II基于單片機(jī)的激光位移測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要在研究了位置敏感探測(cè)器光斑中心定位理論的基礎(chǔ)上，將被測(cè)光檢測(cè)器得到的光路位移測(cè)量值直接通過光路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的微弱電信號(hào)，再由微弱電信號(hào)直接進(jìn)行處理形成電路，經(jīng)過信號(hào)放大、濾波、信號(hào)轉(zhuǎn)換處理等一系列信號(hào)處理后，轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)相應(yīng)的光路實(shí)際測(cè)距位移值，并在OLED液晶顯示屏上顯示，本測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)±5mm精密范圍內(nèi)物體位移的快速測(cè)量，其中所需要的快速測(cè)量元件精度最高可達(dá)30μm。該實(shí)驗(yàn)裝置硬件和軟件兩種光斑中心定位方式，能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的、直觀、快速、準(zhǔn)確的光斑定位與測(cè)量。關(guān)鍵詞：位置敏感探測(cè)器；光斑；激光測(cè)距；位移目錄217111緒論 422001.1研究背景和意義 4260481.2研究現(xiàn)狀 4145082PSD工作原理 5176463激光位移測(cè)距系統(tǒng) 611573.1PSD選型 6323443.1.1PSD的性能參數(shù)分析 6302203.1.2影響PSD測(cè)量精度的因素 6293423.3光源的選擇 7226013.3.1對(duì)光源發(fā)光強(qiáng)度的要求 7168463.3.2光斑大小 7285754系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 8146554.1總體設(shè)計(jì) `8277964.2STM32單片機(jī)介紹 8178314.2.1STM32單片機(jī) 8138664.2.2最小系統(tǒng) 9129504.3PSD常規(guī)信號(hào)處理電路 11204545系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 1327986系統(tǒng)調(diào)試 142227總結(jié)與展望 161緒論1.1研究背景和意義如今科學(xué)電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展越來越迅速，激光傳感器在精確測(cè)距的應(yīng)用中越來越廣泛?；赑SD器件的激光傳感測(cè)距技術(shù)，主要指的是一種新型非接觸式激光檢測(cè)技術(shù)，不受紫外光線、被接觸式檢測(cè)體和物體外形或顏色等直接干擾，較其他檢測(cè)儀器更衛(wèi)生，比較適用于耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕性、有害氣體等對(duì)人體造成污染或者惡劣的環(huán)境，并且該產(chǎn)品具有小型長(zhǎng)期維護(hù)保養(yǎng)、不會(huì)造成任何污染、可靠性好、壽命長(zhǎng)的四大特點(diǎn)。因此激光傳感器在測(cè)距系統(tǒng)中具有極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，能夠滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求。激光傳感器測(cè)距與自動(dòng)化智能已經(jīng)接軌，該技術(shù)會(huì)被廣泛應(yīng)用到人們的日常生活中，激光傳感器測(cè)距將會(huì)有更好的發(fā)展前景。但是，要使激光傳感器測(cè)距達(dá)到工業(yè)要求，那就要使其具有更高的測(cè)量精確度和能夠使機(jī)器能夠做出實(shí)時(shí)反應(yīng)的最短距離，以達(dá)到安全保障。激光傳感器在精確測(cè)距應(yīng)用的思考和研究也是一項(xiàng)重大的課題，因此，設(shè)計(jì)好的激光傳感器測(cè)距系統(tǒng)有很大的作用，基于PSD器件實(shí)現(xiàn)激光傳感器測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用研究就顯得意義深遠(yuǎn)而廣泛。1.2研究現(xiàn)狀PSD是一種位置敏感探測(cè)器，它也是一種對(duì)于入射或發(fā)生在光敏表面上的光斑能量集合中心位置敏感的光電器件。