基于单片机光纤测距系统的设计与实现

摘要 ： 光纤由于其频带宽 、 损耗低及抗干扰能力强等优点已被广泛地应用在通信 、 电子及电力方面 ， 是我们生产生活中必不可少的媒介。 在实际的光纤实验 、 安装 、 运营和维护工作中 ， 一种精准 、 轻便和易操作的光纤测距系统显得尤为重要 。 设计中采用基于单片机的激光测距系统， 以相位式激光测距法为核心 ， 包括显示模块 、 模式选择模块 、 按键输入模块 ， 该系统具有激光测距、 复位 、 模式选择 、 校准 、 数值输入与显示功能 。 整个系统与传统的光纤测距仪相比有着低成本 、 轻便 、 功能人性化、 便于操作等优点 。

关键词 ： 光纤 ； 相位式激光测距 ； 单片机 ； 便携式

Abstract :Optical fiber has been widely used in communications,electronics and power due to its advantages of frequency bandwidth,low loss and strong anti－interference ability．It is an indispensable medium in our production and life．In the actual optical fiber experiment,installation,operation and maintenance work,a precise,lightweight and easy －to －operate optical fiber ranging system is particularly important．In this design,a laser ranging system based on a single chip microcomputer is used,with the phase laser ranging method as the core．Including display module,mode selection module,key input module．The system has functions of laser ranging,reset,mode selection,calibration,numerical input and display．

Keywords :optical fiber,phase laser ranging,single chip computer,portable

在实际的生产生活中 ， 在光纤测试 、 安装维护中 ， 如何快速便捷地得知该段光纤长度显得尤为重要。 目前有多种光纤测距方法， 包括光时域反射仪 （ OTDR ）、 光频域反射仪 （ OFDR ）、 光低相干反射仪（ OLCR ） 等   。 本设计基于单片机 ， 以相位式测距法为核心， 加入多种个性化功能 ， 使得该系统具有低成本 、 轻便 、 功能人性化、 便于操作等优点 。

1 相位式激光测距

相位式激光测距是用调制信号将发射激光进行调制 ， 通过测量连续的被调制的光波信号在被测距离上往返所产生的相位差， 间接得测定激光的传播时间 ， 从而计算出待测距离 。 原理图如图 1 、 图 2 所示 。

假设调制光波为频率为 f 的正弦波 ， 根据波动方程可知 ， 光在空气传播过程中产生的相位位移与待测距离 L 的关系如公式所示 ：

其中 f 为正弦波频练 ， L 为待测距离 ， c 为光在空气中的传 播速度 。

因此通过计算可得待测距离 L 为 ：

光在介质中传播频率不变 ， 光在空气中折射率为 1 ， 在光纤传播中， 光纤的折射率大于空气的折射率 ， 与在空气中不同 ， 因此在光纤测距中需要关注光纤自身的折射率。

相位式激光测距法在大多数情况下适应于中短距离的测距， 其精度可达毫米 、 微米级 ， 是目前测距精度最高的一种方式 。

2 总体设计方案

为实现基于单片机的光纤测距系统 ， 采用 STC89C52 单片机为处理器， 激光模块以相位式激光测距法为核心与单片机进行数据交互， 按键部分包括测距按键 、 复位按键 、 模式选择按键 、校准按键及方便用户自定义输入的 4 * 4 键盘输入矩阵 ， 实现多种功能便于用户选择操作， LCD1602 显示模块可以显示光纤测距结果及用户操作选择， 如图 3 所示 。 用户通过该系统可以实现激光测距、 系统复位 、 光纤波长选择 、 对待测光纤进行系统校准等功能。

激光模块与待测光纤采用自制的双端光纤连接头 ， 为双端 的 FC 圆型带螺纹接口 ， 光纤双端分别与激光模块的发射端与接收端对接， 连接卡口的设计主要目的是为了让激光模块与光纤精准对接， 使激光的发射与接收损失降低 ， 提高光纤测距的灵敏度与准确性。

3 硬件电路设计

3．1 电源模块

基于 LM317 的电源模块可稳定为激光模块 、 STC89C52 模块以及 LCD1602 模块供电 。 激光模块需要提供 3．3V 电 源 ，STC89C52 单片机需要提供 5V 电源 ， LCD1602 模块需要提供5V 电源 。

