单片机的激光测量仪
摘 要本论文主要对激光测距仪控制系统的国内外发展现状和历史背景、软硬件系统以及系统调试等内容进行了表述，最终实现了一款具备能够实现量程在0~40公里、精度可达3%以下的激光测距仪系统，并且可以通过高清晰度液晶屏对测量结果进行显示，与此同时具备测量距离报警的功能，若测量到的距离超过设置的报警距离，那么将进行声音报警功能，这款激光测距仪控制系统归属一款标准的控制系统，该器件的电路内部是使用市面上综合最高的STC89C51单片机作主控的，本系统通过这款主控核心的嵌入，大幅度压缩了整个系统的设计成本、开发时间以及系统工作时的功率消耗等性能。这种系统在硬件上主要由单片机最小系统以及LCD1602显示电路、有源蜂鸣器电路和VL53L0X激光传感器电路等部分组成，在软件程序上主要由主程序以及各模块的控制子程序组成，通过软硬件电路的相互配合，实现了激光测距仪系统的高速运转，完成对各个功能的执行。经过多个方面多个角度的测试之后发现这款系统不仅系统内部运行稳定另外特别流畅，在人机交互体验感方面也具有很好的效果。
目录
一、 引言 1
（一） 激光测距仪的发展背景 1
（二） 激光测距仪的国内外发展现状 2
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案设计及元器件选择 3
（一） 激光测距仪的方案设计 3
（二） STC89C51单片机简介 4
（三） VL53L0X激光传感器简介 4
（四） 有源蜂鸣器简介 5
（五） LCD1602液晶显示器简介 5
三、 系统硬件设计 6
（一） 最小系统电路设计 6
1. 晶振电路设计 6
2. 复位电路构建 6
（二） VL53L0X激光传感器测距电路设计 7
（三） 距离测量结果显示电路设计 8
（四） 蜂鸣报警电路设计 9
四、 系统软件设计 10
（一） 激光测距仪的主程序流程设计 10
（二） 激光测距流程设计 11
（三） 液晶显示流程设计 12
（四） 蜂鸣报警流程设计 13
五、 仿真系统设计 14
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
/> 总结 21
参考文献 22
致 谢 23
附录一 原理图 24
附录二 PCB图 25
附录三 元件列表 26
引言
激光测距仪的发展背景
本论文把要配置一种以STC89C51单片机作为主控核心的激光测距仪控制系统，这种系统将在C语言程序代码的操控下实现对系统里面每个电路模块的控制，实现一款高性价比的激光测距仪控制系统。
单片机是一种集CPU、存储器和各种功能外设为一体的微型处理器芯片，它相当于一台微小型的电脑，能够依照技术人员的开发思路完成出各种控制动作，本课题把要应用的这种类型的STC89C51单片机也是这其中一种较为出色的单片机。
单片机技术的高速发展催生了一大批相关行业的兴起，其中传统激光测距仪系统的发展和市场受到了巨大的冲击，设计师已经不再着眼于传统落后的激光测距仪系统研发中，而是愈来愈重视以处理器芯片作为主控的一种新型激光测距仪控制系统的研究开发中。新型激光测距仪控制系统的出现是以一种数字化特征而登上市场的，其主要特点是内部硬件电路一切数字化，排列整齐的数字芯片代替了传统电路，同时集成芯片的大幅度应用亦代替了传统必要模块，使整体电路结构和体积都变得很小，这个更改使激光测距仪系统内部电路中电子元器件空隙减小，器件的相互干扰现象也得到了庞大的改进。激光测距仪系统较早出现在市场上是以一种传统形式完成的，这款器件的内部框架结构主要是以毫无生命力的机械架构为主，在外形特点上看起来特别庞大笨重，这是由于其内部电路主要是以模拟器件、继电器或者传统变压器为主，这些转换器件的应用使传统激光测距仪控制系统看起来特别臃肿。使用单片机芯片来对激光测距仪控制系统进行控制可以实现三大方面的优点：系统含有可更新性，即系统开发人员可以随时把优化过的新目标代码重新烧写到激光测距仪控制系统中，以此完成系统性能的提升，而之前传统激光测距仪系统就不具备这项目标，万一电路实现了固化，把很难完成更新甚至是永远无法获得任意性能优化，而该单片机式激光测距仪控制系统的出现完全颠覆了这类尴尬局面。电路功能完成整体的程控化，各个效果的执行不再以模拟电压电流信号的传输当作基准，而是使用数字脉冲信号来传输数据，由于数字信号在传输过程中比模拟信号含有高出很多倍的抗干扰性，因此这将使得激光测距仪系统工作性能更为稳定，大幅度减少了错误执行的发生。系统开发成本大幅度减小，由于目标代码如果设计完成，能够将同一个代码应用于一切产品中，不用进行针对性更改，因此对开发成本来说，不论是在时间上还是费用上，都获得了大幅度的降低，而传统激光测距仪系统里面以模拟电路为主，而模拟器件相互之间的差别使得各被配置出来的产品都含有或多或少的区别，研发人员需要花费很多时间来对每一个产品进行微调。
