作者：黃威，王珍珠，范愛媛，劉博

介紹了基于 AT89S52的激光雷達門控控制系統的工作原理，并著重討論系統硬件和軟件的實現方法。系統采用 AT89S52單片機為核心，配置以數字電位器、光電耦合器、單穩態觸發器等部件，控制光電倍增管門控開關的時間，從而實現對激光雷達測量的起始點和結束點的實時調控。

前言

激光雷達能夠對大氣中的氣溶膠、二氧化碳、臭氧、水氣等進行高時空分辨率、實時、大范圍地測量，因此越來越受到環保和氣象部門的重視。目前，用于氣象要素和環境污染檢測的激光雷達技術發展很快。激光雷達必定會在大氣參數和環境污染檢測方面扮演重要的角色。要使激光雷達的測量范圍盡可能的大，必須控制好雷達光電倍增管（PMT）門控的開關門時間，以滿足各種測量的要求。如果能很好地解決這些問題將會極大地推動激光雷達的應用和推廣。

單片機在很多領域都有廣泛的應用，其性價比很高，特別適合于激光雷達門控控制系統的要求。我們利用單片機很好地實現了激光雷達光電倍增管門控開關門的控制，并通過上位機編程實現了軟件控制門控，操作極為方便，使激光雷達的發展更加趨向于自動化。

1．控制方案設計

激光雷達接收的后向散射回波信號通過 PMT接收，由于近地面的回波信號很強，而 PMT是非常靈敏的器件，如果直接用激光器的出光信號 QSWITCH信號觸發 PMT接收回波就會對PMT造成損害。

常閉型 PMT的 GATE端是上升沿觸發開門，所以我們將 QSWITCH信號延時整形后得到一個正脈沖，脈沖的前沿觸發 PMT開門，脈沖的寬度就是 PMT開門的時間。

常開型 PMT的 GATE端是下降沿觸發關門，所以我們先將激光器的氙燈信號 FlashLAMP延時一段時間，得到一個正脈沖，脈沖的前沿調節在QSWITCH信號之前，這個時候 PMT就關門了，直到脈沖的后沿才觸發 PMT開門，在這之后 PMT就一直開門。

通過單片機控制單穩態觸發器的延時時間，并用上位機進行軟件控制，實現了精確延時，調節非常方便。

本系統以單片機為核心，按照規定的協議，上位機通過串口給單片機發送相應的指令，單片機再調節單穩態觸發器中的數字電位器的值，從而輸出相應的延時脈沖到光電倍增管門控，實現開門或者關門。系統功能框圖如圖1：

2．系統硬件設計本系統采用 AT89S52單片機作為控制核心，控制系統主要包括數字電位器、光電耦合器、單穩態觸發器、信號放大整形電路、以及串口通信電路等部件。

2.1 單片機

AT89S52是一個低功耗，高性能 CMOS 8位單片機，片內含 8k Bytes ISP（In-system programmable）的可反復擦寫 1000次的 Flash只讀程序存儲器， 256 bytes的隨機存取數據存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及51系列單片機引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。

2.2 數字電位器

DS1804 NV微調電位器是非易失數字電位器，具有 100個抽頭位置。為 CPU控制或手動控制輸入的低成本電路調節應用提供了一個理想的途徑，使外部元件最少。根據需要可以將 DS1804的抽頭位置存儲到 EEPROM中。器件的抽頭位置通過三個端口調節，這三個端口提供有增/減計數控制接口，端口控制輸入由 CS、INC和 U/ D組成。DS1804提供三種電阻：10kΩ、 50kΩ和 100kΩ，該器件提供工業級工作溫度范圍。DS1804采用 3V或 5V供電，非常適合便攜式應用。

由于是采用三線控制，所以與單片機的接口非常簡單方便，只需要用占用 AT89S52的 3個并口即可以實現對它的控制。DS1804與 AT89S52的連接圖見圖2：

2.3光電耦合器 4N25是一種經濟型光電耦合器，體積小，壽命長，無觸電，抗干擾性能強， C-E飽和

壓降（ IC=2mA，IF=50mA）：0.15V（typ）；隔離電壓（ f=60Hz，t=1）：7500V（交流峰值）；隔離電阻（ V=500V）：10Ω（min）；隔離電容（ V=0V，f=1MHz）：0.2Pf（typ）。光耦可以將輸入輸出兩邊的電路隔離，起到很好的保護作用。

