基于STC89C52微控制器的非接觸測(cè)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(cè)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?；诩す馕灰茩z測(cè)與光電傳感技術(shù)，提出了一種用于柔性物體的非接觸測(cè)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(cè)量裝置，根據(jù)被測(cè)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(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際測(cè)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(cè)量。

柔性物體；非接觸測(cè)量；激光傳感器；伺服電機(jī)測(cè)距

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率越來(lái)越高，測(cè)量技術(shù)也要求高效、準(zhǔn)確和無(wú)損傷。對(duì)于柔性物體的外形尺寸測(cè)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(cè)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(cè)量得到了廣泛應(yīng)用，如測(cè)量線徑［1］、物體厚度［2］、位移［3］以及限界檢測(cè)［4］等。目前非接觸測(cè)量?jī)x大多采用電荷耦合器件（Charged Couple Device，CCD）技術(shù)，通過(guò)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(guò)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(cè)距裝置常常被用于光電跟蹤系統(tǒng)［9］。本文基于非接觸測(cè)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(cè)量柔性物體尺寸的裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工制作、適合現(xiàn)場(chǎng)操作、測(cè)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(cè)量，并可以推廣到柔性物體產(chǎn)品生產(chǎn)線的在線測(cè)量。

1 測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)

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

圖1 柔性物體非接觸測(cè)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(cè)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(guò)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(cè)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(cè)物體的實(shí)際外徑或?qū)挾取?/p>

2 測(cè)量裝置的測(cè)控系統(tǒng)

非接觸測(cè)量裝置測(cè)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(kāi)關(guān)、USB接口電路、LED數(shù)碼管顯示器等組成。測(cè)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(cè)量裝置的測(cè)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(guò)USB接口與PC相連，用于將程序燒錄到單片機(jī)中。測(cè)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)信號(hào)。按下按鍵K，單片機(jī)開(kāi)始輸出脈沖，當(dāng)光電開(kāi)關(guān)被擋住時(shí)，INT0觸發(fā)，開(kāi)始記錄脈沖的個(gè)數(shù)。當(dāng)物體移出光電開(kāi)關(guān)時(shí)（沒(méi)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(zhǎng)=（N/1600）×4mm。

絲桿運(yùn)動(dòng)的快慢由控制電路中開(kāi)關(guān)K1或K2決定，開(kāi)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(cè)量結(jié)果的影響。

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

選取不同柔性物體分別進(jìn)行測(cè)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(cè)量，取其平均值作為1次的測(cè)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(cè)量裝置分別測(cè)量10次，得到物體的測(cè)量尺寸。

餐巾紙寬度測(cè)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(cè)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(cè)量裝置測(cè)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(cè)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(cè)量的值。

圖3 餐巾紙寬度測(cè)量

測(cè)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(cè)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(cè)量的結(jié)果非常準(zhǔn)確，而此時(shí)測(cè)量裝置的測(cè)量精度不如手工測(cè)量，絲桿低速運(yùn)動(dòng)（K2按下）時(shí)的測(cè)量誤差為±0.1mm，絲桿高速運(yùn)動(dòng)（K1按下）時(shí)測(cè)量效果略差一些。

圖4 鉛筆盒寬度測(cè)量

為了提高測(cè)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(cè)量?jī)煞N不同物體的外形尺寸，測(cè)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(cè)量值為10.12mm，用測(cè)量裝置測(cè)量的數(shù)值在9.98～10.10mm之間，測(cè)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(cè)量的值為17.27mm，用測(cè)量裝置測(cè)量的數(shù)值在17.26～17.32mm之間波動(dòng)，測(cè)量最大偏差為±0.04mm，誤差為2.3‰?？梢钥闯?，上述測(cè)量結(jié)果較穩(wěn)定，且多次測(cè)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(cè)量

5 測(cè)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(lái)測(cè)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(cè)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(cè)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(lái)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(cè)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(chǎng)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(cè)量中斷問(wèn)題。

6 結(jié)論

本文基于伺服電機(jī)測(cè)距原理設(shè)計(jì)了柔性物體非接觸測(cè)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(cè)控系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)不同物體進(jìn)行多次測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量精度有望進(jìn)一步提高。

與現(xiàn)有的游標(biāo)卡尺人工測(cè)量相比，本文設(shè)計(jì)的非接觸測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)量，該原理可進(jìn)一步推廣至高溫物體的外形尺寸測(cè)量。

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