石油管线长度的激光测距仪设计.doc

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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： 电气工程及其自动化 学 生： 白君毅 指导教师 ： 尉乔南 完成日期 2013 年 5 月南阳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 Instru

2、ment of the Petroleum Pipeline Length学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 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： 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology石油管线长度的激光测距仪设计电气工程及其自动化专业 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

3、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内部的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

4、 and Automation Specialty BAI JunyiAbstract:Because the laser 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 finder are generally two ways to measure the distance: the pul

5、se method and the phase method. The design uses pulsed laser 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

6、 ranging module length, display the real-time measurements, 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

7、automatic generation of the data table is stored, is helpful 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设计的背景及意义11.2激光测距仪发展历史和现状11.3 设计主要内容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

8、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 设计原则及技术指标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.

9、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

10、软件安装程序235 脉冲激光测距仪的不确定度分析及性能测试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致谢341 引 言1.1设计的背景及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、大地测量、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

11、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，国内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

12、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，建筑测量和大地测量学。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

13、：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。国内小型LD激光测距仪是仍处于发展阶段。航天科工集团8358开发的测量范围200m时，精度为0.5m，数据速率为100Hz激光测距仪。中国科学院上海光学精密机械研究所，于1

14、996年开发的半导体激光测距仪选择国内半导体激光器，波长800-900nm，重复频率为lkHz，测距范围100m，精度为0.5m。在1999年，学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，测距范围为14-1000m，4M晶体的线性扩增技术。常州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 设计主要内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

15、光测距仪。石油管线长度激光测距仪设计的内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KEIL Vision4平台，进入仪器主

16、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，将输出的连续激光用某种频率的信号调制，通过测量激光的调制波在被测目标上往返的相位变化，来测量信号传播时间，以此达到测距目的，这种方法具有极高的准确性，通常在毫米级。（2）脉冲测距法由于激光脉冲有很大的瞬时功率，具有发射时间短、发散角小等优点，能量在空间和时间上相对集中。它利用激光器的激光脉

17、冲测量目标，通过激光脉冲漫反射，测量往返飞行时间来测距，绝对精度不是很高。（3）干涉测距法干涉测距法属于相位法测距的一种。但它不是通过测量激光的调制波在被测目标上往返的相位变化来测定距离，而是通过测量光波的干涉条纹的变化来测距，分辨率比相位测距法更高一些。表1 测距方法比较测距方法测距范围精度应用领域相位法激光测距几米到几公里毫米量级大地、体育测量脉冲法激光测距几十米到上万公里米量级军事、科研干涉法激光测距厘米微米量级地壳形变、大陆2.1.2 按测距能力分类从测距能力来看可分为5 类：微位移激光测距仪、短距离激光测距仪、中距离激光测距仪、远距离激光测距仪、超远距离激光测距仪。（1）微位移激光测

18、距仪一般采用干涉法和三角法测距，精度高，能达到微米级或纳米级，来测量被测物体的微小位移，主要应用于超精密加工，精密定位领域等。（2）短程激光测距仪短程激光测距领域应用非常广泛，一般采用半导体激光测距仪，测程可达3km。（3）中距离激光测距仪固体激光器、气体激光器一般被作为中距离激光测距仪的光源，测量距3km到 15km 范围内。（4）远距离激光测距仪远距离激光测距仪在地形、大地测量领域中应用的很多，测程在 15km到100km 范围内。（5）超远距离激光测距仪对于超远距离激光测距仪，主要是以大功率固体激光器为光源，大多应用在人造卫星、宇宙空间等目标的测量，测量距离可达几百至几千千米。2.1.3

19、 按激光载波数分类激光测距仪根据激光载波数目可分为单载波激光测距仪和多载波激光测距仪两种。（1）单载波激光测距仪单载波激光测距仪采用单一激光频率来进行测距，具有测量速度快的优点，但是精度不如多载波激光测距仪。（2）多载波激光测距仪为了能够测量更远的距离，达到更高的测量精度，多载波激光测距仪采用不同频率的激光来测距。2.2 相位式激光测距相位式激光测距是通过测量激光调制信号在待测距离上传播往返过程中产生的相位变化量，再根据调制信号频率，计算出该相位延迟变化所代表的距离，也就是用测量相位变化的间接方法代替直接测量激光飞行时间，从而实现距离的测量。对于近距离的测量，从速度、精度和稳定性等方面综合考虑

