课程设计（报告）题目：LK-031激光位移传感器数据采集系统设计学院：专业班级：指导教师：职称：学生姓名：学号：摘要利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。

激光位移传感器(磁致伸缩位移传感器)就是利用激光的这些优点制成的新型测量仪表，它的出现，使位移测量的精度、可靠性得到极大的提高，也为非接触位移测量提供了有效的测量方法。

激光位移传感器因其较高的测量精度和非接触测量特性，广泛应用于高校和研究机构、汽车工业、机械制造工业、航空与军事工业、冶金和材料工业的需要精密测量检测的行业。

激光位移传感器是可以精确进行非接触位置、位移测量的精密传感器，主要应用于位置、位移、厚度、振动、距离等几何量的工业测量。

按照测量原理，激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法，激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，而激光回波分析法则用于远距离测量。

本文对LK-031激光位移传感器数据采集系统进行了设计，该系统是利用CCD激光位移传感器来的两物体的微小形变量，再利用AD7705芯片进行A/D转换和用AT89C51作为处理器，最后用LED显示出测量的位移值。

该测量系统量程为-5mm～+5mm，精度为1μm。

该测量装置显示清晰明了，反应快，灵敏度高，性能稳定，结构简单且设计廉价，可以得到广泛的推广和使用。

关键词：位移传感器，AD7705，AT89C51，LED显示目录第1章绪论 (1)第2章系统总体方案设计 (3)2.1系统技术指标 (3)2.2系统电路框图 (3)2.3数据采集与处理方案 (3)第3章系统硬件设计 (4)3.1A/D电路选择 (4)3.1.1AD7705引脚说明 (4)3.1.2AD7705内部转换原理 (5)3.1.3AD7705的数字接口 (6)3.1.4AD7705的接口电路 (7)3.2单片机的选择 (8)3.2.1AT89C51主要特性 (8)3.2.2管脚说明 (9)3.3AD7705与AT89C51接口电路 (11)3.4放大电路的设计 (11)3.5调整电路与滤波电路设计 (12)3.6显示电路设计 (13)第4章系统软件设计 (18)第5章电路原理图 (19)总结 (20)致谢 (21)参考文献 (22)第1章绪论激光测距技术按照测程可以分为绝对距离测量法和微位移测量法；按照测距方法细分，绝对距离测距法主要有脉冲式激光测距和相位式激光测距，微位移测量法主要有三角法激光测距和干涉法激光测距。

脉冲激光测距的原理是：由脉冲激光器发出一持续时间极短的脉冲激光(主波)，经过待测距离L后射到被测目标，有一部分能量会被反射回来，被反射回来的脉冲激光称为回波，回波返回测距仪，由光电探测器接收。

根据主波信号和回波信号之间的间隔。

即激光脉冲从激光器到被测目标之间的往返时间t，就可以算出待测目标的距离。

D=1/2ct式中c为光速，脉冲法精度一般在米量级。

例如，光速约为3108m/s，要想使分辨率达到1mm，则测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间：0.001m(3108m/s)=3ps要分辨出3ps的时间，这是对电子技术提出的过高要求，实现起来造价太高。

但是如今廉价的激光传感器巧妙地避开了这一障碍，利用一种简单的统计学原理，即平均法则实现了1mm的分辨率，并且能保证响应速度。

相位激光测距的原理是：对发射的激光进行光强调制，利用激光空间传播时调制信号的相位变化量。

根据调制波的波长，计算出该相位延迟所代表的距离。

即用相位延迟测量的间接方法代替直接测量激光往返所需的时间，实现距离的测量，这种方法精度可达到毫米级。

三角法激光测距是由激光器发出的光线，经过会聚透镜聚焦后入射到被测物体表面上，接收透镜接收来自入射光点处的散射光，并将其成像在光电位置探测器敏感面上。

当物体移动时，通过光点在成像面上的位移来计算出物体移动的相对距离。

在80年代末90年代初，人们开始激光与三角测量的原理相结合，形成了激光三角测距器。

它的优点是分辨率很高，精度高，可以达到微米数量级，不受被测物的材料、质地、型状、反射率的限制。

从白色到黑色，从金属到陶瓷、塑料都可以测量。

激光三角法位移测量的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。

当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移。

图1-1激光三角法工作原理示意图第2章系统总体方案设计2.1系统技术指标本次设计为LK-031激光位移传感器数据采集系统设计，其测量范围是±5mm ，输出电压是±5V ，设计一个位移采集与显示系统，要求系统位移分辨小于1μm ，位移用数码管显示，系统具有任意位置置零功能。

2.2系统电路框图2.3数据采集与处理方案当CCD 位移传感器反馈一个电压信号，由于位移传感器反馈的是物体的位移形变，而位移形变可以会发生形变陡然增大或减小，使反馈的电话信号突然变化，再加上外界环境的影响，可能会时反馈的电压信号不在-5V ～+5V 这个范围内变化，调整电路和滤波电路对信号进行限幅处理，限幅范围为-5V —+5V 。

而放大电路把-5V ～+5V 范围的电压信号转换成0～10V 范围的电压信号，位移传感器的-5V 转换后对应的0V ，+5V 对应+10V 。

A/D 转换器和单片机接受电压信号后，经过处理并输出显示在LED 屏幕上。

图2-1 系统电路框图第3章系统硬件设计3.1 A/D电路选择CCD传感器是激光位移传感器是LK-031型，它测量不受颜色，表面材料或漫射光照的影响，量程为-5mm-+5mm，输出电压为-5V-+5V，单位为1μm，分辨率可达0.1%，测量距离为30mm。

