基于arduino的室内测距测高仪的设计

shijsong

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1、2）。

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：

①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；

②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；

③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。

④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：

①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。

图3 图4