關(guan) 鍵詞: AT89C2051；CCD 微米級； 非接觸式； 光電測徑儀(yi)

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 noncontact system has a simple structure small size and high accuracy. Experimental results show that the system realizes the CCD noncontact measurement of the steel diameter. The measurement results are accurate with high precision and good stability, displaying measurements directly and conveniently.

Key words: CCD micronlevel; noncontact； photoelectric diameter gauge

引言

　　在鋼鐵工業(ye) 生產(chan) 中傳(chuan) 統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用於(yu) 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域，具有自掃描、精度高、靈敏度高、光譜響應量寬等優(you) 點[1]。CCD微米級非接觸式圓鋼光電測徑儀(yi) 是一種基於(yu) CCD光電檢測技術的非接觸式圓鋼專(zhuan) 用光電測徑裝置。它具有非接觸、速度快、精度高、小型化、結構簡單等優(you) 點，可以在光線暗、高溫、高速等惡劣條件下，在生產(chan) 線上動態無損地隨時監控圓鋼直徑的微小變化，具有較高的實用價(jia) 值。

1  係統總體(ti) 設計

1.1  CCD微米級非接觸式圓鋼光電測徑儀(yi) 的測量原理

　　CCD微米級非接觸式圓鋼光電測徑儀(yi) 光路測量原理如圖1所示。

圖1  CCD圓鋼光電測徑儀(yi) 光路測量原理

　　平行光源從(cong) 鏡L1發出平行光束。此光束照射在光路內(nei) 的圓鋼工件上，經光學鏡頭L2成像在CCD的感光麵上。CCD器件把感光麵上的光信號轉換成與(yu) 光強成比例的電荷量,在一定頻率的時鍾脈衝(chong) 驅動下，從(cong) CCD的輸出信號U0波形中反映出來。對U0進行信號處理，並根據工件的成像在CCD輸出波形中的寬度推算標定出工件的實際尺寸。

1.2  主要信號處理過程

　　CCD的行同步脈衝(chong) FC和標準脈衝(chong) SP與(yu) 輸出信號U0的關(guan) 係如圖2(a)所示。放入工件後，在行同步脈衝(chong) FC中間的U0波形部分時段變成了低電平，低電平的寬度隨工件直徑尺寸線性變化，如圖2(b)所示。

圖2  CCD的輸出信號

　　在每個(ge) 行脈衝(chong) FC周期內(nei) 對U0進行信號處理，過程如圖3所示。將U0信號通過低通濾波電路，濾去高頻幹擾；對U0進行一次微分邊界分離，然後通過絕對值電路將信號進行一致化處理便於(yu) 進行二次微分；接著進行二次微分以提高分辨率，然後通過過零檢測電路找到測量中心，最後進行二值化處理為(wei) 後續的脈衝(chong) 計數做好準備。

圖4  係統總體(ti) 搭建方案

　　采用高亮度LED和合適焦距的透鏡組成光源盒，並利用其特性產(chan) 生較好的平行光，照射物體(ti) 然後通過光學鏡頭在CCD上成像。CCD的輸出信號通過9針串行口將信號輸送到積分時間調整與(yu) 信號處理電路模塊，然後此模塊將處理好的信號輸送到計數與(yu) 通信電路模塊進行計數測量轉換，並和顯示模塊通信將測量值發送給ARM處理器。最後由智能顯示終端顯示測量值，並實現校準標定查詢等功能。

2  係統的實現

2.1  積分時間調整與(yu) 信號處理電路

2.1.1  硬件設計

　　積分時間調整與(yu) 信號處理電路結構框圖如圖5所示。

圖5  積分時間調整與(yu) 信號處理電路結構框圖

　　由於(yu) CCD的輸出信號U0受光強影響，光強越強U0波形幅值越大，故需對CCD進行積分時間閉環調整，以保證信號U0的最高幅值在3～4 V範圍內(nei) 。將U0的波形通過雙比較器LM393與(yu) 3 V和4 V電壓比較，並將比較結果輸入到單片機AT89C2051中，單片機根據結果通過四根數據線設置CCD驅動器的積分時間設置擋位M0～M3（其中0000為(wei) 最短積分時間，1111為(wei) 最長積分時間），以保證有合適的積分時間，使U0的最高幅值在要求範圍內(nei) ，便於(yu) 進行準確測量。積分時間調整好後，通過與(yu) 門控製將行同步脈衝(chong) FC輸出。U0經由4個(ge) 雙運放LM353搭建的濾波、一次微分、濾波、絕對值、放大、二次微分、濾波、電平調整進行信號處理後再通過LM393比較器與(yu) 0 V比較進行過零檢測，並將信號輸入到單片機AT89C2051中進行軟件二值化，二值化好以後將信號輸出。

