机各电路进行初始化。这时，距离传感器开始进行工作，它将收集到的距离传感器信息传输到单片机芯片，同时单片机将信息传输到显示屏上，显示屏通过计算将这些信息显示在屏幕上。开始开始初始化距离传感器单片机显示屏返回图5-1-2为距离传感器工作流程图5.2报警电路设计下图5-2-1距离报警电路，是通过给XKC-KL200距离传感器设置一个理想中的阈值。当工作电路接通时，如果传感器距离小于阈值。此时，蜂鸣器会产生响声，发光二极管将会闪烁。距离传感器通过内部电路检测实时的距离信息，将检测距离的模拟信号转化为数字信号，传输给单片机，单片机通过快速的计算，将信息反馈给外部电路。外部电路判断信息，判断是否开始工作。图5-2-1距离报警电路如图5-2-2为激光测距流程图，当激光传感器接收到前方物体时，它会把信息传给单片机，单片机通过判断是否小于设定值然后进行随后将信息传递给外部特定电路，来判断是否开始工作。5-2-2激光测距流程图5.3显示电路的设计图5-3-1为显示电路设计图，显示屏在接收到单片机的信息时，它会先进行初始化，然后将单片机传输的信息显示在屏幕上。图5-3-1显示电路设计图显示模块在进行工作时，需要初始化。单片机收集环境参数之后，LCD1602显示屏将会将这些收集到的环境参数信息转变成图形、文字信息呈现在显示屏上。下图5-3-2为显示电路子程序设计流程图。开始开始判断环境参数初始化显示屏工作结束是否图5-3-2显示电路子程序设计流程图5.4语音电路的设计本次毕业设计利用NY3P035芯片来搭建语音电路。它的主要功能是为了播报出现的距离异常。如下图所示，下图5-4-1为语音电路设计图。图5-4-1语音电路设计图当单片机通电输出后,开始自动进入初始化,同时距离传感器将开始自动工作,当距离值小于了我们事先设置过的阈值范围的范围时候,单片机控制器将会开始发送指令信息给语音模块,此时语音开始工作。下图5-4-2为语音模块子程序设计流程图。开始开始判断环境参数距离传感器语音模块工作初始化结束是否图5-4-2语音模块子程序设计流程图6系统调试6.1软件调试本次毕业设计，选择了Keil集成开发平台作为软件程序的开发平台。该软件可以支持各种单片机控制软件程序的开发和调试。同时，它支持使用C语言和汇编代码来编写程序。当使用此软件时，可以完成代码程序的编写、编译、代码程序连接以及调试。同时,该开发平台内有了大量丰富的函数库可提供软件开发相关人员可直接参考使用,大大的提高了软件开发专业人员程序库的综合开发运行效率而且有效减少降低了开发软件程序中的出错率,使得开发工作更加稳定。下图6-1-1为软件调试图。6-1-1软件调试图在使用Keil之前，需要配置Keil，以便Keil可以调用所用MCU的寄存器，库函数等。固件库或寄存器可在配置期间使用。大多数项目可以使用固件库进行配置。因为使用固件库配置，所以可以使用固件库封装的库函数。此温度控制代码也是基于库函数编写的，有利于工程开发，因此有必要在Keil中配置STM32F1的固件库6.2实物功能调试激光测距仪感受到距离传感器发回的消息并判断是否符合标准下图6-2-1为本毕业设计未通电时的实物图图6-2-1毕业设计的实物图下图6-2-2为本设计通电后的实物展示图，从图上可以看到显示屏第一行是实时监测距离，第二行是设定距离图6-2-2毕业设计通电后的实物展示图下图6-2-3为本设计通电以后，当测量的距离比预先设定的距离小时的实时显示图，此时可以明显的看见显示器第一行发现了明显的变化，显示出当前的测量距离，此时距离传感器旁边的二极管开始闪烁，说明发现异常。此时图中喇叭开始工作，自动播报：“当前距离多少厘米”图6-2-3毕业设计通电后的实物工作展示图在此做完实物后对此激光测距仪进行测试，测试其测量距离是否准确，以及误差是否偏大，对激光测距仪进行20次测量，并且每次的测量距离在零至两米不等，以及在小于设置距离时是否报警，10次在设定距离远处进行测量，10次在设定距离小的地方进行测量，从而判断是否会误判以及是否小于设定距离时不会报警，以此得出报警的灵敏度是否灵敏以及出错率。图6-2-4为测量距离时的照片，表6-2-1为测量20次的情况图6-2-4测量距离时表6-2-1测量20次的情况测试长度/cm测距仪显示显示长度/cm设定距离/cm是否播报200200100否190191100否180180100否170170100否160159100否150