基于STM32的短距离激光测距仪设计

许浩浩，易 艺，韩志胜，罗国庆

（桂林电子科技大学 信息科技学院，广西 桂林 541004）

0 引言

激光因其具有方向性好、亮度高、单色性好等优点被应用于地形测量、房子装修、工程测量、人造卫星测距、机器人避障等领域[1,2]。随着机器人[3]、智能驾驶、物联网智能停车[4]等技术的发展，人们对激光测距的测距精度、测量时间和稳定性提出更高的要求。因受各种环境因素的影响，激光测距很难达到理想的测距状态[5]。因此，如何快速、准确、稳定地对目标距离实现测量，成为目前智能行业迫切需要解决的问题，也是科研工作者研究的课题[6,7]。

为了实现对目标距离的准确测量，本文基于相位法激光测距的原理，采用STM32作为控制器，设计和制作一台便携式短距离激光测距仪，该激光测试仪具有成本低、易操作、便于携带等特点。本文首先介绍激光测试仪的系统组成和原理，然后对系统的硬件电路和软件进行设计与制作，最后进行实验测试与分析。

1 系统的组成和原理

图1 系统总体设计框图Fig.1 System overall design block diagram

图2 微控制器最小系统电路框图Fig.2 Circuit block diagram of micro-controller minimum system

基于STM32的激光测距仪由STM32最小系统和与之相连接的液晶显示电路、键盘电路、激光测距模块、通信模块和电源模块组成，其系统组成框图如图1所示。

激光测距仪以STM32微控制器作为控制核心，根据用户从键盘设置的工作模式，给激光测距模块输送数据命令，控制激光测距模块工作，实现对目标距离的准确测量。液晶显示模块用来显示距离、面积和体积等测量参数。为了方便用户获取和处理测量参数，激光测距仪还设有USB转TTL串口通信模块，预留通信接口，该通信接口可以通过USB线与PC机相连接，安装有上位机软件的PC机，可以读取激光测距仪的数据，方便用户对测量数据进行处理。

2 系统硬件电路设计

2.1 微控制器最小系统电路

微控制器最小系统电路选用片内资源丰富的STM32F1-03C8T6芯片来进行设计，它的工作频率为72MHz，具有外围电路简单、功耗低、性价比高等优点，且片内拥有ADC。微控制器最小系统电路由STM32F103C8T6芯片、时钟电路、复位电路、BOOT电路和电源电路组成[8]，其电路组成框图如图2所示。

2.2 电源模块电路

电源模块选用LM7805和LM1117-3.3稳压芯片来进行设计，其电路原理图如图3所示。

图3 电源模块电路原理图Fig.3 Circuit schematic diagram of power module

图4 液晶显示电路原理图Fig.4 Liquid crystal display circuit schematic diagram

图5 按键电路原理图Fig.5 Key circuit schematic

图3中，9V电池与J1接口相连接，9V直流电压经过LM7805稳压器进行电压转换后得到+5V电压，然后分别送给液晶显示电路和LM1117-3.3稳压器。从LM1117-3.3稳压器输出的3.3V电压送给STM32最小系统电路和激光测距模块供电。

2.3 液晶显示电路

液晶显示电路选用低功耗的OLED12864显示屏来实现，它采用SPI的通信协议与STM32微控器进行数据通信，其与STM32微控器的电路连接图如图4所示。

2.4 键盘电路

键盘电路选用7个独立按键S1～S7来实现，它们通过网络标号Key1～Key7分别与STM32微控制器的7个I/O口相连接，其电路原理图如图5所示。STM32微控制器的7个I/O口都配置为上拉电阻输入。

2.5 激光测距模块电路

图6 激光测距电路框图Fig.6 Laser ranging circuit block diagram

图7 系统主程序流程图Fig.7 System main program flow chart

激光测距模块主要由STM32F103微控制器、信号产生电路、激光发射电路、激光接收电路和信号混频电路组成[9]，其电路原理框图如图6所示。

在图6中，STM32微控制器根据用户设置的工作模式控制信号产生电路、激光发射电路、激光接收电路和信号混频电路进行工作，然后将A/D采集的混频信号参数进行分析和处理，直至得到相应的距离测量值[10]。

3 系统软件设计

在Keil集成开发环境下，用C语言来对系统的各个子程序进行设计，主要包括系统主程序、液晶显示程序、按键程序、串口发送和接收程序等。系统的主程序流程图如图7所示。在图7中，系统先对液晶显示电路、按键电路、激光测距模块及其内部资源进行初始化，然后按系统默认的设置参数进行工作，当系统接收到用户的设置命令时，按用户命令控制激光测距模块进行工作，并将读取的测距数据进行分析、处理和存储，最后送液晶显示电路进行显示。

PC机的上位机软件采用NI公司推出的虚拟仪器开发平台LabVIEW开发，它是一种图形化编程语言，简单、易学。激光测距仪通过USB转串口通信模块与PC机相连接，PC机的上位机软件通过通信模块读取激光测距仪的数据，并以Excel的格式导出，方便用户进行处理。

表1 主要性能指标Table 1 Main performance index

表2 距离参数测量结果Table 2 Distance parameter measurement results

4 实验测试

采用100m卷尺、100cm直尺作为标准尺子，对研制的激光测试仪进行比对测试，得到激光测试仪的主要性能指标如表1所示，部分参数测量结果如表2所示。

实验测试结果表明：该激光测距仪可以在0.2s～2s内实现对距离的测量，距离测量范围为0.03m～80.00m，测量精度为±2mm，距离测量的最大相对误差为10.00%，且具有面积和体积的测量功能，能满足人们日常生活的测距需求。

5 结论

本文基于相位法激光测距的原理，以STM32微控制器作为主控芯片，将光电检测技术、DSS技术、PWM技术等知识相结合，辅以必要的外围电路，设计了一种短距离激光测距仪。本文详细介绍了激光测距仪的系统组成原理和软硬件实现的方法，并进行制作与实验。实验测试结果表明，该激光测距仪可以在0.2s～2s内实现对距离的测量，且具有测距范围宽、精度高、成本低、易操作、便于携带等特点，可应用于房子装修、房产测绘等行业。