70年代，設(shè)計(jì)了四橫向結(jié)構(gòu)PSD，各項(xiàng)性能指標(biāo)均得到提高，但非線性仍然較大(6~8%)。后來開發(fā)了雙橫向結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將收集x和y方向位置信息的電極分別設(shè)在P-N結(jié)的兩面，這樣避免了電極間的相互影響，線性度顯著提高。但這種結(jié)構(gòu)存在暗電流較大，不便于加反向偏壓的缺點(diǎn)。Woltring分析了幾種二維PSD的解析解。Noorlag在他的博士論文)中以雙面分流型位置敏感探測(cè)器為例導(dǎo)出了位置敏感探測(cè)器自動(dòng)取光斑重心的定位公式。并用硅平面制作工藝制作了非線性0.5%的雙面結(jié)構(gòu)PSD，使PSD制作工藝有了突破。根據(jù)Gear提出的不影響區(qū)域電流分布的邊界條件，開發(fā)了光敏面周邊帶圓弧形電阻條的枕形結(jié)構(gòu)PSD，這種結(jié)構(gòu)保持了四邊形結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)點(diǎn)又有良好線性度，使位置敏感探測(cè)器在許多領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用，不足之處是有效面積較小。近年來，隨著測(cè)量功能的方向性和單色性等性能的提高，通過使用激光儀器及系統(tǒng)測(cè)量地點(diǎn)定位準(zhǔn)確、非接觸式測(cè)量技術(shù)和光學(xué)或定制的空間中被廣泛應(yīng)用。激光微位移檢測(cè)系統(tǒng)是一種利用各類光電元件作為橋梁，通過對(duì)各種類型無線電器件信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、處理、分析和數(shù)據(jù)獲取來對(duì)圖像中光的運(yùn)動(dòng)位移信息進(jìn)行數(shù)學(xué)測(cè)量，依據(jù)當(dāng)前檢測(cè)到的物體圖像中的入射光與被檢測(cè)物體之間的需要建立確定的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)測(cè)量關(guān)系，可進(jìn)一步有效實(shí)現(xiàn)對(duì)確定檢測(cè)體中物體的運(yùn)動(dòng)位移、距離、等多種物體幾何運(yùn)動(dòng)的測(cè)量。PSD因其激光測(cè)量的高度連續(xù)性、高靈敏度、高位置分辨率、極好的軸向瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)性等特征，以及對(duì)發(fā)射光束結(jié)構(gòu)外形和圖像質(zhì)量的精度要求相對(duì)較低等巨大優(yōu)勢(shì)，在非接觸式和軸向位移激光測(cè)量等技術(shù)應(yīng)用廣泛場(chǎng)合中均認(rèn)為具備某些重要優(yōu)點(diǎn)。本研究課題建立了一套基于PSD的微小位移測(cè)量系統(tǒng)，可以針對(duì)橋、道路、大型水利工程等的微小變形進(jìn)行檢測(cè)，保證安全，也可以用于瞬態(tài)測(cè)量場(chǎng)合，對(duì)高速、高精度變化量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

2PSD工作原理I2I11PSD作為連續(xù)型模擬器件，避免了陣列型器件分辨率受像元尺寸限制的缺陷。PSD一般為P-I-N結(jié)構(gòu)，原理與光電二極管類似，基于P-I-N結(jié)橫向光電效應(yīng)，入射光直接照射在整個(gè)光敏面的某一點(diǎn)，在光斑位置處產(chǎn)生正比與光能量的光電流，被四個(gè)電極收集，輸出I1、I2、I3、I4。如圖2-1所示，以X軸為例，由于P層電阻均勻，入射點(diǎn)到相鄰電極R1和R2的阻值取決于入射光光斑的位置，且由于R1和R2阻值遠(yuǎn)大于負(fù)載RL值，則電極輸出的光電流I1、I2、反比于入射光光電到各自電極間的距離。I2I11XX圖2-1PSD橫截面示意圖采用具有相互垂直的兩對(duì)電極的二維方形PSD，其在兩坐標(biāo)軸方向上的感光層獨(dú)立，分別反映X，Y方向光電位置信息。取坐標(biāo)原點(diǎn)選在PSD幾何中心，則有：式（2-1）I式（2-1）式（2-1）中，L是PSD光敏面的幾何長(zhǎng)度，x是入射光斑到PSD幾何中心的位移。