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激光位移测距系统的硬软件设计及测试案例

目录

TOC\o1-3\h\u10335激光位移测距系统的硬软件设计及测试案例 1

298401系统硬件设计 1

162711.1总体设计 1

74371.2STM32单片机介绍 2

85941.2.1STM32单片机 2

296241.2.2最小系统 3

312531.3PSD常规信号处理电路 5

237492系统软件设计 7

201723系统调试 8

307533.1系统操作方法 8

217173.2实验数据及分析 9

286183.3实验结论 10

1系统硬件设计

1.1总体设计

根据课题的目标以及设计思路，对激光位移测距系统的设计方案进行了论证。系统的总体设计框图如下图所示。

图4-1系统设计方框图

系统硬件实物展示如图4-2所示：

图4-2系统硬件实物展示

1.2STM32单片机介绍

1.2.1STM32单片机

本论文采用STM32F103单片机，其最高工作频率为72MHZ，有着三种低功耗模式：休眠、停止、待机模式。调试模式为串行调试和JTAG接口。其引脚如图4-3所示：

图4-3STM32引脚示意图

1.2.2最小系统

最小系统主要有电源，时钟，调试，复位，以及控制芯片五大部分组成。

1、电源系统

由LDO(LowDropoutRegulator)低压差线性稳压器将5V转换为3.3V，为主控芯片供电。其示意图如图4-4所示。

图4-4电源系统示意图

2、时钟电路

晶振是由石英晶体组成的，石英晶体之所以能当为振荡器使用，是基于它的压电效应：在晶片的两个极上加一电场，会使晶体产生机械变形；在石英晶片上加上交变电压，晶体就会产生机械振动，同时机械变形振动又会产生交变电场，虽然这种交变电场的电压极其微弱，但其振动频率是十分稳定的。当外加交变电压的频率与晶片的固有频率（由晶片的尺寸和形状决定）相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为“压电谐振”。晶振电路为主控芯片提供系统时钟，所有的外设工作，CPU工作都要基于该时钟，类似于整个系统的“心跳节拍”。其示意图如图4-5所示。

图4-5时钟电路示意图

3复位电路

主控芯片是低电平复位(引脚NRST)，硬件按键复位属于系统复位之一(另外还有软件复位，看门狗计数终止复位等)。其中的电容C2的目的是按键消抖，防止在按键刚刚接触/松开时的电平抖动引发误动作(按键闭合/松开的接触过程大约有10ms的抖动，这对于主控芯片I/O控制来说已经是很长的时间，足以执行多次复位动作。由于电容电压不会突变，所以采用电容滤波，防止抖动复位误动作)。其示意图如图4-6所示。

图4-6复位电路示意图

4调试接口

图4-7调试接口示意图

1.3PSD常规信号处理电路

处理PSD输出信号的方法和思路主要是先把输入的电流信号直接转换成输入的电压来源信号，再通过减法、加法器对这些信号都进行了处理，最后的光斑的位置信息在经过处理操作之后能够准确地展现出来。

图4-8电信号处理流程图

1、流压转换

为了在快速检测两个电压并联信号时方便快捷，首先我们可能需要把很小的电流信号经一个流压转换变为更加简单且易于检测的电压信号。

If

I

图4-9流压转换电路

Vf=I

2、加法电路

因为反相端是一个虚地，各输出回路之间的电压相互干扰而直接通过自己的输出回路电阻转化成一定的电流，在与反向端相互结合后，经过电阻变化转换为输出的电压，最后进行了加法运算。

根据理想运放Vp=Vn，in=i

式(4-2)式(4-1)

式(4-2)

式(4-1)

图4-10加法电路

3减法电路

外接电阻平衡的同向端和反向端分别接受经过电阻的输入信号，考虑到VP=Vn，in

V

V

得出：

式(4-3)V

式(4-3)

图4-11减法电路

除法电路

各输出回路之间的电压相互干扰而直接通过自己的输出回路电阻转化成一定的电流，在与反向端相互结合后，经过电阻变化转换为输出的电压，将减法电路和加法电路相结合，最后进行了除法运算。

图4-12除法电路

其中，输出电压为：