劉佳業(yè)，薛建材，李勛標(biāo)，祝磊，張婉婷，雷宏香，蔡志崗

（中山大學(xué)，廣東 廣州 510275）

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，長度測量也逐漸開始數(shù)字化。目前，市面上已經(jīng)有較為實(shí)用的數(shù)顯卷尺，但是數(shù)顯卷尺只能使得讀數(shù)變得容易，若是對于需要在野外測量大量數(shù)據(jù)用于統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律的測量時(shí)，數(shù)顯卷尺就顯得力不從心了。眾所周知，在進(jìn)行野外測量時(shí)，大量的工作時(shí)間都是浪費(fèi)在用筆和本子記錄數(shù)據(jù)，以及測量后錄入電腦的過程中，于是迫切需要一個(gè)能自動記錄數(shù)據(jù)以及測量結(jié)束后可以直接將測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦的智能尺子。

1 原理與方法

采用單片機(jī)作為系統(tǒng)核心，光電門作為傳感器探測尺子伸縮度量，SD卡作為存儲單元，LCD作為顯示器。

1.1 尺子伸縮量檢測

圖1 系統(tǒng)框圖

對卷尺伸縮的測量可以有多種方法。直接測量尺子位移量：容柵傳感器［1］、光柵［2－4］、光學(xué)感應(yīng)器（即光電鼠標(biāo)所用方法）。

測量滾輪轉(zhuǎn)動角度進(jìn)而計(jì)算位移量：角度傳感器、光電門［5］、電阻測量法。

本實(shí)驗(yàn)采用間接測量法，使用光電門測量滾輪轉(zhuǎn)動角度進(jìn)而計(jì)算尺子伸縮量。

雙光電門，如圖1所示。雙光電門既可用于測量轉(zhuǎn)動速度，也可用于測量轉(zhuǎn)向，該雙光電門集成在一個(gè)芯片上，他們之間錯(cuò)開約1 mm，對比脈沖1，2的相位可以知道轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動方向，如圖2所示。

圖2 傳感器

圖2中的編碼轉(zhuǎn)盤為帶有扇葉的轉(zhuǎn)盤，扇葉掃過光電門產(chǎn)生開關(guān)脈沖。

圖3 輸出脈沖

當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖1的相位先于脈沖2，那么尺子正轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)為加，當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖1的相位慢于脈沖2，說明尺子反轉(zhuǎn)，計(jì)數(shù)為減［6］，見圖3。

1.2 單片機(jī)處理器

單片機(jī)按照字長可以分為3類：32位的ARM／MIPS／T MS32、16 位 的 MSP430、8 位Intel51／pic／AVR／m68等眾多單片機(jī)。

選擇單片機(jī)的考慮因素：價(jià)格，性能，復(fù)雜程度，功耗。

3類單片機(jī)都可以滿足設(shè)計(jì)的硬件性能要求，32位和16位單片機(jī)價(jià)格較貴，也較為復(fù)雜，重要的是移動設(shè)備對于功耗的要求較高，8位單片機(jī)的功耗較低，所以這里選擇8位單片機(jī)。

8位單片機(jī)常見的有51、PIC和AVR等系列。51屬于CISC類型，沒有硬件SPI接口，也沒有I2C接口；PIC和AVR屬于RISC類型，執(zhí)行效率高，兩者價(jià)格相當(dāng)，集成有SPI接口，I2C接口。綜合考慮，AVR單片機(jī)成為首選。

1.3 存儲方案

EEPROM或者SD卡（或MMC卡、TF卡），他們存儲數(shù)據(jù)掉電后都不會丟失。SD卡在移動設(shè)備中比較通用，數(shù)據(jù)容易復(fù)制到電腦上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這里選擇SD卡作為存儲介質(zhì)。

本來SD卡支持SPI接口模式讀寫［7］，而且項(xiàng)目所用Mega16本身有SPI接口，可以直接對SD卡進(jìn)行讀寫。但是，由于SD卡的命令太多，而且命令發(fā)送接收校驗(yàn)復(fù)雜，同時(shí)SD卡還分為HCSD和普通SD，底層扇區(qū)大小區(qū)別等，文件系統(tǒng)更加復(fù)雜，為了編程簡單，采用沁恒公司的解決方案，使用CH376芯片對SD卡進(jìn)行讀寫。

CH376是文件管理控制芯片，用于單片機(jī)系統(tǒng)讀寫U盤或者SD卡中的文件［8］。

使用ATmega16單片機(jī)的SPI接口連接。CH376連接方式如圖4所示。

圖4 CH376連接方式

1.4 顯示方案

采用LCD1602（3.3 V）作為顯示器件，并口傳輸數(shù)據(jù)。以標(biāo)準(zhǔn)接法接入ATmega16 PA口。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 硬件方面