當(dāng)入射光光強(qiáng)固定不變時(shí)，令I(lǐng)3=I1+I2，代入是（2-1）中，得I1=I3對(duì)上式做變換得到式（2-2）式（2-2）同理，式（2-3）式（2-3）本文中的PSD的光敏儀表面積的大小一般控制在1mm×6mm，分辨率一般控制在0.3μm，光譜響應(yīng)區(qū)域的范圍一般控制在320-1100nm，峰值波長(zhǎng)一般控制在920nm。3激光位移測(cè)距系統(tǒng)3.1PSD選型3.1.1PSD的性能參數(shù)分析1、受光面積PSD是一種位置敏感探測(cè)器，它能探測(cè)到光束在接收光表面的重心(強(qiáng)度中心)位置。在距離測(cè)量系統(tǒng)中，當(dāng)物體開始移動(dòng)，光斑會(huì)在PSD光敏上面移動(dòng)。所以，傳感器的測(cè)量范圍和PSD的光敏長(zhǎng)度有很大的聯(lián)系。2、光譜響應(yīng)范圍在單位光功率的單色光照射的情況下，PSD的輸出電流根據(jù)波長(zhǎng)變光滑而變化的關(guān)系被稱為光譜響應(yīng)范圍，PSD輸出的電流的大小會(huì)隨著照射光波長(zhǎng)的變化而變化。為了獲得最好的效果，通常選擇峰值響應(yīng)最高的光源。作為一種被測(cè)量的光源圖像，在PSD被外部遮擋的情況下，在一定的敏感波長(zhǎng)范圍內(nèi)使用光源是沒有問題的，因?yàn)橹車墓獠粫?huì)進(jìn)入PSD。然而，在存在其他混合光源的情況下，當(dāng)燈光、熒光、陽(yáng)光等進(jìn)入PSD時(shí)，信號(hào)光源發(fā)出的光通常會(huì)被淹沒。3、位置檢測(cè)誤差檢測(cè)系統(tǒng)中位置探測(cè)器的光斑重心的實(shí)際位移是對(duì)光點(diǎn)位置進(jìn)行計(jì)算得到的結(jié)果就是位置檢測(cè)誤差。PSD位置的檢測(cè)精度也就相當(dāng)于檢測(cè)時(shí)要求顯示的精度，使用查表補(bǔ)償或調(diào)整增益的辦法在一定程度上能夠提高系統(tǒng)的測(cè)試精度。3.1.2影響PSD測(cè)量精度的因素1、入射光從理論上來說，PSD的不同位置反射的輸出僅僅與光斑的"重心"不同位置因素相關(guān)，與入射光的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、光斑點(diǎn)的大小等不同反射程度因素?zé)o關(guān)，這一顯著的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)很好地降低了我們對(duì)于入射光源的需求。但在實(shí)際的測(cè)量中，由于入射光的頻率、尺寸、光譜等不同性質(zhì)直接會(huì)影響其精度的測(cè)量，光斑在光敏表面上的尺寸大小經(jīng)研究表明會(huì)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)中的精度產(chǎn)生不利的影響，定位精度會(huì)隨著光斑的增大而降低，所以，在測(cè)試過程中為了減少不利的影響，應(yīng)該保證光敏面上的光斑越小越好。2、反偏電壓為了有效改善PSD的運(yùn)行響應(yīng)速度，往往在位于PSD的一個(gè)公共電極上添加反偏電壓。隨著內(nèi)部反偏電壓的逐漸增大，結(jié)電容率的變化逐漸減小，因此，在之后的設(shè)計(jì)中因考慮反偏電壓的大小。3、環(huán)境溫度位置靈敏元件多被稱作是一種半導(dǎo)體元件，它們的P-I-N結(jié)對(duì)于環(huán)境中的溫度變化很敏感，環(huán)境中的溫度變化也可能會(huì)直接地影響該元件的光譜反射特性以及暗電流的大小。3.3光源的選擇最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)照明系統(tǒng)是產(chǎn)生一個(gè)光斑投影到被測(cè)物體表面，光斑的直徑越小越好，這樣可在物體表面上獲得最大的空間分辨力，因而可在探測(cè)器表面上獲得最清晰的光斑，并提高被測(cè)位移量的分辨力。3.3.1對(duì)光源發(fā)光強(qiáng)度的要求檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，首先應(yīng)該考慮的是位置探測(cè)器與系統(tǒng)發(fā)光光源的匹配問題。在選定位置探測(cè)器之后對(duì)光源功率的要求應(yīng)該圍繞位置探測(cè)器的光譜響應(yīng)效率、光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)透過率、以及積分時(shí)間的設(shè)定等等因素來研究與選擇。