激光测距仪的国内外发展现状
遵循前不久某份国外杂志刊登的一个报道显示英国肯特大学的工程师完成了一种新型设计并取得了专利，这款设计与本次论文所研究的激光测距仪系统有点相似，在指标和使用的主要传感器件方面都近乎相似，而他们所取得的成果是将这种型号的激光测距仪控制系统中的所有智能传感器和采集电路进行了合并，并且将其植入到一片芯片中，为此他们还为这块芯片配置了一个高效率的低沉散热技术，通过这种技术完美的解决了激光测距仪系统在运行过程中的发热问题，大幅度延长了芯片的使用寿命。国内当前对于相关研究所取得的成果主要体现在传感模块的选材上，工程师称如果要提升激光测距仪系统的效果需要在它的传感电路方面大做文章，从而他们在相关电路的设计上，把主要研究重心都放在了如何规划传感电路的构建。
本文主要研究内容
1、研究单片机控制原理，并通过编写C语言程序实现对单片机芯片的控制，通过对单片机各个管脚的驱动实现对激光传感器、液晶显示器、按键以及报警器等电路模块的驱动；
2、研究单片机最小系统电路的设计，通过最小系统电路的构建，实现单片机程序代码的下载和保存，从而能够实现机器代码的执行；
3、研究激光传感器的使用方法以及激光测距的原理图，与此同时结合单片机内部定时器的配置以及使用方法，通过这两个人软硬件模块的配合实现对激光测距方法的实现；
4、研究液晶显示的原理，并能够通过单片机管脚的驱动实现带显示字符的液晶显示效果；
5、配置报警器电路，能够通过单片机管脚的高低电平驱动实现报警器的报警声音发出和关闭，实现报警信号的灵活启闭。
方案设计及元器件选择
激光测距仪的方案设计
该激光测距仪系统的设计方案为：以STC89C51单片机最小系统电路当作控制核心，完成了对液晶屏显示电路、报警信号生成电路和VL53L0X激光传感器电路等功能模块的操控。
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图1 激光测距仪系统原理框图设计
在待测距离的检测方面本课题采用单片机结合激光传感器方案来实现，本课题选用的这款激光传感器采用的是IIC接口形式，当单片机向其发送启动指令后，激光传感器能够立即通过电光转换探头向正前方发射高强度激光束，与此同时启动定时器模块开始计时，随后激光束以光速（3*10^9m/s）向前前进，当激光束遇到待测物体表面障碍后会发声反射现象，被反射后的激光束沿着原路返回到激光传感器并能够被接收，接收到的同时系统将立即（无时差）停止定时器的工作，并从定时器寄存器中将计时结果进行读取，将其进行实际时间的转化后与光速参数进行运算，即可得到激光发射探头与待测物体表面之间的距离大小，这就是激光测距的原理。
目录
一、 引言 1
（一） 激光测距仪的发展背景 1
（二） 激光测距仪的国内外发展现状 2
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案设计及元器件选择 3
（一） 激光测距仪的方案设计 3
（二） STC89C51单片机简介 4
（三） VL53L0X激光传感器简介 4
（四） 有源蜂鸣器简介 5
（五） LCD1602液晶显示器简介 5
三、 系统硬件设计 6
（一） 最小系统电路设计 6
1. 晶振电路设计 6
2. 复位电路构建 6
（二） VL53L0X激光传感器测距电路设计 7
（三） 距离测量结果显示电路设计 8
（四） 蜂鸣报警电路设计 9
四、 系统软件设计 10
（一） 激光测距仪的主程序流程设计 10
（二） 激光测距流程设计 11
（三） 液晶显示流程设计 12
（四） 蜂鸣报警流程设计 13
五、 仿真系统设计 14
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
/> 总结 21
参考文献 22
致 谢 23
附录一 原理图 24
附录二 PCB图 25
附录三 元件列表 26
引言
激光测距仪的发展背景
本论文把要配置一种以STC89C51单片机作为主控核心的激光测距仪控制系统，这种系统将在C语言程序代码的操控下实现对系统里面每个电路模块的控制，实现一款高性价比的激光测距仪控制系统。
单片机是一种集CPU、存储器和各种功能外设为一体的微型处理器芯片，它相当于一台微小型的电脑，能够依照技术人员的开发思路完成出各种控制动作，本课题把要应用的这种类型的STC89C51单片机也是这其中一种较为出色的单片机。