20、，相位式激光测距方法优于其它的测距方法，但是由于相位式的激光发射功率不可能太高，所以测量还是受到了限制，为了在确保测距精度的前提下尽可能增大测量范围，同时提高系统信噪比，一般要采用光学角反射器作为合作目标。由于光波自身频率高达1011Hz以上，如果直接测量如此高频率信号的相位是十分困难的，因此相位式激光测距通常要对激光进行调制。为方便分析，设调制频率为f，波形为正弦波，波长，假设接收位置在A，点(实际发射和接收位置都在A点)，AB=BA， AA=2L，信号波经过AA后的相移为，飞行时间t，如图1所示。图1 相移波形展开图则被测距离L为： (1)其中Ls为半波长，称为侧尺长度，m为光波全行程中的

21、整周期数，m是不足2的余数。由式（1）可知，相位式激光测距原理类似于用尺子测量距离，尺子为Ls，测得的距离等于整数倍的单位尺长加上不足一个单位尺长的余数。在给定调制频率f和标准大气条件下，测尺长度Ls为一个确定常数，所以要得到被测距离L，只需确定整尺数m和剩余长度的比例数m即可。当距离时，即m=0时，可确定距离L为 (2)由式（2）可知，对于长距离的测量，可适当降低调制频率f，即可得到被测距离L，但是由于测相误差的存在，使得选用的光尺Ls越大，导致测距误差也越大。当m0时，即Ls L时，无法仅由单一的频率确定m的值，也无法唯一的确定被测距离，所以需要同时使用几把Ls不同的“光尺”。比如，要测的

22、距离967.88m，测量相精度为1%时，选用Ls为1000m调制光作“粗尺”以及Ls为10m作“细尺”，用Ls测量不足1000m的尾数967m，用Ls测量不足 10m 的尾数7.88m，两者加起来就得到最终的测量结果。所以用相位法来测距时，必须同时使用一系列（两个或两个以上）不同频率的调制波来测距，这样才能保证测距仪的高精度和大量程，其中最长的测尺用来保证测程要求，而最短的测尺用来保证精度要求。2.3 脉冲式激光测距原理激光技术的早期应用之一就是脉冲式激光测距。由于激光脉冲发散角很小且发射持续时间非常短暂，这就导致能量在空间与时间上相对集中，使得激光脉冲瞬时功率很大。因此在合作目标配合的情况下

23、，脉冲激光测量可以实现较大的量程。但是在多数实际应用中，由于设置合作目标较为困难，脉冲激光测距一般是通过待测目标物对激光的漫反射获得反射信号来测距。脉冲激光测距原理是通过测定激光在待测距离上往返所经历的时间(飞行时间)，然后由测定到的时间通过式（3）求出距离： (3)其中L为待测距离，c为光速，t为激光飞行时间脉冲式激光测距原理框图如图2所示，该系统由激光发射系统、光学元件、接收电路、转换芯片、控制和显示电路组成。光学接收系统部分还应加上干涉滤光片和小孔光阑，其作用是减少背景光及杂散光的影响，降低探测器输出信号的背景噪声。图2 脉冲式激光测距原理图当系统对准被测目标后，由激光器发出一个强度很大

24、，很窄的激光脉冲，这个脉冲经过光学发射系统的聚焦以及准直作用后，会使其发射角变小，当激光脉冲发射出去的同时，其中有一部分光经两块反射镜反射进入到接收望远镜，以它作为发射的参考信号，以此来标定激光的发射时间；参考信号进入接收望远镜后会首先经过滤光片，然后到达光电探测器，将光信号转变成模拟电信号，经过放大，整形等处理后，送入时间测量系统，将其作为起始脉冲，使触发器触发电子门的开启，让计数器开始计数，而发射到被测目标的激光脉冲，经漫反射后，一部分光脉冲从原路返回，进入到接收望远镜，通过同样的信号处理，得到结束脉冲，使触发器触发电子门的关闭，让计数器停止计数，通过测量光脉冲到达目标后，由目标漫反射回到

