摘 要：介紹一種基于650 nm波長(zhǎng)激光的三維坐標(biāo)測(cè)試儀電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該電子控制系統(tǒng)采用ATMEL89C2051單片機(jī)作為主控器件，采用S9013三極管作為激光射頭的電源驅(qū)動(dòng)器件。通過(guò)改變單片機(jī)輸出的頻率控制三極管的導(dǎo)通周期產(chǎn)生可變電壓作為激光射頭的工作電源，從而控制激光射頭產(chǎn)生明暗的光線。

關(guān)鍵詞：三維坐標(biāo)；測(cè)試儀；激光二極管；ATMEL89C2051；電壓調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)24-007-02

Electronic Control System of 3-D Laser Measuring Equipment

LI Zhijin1，WU Wenjuan2

(1.College of Electronic Information Engineering，Nanjing University of Information Science Technology，Nanjing，210044，China;

2.College of Information Science Technology，Nanjing Forestry University，Nanjing，210044，China)

Abstract：In the paper，the design of 3-D laser measure electronic-control system is given and the laser′s wave is 650 nm in the system.ATMEL 89C2051 is used for centre controller.Transistor S9013 is used for driving the laser diode.The output voltage of S9013 can be changed with the changing frequency of high and low voltage，thus the power can control laser diode converting between dark and light.

Keywords：3-D;measuring equipment;laser diode;ATMEL89C2051;voltage convert

1 引 言

在傳統(tǒng)的建筑中，一般采用氣泡水平儀測(cè)試水平。氣泡水平儀價(jià)格便宜操作簡(jiǎn)單，但對(duì)于多點(diǎn)測(cè)量時(shí)其繁瑣的缺陷漸漸凸顯出來(lái)。而對(duì)于垂直的測(cè)試一般采用鉛垂線，同樣對(duì)于長(zhǎng)距離和不便攀登的垂面測(cè)試時(shí)就比較麻煩，且無(wú)法測(cè)試兩個(gè)面的相互垂直度。基于此設(shè)計(jì)一種方便的水平、垂直測(cè)試儀就具有較大的實(shí)際意義。本文簡(jiǎn)要介紹一種三維坐標(biāo)投射儀的設(shè)計(jì)。

2 三維坐標(biāo)投射儀

三維坐標(biāo)是指通常所說(shuō)的三維笛卡爾直角坐標(biāo)系，即x，y，z三維坐標(biāo)。在本文的設(shè)計(jì)中采用非接觸式的設(shè)計(jì)方法。從三維坐標(biāo)投射儀中射出相互垂直三維的激光線投射到被測(cè)的的物體上，通過(guò)觀察紅色投射光線在物體上的角度關(guān)系就可以判斷出水平和垂直。當(dāng)然水平和垂直的度數(shù)，本設(shè)計(jì)沒(méi)有作度量。

本設(shè)計(jì)中激光投線采用650 nm的激光二極管。激光二極管本質(zhì)上是一個(gè)半導(dǎo)體二極管，按照PN結(jié)材料是否相同，可以把激光二極管分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)(SH)、雙異質(zhì)結(jié)(DH)和量子阱(QW)激光二極管。激光二極管具有效率高，體積小，壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。每坐標(biāo)采用兩側(cè)對(duì)射的方式。在使用時(shí)，將投射儀放在水平平臺(tái)上 ，調(diào)節(jié)投射儀下端的底座旋鈕使之水平，也即兩側(cè)投射線完全重合。在投射儀的上端設(shè)有4個(gè)按鍵，分別為X，Y，Z和室內(nèi)/室外。按下X按鍵，x軸方向的2個(gè)激光二極管被點(diǎn)亮，將水平的紅色光線投射到待測(cè)的物體上，觀測(cè)投射線和待測(cè)物體的相對(duì)位置即可判斷出水平與否。y，z軸的測(cè)試?yán)淄Ｊ覂?nèi)/室外鍵根據(jù)室內(nèi)/室外的光線強(qiáng)弱，通過(guò)程序控制激光線的強(qiáng)弱。

