【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 微米級(jí)，像頭發(fā)絲直徑這樣大小的目標(biāo)均可輕而易舉地檢測(cè)出來(lái)。 值得一提的是，將準(zhǔn)直后的激光束通過(guò)柱面光學(xué)透鏡后，可以射出一條直線光，其線寬可做到 ，如圖 所示。采用這種線光源，可以實(shí)現(xiàn)流水作業(yè) 中材料定位切割、醫(yī)學(xué)上 CT 檢測(cè)中目標(biāo)定位、物體的直線度、不平度檢測(cè)等，應(yīng)用十分廣泛。 本設(shè)計(jì)也采用了 半導(dǎo)體 激光 二極管 作為光源。 圖 線狀激光光源 9 半導(dǎo)體激光二極管的常用參數(shù) （ 1）波長(zhǎng)：即激光管工作波長(zhǎng)，目前可作光電開(kāi)關(guān)用的激光管波長(zhǎng)有 635nm、650nm、 670nm、 690nm、 780nm、 810nm、 860nm、 980nm 等。 （ 2）閾值電流 Ith ：即激光管開(kāi)始產(chǎn)生激光振蕩的電流，對(duì)一般小功率激光管而言，其值約在數(shù)十毫安，具有應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)的激光管閾值電流可低至 10mA以下。 （ 3） 工作電流 Iop ：即激光管達(dá)到額定輸出功率時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流，此值對(duì)于設(shè)計(jì)調(diào)試激光驅(qū)動(dòng)電路較重要。 （ 4）垂直發(fā)散角 θ ⊥ ：激光二極管的發(fā)光帶在垂直 PN 結(jié)方向張開(kāi)的角度，一般在 15?～ 40?左右。 （ 5）水平發(fā)散角 θ ∥ ：激光二極管的發(fā)光帶在與 PN結(jié)平行方向所張開(kāi)的角度，一般在 6?～ 10?左右。 （ 6）監(jiān)控電流 Im ：即激光管在額定輸出功率時(shí)，在 PIN 管上流過(guò)的電流。 半導(dǎo)體激光二極管的特點(diǎn) （ 1）照射 距離長(zhǎng) 半導(dǎo)體激光光源是一種相干性強(qiáng)的光源，因而方向性很強(qiáng)，用光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后，可很容易的把發(fā)散角限制在 mrad 以?xún)?nèi)，如示意圖 8。激光照射的光斑大小可按下式近似計(jì)算： d≈Lθ （ ） 式中， d — 光斑直徑（ mm）； L — 檢測(cè)距離（ m）； θ — 發(fā)散角（ mrad）。 若一束激光投射到 500m 遠(yuǎn)處，可近似得光斑直徑為 100mm，可見(jiàn)光斑并不大，在此范圍內(nèi)仍有較大的能量分布，足以驅(qū)動(dòng)接收器工作。同時(shí)，采用功率較大的激光管則容易實(shí)現(xiàn)數(shù)公里遠(yuǎn)的目標(biāo)探測(cè)。 （ 2）可實(shí)現(xiàn)高精度的定位控制和微小目標(biāo)的檢測(cè) 由于半導(dǎo)體激光是方向 性很強(qiáng)的相干光源，經(jīng)光學(xué)透鏡準(zhǔn)直或聚焦后，光束很細(xì)，因此可用小光闌獲取直徑為 ～ 的激光光束，用這種細(xì)的準(zhǔn)直 10 光束可以實(shí)現(xiàn)高精度的定位控制、位置檢測(cè)、線徑測(cè)量，并可以檢測(cè)直徑小到像繡花針頭般大小的目標(biāo)。特別是將半導(dǎo)體激光束通過(guò)芯徑 5mm～ 9mm 單模光纖耦合并準(zhǔn)直后，可以將檢測(cè)精度提高到微米級(jí)，像頭發(fā)絲直徑這樣大小的目標(biāo)均可輕而易舉地檢測(cè)出來(lái)。 值得一提的是，將準(zhