基于紅外線傳感器的智能測距圓規的設計開發

梁金澤，程 琳

(浙江理工大學，浙江 杭州 310018)

隨著我國全面小康的持續推進，我國制造業結合相關信息技術也得到了穩步發展，傳統制造業中制圖是最基礎的一步。制圖是所有工件加工的基礎，后期的質量管理等也深受制圖的影響，圓規作為一種基本的繪圖測量工具，廣泛應用于制圖測繪行業[1]。傳統的圓規制圖的過程中有幾個誤差是無法避免的：普通圓規在尺子上量取直徑時，筆芯厚度所造成的誤差沒法避免，在畫小圓的時候，誤差尤為明顯；普通圓規是靠齒輪嚙合移動，在不斷地開合情況下，會使得齒輪嚙合變得不可靠，造成松動，使得畫圓的時候直徑改變；難用于精確的測量，沒有卡口裝置，在畫取小圓的時候，圓規處于小角度狀態，不僅畫圓受到限制，而且直徑容易改變。以上傳統圓規現存的不足，會經常導致重畫，影響學生學習品質，而在實際生產中往往會放大次品率，影響實際作業。

基于如今市面上沒有一款圓規能夠有效地解決以上幾個問題，本研究對圓規進行一系列的研究與創新，特提出一種具有自主測量功能的新型電子圓規。本研究的創新型智能電子圓規，由能夠自主測量圓的直徑功能為首要目標并向外拓展延伸，通過紅外測距功能對兩腳距離進行探測，并通過小塊電子屏將距離顯示出來。本研究的開展能夠為學生的學習條件提供幫助，并就此影響到我國文具行業的發展速度，推動文具行業向更智能、更便利、更科技的方向發展，另一方面將新型電子圓規推廣到加工制造業中，勢必會降低次品率，提高產業產品效率。

1 紅外線傳感器實現圓規測距原理

紅外傳感器的測距基本原理為發光管發出紅外光，光敏接收管接收前方物體反射光，以此來測出兩端的距離。紅外傳感器檢測方式：鏡面反射式[2]。

(1)發光管發出紅外光,光敏接收管接收前方物體反射光,以此來測出兩端的距離。

(2)紅外線測距器由發射器和接收器兩部分組成。發射器不斷發射出頻率為40 kHz 的紅外線，當碰到副腳接收器接收到反射波信號后將其轉換成電信號。利用高頻的紅外線在待測距離上往返產生的相位移推算出光束跨越時間Δt，得出距離D：

(1)

上式中，C為光速，一般取C=3×108m/s。

本系統采用的是“計數”，通過單片機處理數據，其原理是：連續發射紅外發射器，當紅外接收器第一時間接收到反射的紅外信號時，電路中，單片機給出一個起動信號，計數器起動在單片機的一定頻率上計數；當接收機再次接收到反射的紅外信號時，電路處理單片機給出一個停止計數脈沖，計數器停止計數[3]。通過軟件編程，使單片機能夠自動處理這些數據，用脈沖周期T乘以脈沖數n可以得到Δt，即

Δt=nT

(2)

(3)

2 智能測距圓規的設計

2.1 設計原理

紅外線傳感器的智能測距圓規的原理框圖如圖2所示。圖中，整個智能測距圓規中除了前面所介紹的紅外線測距部分，還包括主、副腳裝置、滑槽裝置、開關裝置、讀數裝置、緊定裝置和儲能裝置，圓規整體結構圖如圖6所示。

圖1 紅外線距離傳感器原理圖

圖2 智能測距圓規的原理框圖

主腳裝置和滑槽裝置是電子圓規的主體部分，滑槽裝置與主腳相連，副腳裝置固定于滑槽間，可在滑槽裝置上移動，主腳與副腳之間距離即為所畫圓的半徑。紅外傳感測距裝置固定在主腳上，打開開關裝置，紅外測距裝置實時進行圓規間的距離信號處理，讀數裝置顯示屏通過導線于紅外傳感測距裝置相連接，電子顯示屏將接受到地信號顯示在電子屏幕上，紅外測距裝置和讀數裝置由充電裝置和儲能裝置為其供電。緊定裝置跟隨副腳固定在滑槽裝置上，緊定裝置將副腳進行固定，固定好后，副腳以主腳為軸進行畫圓。

2.2 產品實物及重點零件

紅外測距傳感器的示意圖如圖3所示，由可充電電池、開關及充電口、LED顯示屏、集成電路板、紅外發射/接收裝置五個部分構成。該裝置精度高，體積小，且壽命較長，無須經常更換。同時，定位滑塊如圖4所示，裝置采取螺紋孔連接，緊定效果可靠，不易松動，使用者不需要擔心半徑距離發生變化。滑槽裝置如圖5所示，采用鏤空方式，減輕產品質量，節約材料，同時提高產品的剛度強度，更加耐用，也方便使用者的攜帶與使用。整體裝置操作簡單，可靠耐用，如圖6所示。

