基于STC89C52微控制器的非接觸測量裝置*

基于STC89C52微控制器的非接觸測量裝置*

劉永富，韓佳儒，朱雅琦，鄧宇雯，滕 勤

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

柔性物體易于變形，當(dāng)采用傳統(tǒng)的游標(biāo)卡尺、千分尺測量其外形尺寸時(shí)，不僅效率低，而且重復(fù)性和穩(wěn)定性差。基于激光位移檢測與光電傳感技術(shù)，提出了一種用于柔性物體的非接觸測量方法。以STC89C52微控制器為核心并利用激光傳感器和精密絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)設(shè)計(jì)了測量裝置，根據(jù)被測物體遮擋光跳變間隔內(nèi)絲桿移動(dòng)的距離確定物體的寬度或外徑。一系列柔性物體的測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際測量精度可達(dá)0.1mm。這種方法也可用于高溫物體的外形尺寸測量。

柔性物體；非接觸測量；激光傳感器；伺服電機(jī)測距

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率越來越高，測量技術(shù)也要求高效、準(zhǔn)確和無損傷。對(duì)于柔性物體的外形尺寸測量，由于其易變形的特性，使得利用游標(biāo)卡尺、千分尺等傳統(tǒng)的測量方式不僅效率低，而且一致性和穩(wěn)定性差，還有可能對(duì)物體表面造成損傷，因此，非接觸測量得到了廣泛應(yīng)用，如測量線徑［1］、物體厚度［2］、位移［3］以及限界檢測［4］等。目前非接觸測量儀大多采用電荷耦合器件（Charged Couple Device，CCD）技術(shù)，通過對(duì)物體各個(gè)方向的成像，構(gòu)建出物體輪廓，由計(jì)算機(jī)計(jì)算出外形尺寸［5-8］。這種方法的圖像數(shù)據(jù)處理過程較復(fù)雜，對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較高，數(shù)據(jù)量大，價(jià)格偏高。

激光具有亮度高、單色性和方向性好的特性，激光測距裝置常常被用于光電跟蹤系統(tǒng)［9］。本文基于非接觸測量方法，利用激光傳感器和精密絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種測量柔性物體尺寸的裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、便于加工制作、適合現(xiàn)場操作、測量數(shù)據(jù)便捷、顯示信息直觀、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。這種方法同樣適合高溫物體外形尺寸的測量，并可以推廣到柔性物體產(chǎn)品生產(chǎn)線的在線測量。

1 測量裝置的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，非接觸測量裝置由激光傳感器、精密絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)、測控系統(tǒng)組成。

圖1 柔性物體非接觸測量裝置示意圖

精密絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)包括一根螺距為4mm的精密絲桿和一個(gè)移動(dòng)滑臺(tái)。導(dǎo)軌的一側(cè)固定載物臺(tái)，由透明玻璃作為放置被測物體的平臺(tái)。激光傳感器固定在移動(dòng)滑臺(tái)上，隨絲桿旋轉(zhuǎn)前后運(yùn)動(dòng)，通過放置在載物臺(tái)上的物體。該激光傳感器具有靈敏度可調(diào)功能，從而適應(yīng)不同通透性物體。在被測柔性物體的邊沿處，激光傳感器輸出信號(hào)發(fā)生跳變，根據(jù)信號(hào)電平兩次跳變之間絲桿運(yùn)動(dòng)的距離，便可確定被測物體的實(shí)際外徑或?qū)挾取?/p>

2 測量裝置的測控系統(tǒng)

非接觸測量裝置測控系統(tǒng)如圖2所示，由單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、開關(guān)、USB接口電路、LED數(shù)碼管顯示器等組成。測控系統(tǒng)的核心是STC公司的STC89C52微控制器，具有8KB Flash存儲(chǔ)器，256B RAM，32位I/O口線。

圖2 測量裝置的測控系統(tǒng)

