桂林電子科技大學(xué)　朱劍芳

非接觸式圓弧半徑檢測系統(tǒng)

桂林電子科技大學(xué)朱劍芳

曲面圓弧半徑檢測系統(tǒng)正隨著近代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展而被越來越多的應(yīng)用到了工業(yè)領(lǐng)域中。本文對采用了電子技術(shù)、單片機(jī)、微型計(jì)算機(jī)接口、距離檢測采集傳感器的特性等知識(shí)來進(jìn)行設(shè)計(jì)制作的工件表面曲面圓弧半徑檢測系統(tǒng)進(jìn)行了理論結(jié)合實(shí)踐的研究，并對距離檢測傳感器的工作特性、對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相位計(jì)算和三角定圓等算法及系統(tǒng)功能軟件等做了詳盡的說明。

曲面圓弧半徑檢測；相位計(jì)算；三角定圓

引言

各種高端的加工方式隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展而出現(xiàn)，促進(jìn)了制造控制技術(shù)的高速發(fā)展，檢測技術(shù)所要求的條件越來越傾向于高速度、高精度、非接觸等檢測手段。以紅外線、激光等傳感器的非接觸式檢測技術(shù)作為代表。在眾多領(lǐng)域，例如小型柱類零件、小直徑容器等得到了廣泛的應(yīng)用取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

本文用紅外線的波長相對于可見光要大，其傳播較容易檢測，容易定向發(fā)射，方向特性好，強(qiáng)度容易控制等特點(diǎn)，研制出這一應(yīng)用于曲面工件直徑檢測的紅外線檢測系統(tǒng)，通過“三點(diǎn)定圓”的方法達(dá)到求知工件直徑的應(yīng)用。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1功能系統(tǒng)

本案中，構(gòu)成曲面檢測系統(tǒng)的電路分為兩個(gè)主要的功能系統(tǒng)：第一部分是由紅外線發(fā)射和接收電路、步進(jìn)電機(jī)電路組成的系統(tǒng)；第二部分，是以LCD1602顯示模塊、AD7705 A/D采集模塊、單片機(jī)控制芯片及其他輔助電路為主的接收機(jī)系統(tǒng)。

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1-1所示。

圖1-1　曲面工件檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1.2 紅外線檢測系統(tǒng)方案

本設(shè)計(jì)紅外線傳感器選擇型號(hào)為GP2Y0A21YKF。該傳感器包含了位置檢測器、紅外發(fā)光二極管和信號(hào)處理電路。GP2Y0A21YKF型紅外傳感器運(yùn)用的是三角測距原理，能夠以特定的角度發(fā)射出紅外光線，當(dāng)照射到物體之后，紅外光線就會(huì)反射回來。反射回來的紅外光線通過位置感應(yīng)檢測器檢測之后，將獲得的發(fā)射角度a、濾鏡的焦距f、偏移距離L、中心矩X經(jīng)過三角關(guān)系和幾何關(guān)系計(jì)算出傳感器到物體的距離D。如圖1-2所示。

由圖1-2可以得出，被測物體D的公式為：

圖1-2　紅外距離傳感器測距原理框圖

1.3水平平移控制系統(tǒng)方案

曲面檢測系統(tǒng)采用的是 “三點(diǎn)定圓”的方式測出被測工件的半徑。根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)：利用已知三角形的三點(diǎn)的坐標(biāo)值，可確定三角形外接圓的直徑和圓心。所以，一定要要有相應(yīng)的水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)紅外線測距模塊進(jìn)行三點(diǎn)坐標(biāo)橫坐標(biāo)的檢測。根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)可得出每個(gè)點(diǎn)的水平位移，從而通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)計(jì)算得出工件直徑。在本設(shè)計(jì)中采用L298N控制芯片對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。

2　系統(tǒng)硬件電路

2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)

綜合單片機(jī)的特點(diǎn)，及考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本性，故本系統(tǒng)選用價(jià)格低廉功能強(qiáng)大的AT89S52作為核心CPU。

2.2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)具有效率高、發(fā)熱量小、能夠360度旋轉(zhuǎn)、輸出扭矩大、能夠進(jìn)行精密控制等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)今在工業(yè)生產(chǎn)中多使用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力元件，在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中被廣泛的運(yùn)用。

步進(jìn)電機(jī)采用L298作為驅(qū)動(dòng)芯片，以使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步距角能夠滿足于系統(tǒng)的要求，用改變相鄰兩相電流的大小這一方法來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