单片机技术的高速发展催生了一大批相关行业的兴起，其中传统激光测距仪系统的发展和市场受到了巨大的冲击，设计师已经不再着眼于传统落后的激光测距仪系统研发中，而是愈来愈重视以处理器芯片作为主控的一种新型激光测距仪控制系统的研究开发中。新型激光测距仪控制系统的出现是以一种数字化特征而登上市场的，其主要特点是内部硬件电路一切数字化，排列整齐的数字芯片代替了传统电路，同时集成芯片的大幅度应用亦代替了传统必要模块，使整体电路结构和体积都变得很小，这个更改使激光测距仪系统内部电路中电子元器件空隙减小，器件的相互干扰现象也得到了庞大的改进。激光测距仪系统较早出现在市场上是以一种传统形式完成的，这款器件的内部框架结构主要是以毫无生命力的机械架构为主，在外形特点上看起来特别庞大笨重，这是由于其内部电路主要是以模拟器件、继电器或者传统变压器为主，这些转换器件的应用使传统激光测距仪控制系统看起来特别臃肿。使用单片机芯片来对激光测距仪控制系统进行控制可以实现三大方面的优点：系统含有可更新性，即系统开发人员可以随时把优化过的新目标代码重新烧写到激光测距仪控制系统中，以此完成系统性能的提升，而之前传统激光测距仪系统就不具备这项目标，万一电路实现了固化，把很难完成更新甚至是永远无法获得任意性能优化，而该单片机式激光测距仪控制系统的出现完全颠覆了这类尴尬局面。电路功能完成整体的程控化，各个效果的执行不再以模拟电压电流信号的传输当作基准，而是使用数字脉冲信号来传输数据，由于数字信号在传输过程中比模拟信号含有高出很多倍的抗干扰性，因此这将使得激光测距仪系统工作性能更为稳定，大幅度减少了错误执行的发生。系统开发成本大幅度减小，由于目标代码如果设计完成，能够将同一个代码应用于一切产品中，不用进行针对性更改，因此对开发成本来说，不论是在时间上还是费用上，都获得了大幅度的降低，而传统激光测距仪系统里面以模拟电路为主，而模拟器件相互之间的差别使得各被配置出来的产品都含有或多或少的区别，研发人员需要花费很多时间来对每一个产品进行微调。
激光测距仪的国内外发展现状
遵循前不久某份国外杂志刊登的一个报道显示英国肯特大学的工程师完成了一种新型设计并取得了专利，这款设计与本次论文所研究的激光测距仪系统有点相似，在指标和使用的主要传感器件方面都近乎相似，而他们所取得的成果是将这种型号的激光测距仪控制系统中的所有智能传感器和采集电路进行了合并，并且将其植入到一片芯片中，为此他们还为这块芯片配置了一个高效率的低沉散热技术，通过这种技术完美的解决了激光测距仪系统在运行过程中的发热问题，大幅度延长了芯片的使用寿命。国内当前对于相关研究所取得的成果主要体现在传感模块的选材上，工程师称如果要提升激光测距仪系统的效果需要在它的传感电路方面大做文章，从而他们在相关电路的设计上，把主要研究重心都放在了如何规划传感电路的构建。
本文主要研究内容
1、研究单片机控制原理，并通过编写C语言程序实现对单片机芯片的控制，通过对单片机各个管脚的驱动实现对激光传感器、液晶显示器、按键以及报警器等电路模块的驱动；
2、研究单片机最小系统电路的设计，通过最小系统电路的构建，实现单片机程序代码的下载和保存，从而能够实现机器代码的执行；
3、研究激光传感器的使用方法以及激光测距的原理图，与此同时结合单片机内部定时器的配置以及使用方法，通过这两个人软硬件模块的配合实现对激光测距方法的实现；
4、研究液晶显示的原理，并能够通过单片机管脚的驱动实现带显示字符的液晶显示效果；
5、配置报警器电路，能够通过单片机管脚的高低电平驱动实现报警器的报警声音发出和关闭，实现报警信号的灵活启闭。
方案设计及元器件选择
激光测距仪的方案设计
该激光测距仪系统的设计方案为：以STC89C51单片机最小系统电路当作控制核心，完成了对液晶屏显示电路、报警信号生成电路和VL53L0X激光传感器电路等功能模块的操控。
/
图1 激光测距仪系统原理框图设计
在待测距离的检测方面本课题采用单片机结合激光传感器方案来实现，本课题选用的这款激光传感器采用的是IIC接口形式，当单片机向其发送启动指令后，激光传感器能够立即通过电光转换探头向正前方发射高强度激光束，与此同时启动定时器模块开始计时，随后激光束以光速（3*10^9m/s）向前前进，当激光束遇到待测物体表面障碍后会发声反射现象，被反射后的激光束沿着原路返回到激光传感器并能够被接收，接收到的同时系统将立即（无时差）停止定时器的工作，并从定时器寄存器中将计时结果进行读取，将其进行实际时间的转化后与光速参数进行运算，即可得到激光发射探头与待测物体表面之间的距离大小，这就是激光测距的原理。
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