25、接受系统的脉冲数就能计算出相应的时间间隔，从而计算出目标的距离。脉冲法激光测距系统计算时间间隔T 的时序图如图3所示。设在t时间内，有N个时钟脉冲进入计数器，时钟脉冲的振荡频率为f0，则有: (4)式(4)中，表示每一个时钟脉冲所代表的距离增量。如果计数器计数N个时钟脉冲，则由式(4)可得到目标距离R0，L的大小决定了脉冲激光测距的测量计数精度，显然L的大小与时钟脉冲的振荡频率f0成反比，f0越大，L越小，测量精度越高。图3 时间间隔T的时序图2.4 相位法与脉冲法的比较脉冲激光测距法相比相位激光测距法有以下几项优点:（1）因为脉冲激光通常可以有很高的瞬间输出光功率，使较远处的目标物仍能反射回

26、足够被检测到的光信号强度，所以在相同的总平均光功率输出的条件下，脉冲光波型激光测距仪可测量的距离远比连续光波型激光测距仪要长。（2）测距速度较快。脉冲激光测距只需要收到回波脉冲即结束计时，所以采取某些计时方式时，其单次测量所需要的时间非常短。而相位法所测量的是两个“连续信号”间的相对相位差，因此在测量时间上相对比较长。（3）不需要合作目标，隐蔽性和安全性好。连续波激光测距通常需要在目标处放置反射镜等装置来提高回波功率，而脉冲激光测距有很高的瞬时功率，不需要目标有合作性；另一个方面，脉冲波激光测距由于是瞬时发射激光脉冲，其隐蔽性和安全性均较高。考虑到以上特点和实际系统设计要满足体积小、功耗低、高

27、重频、测距速度快等特点，我们选择脉冲激光测距法作为整体系统的测距方式。2.5 脉冲激光测距仪的总体方案设计2.5.1 设计原则及技术指标考虑设计脉冲激光测距仪的最终目的是为了降低工人的劳动强度，提高测距的精度，并且能适应野外恶劣的环境等，对脉冲激光测距仪硬件的设计原则如下：（1）保证测量精度准确，准确度应控制在0.025%以内；（2）能及时的采集数据、执行命令和数据通信；（3）在线实时测量，并能同步显示测量结果，实现自动累加功能。（4）使用可靠、操作简单、高精度、低碳、环保的智能设备；（5）能适应野外的恶劣条件，在冷，热，尘，雨，电，风沙等环境下正常使用；（6）确保性价比高。2.5.2 脉冲激

28、光测距方程激光的测距方程是根据激光回波信号光功率来分析的，由于激光在大气中的传播是一个复杂的过程，会受到很多因素的影响，因此，我们采取了一些近似：激光在大气中的传播服从几何光学的规律，大气是均匀的，大气折射率不变；外部干扰、背景辐射可以忽略；激光在目标上的反射属于漫反射，且目标上的反射率各点相等；激光在轴向上对称，在较远处其能量分布均匀。通过推算，其接收光功率为3： (5)其中，PR为接收光功率，P为发射光功率，TI 为发射透镜光学透过率，AR为光电探测器有效接收面积，TR为接收透镜光学透过率，A为接收部分光学滤波片的光学透过率，为目标反射率，为光轴和目标反射表面法线之间的夹角，D为测量距离。

29、从该激光测距方程分析可知，为了提高系统探测灵敏度，也就是提高接收光功率，我们可以采取很多措施，如增加发射光功率，选择光学透过率较高的发射透镜、接收透镜以及接收部分滤波片，增加光电探测器的有效接收面积。激光测距系统是一种典型的光子雷达系统，其光子测距方程可表示为： (6)其中，NR、NI分别为接收和发射的光子数，I、R 分别为发射透镜和接收透镜的透射率，为大气的衰减系数，D为待测目标的距离，d为接收透镜的光孔径，为目标反射率，为观察方向与法线方向之间的夹角。从公式(6)可以看出，不同目标反射率，大气条件相同的条件下，接收光子数会随着测量距离成指数衰减变化，同时，它也会随目标反射率变大而增加，所以

30、在可以选择的情况下，尽量以高反射率的物体作为目标物来实现距离测量。在相同的目标反射率，大气条件不同，即大气的衰减系数不同的情况下，接收光子数会随着大气衰减系数变小而增加。接收光功率等于接收光子能量除以脉冲时间，因此，接收光功率为： (7)其中，WR光电探测器接收光能量，为脉冲宽度。假设接收的光子数NR等于105，脉宽为90ns时，经过计算，光功率PR等于2.3410-7W。2.5.3 硬件系统总体方案设计本激光测距仪是基于脉冲法激光测距原理设计的，硬件系统部分由单片机控制激光测距模块测距，并将测量结果送入液晶模块进行实时的显示，同时可以将测量结果累加，保存在单片机内部自带的E2PROM存储模块

31、中。测量完毕后，可以通过串口通讯模块将数据传递给上位机，对测量结果进行再现及数据保存。硬件系统主要包括单片机核心控制、脉冲激光测距、按键、显示、串口通讯等几个模块。其结构总体框图如图4所示。图4 激光测距仪硬件总体框图2.5.4 软件系统总体方案设计在设计了石油管线长度的激光测距仪的硬件系统后，还需要设计软件系统来实现仪器的各个功能。软件系统设计的好坏直接影响到仪器的稳定性以及功能的实现。本仪器的软件设计主要包括以下两个部分：（1）下位机软件设计：该程序的编写是基于Keil Vision4集成开发环境（IDE），利用单片机C语言进行，目的是完成石油管线序号的录入、长度的测量、显示、累加、存储以

32、及与上位机通信。（2）上位机软件设计：该程序的编写是基于LabVIEW平台，基于图形化编程，目的是实现石油管线长度测量的数据结果的传送、处理、并以表格的方式存储，方便用户查看。3 脉冲激光测距仪的硬件设计3.1 脉冲激光测距模块脉冲激光测距模块主要的功能是实现石油管线长度的实时在线测量，脉冲激光测距模块的核心器件是激光器和光电探测器。3.1.1激光器的介绍激光器的原理：在工作物质的能带（导带与价带）之间，或能带与杂志（受主或施主）能级之间，通过一定的激励方式，实现非平衡载流子的粒子数的反转，当处于粒子数反转状态的电子与空穴复合时，就可以产生受激发射作用。产生激光的必须的条件是：增益大过损耗和粒

33、子数的反转，所以激光器中必不可少的部分是：激励源、工作物质、谐振腔。工作物质也称激活物质，它是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质，它的原子能级间距离可提供所需的激光频率。谐振腔可使腔内的光子具有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。按工作物质来分类的话，激光器可以分为以下几种：（1）气体激光器气体激光器。目前，最常用的是氦-氖激光器。（2）固体激光器固体激光器。现阶段，最长用的固体激光器是Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石），它的工作波长一般为1064nm。（3）染料激光器染料激光器。现已发现的液体激光器共500多种，它主要有以下特点：连续可调节输出激光波

34、长，价格低廉，效率高，多用于光谱分析、激光化学、医疗、分光光谱和农业。（4）半导体激光器。半导体激光器本质上属于固体激光器。目前，用的最为广泛的是砷化镓（GaAs）激光器，波长为840nm，另外还有掺铝的砷化镓、硫化铬、硫化锌等。（5）自由电子激光器。自由电子激光器是一种特殊的新型的激光器。它的特点是：短波长、大功率、高效率。它的应用前景非常可观，可以用在通讯、光谱学、光化学、遥感、同位素分离等领域。目前，最短工作波长的自由电子激光器位于斯坦福，它的波长为0.15nm。由于激光器的种种优点，激光器被广泛应用于农业、工业、精密测量、通讯、医疗、军事等各领域，特别是作为测距光源，它方向性好、功率大

35、、测量精度高、测程远。由于气体、固体、液体、自由电子激光器的体积笨重、价格昂贵等缺点，现阶段，激光测距仪一般多采用半导体激光器，它体积小、性能可靠、价格相对便宜。目前，应用较广且性能较好的半导体激光器是具有双异质结构的电注入式，波长为 0.9m的GaAs二极管激光器。3.1.2 光电探测器的介绍光电探测器主要是以单值方式把辐射功率或辐射能量转换为一个个一般的电学量而不进行信号处理或显示的器件。它广泛应用于在军事、国民经济的各个领域。在红外波段主要用于红外热成像、红外遥感、导弹制导，而在近红外或可见光波段则用于光度计量、工业自动控制、射线的测量和探测。影响它性能的主要因素有：光电二极管类型、材料