2.1.2  軟件設計

　　積分時間調整與(yu) 信號處理的程序流程如圖6所示。

圖6  積分時間調整與(yu) 信號處理程序流程

　　係統存在外界光幹擾時需實時對積分時間進行調整。程序中用行同步脈衝(chong) FC做中斷源，在行同步脈衝(chong) FC中，不斷判斷U0的幅值是否位於(yu) 3～4 V範圍內(nei) 。如果不在，立即調整M0～M3的值，直到U0的幅值合適為(wei) 止。此時將行同步脈衝(chong) FC通過與(yu) 門控製輸出，並將過零檢測的信號軟件二值化後輸出。

2.2  計數與(yu) 通信模塊

2.2.1  硬件設計

　　計數與(yu) 通信模塊結構框圖如圖7所示。

圖7  計數與(yu) 通信模塊結構框圖#p#分頁標題#e#

　　由單片機AT89C2051接收來自積分時間調整與(yu) 信號處理模塊的信號。在行同步脈衝(chong) FC周期內(nei) 對標準脈衝(chong) 計數，可得知U0波形工件成像的兩(liang) 個(ge) 邊界內(nei) 的標準脈衝(chong) 個(ge) 數。找出標準脈衝(chong) 與(yu) 實測工件標準尺寸之間的關(guan) 係進行標定校準，即可得出工件的實際尺寸。可暫時將測量值通過由74LS373和DS1225擴展的片外RAM存儲(chu) 下來,然後通過RS232串口發送給顯示模塊。

2.2.2  軟件設計

　　MCU中計數與(yu) 通信程序框圖如圖8所示。

圖8  MCU中計數與(yu) 通信程序流程

　　程序中存在串口中斷和外部中斷0，設置串口中斷為(wei) 高優(you) 先級中斷，由串口的收中斷接收來自顯示模塊中ARM微處理器的控製指令，以確定是否開始測量、存儲(chu) 或查詢；由串口的發中斷將測量值發送給ARM微處理器進行顯示。以行同步脈衝(chong) FC的下降沿作為(wei) 外部中斷0觸發信號，FC的下降沿到來產(chan) 生中斷後即開始對標準脈衝(chong) 計數。當查詢到二值化信號Q由高電平變為(wei) 低電平時記錄此時標準脈衝(chong) 個(ge) 數N1，當查詢到二值化信號Q由高電平變為(wei) 低電平時停止計數，記錄此時標準脈衝(chong) 個(ge) 數N2；N=N2-N1，按標定校準得係數計算測量值，並轉化為(wei) ASCII碼暫存於(yu) 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並分析要進行何種操作，然後通過串口發送指令給計數通信模塊，並從(cong) 串口接收來自計數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(chu) 測量信息和操作界麵。
顯示模塊軟件設計流程如圖9所示。

圖9  顯示模塊程序流程

　　程序中不斷掃描觸摸鍵盤並等待串口中斷。若掃描到某個(ge) 鍵被按下，則發送相應指令到串口控製計數模塊測量；若有串口中斷判斷相應字頭，則控製LCD顯示或更新係統設置。

3  係統實現效果

　　係統實現效果如圖10所示。

圖10  係統實現效果

　　係統總體(ti) 效果良好，體(ti) 積小且是非接觸式測量。測量精度和速度基本滿足微米級測量要求，誤差在±0.005 mm之間，高於(yu) 國家生產(chan) 測量精度標準；人機界麵友好，可以很好地滿足生產(chan) 過程中靜態或動態測量圓鋼的要求。

結語

　　本文提出了線陣CCD微米級非接觸式圓鋼光電測徑儀(yi) 的設計方案，以ARM微處理器和單片機為(wei) 核心，解決(jue) 了傳(chuan) 統圓鋼測徑方法中係統的接觸式測量的局限，具有結構簡單、小型化、非接觸、精度高等特點。實驗結果表明，該係統實現了CCD非接觸式圓鋼光電測徑，測量結果準確，精度高、穩定性好，且可直接方便地顯示測量結果。該係統已經應用於(yu) 鋼廠圓鋼生產(chan) 高標準檢測，有較高的實際應用價(jia) 值。

參考文獻

［1］ 何煒，等.CPLD在CCD圖像采集係統中的應用［J］.單片機與(yu) 嵌入式係統應用，2006（6）.

［2］ 向勇陽，等.基於(yu) TMS320C6711的線陣CCD采集與(yu) 處理係統［J］.單片機與(yu) 嵌入式係統應用，2004（1）.

［3］ 王振智.1ORBIS測徑儀(yi) 在寶鋼高線的應用［J］.冶金設備,2000（1）：3637.