PCAP01與STM8的激光頭電容測距傳感器設計*

王海，張李超，周偉光

(華中科技大學 材料科學與工程學院，武漢 430074)

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PCAP01與STM8的激光頭電容測距傳感器設計*

王海，張李超，周偉光

(華中科技大學 材料科學與工程學院，武漢 430074)

針對激光切割系統中，由于工件表面起伏不平或彎曲，造成切割頭與工件的距離變化不定且難以測量的問題，提出了一種基于PCAP01與STM8的電容測距傳感器設計。系統硬件由微電容測量芯片PCAP01、單片機STM8以及供電電路等構成。該傳感器通過PCAP01芯片檢測激光切割頭噴嘴與工件表面的板極電容值，由STM8芯片將采集的電容值轉換成距離信息。該傳感器具有精度高、抗干擾性強、測量頻率快、可配置性強等優點，能有效滿足激光切割系統中切割頭位置測量調節的應用需求。

PCAP01；STM8；微弱電容檢測；激光切割

引　言

在激光切割加工過程中，為了保證切割質量，激光焦點一般應位于被加工工件表面以下板厚約1/3處[1]。但諸多因素[2]會使得激光焦點位置與理想位置發生偏移，因此在切割過程中需要實時檢測激光焦點與被加工對象的位置關系，并進行實時調節。

陳和平等[3]基于接觸式傳感器檢測激光切割頭與工件的距離，但其檢測精度低，無法加工復雜表面工件，且存在接觸磨損問題。肖金陵等[4]基于CCD相機檢測激光焦點位置，但其結構復雜，檢測速度慢，靈敏度低。

針對上述方法的不足，本文提出基于微電容測量芯片PCAP01和微控制器STM8的電容測距傳感器設計。該傳感器具有精度高、實時性強、穩定性好、無接觸等優點，可應用于高速復雜激光切割加工等應用場景中。經實際應用測試，該系統工作穩定，具有良好的可行性。

1　傳感器原理

1.1電容測距原理

激光切割頭噴嘴的結構簡圖如圖1所示，噴嘴前端金屬與待切割金屬工件表面形成了一個動極板電容。

圖1　激光切割頭噴嘴結構簡圖

其電容值與距離關系的理論抽象計算模型[5]如下：

(1)

其中ε0為真空介電常數，εr為相對介電常數，s為兩極板正對面積。由式(1)可知，激光切割頭噴嘴與工件間的板極電容隨著切割頭與工件表面距離的變化而變化。本電容測距傳感器設計的基本原理就是利用雙層屏蔽線(圖中未標出)檢測噴嘴與工件表面間的板極電容，再將電容信息轉換為距離信息。

1.2PCAP01測電容原理

PCAP01是一款內置了DSP處理單元的微電容測量芯片[6]，通過檢測傳感電容與參考電容的放電時間比值來測量微電容。其中傳感器電容、參考電容和放電電阻組成一個低通濾波電路[7]。測量電容時，首先將被測電容和參考電容充電到電源電壓，然后通過放電電阻放電，當放電到一個可控制閾值電壓后重新充電,重復上述過程。電容的充放電時序圖如圖2所示。芯片內部的高精度時間數字轉換器TDC會記錄下單個充放電周期的時間，并輸出傳感器電容與參考電容的充放電時間比值,與參考電容對比可以避免溫度改變對測量電容的影響。由于測量時間的周期在μs級別，在這個時間段內測量的電容值幾乎不變，保證了測量的準確性，測量精度達到了21位。

圖2　電容充放電時序圖

2　傳感器硬件設計

圖3　傳感器總體結構圖

傳感器的總體結構圖如圖3所示，傳感器主要由PCAP01微電容測量電路、STM8處理電路和電源電路三部分構成。其中PCAP01通過雙層屏蔽線與噴嘴連接，檢測噴嘴與工件表面的電容值；STM8通過SPI接口與PCAP01通信，完成PCAP01的初始化以及電容信息獲取任務，通過RS232與外界進行信息交互。其中，PCAP01微電容測量電路模塊是整個傳感器的關鍵部分，它的設計直接關系到整個傳感器系統的測量精度和抗干擾性能。

2.1PCAP01微電容測量模塊設計

本模塊主要由芯片PCAP01-AD組成的測量電路構成，PC0端口作為參考電容接口，PC1作為測量電容的接口。為使寄生電容盡量小，要求這兩個微電容輸入端口的PCB板走線盡量短[8]，且此接口附近盡量避免鋪銅。PCAP01-AD芯片內置了A/D轉換模塊，所以其外圍電路變得更加簡潔，利于微型化、集成化[9]。另外芯片通過MOSI_SDA、MISO_PG1、SSN_PG0和SCK_SCL這4條SPI總線與STM8單片機通信。該模塊的主要電路圖如圖4所示。

圖4　微電容測量模塊電路

2.2STM8處理模塊設計

本模塊主要由ST公司的具有超低功耗的STM8L系列微控制器STM8L101G3構成，該芯片內部集成了1個8位定時器、3個16位定時器，并且所有的GPIO均可配置成中斷模式。微控制器主時鐘采用芯片內部16 MHz的RC振蕩電路，外圍電路主要有RS232通信接口電路、手動復位電路以及SPI接口電路[10]。其核心電路如圖5所示。