圖3 紅外測距裝置圖

圖4 定位滑塊圖

圖5 鏤空移動滑槽圖

圖6 智能圓規結構圖

3 紅外測距模塊硬件電路和軟件的設計

3.1 89C52單片機硬件電路的設計

單片機的硬件電路圖如圖7所示。

圖7 單片機硬件電路圖

單片機發出頻率為12 MHZ的晶振，XTAL1和XTAL2搭建振蕩電路，RST與按鍵組合完成復位動作。單片機P0口接respack-8排阻，同時P0口作為數據口與LCD1602相連。P2口連接ACD0804模擬數字轉換器，ACD0804用于將模擬信號轉換為數字信號。P2口讀取ACD0804的地址信號，內部處理后從P0口將地址寫入LCD1602，LCD1602的液晶顯示屏顯示測得的距離，從而實現測距的功能[4]。

3.2 紅外線測距硬件電路的設計

紅外線測量距離的硬件電路圖如8圖所示。

使用的紅外測距模塊為GP2D12，配合ADC0804模擬數字轉換器使用，測量射程范圍：10～80 cm，更新頻率/周期：25 Hz/40 ms，測量距離與輸出模擬電壓關系：2.4～0.4 V模擬信號對應10～80 cm，輸出與距離成反比非線性關系。GP2D12測得的模擬量通過ADC0804轉化為數字量，從而配合單片機使用。

圖8 紅外線測量距離的硬件電路圖

3.3 液晶顯示接口硬件電路的設計

本系統選用LCD1602顯示器(LCD) 來進行顯示，其原理圖如圖9所示。

圖9 LCD1602顯示器電路圖

第1腳VSS為地。第2腳：VDD接5 V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10 K的電位器調整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀外部信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數據6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數據線。

3.4 軟件設計

系統軟件部分的設計主要是主程序的設計。通過主程序的驅動，使智能測距圓規可以完成距離的測量，為半徑的精確控制提供相應的依據。軟件的設計流程如圖10所示。開始時，首先將AT89C52進行初始化，通過紅外線信號的發射和采集得到電壓模擬信號，利用A/D轉換模塊將電壓轉換為對應的距離值，最后輸出相應的距離值[5]。

圖10 軟件的設計流程

4 性能測試

4.1 半徑距離探測試驗

打開紅外測距裝置的開關，在測量范圍內從滑槽上等差取十個點。滑動滑塊改變副腳的位置，從而改變半徑的大小。分別記錄固定點和畫筆的實際距離和紅外線傳感器智能測距圓規測得的距離，每組重復十次實驗，其結果如表1所示。

表1 實際所取的半徑距離 單位：m

表2中第一行是十組實驗組測量距離的平均值，第二行是十組實驗組測量距離的標準差，第二行是十組實驗組測量距離的標準誤差。可見，在誤差允許范圍0.2%的前提下，該裝置所畫圓的半徑距離與實際距離相符，因此精度極佳。

表2 十組實驗的平均值、標準差、標準誤匯總表 單位：m

4.2 繪制圓時間的比較實驗

實驗分為兩組，一組采用傳統尺規作圖畫圓，另一組使用紅外線傳感器智能測距圓規畫圓。繪制不同半徑的圓，比較作圖時間，組內組間對比，實驗方法同上，其結果如表3所示。

表3 繪制圓時間的比較表

從表3中比較可見，使用智能圓規作圖的時間受半徑距離影響不大，同時，與傳統的尺規作圖相比，縮短了作圖的時間，而且所繪半徑越大，節省時間效果越明顯。

5 結 語

本文“基于紅外線傳感器的智能測距圓規”，通過紅外線測距確定兩腳之間的距離，以單片機為核心處理數據，經智能計算從而得到半徑距離。本智能圓規相較于傳統圓規有許多優點，如測距精確度更高、畫圖時不易松動、以滑動代替轉動效率更高等。本文對智能圓規進行了闡述，通過簡單的紅外測距模塊，實現高精度的距離測量，從而減小制圖的誤差，使制圖規范化，精準化，便于使用者的使用。

本電子圓規滑槽式展開、距離準確、成本不高的特點為其進一步推廣提供了可能。對個人而言，能夠改善人們的繪圖條件，提高繪圖質量；對制造傳統圓規的企業而言，利潤空間很大，很有必要投入研發；對生產零件的企業而言，改進其生產模式，降低其次品率，提高生產效率；對社會而言，科技推動智能化，有利于社會的進步發展。因此本新型電子圓規設計開發的意義很大，市場前景十分樂觀。