梁金澤，程 琳

(浙江理工大學(xué)，浙江 杭州 310018)

隨著我國全面小康的持續(xù)推進，我國制造業(yè)結(jié)合相關(guān)信息技術(shù)也得到了穩(wěn)步發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)中制圖是最基礎(chǔ)的一步。制圖是所有工件加工的基礎(chǔ)，后期的質(zhì)量管理等也深受制圖的影響，圓規(guī)作為一種基本的繪圖測量工具，廣泛應(yīng)用于制圖測繪行業(yè)[1]。傳統(tǒng)的圓規(guī)制圖的過程中有幾個誤差是無法避免的：普通圓規(guī)在尺子上量取直徑時，筆芯厚度所造成的誤差沒法避免，在畫小圓的時候，誤差尤為明顯；普通圓規(guī)是靠齒輪嚙合移動，在不斷地開合情況下，會使得齒輪嚙合變得不可靠，造成松動，使得畫圓的時候直徑改變；難用于精確的測量，沒有卡口裝置，在畫取小圓的時候，圓規(guī)處于小角度狀態(tài)，不僅畫圓受到限制，而且直徑容易改變。以上傳統(tǒng)圓規(guī)現(xiàn)存的不足，會經(jīng)常導(dǎo)致重畫，影響學(xué)生學(xué)習(xí)品質(zhì)，而在實際生產(chǎn)中往往會放大次品率，影響實際作業(yè)。

基于如今市面上沒有一款圓規(guī)能夠有效地解決以上幾個問題，本研究對圓規(guī)進行一系列的研究與創(chuàng)新，特提出一種具有自主測量功能的新型電子圓規(guī)。本研究的創(chuàng)新型智能電子圓規(guī)，由能夠自主測量圓的直徑功能為首要目標(biāo)并向外拓展延伸，通過紅外測距功能對兩腳距離進行探測，并通過小塊電子屏將距離顯示出來。本研究的開展能夠為學(xué)生的學(xué)習(xí)條件提供幫助，并就此影響到我國文具行業(yè)的發(fā)展速度，推動文具行業(yè)向更智能、更便利、更科技的方向發(fā)展，另一方面將新型電子圓規(guī)推廣到加工制造業(yè)中，勢必會降低次品率，提高產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品效率。

1 紅外線傳感器實現(xiàn)圓規(guī)測距原理

紅外傳感器的測距基本原理為發(fā)光管發(fā)出紅外光，光敏接收管接收前方物體反射光，以此來測出兩端的距離。紅外傳感器檢測方式：鏡面反射式[2]。

(1)發(fā)光管發(fā)出紅外光,光敏接收管接收前方物體反射光,以此來測出兩端的距離。

(2)紅外線測距器由發(fā)射器和接收器兩部分組成。發(fā)射器不斷發(fā)射出頻率為40 kHz 的紅外線，當(dāng)碰到副腳接收器接收到反射波信號后將其轉(zhuǎn)換成電信號。利用高頻的紅外線在待測距離上往返產(chǎn)生的相位移推算出光束跨越時間Δt，得出距離D：

(1)

上式中，C為光速，一般取C=3×108m/s。

本系統(tǒng)采用的是“計數(shù)”，通過單片機處理數(shù)據(jù)，其原理是：連續(xù)發(fā)射紅外發(fā)射器，當(dāng)紅外接收器第一時間接收到反射的紅外信號時，電路中，單片機給出一個起動信號，計數(shù)器起動在單片機的一定頻率上計數(shù)；當(dāng)接收機再次接收到反射的紅外信號時，電路處理單片機給出一個停止計數(shù)脈沖，計數(shù)器停止計數(shù)[3]。通過軟件編程，使單片機能夠自動處理這些數(shù)據(jù)，用脈沖周期T乘以脈沖數(shù)n可以得到Δt，即

Δt=nT

(2)

(3)

2 智能測距圓規(guī)的設(shè)計

2.1 設(shè)計原理

紅外線傳感器的智能測距圓規(guī)的原理框圖如圖2所示。圖中，整個智能測距圓規(guī)中除了前面所介紹的紅外線測距部分，還包括主、副腳裝置、滑槽裝置、開關(guān)裝置、讀數(shù)裝置、緊定裝置和儲能裝置，圓規(guī)整體結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖1 紅外線距離傳感器原理圖

圖2 智能測距圓規(guī)的原理框圖

主腳裝置和滑槽裝置是電子圓規(guī)的主體部分，滑槽裝置與主腳相連，副腳裝置固定于滑槽間，可在滑槽裝置上移動，主腳與副腳之間距離即為所畫圓的半徑。紅外傳感測距裝置固定在主腳上，打開開關(guān)裝置，紅外測距裝置實時進行圓規(guī)間的距離信號處理，讀數(shù)裝置顯示屏通過導(dǎo)線于紅外傳感測距裝置相連接，電子顯示屏將接受到地信號顯示在電子屏幕上，紅外測距裝置和讀數(shù)裝置由充電裝置和儲能裝置為其供電。緊定裝置跟隨副腳固定在滑槽裝置上，緊定裝置將副腳進行固定，固定好后，副腳以主腳為軸進行畫圓。

2.2 產(chǎn)品實物及重點零件

紅外測距傳感器的示意圖如圖3所示，由可充電電池、開關(guān)及充電口、LED顯示屏、集成電路板、紅外發(fā)射/接收裝置五個部分構(gòu)成。該裝置精度高，體積小，且壽命較長，無須經(jīng)常更換。同時，定位滑塊如圖4所示，裝置采取螺紋孔連接，緊定效果可靠，不易松動，使用者不需要擔(dān)心半徑距離發(fā)生變化。滑槽裝置如圖5所示，采用鏤空方式，減輕產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約材料，同時提高產(chǎn)品的剛度強度，更加耐用，也方便使用者的攜帶與使用。整體裝置操作簡單，可靠耐用，如圖6所示。