從激光器 QSWITCH和 FLASHLAMP出來的脈沖信號通過光電耦合器輸出再通過上拉電阻連接到 74LS221的輸入端。其開關時間是 2 us，能夠滿足我們的要求。

2.4單穩態觸發器

74LS221是一個雙單穩多諧振蕩器 ，每路有三個前沿或后沿觸發輸入，A腳是低電平觸發脈沖輸入端；B腳是高電平觸發脈沖輸入端，且輸入端帶施密特觸發器，增強了抗干擾能力。輸入端內部的鎖存電路也使得其對 VCC噪聲有很強的抗干擾能力。CLR端利用定時器件能夠在預先設定的時間強行終止輸出脈沖，也可以作為觸發輸入端使用。可以在 CEXT和 REXT/CEXT之間外接一定時電容。要改善脈沖寬度的精確性和重復性，可以在 REXT/CEXT和 VCC之間外接一個電阻，并將 RINT開路。如果要得到可變脈沖寬度，可以在 REXT/CEXT和 VCC外接一個可變電阻或者數字電位器。

通過控制數字電位器就可以調節單穩輸出端的脈沖寬度。

我們把激光器的 FLASHLAMP觸發信號經過一級單穩延時一定的時間，再經過二級單穩得到一定寬度的脈沖信號，將這個信號通過放大整形電路輸出給常開型 PMT，用信號的前沿控制 PMT的關門，后沿控制開門。

將激光器的 QSWITCH觸發信號經過一級單穩延時輸出到二級單穩，得到的脈沖信號經過放大整形電路輸出到常閉型 PMT，用信號的前沿控制 PMT的開門。

同時，QSWITCH觸發信號也用作采集卡和光子計數卡的觸發信號，分別通過一級單穩和二級單穩輸出 30 us和 40 us的脈沖到兩個卡，這樣激光器一出光，信號就開始采集了。電路如圖 3：

2.5與 PC機的串口通信

為了在軟件上控制數字電位器的增減，我們采用串口通信，并規定了可靠的協議。AT89S52具有 2個全雙工串行通信口，可以與 PC機進行串口通信。由于 PC機的串行口是RS-232標準的接口，其輸出在電平上和采用 TTL電平的 MCU在接口時會產生電平不同的問題。我們采用 MAX232電平轉換芯片，來實現 TTL電平和 RS232接口電平之間的轉換。電路如圖4：

3．系統軟件設計

本系統軟件設計采用結構化和模塊化設計方法，便于功能擴展，上位機程序用C++編寫，下位機程序用匯編語言編寫。規定了串口通信的協議。上位機程序用 slider控件向下位機發送數據，滑塊的位置與數字電位器的值相對應。打開上位機主程序，程序初始化，向下位機發送上次的數字電位器的設置值。拖動滑塊時，數字電位器的值就相應地變化。而下位機主程序功能包括（1）開機自檢流程，主要完成系統對自身的硬件測試;（2）系統初始化;（3）判斷串口接收的數據;（4）調節數字電位器的值。下位機系統主程序流程見圖 5。

4．結語本文介紹了激光雷達門控控制系統硬件及軟件的設計。分析了 AT89S52單片機、DS1804 數字電位器、74LS221單穩態觸發器和 4N25光電耦合器的性能，從而設計了它們之間的連接電路。介紹了系統控制軟件的設計思路和流程。

本文作者創新點：針對激光雷達光電倍增管門控的特點，實現了雷達門控系統的軟件控制，調節方便，精度高，有利于提高激光雷達的自動化工作程度和工作穩定性。且基于單片機的控制系統成本較低、運行可靠，可有效促進激光雷達大量實際應用。目前該系統已應用于本單位雙波長激光雷達，運行良好。

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