摘要: 提出了線陣CCD微米級(jí)非接觸式圓鋼光電測徑儀的設(shè)計(jì)方案,并以ARM微處理器和單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì);解決了傳統(tǒng)圓鋼測徑方法接觸式測量的局限問題,具有結(jié)構(gòu)簡單、小型化、非接觸、精度高等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CCD非接觸式圓鋼光電測徑,測量結(jié)果準(zhǔn)確、精度高、穩(wěn)定性好,且可直接方便地顯示測量結(jié)果。 關(guān)鍵詞: AT89C2051;CCD 微米級(jí); 非接觸式; 光電測徑儀 CCD Micron Photoelectric Diameter Gauge for Round Steel Abstract: A design of line array CCD Micron photoelectric non contact diameter gauge is proposed based on ARM microprocessor and microcontroller, removing the limitations of traditional steel diameter measuring method. The noncontact system has a simple structure small size and high accuracy. Experimental results show that the system realizes the CCD noncontact measurement of the steel diameter. The measurement results are accurate with high precision and good stability, displaying measurements directly and conveniently. Key words: CCD micronlevel; noncontact; photoelectric diameter gauge 引言 在鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)中傳統(tǒng)的圓鋼測徑方法有很多,如利用尺寸工具抽樣檢測、電磁式接觸測量等。用尺寸工具測量,精度不夠且速度很慢;用電磁式測量是接觸式測量,測量比較麻煩且精度和速度也難以得到保證。CCD電荷耦合器件廣泛應(yīng)用于圖像掃描、非接觸式尺寸檢測、位移測定條形碼讀出等光電探測和光電成像領(lǐng)域,具有自掃描、精度高、靈敏度高、光譜響應(yīng)量寬等優(yōu)點(diǎn)[1]。CCD微米級(jí)非接觸式圓鋼光電測徑儀是一種基于CCD光電檢測技術(shù)的非接觸式圓鋼專用光電測徑裝置。它具有非接觸、速度快、精度高、小型化、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn),可以在光線暗、高溫、高速等惡劣條件下,在生產(chǎn)線上動(dòng)態(tài)無損地隨時(shí)監(jiān)控圓鋼直徑的微小變化,具有較高的實(shí)用價(jià)值。 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 1.1 CCD微米級(jí)非接觸式圓鋼光電測徑儀的測量原理 CCD微米級(jí)非接觸式圓鋼光電測徑儀光路測量原理如圖1所示。 平行光源從鏡L1發(fā)出平行光束。此光束照射在光路內(nèi)的圓鋼工件上,經(jīng)光學(xué)鏡頭L2成像在CCD的感光面上。CCD器件把感光面上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成比例的電荷量,在一定頻率的時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下,從CCD的輸出信號(hào)U0波形中反映出來。對(duì)U0進(jìn)行信號(hào)處理,并根據(jù)工件的成像在CCD輸出波形中的寬度推算標(biāo)定出工件的實(shí)際尺寸。 1.2 主要信號(hào)處理過程 CCD的行同步脈沖FC和標(biāo)準(zhǔn)脈沖SP與輸出信號(hào)U0的關(guān)系如圖2(a)所示。放入工件后,在行同步脈沖FC中間的U0波形部分時(shí)段變成了低電平,低電平的寬度隨工件直徑尺寸線性變化,如圖2(b)所示。 在每個(gè)行脈沖FC周期內(nèi)對(duì)U0進(jìn)行信號(hào)處理,過程如圖3所示。將U0信號(hào)通過低通濾波電路,濾去高頻干擾;對(duì)U0進(jìn)行一次微分邊界分離,然后通過絕對(duì)值電路將信號(hào)進(jìn)行一致化處理便于進(jìn)行二次微分;接著進(jìn)行二次微分以提高分辨率,然后通過過零檢測電路找到測量中心,最后進(jìn)行二值化處理為后續(xù)的脈沖計(jì)數(shù)做好準(zhǔn)備。 采用高亮度LED和合適焦距的透鏡組成光源盒,并利用其特性產(chǎn)生較好的平行光,照射物體然后通過光學(xué)鏡頭在CCD上成像。CCD的輸出信號(hào)通過9針串行口將信號(hào)輸送到積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理電路模塊,然后此模塊將處理好的信號(hào)輸送到計(jì)數(shù)與通信電路模塊進(jìn)行計(jì)數(shù)測量轉(zhuǎn)換,并和顯示模塊通信將測量值發(fā)送給ARM處理器。最后由智能顯示終端顯示測量值,并實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)標(biāo)定查詢等功能。 2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 2.1 積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理電路 2.1.1 硬件設(shè)計(jì) 積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。 由于CCD的輸出信號(hào)U0受光強(qiáng)影響,光強(qiáng)越強(qiáng)U0波形幅值越大,故需對(duì)CCD進(jìn)行積分時(shí)間閉環(huán)調(diào)整,以保證信號(hào)U0的最高幅值在3~4 V范圍內(nèi)。將U0的波形通過雙比較器LM393與3 V和4 V電壓比較,并將比較結(jié)果輸入到單片機(jī)AT89C2051中,單片機(jī)根據(jù)結(jié)果通過四根數(shù)據(jù)線設(shè)置CCD驅(qū)動(dòng)器的積分時(shí)間設(shè)置擋位M0~M3(其中0000為最短積分時(shí)間,1111為最長積分時(shí)間),以保證有合適的積分時(shí)間,使U0的最高幅值在要求范圍內(nèi),便于進(jìn)行準(zhǔn)確測量。