36、、掺杂物质和光电二极管的体积。它的种类很多，按结构分类主要有：硅光电二极管、MSM、PIN、雪崩（APD）光电二极管以及光电倍增管等。考虑到动态特性（即频率响应与时间响应）时，光电二级管和光电倍增管较好；考虑灵敏度时，光敏电阻、光电三极管、雪崩光电二极管、光电倍增管较好，考虑光电特性（即线性）时，光电池、光电二极管、光电倍增管较好。硅光电二极管特点：对1.06m波长光量子效率高，体积小，寿命长，本身噪声小。缺点是：本身不具备内增益，对放大器的要求很高，仅用在对体积和重量要求严格，接受灵敏度和响应速度不高的场合。硅雪崩（APD）光电二极管具有硅光电二极管的所有优点，并且克服了硅光电二极管不具有内

37、增益的缺点，探测器的灵敏度也高，缺点是噪声较大。在选择光电探测器时，应注意一下几点的匹配：（1）在光谱特性上，必须与光学系统及辐射信号源匹配。若信号是可见光，则可选择光敏电阻、硅光电器件、光电倍增管；若为紫外光，则选用专门的紫外光光电半导体器件、光电倍增管；若为近红外，则选择光电倍增管、硅光电器件。（2）在光电转换特性上，必须与入射辐射信号匹配。对于微弱的光信号，光电探测器必须有合适的灵敏度，确保一定的信噪比以及输出足够强的电信号。（3）在电特性上，必须与输入电路匹配，确保有足够大的信噪比、线性范围、转换系数以及快的动态响应等。（4）必须与光信号的调制形式、调制频率与相位匹配，确保输出波形不会

38、有频率失真以及具有良好的时间响应。（5）必须注意选择器件的规格以及使用环境相匹配，保证器件长期、稳定可靠的工作。目前，激光测距仪一般选用雪崩(APD)光电探测器或PIN光电探测器。现阶段，世界上著名的生产激光脉冲测距模块的公司有博世(BOSCH)公司，德国喜利得(HILTI)公司。国内也有不少生产厂商，但是由于国内的技术比较落后，虽然在精度和性能方面仍达不到国外的先进水平，但是国内的生产的激光脉冲模块性价比比较高，也能满足本系统的基本的测量要求4。3.2 总体电路设计该激光测距系统硬件设计的核心是单片微型计算机STC12C5A60S2系列AT89C52芯片。它基于8051内核，是新一代高速、低

39、功耗、超强抗干扰单片机，指令代码完全兼容8051，但处理速度却快8-12倍。它的优点是：含通用I/O 口36个，可设置为四种模式：强推挽/强上拉、准双向口/弱上拉、开漏、仅为输入/高阻，每个I/O的驱动能力均达20mA，但整个芯片最大不能超过120mA；它内部自带 E2PROM，可以实现数据的掉电保存；它除了含有与传统51单片机兼容的16位定时器T0和T1，还包括2路PCA模块，也可做16位定时器；它内部自带8路A/D转换，转换精度是10位，转换速度达250K/S（每秒25万次）；它还有双串口：RXD2、TXD2。STC12C5A60S2 系列的单片机基本上包含了数据采集模块控制所需要的所有的

40、单元，包含：中央处理器（CPU），程序存储器（Flash），数据存储器（SRAM），定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换，SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等。AT89C52芯片与外围电路74LS373、AT28C64、字符型LCD、MAX232、9针串行接口、44键盘等组成了系统的硬件系统。3.3 键盘的设计3.3.1 测量、通信按键本系统测量、通信按键区用到的是常开按键，包含四个按键，分别是激光开关按键、测量按键、存储按键及通信按键。开关按键用来打开激光光源，测量按键是用来测量石油管线的长度，存储按键是用来存储数据结果的，通信按键用来与

