高芳 王屹

摘要 本文設(shè)計(jì)了一款采用Arduinomega 2560單片機(jī)作為核心芯片的高性能、低成本、低功耗和精準(zhǔn)度高的圓片直徑檢測及識別裝置。本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對圓片直徑進(jìn)行檢測、識別、顯示和語音播報(bào)等功能。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，檢測精度高、響應(yīng)速度快。

【關(guān)鍵詞】Arduino mega 2560 直徑檢測步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

1 引言

目前國內(nèi)相關(guān)院校及非研究單位測量直徑手段依然停留在傳統(tǒng)的機(jī)械方法上，如千分尺、銅帶尺和Ⅱ等、這些方法只能測量IT7、IT8級精度的零件，對于高精度的零件、工件，其尺寸實(shí)際上處于無法測量的狀態(tài)，而關(guān)鍵零件的尺寸精度是保證重大技術(shù)裝備制造質(zhì)量的一個(gè)重要因素。因此直徑高精度測量是國內(nèi)外裝備制造企業(yè)中普遍提出又急需要解決的共性測量技術(shù)問題，其中直徑測量點(diǎn)的瞄準(zhǔn)和定位是國內(nèi)外都未能很好解決的技術(shù)難題。針對該問題，本檢測裝置采用旋轉(zhuǎn)固定平臺，通過圓片的旋轉(zhuǎn)，與激光光電開關(guān)的直線運(yùn)動(dòng)，通過一定算法，精確得到圓片直徑大小，實(shí)現(xiàn)了圓片直徑檢測與識別的功能。

2 工作系統(tǒng)原理分析

圓片直徑檢測及識別裝置由六個(gè)模塊組成作，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。系統(tǒng)由開關(guān)電源進(jìn)行供電，待檢測圓片隨著圓片固定模塊轉(zhuǎn)動(dòng)，激光光電開關(guān)隨步進(jìn)電機(jī)座直線運(yùn)動(dòng)，記錄第一次檢測到圓片的時(shí)間與最后一次檢測到圓片的時(shí)間，系統(tǒng)采用Arduino mega2560單片機(jī)的I/O口獲取穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)，通過算法得出相應(yīng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會在顯示模塊上顯示，并語音播報(bào)出相應(yīng)數(shù)據(jù)，同時(shí)打印機(jī)打印出當(dāng)前獲取數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)的功能是為圓片進(jìn)行直徑檢測與識別，通過采用多個(gè)模塊來完成整體設(shè)計(jì)，達(dá)到預(yù)期目的。

3.1 控制系統(tǒng)的論證與選擇

方案一：STM32系列是基于ARMCortex-M3內(nèi)核，是為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的。但缺點(diǎn)是編程復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy。

方案二： Arduino Mega2560是采用USB接口的核心電路板，具有54路數(shù)字輸入輸出，適合需要大量I/O接口的設(shè)計(jì)。處理器核心是ATmega2560，同時(shí)具有54路數(shù)字輸入/輸出口（其中16路可作為PWM輸出），16路模擬輸入，4路UART接口，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。ArduinoMega2560也能兼容為Arduino UNO設(shè)計(jì)的擴(kuò)展板。故選擇此方案。

如圖2所示，主控制板以Atmel mega2560作為主控芯片，設(shè)有兩個(gè)按鍵，在開機(jī)時(shí)選擇顯示等待檢測，單片機(jī)的引腳為串口接收端，通過串口通信接收光電傳感器發(fā)回的檢測參數(shù)，繼而做到調(diào)整方向前進(jìn)。

3.2 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊

用開關(guān)電源為動(dòng)力，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

3.3 圓片直徑檢測模塊

方案一：采用紅外光檢測法。紅外檢測電路較為簡單，容易實(shí)現(xiàn)。

方案二：采用激光檢測法。精確度高，易于調(diào)整，可檢測最小體積更小，響應(yīng)速度快。故本系統(tǒng)采用激光檢測法。

3.4 圓片固定模塊

方案一：選用直流高速馬達(dá)，可調(diào)正反轉(zhuǎn)，使用簡單。

方案二：選用直流減速馬達(dá)模塊，速度較直流馬達(dá)低，能滿足基本要求，轉(zhuǎn)速可通過PWM調(diào)節(jié)，使用方便。

綜上所述，雖然方案一使用較為簡便，但是因?yàn)楸卷?xiàng)目設(shè)計(jì)對角度測量精度要求較高，并且裝置的抖動(dòng)會對測量直徑帶來較大干擾。而方案二中的轉(zhuǎn)速可調(diào)制穩(wěn)定狀態(tài)，故選用方案二。