電源系統(tǒng)為單片機(jī)最小系統(tǒng)提供5 V直流電壓，并為激光傳感器、伺服電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供24V直流電壓。微控制器通過USB接口與PC相連，用于將程序燒錄到單片機(jī)中。測量值由4位LED數(shù)碼管顯示，其段選和位選信號(hào)分別由單片機(jī)的P0口和P2口產(chǎn)生，采用動(dòng)態(tài)掃描顯示方式。

絲桿通過杰美康57J1880EC-1000-50系列直流混合式伺服電機(jī)帶動(dòng)，步距角為1.8°，額定電流為4.0A。伺服電機(jī)由杰美康2HSS57-10000混合式步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)器（閉環(huán)）控制，驅(qū)動(dòng)器使能信號(hào)ENA-和方向信號(hào)DIR-分別與單片機(jī)P1.0和P1.1相連，PLS-與單片機(jī)P1.2端口相連，接受來自STC89C52單片機(jī)的脈沖指令。ENA+、DIR+、PLS+引腳接5V電源。該驅(qū)動(dòng)器具有8種細(xì)分模式，工作電流為0～6A，工作電壓為24～80V，具有全閉環(huán)、低發(fā)熱、平滑精確的特點(diǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)思路

單片機(jī)通過定時(shí)器0中斷輸出脈沖信號(hào)，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。每輸出800個(gè)脈沖（定時(shí)器中斷1 600次）電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，通過記錄定時(shí)器中斷次數(shù)便可計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)前進(jìn)的距離。定時(shí)器1用于定時(shí)掃描數(shù)碼管顯示。外部中斷INT0和INT1接光電開關(guān)信號(hào)。按下按鍵K，單片機(jī)開始輸出脈沖，當(dāng)光電開關(guān)被擋住時(shí)，INT0觸發(fā)，開始記錄脈沖的個(gè)數(shù)。當(dāng)物體移出光電開關(guān)時(shí)（沒有遮擋），INT1觸發(fā)。記錄從INT0觸發(fā)到INT1觸發(fā)之間定時(shí)器0中斷的次數(shù)N，則電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的距離為L=（N/1600）×4mm。

絲桿運(yùn)動(dòng)的快慢由控制電路中開關(guān)K1或K2決定，開關(guān)K1控制的速度是K2的兩倍，可以觀察和比較不同絲桿速度對(duì)測量結(jié)果的影響。

4 測量實(shí)驗(yàn)

選取不同柔性物體分別進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)，在此僅給出部分結(jié)果。先用游標(biāo)卡尺對(duì)每種物體進(jìn)行10次測量，取其平均值作為1次的測量值，可看作是一個(gè)“標(biāo)稱值”，然后在不同絲桿運(yùn)動(dòng)速度下，用測量裝置分別測量10次，得到物體的測量尺寸。

餐巾紙寬度測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示。由于受外力產(chǎn)生形變，游標(biāo)卡尺測量的尺寸波動(dòng)較大，從圖中可以看出，數(shù)值波動(dòng)大于0.5mm。而測量裝置測量的尺寸波動(dòng)明顯減小，其中絲桿低速運(yùn)動(dòng)（K2按下）時(shí)測量數(shù)據(jù)集中于28.7～28.8mm之間，重復(fù)性明顯優(yōu)于用游標(biāo)卡尺和絲桿高速運(yùn)動(dòng)（K1按下）時(shí)測量的值。

圖3 餐巾紙寬度測量

測量鉛筆盒寬度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。由于堅(jiān)硬物體測量時(shí)的受力變形幾乎可以忽略不計(jì)，此時(shí)可以認(rèn)為游標(biāo)卡尺測量的結(jié)果非常準(zhǔn)確，而此時(shí)測量裝置的測量精度不如手工測量，絲桿低速運(yùn)動(dòng)（K2按下）時(shí)的測量誤差為±0.1mm，絲桿高速運(yùn)動(dòng)（K1按下）時(shí)測量效果略差一些。

