非接觸式圓弧半徑檢測系統

桂林電子科技大學　朱劍芳

非接觸式圓弧半徑檢測系統

桂林電子科技大學朱劍芳

曲面圓弧半徑檢測系統正隨著近代工業技術的發展而被越來越多的應用到了工業領域中。本文對采用了電子技術、單片機、微型計算機接口、距離檢測采集傳感器的特性等知識來進行設計制作的工件表面曲面圓弧半徑檢測系統進行了理論結合實踐的研究，并對距離檢測傳感器的工作特性、對采集到的數據進行相位計算和三角定圓等算法及系統功能軟件等做了詳盡的說明。

曲面圓弧半徑檢測；相位計算；三角定圓

引言

各種高端的加工方式隨著現代社會的發展而出現，促進了制造控制技術的高速發展，檢測技術所要求的條件越來越傾向于高速度、高精度、非接觸等檢測手段。以紅外線、激光等傳感器的非接觸式檢測技術作為代表。在眾多領域，例如小型柱類零件、小直徑容器等得到了廣泛的應用取得了明顯的經濟效益。

本文用紅外線的波長相對于可見光要大，其傳播較容易檢測，容易定向發射，方向特性好，強度容易控制等特點，研制出這一應用于曲面工件直徑檢測的紅外線檢測系統，通過“三點定圓”的方法達到求知工件直徑的應用。

1　系統總體設計方案

1.1功能系統

本案中，構成曲面檢測系統的電路分為兩個主要的功能系統：第一部分是由紅外線發射和接收電路、步進電機電路組成的系統；第二部分，是以LCD1602顯示模塊、AD7705 A/D采集模塊、單片機控制芯片及其他輔助電路為主的接收機系統。

系統的總體設計框圖如圖1-1所示。

圖1-1　曲面工件檢測系統總體設計框圖

1.2 紅外線檢測系統方案

本設計紅外線傳感器選擇型號為GP2Y0A21YKF。該傳感器包含了位置檢測器、紅外發光二極管和信號處理電路。GP2Y0A21YKF型紅外傳感器運用的是三角測距原理，能夠以特定的角度發射出紅外光線，當照射到物體之后，紅外光線就會反射回來。反射回來的紅外光線通過位置感應檢測器檢測之后，將獲得的發射角度a、濾鏡的焦距f、偏移距離L、中心矩X經過三角關系和幾何關系計算出傳感器到物體的距離D。如圖1-2所示。

由圖1-2可以得出，被測物體D的公式為：

圖1-2　紅外距離傳感器測距原理框圖

1.3水平平移控制系統方案

曲面檢測系統采用的是 “三點定圓”的方式測出被測工件的半徑。根據數學知識：利用已知三角形的三點的坐標值，可確定三角形外接圓的直徑和圓心。所以，一定要要有相應的水平移動機構，帶動紅外線測距模塊進行三點坐標橫坐標的檢測。根據本系統設計的需求，利用步進電機帶動絲桿旋轉可得出每個點的水平位移，從而通過相應的數學計算得出工件直徑。在本設計中采用L298N控制芯片對步進電機進行控制。

2　系統硬件電路

2.1單片機最小系統

綜合單片機的特點，及考慮到系統設計的成本性，故本系統選用價格低廉功能強大的AT89S52作為核心CPU。

2.2步進電機驅動模塊

步進電機具有效率高、發熱量小、能夠360度旋轉、輸出扭矩大、能夠進行精密控制等優點。當今在工業生產中多使用步進電機作為動力元件，在各種自動化控制系統中被廣泛的運用。

步進電機采用L298作為驅動芯片，以使步進電機的轉動步距角能夠滿足于系統的要求，用改變相鄰兩相電流的大小這一方法來驅動步進電機。

2.3AD7705模數轉換模塊

AD7705是使用Σ-Δ轉換方式來實行16位代碼性能并運用于低頻測量的模擬器。該模擬器通過接受來自于傳感器的信號，執行的是串行的數字輸出的方式。

3 曲面檢測系統的簡單算法

3.1紅外線測距

紅外線測距的原理為紅外線發生器發出紅外線信號，當這個紅外線射到被物體后被反射，紅外線接收器接收采集。計算出紅外線發射口到紅外線接收口之間的相位差，通過紅外測距傳感器內部的計算和放大電路的處理，紅外測距傳感器通過輸出端輸出一于檢測距離成比例的電壓值，通過AD采集模塊采集該電壓值，通過模數轉換檢測物體的距離。通過記錄程序返回值value，并測量當前被測物體的距離L，可計算出單位距離內所對應的AD值t。計算公式如下：

3.2直徑計算處理

單片機經過控制紅外線發射與接收并通過AD7705模數轉換模塊采集數據后，對這些數據進行相關的處理。

單片機在本次系統的設計中的主要功能是進行數據處理以及顯示處理結果。根據數學知識：若知道三角形的三點的坐標值，就能夠通過計算公式求出三角形的外接圓的直徑和圓心坐標。檢測出，工件上的三點A、B、C三點坐標之后，根據數學知識可計算出直線AB和BC的直線方程。從而，根據直線AB和BC的直線方程可計算出線段AB和BC所對應的中垂線A’B’和B’C’的方程，這兩個方程的交點坐標（x，y）就是該工件的圓心。通過圓心與已知A、B、C三點中的任意一點，就是可求出工件的半徑。半徑計算的公式為：

4 程序流程圖

本系統的單片機程序流程圖，如圖4-1所示。單片機程序完成初紅外線發射和接收、AD模數轉換、旋轉水平移動平臺的步進電機旋轉控制功能。

單片機定程序完成對紅外信號的模數轉換，內部中斷服務子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、步進電機步數的計數、輸出等工作。

紅外線測距時工作過程如下：（1） 由單片機產生脈沖信號

控制平臺移動，通過紅外線距離檢測器發出紅外線；（2）單片機在發送驅動脈沖時刻開始計數，以計算水平距離；（3）紅外線遇到障礙物后回波被紅外線傳感器接收，輸出模擬電壓輸讀取AD模塊，單片機通過AD模塊數值計算出被測物體距離。

圖4-1　主程序流程圖

5　結論

本設計的最終是使用紅外線測距模塊產生紅外線，實現紅外線的發送與接收，用紅外線掃描檢測被測工件上三點的距離。最終以數字的形式顯示出檢測距離和半徑。紅外線檢測距的原理是利用紅外線的發射并接受，根據紅外線發射與接收時的相位差來計算出檢測的距離。對于不同被測物體進行了幾組實際測量如表5-1所示。

表5-1　測量結果

曲面檢測系統主要包括單片機系統、紅外發射與接收電路、AD模數轉換電路、步進電機驅動電路以及液晶顯示電路五部分。處理器采用AT89S52單片機。紅外線檢測接收電路主要由GP2Y0A21YKF紅外距離傳感器來完成，它內部自帶了紅外線發射與接收時的相位差的感應以及放大計算電路，并將采集到的數據通過電壓模擬量的形式輸出，再由AD7705模數轉換芯片采集計算后，將模擬量轉變成為數字量，將數據傳輸給單片機，單片機通過將AD芯片采集到的數據進行計算，得出準確的距離，具有良好的市場應用價值。

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朱劍芳（1981-），講師，主要研究方向：電子技術應用，智能測控。