隧道表面激光测量仪的研制

摘要

隧道表面形状测量是隧道施工和检测中需进行的关键工序之一，它关系到隧道能否按照设计尺寸施工，是保证隧道施工质量的重要测量步骤。本文采用激光测距元件作为测量传感器，设计研制了隧道表面激光测量仪，使用该仪器可以完成隧道表面形状的测量。
　　 针对现有隧道断面激光测量仪存在的缺陷和使用过程中的不方便问题，本文采用具有两个自由度的运动机构，设计了隧道表面激光测量仪的机械运动部分，使得所研制的隧道表面激光测量仪可以方便地对隧道表面形状进行测量。
　　 根据隧道表面激光测量仪的系统原理，对其CPU处理模块、激光测距元件模块、步进电机及控制模块、显示及控制电路、数据存储模块、打印及控制电路、键盘模块和电源模块的硬件组成和原理进行了分析，设计了仪器的硬件电路。所设计的硬件电路结构简单，可以满足隧道表面激光测量仪的使用要求。
　　 依据所设计的硬件电路原理，分别编写了键盘、激光测距元件、步进电机、显示器、打印机、SD卡存储等相应的控制程序，使仪器按照操作人员的操作命令较为快速和方便的进行实际表面的测量，并完成数据的保存和传送。
　　 在PC机中采用VC软件设计了数据采集和处理软件，其中，软件的数据处理部分采用MATLAB和VC混合编程的方法实现。软件可以显示测量数据和对数据进行处理，同时可实现将测量数据和设计数据进行对比，计算出偏差数据的功能。软件具有较快的数据处理精度和速度。
　　 硬件和软件设计完成后，对隧道表面激光测量仪进行了测量数据的有效性和准确性验证，对实际的表面进行了测量实验，绘制了测量表面三维图和断面对比图，并对其偏差进行了分析。实际测量结果表明，所研制的隧道表面激光测量仪所测结果准确有效。

目录

声明

摘要

1 绪论

1.1 课题提出的背景及意义

1.2 课题的研究现状

1.2.1 隧道断面测量技术的发展

1.2.2 隧道断面测量技术的研究现状

1.2.3 隧道断面测量技术的发展趋势

1.3 课题研究内容和论文结构

1.3.1 课题研究内容

1.3.2 论文章节安排

1.4 本章小结

2 隧道表面激光测量的要求和基本原理

2.1 激光测距元件的工作原理

2.2 隧道断面激光测量仪的测量原理

2.3 隧道表面激光测量仪的测量原理和控制系统

2.3.1 隧道表面激光测量仪的测量原理

2.3.2 隧道表面激光测量仪的功能要求

2.4 本章小结

3 隧道表面激光测量仪的硬件结构设计

3.1 硬件总体结构

3.2 CPU的选择

3.3 激光测距元件选择及其控制电路

3.3.1 激光测距元件的选择

3.3.2 通讯电路

3.4 步进电机控制电路

3.4.1 步进电机的选择

3.4.2 步进电机控制电路

3.5 SD卡存储

3.6 显示器控制电路

3.7 打印部分

3.8 键盘控制电路

3.9 电源模块

3.9.1 +3.3V电压

3.9.2 +5V电压

3.9.3 系统功耗及电池容量选择

3.10 本章小结

4 控制软件设计

4.1 控制软件总体设计

4.2 系统初始化

4.2.1 单片机初始化复位

4.2.2 单片机中断系统初始化

4.2.3 串口初始化

4.2.4 激光测距元件初始化复位

4.2.5 SD卡初始化

4.3 键盘扫描

4.4 测量范围和测量点确定

4.4.1 测量范围确定

4.4.2 测量点确定

4.5 数据采集

4.6 数据储存

4.7 数据打印

4.8 数据发送

4.9 本章小结

5 数据处理软件设计

5.1 数据处理软件总体设计

5.2 单片机内部的数据处理

5.2.1 测量坐标原点的确定

5.2.2 数据的转换

5.2.3 数据显示

5.3 PC机的数据处理

5.3.1 数据的采集

5.3.2 数据的保存

5.3.3 打开测量数据

5.3.4 图形显示与对比

5.3.5 偏差分析

5.3.6 清空数据和退出

5.4 本章小结

6 仪器的实验检验

6.1 测量数据准确性的验证

6.1.1 实验目的

6.1.2 实验原理

6.1.3 实验步骤

6.1.4 实验结果及存在问题

6.2 实际测量检验

6.2.1 实验目的

6.2.2 实验原理

6.2.3 实验步骤

6.2.4 实验结果及其分析

6.3 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录 硬件电路原理图

攻读硕士期间发表的论文和参编的教材