3 電子控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 激光頭電源的控制

本投射儀采用ATMEL89C2051作主控器件?？刂圃韴D如圖1所示。P3.2口激光頭允許控制輸出口。P3.3為x軸激光電源控制口。如圖1所示。當(dāng)P3.2為低電平時(shí)，Q4，Q5三極管導(dǎo)通，Q6，Q7三極管截止，x輸出為高電平，在x軸激光頭之間沒(méi)有回路，激光頭不工作。此時(shí)，當(dāng)P3.3輸出高電平時(shí)，Q6，Q7導(dǎo)通，x輸出為低電平，x軸激光之間形成回路，激光頭發(fā)光。因此，同P3.2和P3.3 口電平的高低可控制激光頭電源的通斷，從而控制激光頭的開啟和閉合。如果需要調(diào)整激光的強(qiáng)弱，可通過(guò)加載到激光頭上的電壓的高低來(lái)控制。由于x軸只能輸出高低電平，因此加載到x軸激光頭的電壓只能在有和無(wú)之間轉(zhuǎn)換，并不能實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)。為此，可改變x處高低電平的輸出頻率來(lái)調(diào)整輸出電壓的大小。一個(gè)脈沖周期內(nèi)具體算式如下：

∫t2t1Vdt=∫t1+Tt1Vxdt+∫T1+2Tt1+T0dt

=∫t1+Tt1Vxdt=VxT

由上式可知，要想x處輸出電壓增大，可增大高電平的輸出周期就可以。y，z軸的控制方法雷同。

圖1 x軸電源控制電路

3.2 保護(hù)電路

保護(hù)電路在投射儀不水平放置時(shí)，設(shè)備中有一個(gè)鉛錘的重物。該重物由于不垂直，因此將受到偏心力的作用和其周圍的帶電簧片接觸，從而使A點(diǎn)接至高電平。Q3，Q2，Q1相繼導(dǎo)通從而INT0處輸出為低電平，觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷0，進(jìn)行保護(hù)處理。

圖2 保護(hù)電路

3.3 其他電路

本設(shè)計(jì)中還含有電源啟動(dòng)和穩(wěn)壓電路，鍵盤電路，指示燈顯示電路等，這里不再贅述。

4 軟件

本系統(tǒng)軟件較為簡(jiǎn)單，這里僅給出部分參考程序。

MOV A，P3;

MOV KEYFLAG0，A;判斷有無(wú)按鍵按下

JNB KEYFLAG0.1，PROJECT;不垂直，轉(zhuǎn)入保護(hù)程序

JB PFLAG.0，P_16V;戶外，P3.2低電壓輸出

CLR P3.2;激光頭開啟允許

JMP P_00V;正常啟動(dòng)

P_16V:

ACALL POWER;輸出低電壓，低壓?jiǎn)?dòng)

P_00V:

JNB KEYFLAG0.7，DOOR;FIRST KEY P1.2 1

MOV A，P1;

MOV KEYFLAG1，A;

JNB KEYFLAG1.3，KV;判斷垂直1按鍵， KVKEY P1.3 1-0

JNB KEYFLAG1.5，KHH;判斷水平按鍵，KHKEY P1.5 1-0

JNB KEYFLAG1.7，KVV;判斷垂直2按鍵

JMP WEICHI;沒(méi)有按鍵按下，返回等待

PROJECT:

SETB P3.2;保護(hù)激光頭，全關(guān)閉

JMP WEICHI;返回

輸出激光頭電源調(diào)整程序?yàn)椋?/p>

POWER:;OUTPUT 1.6V

SETB P3.2;輸出高電平，激光頭電源為0

ACALL DELAY1MS;延時(shí)

CLR P3.2;輸出低電平，激光頭點(diǎn)源為高

RET;

5 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)方案穩(wěn)定、可靠，設(shè)計(jì)成本低廉，電路簡(jiǎn)單，程序編制方便，已成功應(yīng)用實(shí)際產(chǎn)品中，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

［1］宋有友.集成電子線路設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.福建:福建科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

［2］楊素行.模擬電子技術(shù)簡(jiǎn)明教程［M］.3版.北京:高等教育出版社，2006.

［3］張友德.單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)［M］.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，1998.

［4］黃曉鑫，陳炳文，鄧偉.單片機(jī)在大功率功放電路中的應(yīng)用.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29（14）:134-135.

［5］欒亞群，巨永鋒.基于ATmega162的智能儀器設(shè)計(jì).現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（13）:149-151.

［6］吳銀川，李翰山，華樂(lè).基于AT89C2051實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換與步進(jìn)電機(jī)控制的設(shè)計(jì).現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27（19）:84-90.

作者簡(jiǎn)介

李致金 男，1973年出生。通信與信息系統(tǒng)碩士，講師。研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)通信、智能控制系統(tǒng)。已發(fā)表論文10余篇。

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