41、上位机通信。它们分别与单片机的四个 I/O 口相连，当有按键触发时，由系统做出相应的响应。系统测量、通信按键区的设计原理图如图5所示。3.3.2 序号录入按键设计作为用户和激光测长仪的交互操作的界面，系统的键盘电路采用了44的矩阵式通用键盘电路，与AT89C52的Pl口直接相连，其中P1口的高四位作为键盘的行驱动线，低四位作为键盘列读入线，P1口的高四位的行驱动线每隔40ms被逐次拉低，以便避免键盘的颤动干扰造成用户的输入的识别错误键盘输入信号的任何变化，可以通过循环扫描的方式确定是那个键被按下，计算出按键的扫描码，根据按键的发出的命令，查询相应的命令并通过串口把命令发送到激光测长仪中。本系统

42、录入区需要15个按键，它们分别是：10个0-9的数字按键，确认录入按键，退格按键，序号录入按键，具体电路参见图6所示5。图5 测量、通信按键模块图6 按键模块3.4 显示模块设计液晶显示模块LCM(LCD Module)是一种将多个器件集成在一起的组件，包括液晶显示器、集成电路、背光源、连接件、PCB线路板、结构件等。因此它具有体积小、功耗低、使用灵活等特点，在仪器仪表领域中得到广泛应用。本系统采用图形点阵式液晶，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（1616点阵）、128个字符（816点阵）及64256点阵显示RAM（GDRAM）。 主要技术参数和显示特性: 多种硬件功能：光标显示、画面

43、移位、自定义字符、睡眠模式等。(1)电源: VDD 3.3V+5.5V(内置升压电路，无需负压； (2)显示内容：128(列)64(行)点； (3)显示颜色：黄绿 可选蓝屏； (4)与MCU接口：8位或4位并行/3位串行；(5)背光：黄绿色LED；(6)工作温度: -20+70，存储温度: -30+80（可选宽温LCD）；单片机P0口的8个引脚用来连接LM016L液晶的8个数据引脚，连有外电源和复位。硬件图如图7所示。图7 显示模块3.5 串口通讯模块设计3.5.1.串口通讯设计串口在计算机、仪器仪表设备领域应用非常广泛。串口通信非常简单，按位(bit)发送和接收字节，一般用到3根线：地线、发

44、送线、接收线。它最重要的参数有：数据位、停止位、波特率和奇偶校验位。因为PC机是RS232电平，而单片机的串口是TTL或CMOS电平，所以单片机要与PC之间进行串行通讯，就必须有一个电平转换电路。美MAX232是专门为电脑的RS232标准串口设计的接口电路，使用+5V的单电源供电。串口通信模块的原理图如图8所示，本系统采用3线制连接串口，也就是电脑九针串口中的3个管脚：第2脚RXD，第3脚TXD，第5脚GND，通过MAX232芯片的电平转换后，R1OUT、T1IN分别与单片机的P3.0，P3.1相连，串行通信模块如图8所示。图8 串口通信模块3.5.2.单片机与脉冲激光测距模块的串口通信单片机

45、控制激光脉冲测距模块测距的原理是：将测距模块放在石油管线的一端，另一端放置反光板，单片机通过串口发送8字节命令给激光脉冲测距模块，激光测距模块接收到命令后，向反光板发射激光后，反光板将激光束反射回去，由计时器测定激光束从发射到接收的时间差，从而计算出石油管线的长度；然后给单片机回带4位数据的16位字节，其中8-11位是测量数据位，所以要想得到测量结果，必须对16位的命令进行解码，提取其中的4位16进制数据位，在一定程度上，使测量结果具有保密的功能。3.6电源电路设计89C52单片机的工作电压(+5V)由电源板提供。它的电路接法主要包括两部分:时钟电路和复位电路。时钟电路是利用芯片内部的振荡电路，在X1，X2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路产生自激振荡。外界定时元件采用外接晶体和电容组成的并联谐振电路，振荡晶体选用11.058MHz。复位电路采用上电复位和按钮复位电路。上电时，刚接通电源、电容C相当于瞬间短路，+5V立刻加到了RST端，该高电平使单片机复位。若运行过程中，需要程序从头执行，只需按动复位键，直接把+5V加到了RST端从而系统复位。3.7 硬件系统的抗干扰该仪器的发展过程中，充分考虑到抗干扰措施，例如：如果电路中的继电器，继电器线圈增加续流二极管在继电器接点两端，