如果對(duì)光源功率的選擇存在局限性時(shí)，就要從位置探測(cè)器下手，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整匹配，這個(gè)過程是復(fù)雜的。在對(duì)位置探測(cè)器和光源功率的實(shí)際調(diào)整匹配的過程當(dāng)中，以下兩種情況不允許發(fā).生：一是入射到位置探測(cè)器的光源強(qiáng)度太低，導(dǎo)致位置探測(cè)器的探測(cè)功能受到影響；二是入射位置探測(cè)器的光源強(qiáng)度太高，入射到位置探測(cè)器光敏面的光強(qiáng)太大，導(dǎo)致系統(tǒng)非線性工作，甚至?xí)p壞檢測(cè)裝置或位置探測(cè)器。3.3.2光斑大小由于測(cè)量光選用的PSD為一維線型光斑PSD，寬度幾乎僅有1mm，光斑的重心尺寸過于大會(huì)直接導(dǎo)致誤差大，使得被測(cè)光投射在整個(gè)PSD上光斑的各個(gè)重心已經(jīng)發(fā)生了一些偏移，而且這些偏移光不能夠及時(shí)得到光的充分利用，更有可能的就是因?yàn)楣鈴?qiáng)的分布不均和光的波動(dòng)程度導(dǎo)致"重心"發(fā)生偏移，從而直接導(dǎo)致測(cè)量誤差。

4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1總體設(shè)計(jì) 根據(jù)課題的目標(biāo)以及設(shè)計(jì)思路，對(duì)激光位移測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了論證。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如下圖所示。圖4-1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方框圖系統(tǒng)硬件實(shí)物展示如圖4-2所示：圖4-2系統(tǒng)硬件實(shí)物展示4.2STM32單片機(jī)介紹4.2.1STM32單片機(jī)本論文采用STM32F103單片機(jī)，其最高工作頻率為72MHZ，有著三種低功耗模式：休眠、停止、待機(jī)模式。調(diào)試模式為串行調(diào)試和JTAG接口。其引腳如圖4-3所示：圖4-3STM32引腳示意圖4.2.2最小系統(tǒng)最小系統(tǒng)主要有電源，時(shí)鐘，調(diào)試，復(fù)位，以及控制芯片五大部分組成。1、電源系統(tǒng)由LDO(LowDropoutRegulator)低壓差線性穩(wěn)壓器將5V轉(zhuǎn)換為3.3V，為主控芯片供電。其示意圖如圖4-4所示。圖4-4電源系統(tǒng)示意圖2、時(shí)鐘電路晶振是由石英晶體組成的，石英晶體之所以能當(dāng)為振蕩器使用，是基于它的壓電效應(yīng)：在晶片的兩個(gè)極上加一電場(chǎng)，會(huì)使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；在石英晶片上加上交變電壓，晶體就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)機(jī)械變形振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)，雖然這種交變電場(chǎng)的電壓極其微弱，但其振動(dòng)頻率是十分穩(wěn)定的。當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片的固有頻率（由晶片的尺寸和形狀決定）相等時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的幅度將急劇增加，這種現(xiàn)象稱為“壓電諧振”。晶振電路為主控芯片提供系統(tǒng)時(shí)鐘，所有的外設(shè)工作，CPU工作都要基于該時(shí)鐘，類似于整個(gè)系統(tǒng)的“心跳節(jié)拍”。其示意圖如圖4-5所示。圖4-5時(shí)鐘電路示意圖3復(fù)位電路主控芯片是低電平復(fù)位(引腳NRST)，硬件按鍵復(fù)位屬于系統(tǒng)復(fù)位之一(另外還有軟件復(fù)位，看門狗計(jì)數(shù)終止復(fù)位等)。其中的電容C2的目的是按鍵消抖，防止在按鍵剛剛接觸/松開時(shí)的電平抖動(dòng)引發(fā)誤動(dòng)作(按鍵閉合/松開的接觸過程大約有10ms的抖動(dòng)，這對(duì)于主控芯片I/O控制來說已經(jīng)是很長(zhǎng)的時(shí)間，足以執(zhí)行多次復(fù)位動(dòng)作。由于電容電壓不會(huì)突變，所以采用電容濾波，防止抖動(dòng)復(fù)位誤動(dòng)作)。其示意圖如圖4-6所示。