圖4 鉛筆盒寬度測量

為了提高測量精度，調(diào)整激光傳感器輸出靈敏度和傳感器輸出電路比較門限，再次測量兩種不同物體的外形尺寸，測量結(jié)果如圖5所示。其中，紙片寬度的標(biāo)稱值為10.00mm，游標(biāo)卡尺的測量值為10.12mm，用測量裝置測量的數(shù)值在9.98～10.10mm之間，測量最大偏差為±0.1mm，誤差為1.0％。U盤寬度的標(biāo)稱值為17.30mm，用游標(biāo)卡尺測量的值為17.27mm，用測量裝置測量的數(shù)值在17.26～17.32mm之間波動(dòng)，測量最大偏差為±0.04mm，誤差為2.3‰。可以看出，上述測量結(jié)果較穩(wěn)定，且多次測量值與“標(biāo)稱值”非常接近。

圖5 調(diào)整靈敏度后物體外形尺寸測量

5 測量誤差分析

5.1 絲桿誤差

滾珠絲桿副與滾珠之間的間隙會(huì)帶來測量誤差，使得單片機(jī)根據(jù)兩次中斷之間的間隔和絲桿的螺距計(jì)算出的距離并不等于絲桿移動(dòng)的實(shí)際距離，影響多次測量時(shí)的一致性。絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)的位置控制誤差的理論值為±0.02mm，這也是導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動(dòng)的主要原因之一。為了減小誤差，可以選擇更高精度的絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)。

5.2 測量響應(yīng)誤差

從激光傳感器輸出信號(hào)跳變到單片機(jī)中斷響應(yīng)的延遲帶來的誤差，導(dǎo)致計(jì)數(shù)器啟動(dòng)和停止滯后［10］，表現(xiàn)為電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，測量數(shù)據(jù)的誤差越大。為了減小誤差，應(yīng)優(yōu)化中斷服務(wù)程序的代碼，縮短中斷響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不能太快。

5.3 傳感器感應(yīng)誤差

受聚焦性能的影響，任何激光線束都有一定的寬度，當(dāng)物體的邊緣部分遮擋或露出光線時(shí)，激光傳感器輸出信號(hào)就可能發(fā)生跳變，特別是物體邊緣不平整時(shí)，這取決于傳感器輸出靈敏度和信號(hào)比較電路的門限設(shè)置。不同通透性的物體，傳感器感光靈敏度不同，因此，需要進(jìn)行匹配與標(biāo)定［11-12］，在硬件和軟件兩方面進(jìn)行修正。為了避免現(xiàn)場干擾引起的丟光現(xiàn)象，可以采用斷光續(xù)接補(bǔ)償措施［13］，消除測量中斷問題。

6 結(jié)論

本文基于伺服電機(jī)測距原理設(shè)計(jì)了柔性物體非接觸測量裝置，利用激光傳感器、伺服電機(jī)與精密絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)，研制了基于STC89C52單片機(jī)的測控系統(tǒng)。通過對(duì)不同物體進(jìn)行多次測量實(shí)驗(yàn)，證明了該方法的可行性。

（1）利用激光傳感器將被檢測物體邊緣轉(zhuǎn)化成高低電平信號(hào)，由單片機(jī)的外部中斷模塊捕捉柔性物體邊緣信號(hào)，測量柔性物體外形尺寸，重復(fù)精度可達(dá)0.1mm。

（2）利用單片機(jī)的實(shí)時(shí)中斷產(chǎn)生伺服電機(jī)的控制脈沖，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置的精確控制，理論控制精度可達(dá)±0.02mm。

（3）對(duì)于不同通透性的物體，測量靈敏度需要進(jìn)行匹配與標(biāo)定。選用更高精度的絲桿導(dǎo)軌系統(tǒng)，減小激光傳感器接收器的透光縫隙，優(yōu)化中斷服務(wù)程序的代碼，測量精度有望進(jìn)一步提高。

與現(xiàn)有的游標(biāo)卡尺人工測量相比，本文設(shè)計(jì)的非接觸測量裝置結(jié)構(gòu)簡便、使用方便、價(jià)格低廉，可滿足常規(guī)的柔性物體外形尺寸的測量，該原理可進(jìn)一步推廣至高溫物體的外形尺寸測量。

［1］李慧鵬，王軍，張軍，等.一種新型非接觸式線徑測量系統(tǒng)［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)（增刊），2004，25（4）：209-211.