2.3供電模塊設計

供電模塊電路需要為PCAP01和STM8L101G3芯片提供3.3 V的工作電壓，為MAX232芯片提供5 V的工作電壓。因此傳感器的供電模塊電路設計采用外部5 V輸入，3.3 V的電壓通過三端穩壓器AMS1117-3.3轉換后獲得。

圖5　STM8處理模塊核心電路

3　軟件設計

本傳感器通過I/O接口可選擇工作在上傳電容模式或上傳距離模式。由于PCAP01的測量結果是相對參考電容比值，測量的電容需利用下式轉換計算：

(2)

其中，C為轉換后電容的測量結果，Cdet為PCAP01的測量比率輸出，Cref為參考電容值的大小。軟件工作的基本流程如圖6所示。

圖6　傳感器軟件工作流程

傳感器工作在上傳電容模式時，經式(2)轉換的電容信息通過STM8的RS232接口上傳。工作在上傳距離模式時，根據電容與距離的標定表進行線性插補，計算并上傳距離信息；若無標定表，則上傳錯誤信息。

4　實驗結果

將上述電容測距傳感器安裝在激光切割頭上，利用配套測試的上位機軟件，就電容測量精度和距離標定功能進行了測試與分析。

首先，固定電容測距傳感器感應極板與待測工件的距離，以1 kHz的采樣率獲取了100組電容數據，如圖7所示。經統計，靜態測量情況下，激光切割頭電容傳感器的電容測量平均誤差為1.15 fF。

圖7　靜態電容測量數據

然后，控制伺服電機使傳感器感應極板與待測工件的距離從0.5 mm變化到5 mm，步長為0.1 mm。記錄下每個點電容的平均值，制成電容與距離的標定關系表后，可將表數據保存在傳感器內，使傳感器根據標定表直接輸出距離信息。標定數據如圖8所示。

圖8　標定數據

由圖8可知，電容與距離基本上符合冪函數關系，在短距離范圍內，電容和距離可近似看作線性關系。同時根據圖8的圖線趨勢亦可知，傳感器線路的寄生電容在15 pF左右。

激光切割時，切割頭與工件的間距為1.5～2.5 mm時較為合適。2.4～2.5 mm間距的電容分辨率在此范圍內最小，此時電容差值為0.106 94 pF，電容測量的平均誤差為1.15 fF，在此范圍內傳感器分辨率可達0.001 mm；同理在1.5～1.6 mm的分辨率為0.55 μm。由圖8的關系可知，距離越遠，分辨率越小。

結　語

本文設計了一種基于PCAP01和STM8的電容測距傳感器，該傳感器以PCAP01為微電容測量核心，以STM8為信息交互及控制核心。該傳感器的有效采樣率達到1 kHz，在合適范圍內靜態測量精度達到了0.001 mm以上?，F場長期測試表明，該傳感器可靠性強、測量精度高、采樣頻率快，能滿足激光切割系統中切割頭位置測量調節的應用需求。

[1] 朱國力,段正澄,龔時華.激光切割中的焦點位置檢測方法研究[J].制造業自動化,2000,22(12):33-35.

[2] 李明.激光切割頭與工件距離檢測系統的研制[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2010.

[3] 陳和平,石敏,王曉輝.激光切割Z軸彈性定距隨動系統的設計與實現[J].制造業自動化,2014,36(10):112-114.

[4] 肖金陵,虞瑤.基于CCD的激光切割焦點位置控制系統的設計與實現[J].光電技術應用,2006,21(4):42-46.

[5] 嚴瓊.激光切割電容式Z浮微小電容檢測系統的研究[D].武漢:華中科技大學,2011.

[6] 德國acam公司.PICOCAP 數據手冊DB_PCap01-0301_

eVO.4[EB/OL].[2016-03].http://www.acam.de.

[7] Ho-Young Park,Sang-Hyeok Yang,Suki Kim,et al.A touch sensor readout circuit using switched- capacitor charge pump[J].Ieice Electron Express,2012(9):1090-1095.

[8] A G Kosovichev,T L Duvall Jr.A Novel Capacitive Detection Scheme With Inherent Self-Calibration[J].Journal of Microelectromechanical Systems,2007,16(6):1324-1333.

[9] 鄧麗莉,桑勝波,張文棟,等.基于Pcap01芯片的高精度微電容檢測系統設計[J].傳感器學報,2013,26(8):1045-1049.

[10] 嚴潔.單片機原理及其接口技術[M].北京:機械工業出版社,2010.

王海、周偉光(碩士研究生)，主要研究方向為軟件開發、嵌入式技術；張李超(副教授)，主要研究方向為3D打印軟件開發、CAD/CAM開發。

Design of Laser Head Distance Sensor Based on PCAP01 and STM8

Wang Hai,Zhang Lichao,Zhou Weiguang

(College of Materials Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

In order to solve the problem that the distance between laser cutting head and workpiece,which is unpredictable because of the undulating surface of workpiece,a distance sensor based on PCAP01 and STM8 is designed.The hardware is made of the micro-capacitance detection chip PCAP01,the microcontroller STM8 and the power supply circuit.The PCAP01 is used to get the capacitance between the nozzle on laser cutting head and the surface of workpiece,which would be transfered to distance by STM8.The sensor has the characteristics of high precision,strong anti-interference,fast frequency measurements and high real-time,which meets the need of the laser cutting system.

PCAP01;STM8;micro-capacitance detection;laser cutting

國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2015AA042505)。

TP275

A

(責任編輯：薛士然2016-03-15)