3.5 顯示模塊紐成

方案一：采用數(shù)碼管顯示，由于數(shù)碼管只能顯示簡單的數(shù)字，而且其電路復(fù)雜，占用資源較多，顯示信息量少，故不采用此方案。

方案二：采用點(diǎn)陣（128 64）液晶DM12864 （LCD）顯示模塊。由于液晶屏顯示顯示信息量小、功耗高、使用價(jià)值低不高，只適合學(xué)習(xí)使用，故不采用此方案。

方案三：采用TFT 2.2寸液晶屏，該顯示屏體積小，點(diǎn)陣密，顯示內(nèi)容較以上兩種多，控制也較為簡單綜合考慮，該顯示屏十分適合本項(xiàng)目設(shè)計(jì)，故采用此方案。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 顯示部分程序流程圖

如圖3所示。

4.2 圓片檢測部分程序流程圖

如圖4所示。

對圓片的檢測，由于單次運(yùn)動(dòng)可能存在隨機(jī)性，所以單次檢測值存在很大的偶然性。綜合考慮這種狀況，采用了多次檢測（長時(shí)間間隔，避免極端事件多次采樣）、去極值、取平均的方法，最終的檢測結(jié)果波動(dòng)在允許范圍內(nèi)，該方法效果令人滿意。由于光電傳感器的返回值并非是準(zhǔn)確的圓片信息，可通過一定的程序調(diào)整誤差。

5 功能測試

5.1 功能檢測

檢測外徑：步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠，滑臺做一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)一次傳感器從而測得相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算圓片外徑。

檢測內(nèi)徑：步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠，滑臺做一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)四次傳感器從而測得相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算圓片內(nèi)徑。

檢測不均勻圓度：步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠，滑臺做多次次往復(fù)運(yùn)動(dòng)，多次觸發(fā)傳感器從而測得相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算圓片不均勻圓度。

5.2 測試數(shù)據(jù)

如表1所示。

結(jié)果分析：幾次測試中圓片直徑波動(dòng)較大，可能原因是光電傳感器不穩(wěn)定造成，后加了緊固裝置，效果明顯提升。

表2測試為圓片內(nèi)孔直徑。在使用緊固裝置后，檢測內(nèi)徑誤差一直控制在限定以內(nèi)，較為滿意。

表3為圓片不均勻圓度測量。測試結(jié)果有較大的波動(dòng)，其中第六次波動(dòng)最大，可見整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性存在不足，還需改進(jìn)。

通過以上調(diào)試可知，該裝置能實(shí)現(xiàn)以下要求：

（1）顯示模塊的液晶顯示屏上能夠顯示運(yùn)動(dòng)圓片的外徑和內(nèi)徑、不均勻圓度、圓片直徑分類;

（2）內(nèi)外徑的數(shù)據(jù)可以換算成公制、英制;

（3）語音播報(bào)模塊能對測得的圓片的數(shù)據(jù)進(jìn)行語音播報(bào);

（4）用按鍵開關(guān)可以控制圓片的左右移動(dòng);

（5）直徑測量與顯示誤差小于0.5cm;

（6）能夠存儲六個(gè)圓片的檢測數(shù)據(jù)，并且能夠打印。

6 結(jié)語

基于Arduino mega 2560單片機(jī)的圓片直徑檢測及識別工作系統(tǒng)中，圓片檢測信號的獲取十分方便;使用步進(jìn)電機(jī)作為系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以使檢測裝置位置控制更為精確容易;采用開關(guān)電源作為供電系統(tǒng)，能夠提供穩(wěn)定長效的輸出電流，延長系統(tǒng)的工作時(shí)間，解決了步進(jìn)電機(jī)效率較低的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)都達(dá)到控制任務(wù)要求，檢測精度高。

參考文獻(xiàn)

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