=0.61μm14位A/D分辨率：10216位A/D分辨率：10=0.15μm216从上面计算可以看出，16位A/D分辨率符合设计要求，所以应当选择16位A/D 转换器，那么A/D转换选择AD7705，AD7705芯片既可接受从传感器送来的低电平输入信号，也可接受高电平（10V）信号，它运用Σ—△技术实现16位无误码性能，它的输出速度同样可由指令设定，范围由20HZ—500HZ，它能够通过指令设定对零点和满程进行校正，AD7705与微处理器的数据传送通过串行方式进行，采用了节省端口线的通讯方式，最少只占用控制机的两条端口线。

3.1.1AD7705引脚说明图3-1 AD7705引脚图AD7705的引脚排列如图3-1。

如图3-1所示，芯片的脚功能为：SCLK：串行时钟输入。

MCLKIN：系统时钟输入。

MCLKOUT：系统时钟输出。

CS：片选信号。

RESET：复位信号。

AIN2（+）：通道2正模拟信号输入。

AIN1（+）：通道1正模拟信号输入。

AIN1（-）：通道1负模拟信号输入。

REF IN（+）：正参考输入电压。

REF IN（-）：负参考输入电压。

AIN2（-）：通道2负模拟信号输入。

DRDY：数据输出标志位，低输出数据，结束恢复高。

DOUT：从输出移位寄存器串行输出数据位。

VDD：电压输入端，电压范围+2.7V—+5.25V。

GND：地电位。

3.1.2 AD7705内部转换原理AD7705内部原理框图如图3-2所示。

图3-2 AD7705内部转换原理图Σ-△型ADC的电路结构的核心是由Σ-△调制器和数字滤波器组成，Σ-△调制器是由积分器、比较器、1位DA转换器等组成的简单的模拟电路，原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间（脉冲宽度）信号，用数字滤波器处理后得到数字值。

AD7705有两个可编程的模拟输入通道，既可以输入单极性，也可以输入双极性信号，双极性信号应该可以从通道的负端AIN（-）输入。

芯片可以工作于缓冲或废缓冲模式，在非缓冲模式下，模拟电压的输入范围可取GND （-30mV ）和VDD （+30mV ）之间的任意绝对值，在缓冲模式下，模拟输入通道可以处理更高的阻抗源，但是输入电压的范围限制在GND （+50mV ）和VDD （-1.5V ）之间。

AD7705的可编程增益前端，使它可以直接接收传感器或变频器所得的微弱信号。

Σ-△ADC 采用过采样技术，调制器以大于奈奎斯特许多倍的速率采样模拟输入信号，把更多的量化噪音压缩到基本频带以外的高频区并由低通数字滤波器滤除这些带外噪声。

其对噪声的抑制能力很好。

3.1.3 AD7705的数字接口AD7705的数字接口是由八个寄存器和三线串行接口组成的。

寄存器组包括命令寄存器、设置寄存器、时钟寄存器、数据寄存器、测试寄存器、补偿校正寄存器、增益寄存器和一空的无效寄存器。

对这些寄存器的读写构成了整个芯片的工作过程。

再打开电源或复位后，设备等待对命令计算器进行写操，写给命令寄存器的数据决定下一个操作是读还是写以及那一个寄存器进行读写。

它是很重要的8位寄存器，各位的结构如表3-1。

DRDY ̅̅̅̅̅̅̅̅:数据准备好，写操作时，此位为0，其余7位的数据才可以写入此寄存器。

RSO-RS2：寄存器选择位。

决定下一个读写是对哪一个寄存器。

R/W̅̅̅：读写选择位。

STBY ：静态位。

CH0-CH1：通道选择位。

设置寄存器是——8位寄存器，该寄存器设置芯片的工作模式，增益的大小，选择单双极性，控制缓冲器的工作，设置滤波器的工作方式，其各位结构如表3-2。

MD0-MD1：工作模式选择位。

可选择一般模式、自校验模式、零点校正模式和满量程模式四种模式。

G0-G2：增益设置。

B̅/U ：缓冲控制。

FSYNC ：同步滤波器设置。

时钟寄存器也是一8位寄存器。

可以选择滤波器的工作状态和控制时钟。

其各位表3-1 命令寄存器结构表3-2 设置寄存器结构结构如表3-3。

ZERO ：零标志位。

CLKDIS ：主时钟无效位。

CLKDIV ：时钟分频位。

CLK ：时钟位。

FS1-FS0：滤波器选择位，决定输出数据刷新率。

数据寄存器是一16位寄存器，测试寄存器是8位，补偿寄存器和增益寄存器都是24位，还有一个空的无效寄存器。

3.1.4 AD7705的接口电路AD7705的简单的串行接口使其可以方便的与大多数微型计算机、数字信号处理器与微处理器相连。

下面以8051单片机为例，介绍AD7705与其他接口电路如图3-3所示。

此接口电路给出两者的最少连接。

AD7705工作于三线串行方式，使用DATAOUT 、DATAIN 、SCLK 引脚进行控制。

AD7705工作于外部时钟同步方式，8051的TXD 产生时钟脉冲，经过反向器作为AD7705的外部时钟。