三維坐標激光測試儀電子控制系統

摘 要：介紹一種基于650 nm波長激光的三維坐標測試儀電子控制系統設計。該電子控制系統采用ATMEL89C2051單片機作為主控器件，采用S9013三極管作為激光射頭的電源驅動器件。通過改變單片機輸出的頻率控制三極管的導通周期產生可變電壓作為激光射頭的工作電源，從而控制激光射頭產生明暗的光線。

關鍵詞：三維坐標；測試儀；激光二極管；ATMEL89C2051；電壓調節

中圖分類號：TP274文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)24-007-02

Electronic Control System of 3-D Laser Measuring Equipment

LI Zhijin1，WU Wenjuan2

(1.College of Electronic Information Engineering，Nanjing University of Information Science Technology，Nanjing，210044，China;

2.College of Information Science Technology，Nanjing Forestry University，Nanjing，210044，China)

Abstract：In the paper，the design of 3-D laser measure electronic-control system is given and the laser′s wave is 650 nm in the system.ATMEL 89C2051 is used for centre controller.Transistor S9013 is used for driving the laser diode.The output voltage of S9013 can be changed with the changing frequency of high and low voltage，thus the power can control laser diode converting between dark and light.

Keywords：3-D;measuring equipment;laser diode;ATMEL89C2051;voltage convert

1 引 言

在傳統的建筑中，一般采用氣泡水平儀測試水平。氣泡水平儀價格便宜操作簡單，但對于多點測量時其繁瑣的缺陷漸漸凸顯出來。而對于垂直的測試一般采用鉛垂線，同樣對于長距離和不便攀登的垂面測試時就比較麻煩，且無法測試兩個面的相互垂直度。基于此設計一種方便的水平、垂直測試儀就具有較大的實際意義。本文簡要介紹一種三維坐標投射儀的設計。

2 三維坐標投射儀

三維坐標是指通常所說的三維笛卡爾直角坐標系，即x，y，z三維坐標。在本文的設計中采用非接觸式的設計方法。從三維坐標投射儀中射出相互垂直三維的激光線投射到被測的的物體上，通過觀察紅色投射光線在物體上的角度關系就可以判斷出水平和垂直。當然水平和垂直的度數，本設計沒有作度量。

本設計中激光投線采用650 nm的激光二極管。激光二極管本質上是一個半導體二極管，按照PN結材料是否相同，可以把激光二極管分為同質結、單異質結(SH)、雙異質結(DH)和量子阱(QW)激光二極管。激光二極管具有效率高，體積小，壽命長的優點。每坐標采用兩側對射的方式。在使用時，將投射儀放在水平平臺上 ，調節投射儀下端的底座旋鈕使之水平，也即兩側投射線完全重合。在投射儀的上端設有4個按鍵，分別為X，Y，Z和室內/室外。按下X按鍵，x軸方向的2個激光二極管被點亮，將水平的紅色光線投射到待測的物體上，觀測投射線和待測物體的相對位置即可判斷出水平與否。y，z軸的測試雷同。室內/室外鍵根據室內/室外的光線強弱，通過程序控制激光線的強弱。

3 電子控制系統的硬件設計

3.1 激光頭電源的控制

本投射儀采用ATMEL89C2051作主控器件。控制原理圖如圖1所示。P3.2口激光頭允許控制輸出口。P3.3為x軸激光電源控制口。如圖1所示。當P3.2為低電平時，Q4，Q5三極管導通，Q6，Q7三極管截止，x輸出為高電平，在x軸激光頭之間沒有回路，激光頭不工作。此時，當P3.3輸出高電平時，Q6，Q7導通，x輸出為低電平，x軸激光之間形成回路，激光頭發光。因此，同P3.2和P3.3 口電平的高低可控制激光頭電源的通斷，從而控制激光頭的開啟和閉合。如果需要調整激光的強弱，可通過加載到激光頭上的電壓的高低來控制。由于x軸只能輸出高低電平，因此加載到x軸激光頭的電壓只能在有和無之間轉換，并不能實現電壓的調節。為此，可改變x處高低電平的輸出頻率來調整輸出電壓的大小。一個脈沖周期內具體算式如下：

∫t2t1Vdt=∫t1+Tt1Vxdt+∫T1+2Tt1+T0dt

=∫t1+Tt1Vxdt=VxT

由上式可知，要想x處輸出電壓增大，可增大高電平的輸出周期就可以。y，z軸的控制方法雷同。

圖1 x軸電源控制電路

3.2 保護電路

保護電路在投射儀不水平放置時，設備中有一個鉛錘的重物。該重物由于不垂直，因此將受到偏心力的作用和其周圍的帶電簧片接觸，從而使A點接至高電平。Q3，Q2，Q1相繼導通從而INT0處輸出為低電平，觸發單片機的外部中斷0，進行保護處理。

圖2 保護電路

3.3 其他電路

本設計中還含有電源啟動和穩壓電路，鍵盤電路，指示燈顯示電路等，這里不再贅述。

4 軟件

本系統軟件較為簡單，這里僅給出部分參考程序。

MOV A，P3;

MOV KEYFLAG0，A;判斷有無按鍵按下

JNB KEYFLAG0.1，PROJECT;不垂直，轉入保護程序

JB PFLAG.0，P_16V;戶外，P3.2低電壓輸出

CLR P3.2;激光頭開啟允許

JMP P_00V;正常啟動

P_16V:

ACALL POWER;輸出低電壓，低壓啟動

P_00V:

JNB KEYFLAG0.7，DOOR;FIRST KEY P1.2 1

MOV A，P1;

MOV KEYFLAG1，A;

JNB KEYFLAG1.3，KV;判斷垂直1按鍵， KVKEY P1.3 1-0

JNB KEYFLAG1.5，KHH;判斷水平按鍵，KHKEY P1.5 1-0

JNB KEYFLAG1.7，KVV;判斷垂直2按鍵

JMP WEICHI;沒有按鍵按下，返回等待

PROJECT:

SETB P3.2;保護激光頭，全關閉

JMP WEICHI;返回

輸出激光頭電源調整程序為：

POWER:;OUTPUT 1.6V

SETB P3.2;輸出高電平，激光頭電源為0

ACALL DELAY1MS;延時

CLR P3.2;輸出低電平，激光頭點源為高

RET;

5 結 語

本系統方案穩定、可靠，設計成本低廉，電路簡單，程序編制方便，已成功應用實際產品中，取得了較好的經濟效益。

參考文獻

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作者簡介

李致金 男，1973年出生。通信與信息系統碩士，講師。研究方向為數據通信、智能控制系統。已發表論文10余篇。

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