3．2 激光模块

测距系统所需要的激光模块采用 SK80 工业级高精度激光测距传感器。 采用相位测距原理 ， 利用激光在空气中的传播速度一定的原则， 进而得到与被测物之间的距离值 。 激光测距传感器测量范围为 0．03～80m ， 测量精度 （ 标准差 ） 为 ±1mm ， 激光波长为 635nm 。 我们采用双端测量的方式 ， 用双端光纤连接头直接将光纤两端与激光模块的发射端和接收端相连。

3．3 STC89C52 单片机处理器

采用 STC89C52 的原因是该款单片机足够实现需要的功能， 并且该款单片机与 STM32 相比成本更低 ， 耗能更低   。 单片机主要是接收按键的控制信息， 与激光模块进行数据的交互 ， 包括指定发送以及返回数据的接收， 内部进行返回数据的计算及格式转换， 同时控制显示模块进行数据的显示 。

3．4 LCD1602 显示模块

LCD1602 显示屏是目前广泛使用的一种字符型液晶显示模块。 由字符型液晶显示屏 （ LCD ）、 控制驱动主电路 HD44780及其扩展驱动电路 HD44100 ， 以及少量电阻 、 电容元件和结构件等组成。 LCD1602 与单片机采用直接控制的方式 ， 用以显示所测得的光纤长度和用户按键选择模式。

3．5 按键模块

按键模块包括独立按键与 4 * 4 键盘矩阵 ， 分为测距按键 、复位按键、 模式选择按键 、 校准按键和 4 * 4 用户输入键盘矩阵 。测距按键实现的功能为开始激光测长， 通过单片机给激光模块发送测量指令， 测量指令包括单次测量与多次测量 ， 为了模块的测长稳定， 目前采用多次测量的方式 ， 持续测量 。复位按键主要的作用是， 控制激光模块的关机与开机 ， 并重置 LCD1602 显示信息 ， 以达到复位重新测量的目的 。模式选择按键的设置主要是为了针对不同折射率的光纤进行不同的测量计算， 模式选择按键采用循环设置的方式 ， 我们设置了四种不同的设定， 包括 1．477 、 1．4719 、 1．4680 和 1．4685 等 。校准按键设置的目的是在用户不知道光纤折射率的情况下进行初步的校准， 我们在测量之前先用一根同款短的光纤进行校准， 再进行待测光纤的测长 。 我们按下校准按键后 ， 可通过 4*4 按键矩阵进行实际校准光纤的长度输入 ， 确认后单片机可进行折射率的计算。

4 软件编程实现

基于 C 语言进行系统的功能软件实现 ， 主要包括系统初始化、 LCD 显示功能 、 I ／ O 通信 、 独立按键与矩阵键盘输入功能以及计算功能。 系统初始化包括单片机自身的寄存器 、 时钟与串口等的初始化， 对 LCD1602 显示屏的初始化 ， 同时包括对计算使用的参数进行初始化。 LCD1602 显示部分包括指针移动 、 字符显示和字符串显示等功能。 按键部分包括了独立按键与矩阵键盘输入， 当按下独立功能按键时 ， 对应的单片机 I ／ O 被置于低电平， 程序选择对应的功能 ， 测距按键 I ／ O 口置于低电平后 ， 单片机向激光测距模块发送持续测量指令， 同时持续接收串口返回信息， 将返回的信息进行解析 ， 与初始化的折射率等参数计算后得到具体的距离数值， 这时通过 LCD1602 显示出来 。 模式选择功能， 程序采用循环的方式进行多种不同的参数设定 ， 更新计算使用的参数。 对于校准功能 ， 当我们按下校准按键后 ， 程序进入用户输入部分， 此时其他按键失效 ， 用户使用矩阵键盘进行数字输入， 程序检测输入 ， 当用户按下确认键后 ， 程序将用户的输入更新到计算参数中。 软件实现框图如图 4 所示 。

5 结束语

本文基于 STC89C52 单片机实现了激光测距 、 模式参数选择、 系统复位 、 用户自定义校准 、 数值解析计算 、 结果显示等功能 ，使用户可以快速便捷地进行光纤测距。 本系统的设计与实现为光纤测距提供了一种低成本、 轻便 、 功能人性化 、 便于操作的方法 。