系統(tǒng)使用3.3 V電源，由線性電源L M1117 3.3 V產(chǎn)生。

以實(shí)際的卷尺為基礎(chǔ)，經(jīng)改裝，把具有緊密扇葉結(jié)構(gòu)的編碼轉(zhuǎn)盤固定于卷尺的轉(zhuǎn)動軸心上，從而使得卷尺伸縮時(shí)編碼轉(zhuǎn)盤同步轉(zhuǎn)動。

將紅外發(fā)光器放置于轉(zhuǎn)盤一側(cè)，兩個(gè)接收器緊密放置于另一側(cè)，構(gòu)成兩個(gè)光電門。

由此，當(dāng)皮尺伸縮時(shí)，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)盤上的扇葉掃過光電門，產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖。該脈沖將輸入單片機(jī)。

2.2 軟件方面

（1）脈沖處理。由于單片機(jī)同時(shí)處理輸出顯示，存儲，判斷按鍵狀態(tài)等，為了精確計(jì)數(shù)，使用外部中斷方式對脈沖信號進(jìn)行處理，有助于及時(shí)處理，不會丟失數(shù)據(jù)。

（2）存儲的程序框圖如圖5所示.

圖5 存儲程序框圖

2.3 定標(biāo)及測試

硬件安裝完成，設(shè)置軟件，使得LCD顯示出原始光電門計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)（尺子拉出時(shí)為正轉(zhuǎn)，光電門計(jì)數(shù)為加，反之則減）。這樣，光電門脈沖計(jì)數(shù)與尺子伸出量有了一定的對應(yīng)關(guān)系，可以進(jìn)一步對尺子進(jìn)行定標(biāo)。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣（10 c m一個(gè)采樣點(diǎn)），見表1。

表1 采樣

對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出擬合公式，相關(guān)度等。

定標(biāo)曲線為二項(xiàng)式，見圖6。因?yàn)榫沓邼L輪的外徑不是一成不變的，隨著尺子的伸長，外徑將減少，尺子本身的厚度不可以忽略。

定標(biāo)曲線公式：

相關(guān)度為0.999 76，數(shù)據(jù)較為理想。公式的長度單位為mm。

圖6 定標(biāo)曲線

將該公式加入軟件之中，尺子的讀數(shù)就變?yōu)檎嬲拈L度，單位為mm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

定標(biāo)后，將該智能尺應(yīng)用于測試，同時(shí)每次都按確定鍵保存測量數(shù)據(jù)（保存于SD卡中）。

SD卡中“樹徑.txt”數(shù)據(jù)（以及格式）如下：

212

254

460

……

1 225

一組測量長度與實(shí)際長度對比見表2：

表2 實(shí)際測量結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)偏差為

實(shí)際值：

存在一定的誤差。

但由原定標(biāo)公式

可以看出一次常量為7.15，說明制作所用的轉(zhuǎn)盤扇葉及其間距太大，本身的精度為7 mm。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所用手工制作的鐵片扇葉及間距太大，但是該實(shí)驗(yàn)所用的光電門與滾輪鼠標(biāo)的光電門是一樣的，精度在1 mm以下，所以通過改善轉(zhuǎn)盤扇葉的緊密度及間距，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的精度可進(jìn)一步獲得提高。

4 結(jié) 論

設(shè)備借助雙光電門將長度信號轉(zhuǎn)換為電信號，以此為基礎(chǔ)，利用單片機(jī)編程以及各種接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了集數(shù)值顯示與數(shù)據(jù)存儲功能于一體的智能卷尺。若再配上良好的封裝工藝支持，測量的精度和準(zhǔn)度都能達(dá)到1 mm，將很好地滿足實(shí)際測量的需要。這將給實(shí)驗(yàn)人員帶來極大的便利，使其能夠較輕松地測量大量數(shù)據(jù)。

［1］王習(xí)文，齊欣，宋玉泉.容柵傳感器及其發(fā)展前景［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，33（2）：89－94.

［2］關(guān)柏鷗，劉志國，開桂云，等.基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的光纖光柵位移傳感研究［J］.光子學(xué)報(bào)，1999，28（1）：983－985.

［3］龔華平，曹叢，屠于夢.光纖光柵應(yīng)變傳感的綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012（3）：80－81.

［4］史智平.光源特性研究與使用［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2011（1）：14－17.

［5］李俊，余光偉，薛雷，等.基于單片機(jī)的智能型無刻度電子卷尺設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程，2008，25（2）：23－25.

［6］EMC公司，EM84510（一種滾輪鼠標(biāo)控制芯片）說明書［Z］.

［7］劉潤.基于單片機(jī)和串口的SD卡讀取平臺的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，16：166－168.

［8］沁恒公司，CH376S用戶手冊［Z］.