圖3 紅外測距裝置圖

圖4 定位滑塊圖

圖5 鏤空移動滑槽圖

圖6 智能圓規(guī)結(jié)構(gòu)圖

3 紅外測距模塊硬件電路和軟件的設(shè)計

3.1 89C52單片機硬件電路的設(shè)計

單片機的硬件電路圖如圖7所示。

圖7 單片機硬件電路圖

單片機發(fā)出頻率為12 MHZ的晶振，XTAL1和XTAL2搭建振蕩電路，RST與按鍵組合完成復(fù)位動作。單片機P0口接respack-8排阻，同時P0口作為數(shù)據(jù)口與LCD1602相連。P2口連接ACD0804模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，ACD0804用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。P2口讀取ACD0804的地址信號，內(nèi)部處理后從P0口將地址寫入LCD1602，LCD1602的液晶顯示屏顯示測得的距離，從而實現(xiàn)測距的功能[4]。

3.2 紅外線測距硬件電路的設(shè)計

紅外線測量距離的硬件電路圖如8圖所示。

使用的紅外測距模塊為GP2D12，配合ADC0804模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器使用，測量射程范圍：10～80 cm，更新頻率/周期：25 Hz/40 ms，測量距離與輸出模擬電壓關(guān)系：2.4～0.4 V模擬信號對應(yīng)10～80 cm，輸出與距離成反比非線性關(guān)系。GP2D12測得的模擬量通過ADC0804轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，從而配合單片機使用。

圖8 紅外線測量距離的硬件電路圖

3.3 液晶顯示接口硬件電路的設(shè)計

本系統(tǒng)選用LCD1602顯示器(LCD) 來進行顯示，其原理圖如圖9所示。

圖9 LCD1602顯示器電路圖

第1腳VSS為地。第2腳：VDD接5 V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10 K的電位器調(diào)整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時可以讀外部信號，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。

3.4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計主要是主程序的設(shè)計。通過主程序的驅(qū)動，使智能測距圓規(guī)可以完成距離的測量，為半徑的精確控制提供相應(yīng)的依據(jù)。軟件的設(shè)計流程如圖10所示。開始時，首先將AT89C52進行初始化，通過紅外線信號的發(fā)射和采集得到電壓模擬信號，利用A/D轉(zhuǎn)換模塊將電壓轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的距離值，最后輸出相應(yīng)的距離值[5]。

圖10 軟件的設(shè)計流程

4 性能測試

4.1 半徑距離探測試驗

打開紅外測距裝置的開關(guān)，在測量范圍內(nèi)從滑槽上等差取十個點?；瑒踊瑝K改變副腳的位置，從而改變半徑的大小。分別記錄固定點和畫筆的實際距離和紅外線傳感器智能測距圓規(guī)測得的距離，每組重復(fù)十次實驗，其結(jié)果如表1所示。

表1 實際所取的半徑距離 單位：m

表2中第一行是十組實驗組測量距離的平均值，第二行是十組實驗組測量距離的標(biāo)準(zhǔn)差，第二行是十組實驗組測量距離的標(biāo)準(zhǔn)誤差。可見，在誤差允許范圍0.2%的前提下，該裝置所畫圓的半徑距離與實際距離相符，因此精度極佳。

表2 十組實驗的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、標(biāo)準(zhǔn)誤匯總表 單位：m

4.2 繪制圓時間的比較實驗

實驗分為兩組，一組采用傳統(tǒng)尺規(guī)作圖畫圓，另一組使用紅外線傳感器智能測距圓規(guī)畫圓。繪制不同半徑的圓，比較作圖時間，組內(nèi)組間對比，實驗方法同上，其結(jié)果如表3所示。

表3 繪制圓時間的比較表

從表3中比較可見，使用智能圓規(guī)作圖的時間受半徑距離影響不大，同時，與傳統(tǒng)的尺規(guī)作圖相比，縮短了作圖的時間，而且所繪半徑越大，節(jié)省時間效果越明顯。

5 結(jié) 語

本文“基于紅外線傳感器的智能測距圓規(guī)”，通過紅外線測距確定兩腳之間的距離，以單片機為核心處理數(shù)據(jù)，經(jīng)智能計算從而得到半徑距離。本智能圓規(guī)相較于傳統(tǒng)圓規(guī)有許多優(yōu)點，如測距精確度更高、畫圖時不易松動、以滑動代替轉(zhuǎn)動效率更高等。本文對智能圓規(guī)進行了闡述，通過簡單的紅外測距模塊，實現(xiàn)高精度的距離測量，從而減小制圖的誤差，使制圖規(guī)范化，精準(zhǔn)化，便于使用者的使用。

本電子圓規(guī)滑槽式展開、距離準(zhǔn)確、成本不高的特點為其進一步推廣提供了可能。對個人而言，能夠改善人們的繪圖條件，提高繪圖質(zhì)量；對制造傳統(tǒng)圓規(guī)的企業(yè)而言，利潤空間很大，很有必要投入研發(fā)；對生產(chǎn)零件的企業(yè)而言，改進其生產(chǎn)模式，降低其次品率，提高生產(chǎn)效率；對社會而言，科技推動智能化，有利于社會的進步發(fā)展。因此本新型電子圓規(guī)設(shè)計開發(fā)的意義很大，市場前景十分樂觀。