2.3AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

AD7705是使用Σ-Δ轉(zhuǎn)換方式來實(shí)行16位代碼性能并運(yùn)用于低頻測量的模擬器。該模擬器通過接受來自于傳感器的信號(hào)，執(zhí)行的是串行的數(shù)字輸出的方式。

3 曲面檢測系統(tǒng)的簡單算法

3.1紅外線測距

紅外線測距的原理為紅外線發(fā)生器發(fā)出紅外線信號(hào)，當(dāng)這個(gè)紅外線射到被物體后被反射，紅外線接收器接收采集。計(jì)算出紅外線發(fā)射口到紅外線接收口之間的相位差，通過紅外測距傳感器內(nèi)部的計(jì)算和放大電路的處理，紅外測距傳感器通過輸出端輸出一于檢測距離成比例的電壓值，通過AD采集模塊采集該電壓值，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換檢測物體的距離。通過記錄程序返回值value，并測量當(dāng)前被測物體的距離L，可計(jì)算出單位距離內(nèi)所對應(yīng)的AD值t。計(jì)算公式如下：

3.2直徑計(jì)算處理

單片機(jī)經(jīng)過控制紅外線發(fā)射與接收并通過AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集數(shù)據(jù)后，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的處理。

單片機(jī)在本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中的主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及顯示處理結(jié)果。根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)：若知道三角形的三點(diǎn)的坐標(biāo)值，就能夠通過計(jì)算公式求出三角形的外接圓的直徑和圓心坐標(biāo)。檢測出，工件上的三點(diǎn)A、B、C三點(diǎn)坐標(biāo)之后，根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)可計(jì)算出直線AB和BC的直線方程。從而，根據(jù)直線AB和BC的直線方程可計(jì)算出線段AB和BC所對應(yīng)的中垂線A’B’和B’C’的方程，這兩個(gè)方程的交點(diǎn)坐標(biāo)（x，y）就是該工件的圓心。通過圓心與已知A、B、C三點(diǎn)中的任意一點(diǎn)，就是可求出工件的半徑。半徑計(jì)算的公式為：

4 程序流程圖

本系統(tǒng)的單片機(jī)程序流程圖，如圖4-1所示。單片機(jī)程序完成初紅外線發(fā)射和接收、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換、旋轉(zhuǎn)水平移動(dòng)平臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制功能。

單片機(jī)定程序完成對紅外信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，內(nèi)部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、步進(jìn)電機(jī)步數(shù)的計(jì)數(shù)、輸出等工作。

紅外線測距時(shí)工作過程如下：（1） 由單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)

控制平臺(tái)移動(dòng)，通過紅外線距離檢測器發(fā)出紅外線；（2）單片機(jī)在發(fā)送驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)刻開始計(jì)數(shù)，以計(jì)算水平距離；（3）紅外線遇到障礙物后回波被紅外線傳感器接收，輸出模擬電壓輸讀取AD模塊，單片機(jī)通過AD模塊數(shù)值計(jì)算出被測物體距離。

圖4-1　主程序流程圖

5　結(jié)論

本設(shè)計(jì)的最終是使用紅外線測距模塊產(chǎn)生紅外線，實(shí)現(xiàn)紅外線的發(fā)送與接收，用紅外線掃描檢測被測工件上三點(diǎn)的距離。最終以數(shù)字的形式顯示出檢測距離和半徑。紅外線檢測距的原理是利用紅外線的發(fā)射并接受，根據(jù)紅外線發(fā)射與接收時(shí)的相位差來計(jì)算出檢測的距離。對于不同被測物體進(jìn)行了幾組實(shí)際測量如表5-1所示。

表5-1　測量結(jié)果

曲面檢測系統(tǒng)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)、紅外發(fā)射與接收電路、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及液晶顯示電路五部分。處理器采用AT89S52單片機(jī)。紅外線檢測接收電路主要由GP2Y0A21YKF紅外距離傳感器來完成，它內(nèi)部自帶了紅外線發(fā)射與接收時(shí)的相位差的感應(yīng)以及放大計(jì)算電路，并將采集到的數(shù)據(jù)通過電壓模擬量的形式輸出，再由AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集計(jì)算后，將模擬量轉(zhuǎn)變成為數(shù)字量，將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)通過將AD芯片采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出準(zhǔn)確的距離，具有良好的市場應(yīng)用價(jià)值。

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朱劍芳（1981-），講師，主要研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用，智能測控。