積分時(shí)間調(diào)整好后,通過與門控制將行同步脈沖FC輸出。U0經(jīng)由4個(gè)雙運(yùn)放LM353搭建的濾波、一次微分、濾波、絕對(duì)值、放大、二次微分、濾波、電平調(diào)整進(jìn)行信號(hào)處理后再通過LM393比較器與0 V比較進(jìn)行過零檢測,并將信號(hào)輸入到單片機(jī)AT89C2051中進(jìn)行軟件二值化,二值化好以后將信號(hào)輸出。 2.1.2 軟件設(shè)計(jì) 積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理的程序流程如圖6所示。 系統(tǒng)存在外界光干擾時(shí)需實(shí)時(shí)對(duì)積分時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。程序中用行同步脈沖FC做中斷源,在行同步脈沖FC中,不斷判斷U0的幅值是否位于3~4 V范圍內(nèi)。如果不在,立即調(diào)整M0~M3的值,直到U0的幅值合適為止。此時(shí)將行同步脈沖FC通過與門控制輸出,并將過零檢測的信號(hào)軟件二值化后輸出。 2.2 計(jì)數(shù)與通信模塊 2.2.1 硬件設(shè)計(jì) 計(jì)數(shù)與通信模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。 由單片機(jī)AT89C2051接收來自積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理模塊的信號(hào)。在行同步脈沖FC周期內(nèi)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù),可得知U0波形工件成像的兩個(gè)邊界內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)。找出標(biāo)準(zhǔn)脈沖與實(shí)測工件標(biāo)準(zhǔn)尺寸之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn),即可得出工件的實(shí)際尺寸??蓵簳r(shí)將測量值通過由74LS373和DS1225擴(kuò)展的片外RAM存儲(chǔ)下來,然后通過RS232串口發(fā)送給顯示模塊。 2.2.2 軟件設(shè)計(jì) MCU中計(jì)數(shù)與通信程序框圖如圖8所示。 程序中存在串口中斷和外部中斷0,設(shè)置串口中斷為高優(yōu)先級(jí)中斷,由串口的收中斷接收來自顯示模塊中ARM微處理器的控制指令,以確定是否開始測量、存儲(chǔ)或查詢;由串口的發(fā)中斷將測量值發(fā)送給ARM微處理器進(jìn)行顯示。以行同步脈沖FC的下降沿作為外部中斷0觸發(fā)信號(hào),F(xiàn)C的下降沿到來產(chǎn)生中斷后即開始對(duì)標(biāo)準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)。當(dāng)查詢到二值化信號(hào)Q由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)記錄此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)N1,當(dāng)查詢到二值化信號(hào)Q由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)停止計(jì)數(shù),記錄此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)N2;N=N2-N1,按標(biāo)定校準(zhǔn)得系數(shù)計(jì)算測量值,并轉(zhuǎn)化為ASCII碼暫存于外部RAM中,以備直接顯示或查詢。 2.3 顯示模塊 由ARM微處理器接收觸摸鍵操作信息并分析要進(jìn)行何種操作,然后通過串口發(fā)送指令給計(jì)數(shù)通信模塊,并從串口接收來自計(jì)數(shù)通信模塊的測量信息。通過LCD觸摸屏顯示測量信息,也可以通過Flash/RAM存儲(chǔ)測量信息和操作界面。 程序中不斷掃描觸摸鍵盤并等待串口中斷。若掃描到某個(gè)鍵被按下,則發(fā)送相應(yīng)指令到串口控制計(jì)數(shù)模塊測量;若有串口中斷判斷相應(yīng)字頭,則控制LCD顯示或更新系統(tǒng)設(shè)置。 3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果如圖10所示。 系統(tǒng)總體效果良好,體積小且是非接觸式測量。測量精度和速度基本滿足微米級(jí)測量要求,誤差在±0.005 mm之間,高于國家生產(chǎn)測量精度標(biāo)準(zhǔn);人機(jī)界面友好,可以很好地滿足生產(chǎn)過程中靜態(tài)或動(dòng)態(tài)測量圓鋼的要求。 結(jié)語 本文提出了線陣CCD微米級(jí)非接觸式圓鋼光電測徑儀的設(shè)計(jì)方案,以ARM微處理器和單片機(jī)為核心,解決了傳統(tǒng)圓鋼測徑方法中系統(tǒng)的接觸式測量的局限,具有結(jié)構(gòu)簡單、小型化、非接觸、精度高等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CCD非接觸式圓鋼光電測徑,測量結(jié)果準(zhǔn)確,精度高、穩(wěn)定性好,且可直接方便地顯示測量結(jié)果。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于鋼廠圓鋼生產(chǎn)高標(biāo)準(zhǔn)檢測,有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 參考文獻(xiàn) [1] 何煒,等.CPLD在CCD圖像采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2006(6). 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圖1 CCD圓鋼光電測徑儀光路測量原理
圖2 CCD的輸出信號(hào)
圖4 系統(tǒng)總體搭建方案
圖5 積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)框圖
圖6 積分時(shí)間調(diào)整與信號(hào)處理程序流程
圖7 計(jì)數(shù)與通信模塊結(jié)構(gòu)框圖#p#分頁標(biāo)題#e#
圖8 MCU中計(jì)數(shù)與通信程序流程
顯示模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖9所示。
圖9 顯示模塊程序流程
圖10 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果
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