［2］劉江，汪濤，唐清清，等．激光三角法厚度測量儀的設(shè)計(jì)與研究［J］．微型機(jī)與應(yīng)用，2014，33（10）：16-19.

［3］周劍，趙宏，田豐，等．測量剛體位移的非接觸式光電系統(tǒng)［J］．光電工程，1997，24（6）：60-66.

［4］何帥，高曉蓉，王黎，等．激光限界檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．微型機(jī)與應(yīng)用，2010，29（2）：89-92.

［5］張愛雪，孟櫻．基于ARM和FPGA的線陣CCD測徑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37（2）：82-84，87.

［6］錢思明．動(dòng)態(tài)線材直徑測量儀［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2007（9）：17-19.

［7］苗世迪，喬佩利．基于線陣CCD的精確測量方法研究［J］．哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，11（2）：103-105.

［8］陳重，滕勤．基于CIS圖像傳感器的數(shù)字式求積儀設(shè)計(jì)［J］．微型機(jī)與應(yīng)用，2014，33（4）：41-44.

［9］RAVI G．Novel back-illuminated CCD enhances low-lightlevel detection［J］．Laser Focus World，2010，46（4）：63-66.［10］耿春萍，程度，張治．激光脈沖測距的測距精度及誤差分析［J］．光電技術(shù)應(yīng)用，2007，22（2）：28-31.

［11］盧科青，王文，陳子辰．點(diǎn)激光測頭激光束方向標(biāo)定［J］．光學(xué)精密工程，2010，18（4）：880-886.

［12］周會(huì)成，曾理湛，陳吉紅，等．點(diǎn)光源測頭光束方向的標(biāo)定［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25（3）：388-391.

［13］章文娟，王中宇，周維虎，等．基于DSP的激光跟蹤儀數(shù)據(jù)通信及處理模塊設(shè)計(jì)［J］．微型機(jī)與應(yīng)用，2011，30（17）：54-56.

A non-contact measuring device based on STC89C52 microcontroller

Liu Yongfu，Han Jiaru，Zhu Yaqi，Deng Yuwen，Teng Qin
（School of Mechanical and Automotive Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Flexible objects are easy to deform，so when using traditional caliper or micrometer to measure their dimensions，the efficieny is low，and the repeatability and stability are poor.Based on laser displacement measurement and optical sensing technology，a method for non-contact measurement of flexible objects is proposed.Taking STC89C52 microcontroller as the core and using a laser sensor and a precision screw guide system，the measuring device is designed.According to interval between the light jumps reflected from the measured object and the moved distance for the screw，the width or diameter of the object is determined. A series of measuring experiment results for the flexible objects show that actual measurement accuracy is up to 0.1 mm.This method can also be used to measure the size of high temperature object.

flexible object；non-contact measurement；laser sensor；distance measured with servo motor

TH824+.1；TU857；TP216

A

1674-7720（2015）18-0095-03

劉永富，韓佳儒，朱雅琦，等.基于STC89C52微控制器的非接觸測量裝置［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（18）：95-97.

2015-04-23）

劉永富（1992-），通信作者，男，本科生，主要研究方向：動(dòng)力機(jī)械。E-mail：2411401140@qq.com。

韓佳儒（1992-），男，本科生，主要研究方向：動(dòng)力機(jī)械。

朱雅琦（1992-），女，本科生，主要研究方向：動(dòng)力機(jī)械。

國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（ 201310359007 ）