圖4-6復(fù)位電路示意圖4調(diào)試接口圖4-7調(diào)試接口示意圖4.3PSD常規(guī)信號(hào)處理電路處理PSD輸出信號(hào)的方法和思路主要是先把輸入的電流信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成輸入的電壓來源信號(hào)，再通過減法、加法器對(duì)這些信號(hào)都進(jìn)行了處理，最后的光斑的位置信息在經(jīng)過處理操作之后能夠準(zhǔn)確地展現(xiàn)出來。圖4-8電信號(hào)處理流程圖1、流壓轉(zhuǎn)換為了在快速檢測(cè)兩個(gè)電壓并聯(lián)信號(hào)時(shí)方便快捷，首先我們可能需要把很小的電流信號(hào)經(jīng)一個(gè)流壓轉(zhuǎn)換變?yōu)楦雍?jiǎn)單且易于檢測(cè)的電壓信號(hào)。IfI圖4-9流壓轉(zhuǎn)換電路Vf=IfRf，將由位置電壓探測(cè)器的一個(gè)兩極分別輸出兩個(gè)電流信號(hào)I1以及I2，分別通過兩個(gè)電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路對(duì)其進(jìn)行處理后，變?yōu)閮蓚€(gè)電壓信號(hào)V1以及V2，然后再對(duì)電壓V2、加法電路因?yàn)榉聪喽耸且粋€(gè)虛地，各輸出回路之間的電壓相互干擾而直接通過自己的輸出回路電阻轉(zhuǎn)化成一定的電流，在與反向端相互結(jié)合后，經(jīng)過電阻變化轉(zhuǎn)換為輸出的電壓，最后進(jìn)行了加法運(yùn)算。根據(jù)理想運(yùn)放Vp=Vn，in=i式(4-2)式(4-1)式(4-2)式(4-1)圖4-10加法電路3減法電路外接電阻平衡的同向端和反向端分別接受經(jīng)過電阻的輸入信號(hào)，考慮到VP''=Vn''，inVV得出：式(4-3)V式(4-3)圖4-11減法電路除法電路各輸出回路之間的電壓相互干擾而直接通過自己的輸出回路電阻轉(zhuǎn)化成一定的電流，在與反向端相互結(jié)合后，經(jīng)過電阻變化轉(zhuǎn)換為輸出的電壓，將減法電路和加法電路相結(jié)合，最后進(jìn)行了除法運(yùn)算。圖4-12除法電路其中，輸出電壓為：式(4-4)V0=式(4-4)5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)接通電源啟動(dòng)后，PSD芯片開始接收光斑信號(hào)，當(dāng)有光源照射到PSD光敏面時(shí)，按下開關(guān)，前后記錄兩次來模擬激光微小位移以達(dá)到測(cè)距的效果。系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5-1所示。圖5-1程序流程圖6系統(tǒng)調(diào)試6.1系統(tǒng)操作方法當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，用激光照射在PSD光敏面上，按下開關(guān)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并在OLED顯示屏上顯示電壓信號(hào)，然后將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成激光在PSD芯片上的坐標(biāo)。繼續(xù)將激光照射在PSD芯片上，按下開關(guān)記錄第二次激光的坐標(biāo)，通過加法、減法器算出兩點(diǎn)之間的距離，再次按下開關(guān)，數(shù)據(jù)清零。為了檢查和驗(yàn)證基于PSD的激光測(cè)距儀系統(tǒng)的可行性和工作有效率，我做了一次位移檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)物調(diào)試結(jié)果如下。當(dāng)系統(tǒng)插上電源時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)如圖6-1所示。圖6-1系統(tǒng)剛啟動(dòng)6.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析1、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將激光照射在PSD芯片上，通過光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)在OLED顯示屏上顯示激光的X、Y軸坐標(biāo)位置，記錄兩次數(shù)據(jù)后會(huì)自動(dòng)計(jì)算出光源微小位移的距離，如圖6-2所示。圖6-2實(shí)驗(yàn)中