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基于arduino的室内测距测高仪的设计

时间:2013-02-19 09:24:19  作者:郑一粟  来源:  查看:6132  评论:0
导读:室内测距测高仪的设计浙江省温州中学   郑一粟 1设计背景   测量长度一直是我比较感兴趣的问题。小时候玩直尺,就在想,如果要测量的是很长很长或很短很短的东西,那怎么办呢?后来,知道了,原来还有皮尺、钢尺,螺旋测微仪等。还知道可以用间接测量方法,通过几..

室内测距测高仪的设计

浙江省温州中学 郑一粟

1设计背景

测量长度一直是我比较感兴趣的问题。小时候玩直尺,就在想,如果要测量的是很长很长或很短很短的东西,那怎么办呢?后来,知道了,原来还有皮尺、钢尺,螺旋测微仪等。还知道可以用间接测量方法,通过几何计算得到不能直接测量的长度和距离。

去年一天,途经一个建筑工地,看到一位师傅手持一个很简单的仪器,利用激光束在测距离。不禁非常好奇,经过询问,我知道了它叫激光测距仪。

激光测距是一种光学遥感技术。激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光,由光电元件接收目标反射的激光束,计时器测定激光束从发射到接收的时间,从而计算出从观测者到目标的距离(见图12)。

激光测距仪具有重量轻、体积小、操作简单、快速准确等优点。广泛应用于农业、地质、气象、军事、建筑、机器人等领域。

出于对激光测距仪的好奇。我查询了许多资料,留意了用户和商家对它的反馈评价,发现该类产品还是存在一些明显的不足之处的。简列如下:

设计复杂,用到的配件多,成本昂贵,制做难度大,市场价格高,售价一般在两三千元以上;

只有一个激光灯,而某些数据需要进行多次测量,使用起来比较麻烦,易造成误差;

激光传播受到传播介质的影响,在水、玻璃等传播介质中测量误差较大。

被测物表面状况不理想的话(如凹凸不平,有障碍物等),会影响测量结果,造成误差。

⑤使用时要保持光学系统干净,否则将影响测量;

而上述问题是由激光测距仪的工作原理造成的,是在这种原理下无法回避的缺点。因此,我想,是不是可以另辟蹊径,换一种工作原理,找到一种更加准确快速、经济实惠的装置来代替它,达到同样的目的?尤其在某些时候,我们常常会需要测量某些建筑物的室内高度、长度,用现成的激光测距仪有点类似“高射炮打蚊子”,而且还不准确(光学测距测高仪的误差较大)。经过多次的设想、分析、比较之后,我形成了一种全新的设计思路。

2 设计思想

我的设计思路是:不利用激光往返时间来测量长度,而是去测激光束形成的角度,利用激光灯所旋转过的角度计算高度和水平距离。

具体如下:在仪器上定点安装三个激光投射灯和一个单片机。工作时,三个激光束中的相邻两个同时投向被测物的一端,另一束激光则射向被测物的另一端。而三个激光灯之间的距离已经知道。于是便可以通过激光灯所转过的角度值求出被测物的高度和测距仪与被测物的水平距离。而激光灯所转过的角度值可由角度传感器得到。

这种设计有下述优点:

测量的是两点之间的夹角,只要能看到被测量物的首尾两个端点即可操作,不受测量物表面状况的影响;

②不受光传播介质的影响;

③本装置内设三个激光灯,同时发射,一次操作即可得到多个结果;

④设计简单,配件少,成本低廉,每件约为200元即可

这种激光测距测高仪的核心技术包括:角度传感器和arduino单片机。

3 我的设计——“激光测距测高仪

3.1结构简介

3.1.1

单片机

如图3所示,单片机是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统

3 4

3.1.2

旋转角度传感器

如图4所示,本仪器所采用的旋转角度传感器是基于可调电位计工作原理所设计,其不仅可以做为可调电阻控制电机转速,还可以在其旋转头部安装单摆轮,测量倾角,旋转角度从0300度,通过编程在单片机上可以轻松实现与旋转位置相关的科技作品。

3.1.3

液晶显示器

如图5所示,液晶显示器,或称LCDLiquid Crystal Display),为平面超薄的显示设备,它由一定数量的彩色或黑白像素组成,放置于光源或者反射面前方。液晶显示器功耗很低,因此倍受工程师青睐,适用于使用电池的电子设备。它的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。

5 6 7

3.1.4

激光头

如图6所示,激光头利用的是低功率的可视激光,常见的激光指示器有红光(655/635nm)、黄光(589/593nm)、绿光(532nm)、蓝光(473/445nm)和蓝紫光(405nm)等,常用于电子教鞭之类的产品中。

3.1.5

气泡水平仪

如图7所示,气泡水平仪主要用于检验各种机床及其他设备的平直度,安装的水平位置和垂直位置的正确性,并可检验微小倾角。

3.2模型设计

3.2.1

文字原理解释

如图8所示,本仪器定点安装三个激光投射灯和一个单片机。工作时,两束激光射向被测物体的一端,另一束激光射向被测物体的另一端。而三个激光灯之间的距离已经知道。通过角度传感器得到激光灯所转过的角度值,然后求运用数学原理即可得出h(被测物的高度)与x(测距仪与被测物的水平距离)的数值。

3.2.2

原理解释

呵呵

 

8

3.2.3

使用说明

比如,想要测量一株树的高度时,需将一束激光束(激光点一)射向树的一段,另外两束射向树的另一端,按下按钮,通过单片机的计算,便可得到树的高度和人与树之间的距离了。

3.2.4

模型图片

9 10

11

3.2.5

程序设计

我们采用了Arduino单片机并写了相关的程序。Arduino是一个基于开放原始码的软硬体平台。构建于开放原始码simple I/O介面版,并且具有使用类似JavaC语言的Processing/Wiring开发环境。Arduino可以使用开发完成的电子元件。例如Switchsensors或其他控制器、LED、步进马达或其他输出装置。Arduino也可以独立运作成为一个可以跟软件沟通的接口。其特点如下:

①开放源代码的电路图设计,程序开发接口免费下载,也可依需求自己修改。  

②使用低价格的微处理控制器(ATMEGA8ATmega128)。可以采用USB接口供电,不需外接电源。也可以使用外部9VDC输入。

Arduino支持ISP在线烧,可以将新的“bootloader”固件烧入ATmega8ATmega128芯片。有了bootloader之后,可以通过串口或者USB to Rs232线更新固件。 

④可依据官方提供的Eagle格式PCBSCH电路图,简化Arduino模组,完成独立运作的微处理控制。可简单地与传感器,各式各样的电子元件连接(EX:红外线,超音波,热敏电阻,光敏电阻,伺服马达等)。  

⑤支持多种互动程序,如:FlashMax/MspVVVVPDCProcessing等。  

⑥应用方面,利用Arduino,突破以往只能使用鼠标,键盘,CCD等输入的装置的互动内容,可以更简单地达成单人或多人游戏互动。

arduino程序设计如下:


LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); // set the LCD address to 0x27 for a 16 chars and 2 line display

int button = 13;

int sensor_1 = 0;

int sensor_2 = 1;

int sensor_3 = 2;

double Value_1,Value_2,Value_3;

double v_1=487,v_2=514,v_3=490;

double pi=3.14;

double d=2.5;//传感器距离

double x,y;

void setup()

{

lcd.init();

lcd.backlight();

lcd.print("please start measure!");

}

#include <Wire.h>

#include <LiquidCrystal_I2C.h>

void loop()

{

Value_1 = analogRead(sensor_1);

Value_2 = analogRead(sensor_2);

Value_3 = analogRead(sensor_3);

lcd.clear();

lcd.print(Value_1);lcd.print("|");lcd.print(Value_2);

Value_1 = ((v_1-Value_1)/3)*pi/180;

Value_2 = ((v_2-Value_2)/3)*pi/180;

Value_3 = (abs(v_3-Value_3)/3)*pi/180;

lcd.setCursor(0,1);

x=d / ( tan(Value_2) - tan(Value_1) );

y=x*( tan(Value_2) + tan(Value_3));

y=y+d;

lcd.print("|");

lcd.print(x);lcd.print("|");lcd.print(y);

delay(500);

}

4预算和前景

4.1 本仪器成本( 由淘宝网购买)

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如图12所示,成本合计大约190元,再加上外壳,总计约需200元。如到批量生产可以更加便宜。所以成本上远远低于现有市场上出售的激光测距仪价格。

但是,它在功能上是优于其他激光测距仪的。它可操作性强,不受光传播介质的影响,不受测量物的表面状况影响,只要能看到被测量物的首尾两个端点即可操作。而且一次操作即可得到结果。因此具有使用方便、准确高效、价格低廉等特点。如果开发生产,一定具有很强的可推广性。

4.2 本仪器发展前景

产品用途:本产品适用于家庭装修、工程装潢、建筑施工、房地产开发管理、房产测绘、房地产评估等各行各业,由于其数学原理还可用于中小学教学,可以简单、快速、精确地测量室内、室外的距离,可以精确地测量建筑物的高度。

行业用户:建筑师、中高级建筑人员、房地产测量、电力工程师、太阳能安装工程师、设备管理与安装人员、考古与文物普查人员、保险理赔人员、通讯机站设计师、建设监理、安全生产监督人员。



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