2025《基于单片机的激光位移测距系统设计》5800字.docxVIP

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基于单片机的激光位移测距系统设计

摘要

在研究了位置敏感探测器光斑中心定位理论的基础上，将被测光检测器得到的光路位移测量值直接通过光路系统转换成相应的微弱电信号，再由微弱电信号直接进行处理形成电路，经过信号放大、滤波、信号转换处理等一系列信号处理后，转换成系统相应的光路实际测距位移值，并在OLED液晶显示屏上显示，本测量系统可以实现±5mm精密范围内物体位移的快速测量，其中所需要的快速测量元件精度最高可达30μm。该实验装置硬件和软件两种光斑中心定位方式，能够实现简单的、直观、快速、准确的光斑定位与测量。

关键词：位置敏感探测器；光斑；激光测距；位移

目录TOC\o1-3\h\z\u

217111绪论 4

22001.1研究背景和意义 4

260481.2研究现状 4

145082PSD工作原理 5

176463激光位移测距系统 6

11573.1PSD选型 6

323443.1.1PSD的性能参数分析 6

302203.1.2影响PSD测量精度的因素 6

293423.3光源的选择 7

226013.3.1对光源发光强度的要求 7

168463.3.2光斑大小 7

285754系统硬件设计 8

146554.1总体设计 `8

277964.2STM32单片机介绍 8

178314.2.1STM32单片机 8

138664.2.2最小系统 9

129504.3PSD常规信号处理电路 11

204545系统软件设计 13

27986系统调试 14

2227总结与展望 16

1绪论

1.1研究背景和意义

如今科学电子测量技术的发展越来越迅速，激光传感器在精确测距的应用中越来越广泛。基于PSD器件的激光传感测距技术，主要指的是一种新型非接触式激光检测技术，不受紫外光线、被接触式检测体和物体外形或颜色等直接干扰，较其他检测仪器更卫生，比较适用于耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀性、有害气体等对人体造成污染或者恶劣的环境，并且该产品具有小型长期维护保养、不会造成任何污染、可靠性好、寿命长的四大特点。因此激光传感器在测距系统中具有极强的优势，能够满足日益发展的社会需求。激光传感器测距与自动化智能已经接轨，该技术会被广泛应用到人们的日常生活中，激光传感器测距将会有更好的发展前景。但是，要使激光传感器测距达到工业要求，那就要使其具有更高的测量精确度和能够使机器能够做出实时反应的最短距离，以达到安全保障。激光传感器在精确测距应用的思考和研究也是一项重大的课题，因此，设计好的激光传感器测距系统有很大的作用，基于PSD器件实现激光传感器测距系统应用研究就显得意义深远而广泛。

1.2研究现状

PSD是一种位置敏感探测器，它也是一种对于入射或发生在光敏表面上的光斑能量集合中心位置敏感的光电器件。

70年代，设计了四横向结构PSD，各项性能指标均得到提高，但非线性仍然较大(6~8%)。后来开发了双横向结构，该结构将收集x和y方向位置信息的电极分别设在P-N结的两面，这样避免了电极间的相互影响，线性度显著提高。但这种结构存在暗电流较大，不便于加反向偏压的缺点。Woltring分析了几种二维PSD的解析解。Noorlag在他的博士论文)中以双面分流型位置敏感探测器为例导出了位置敏感探测器自动取光斑重心的定位公式。并用硅平面制作工艺制作了非线性0.5%的双面结构PSD，使PSD制作工艺有了突破。根据Gear提出的不影响区域电流分布的边界条件，开发了光敏面周边带圆弧形电阻条的枕形结构PSD，这种结构保持了四边形结构的性能优点又有良好线性度，使位置敏感探测器在许多领域获得了非常广泛的应用，不足之处是有效面积较小。

近年来，随着测量功能的方向性和单色性等性能的提高，通过使用激光仪器及系统测量地点定位准确、非接触式测量技术和光学或定制的空间中被广泛应用。激光微位移检测系统是一种利用各类光电元件作为桥梁，通过对各种类型无线电器件信号的实时采集、处理、分析和数据获取来对图像中光的运动位移信息进行数学测量，依据当前检测到的物体图像中的入射光与被检测物体之间的需要建立确定的运动数学测量关系，可进一步有效实现对确定检测体中物体的运动位移、距离、等多种物体几何运动的测量。PSD因其激光测量的高度连续性、高灵敏度、高位置分辨率、极好的轴向瞬态运动响应性等特征，以及对发射光束结构外形和图像质量的精度要求相对较低等巨大优势，在非接触式和轴向位移激光测量等技术应用广泛场合中均认为具备某些重要优点。本研究课题建立了一套基于PSD的微小位移测量系统，可以针对桥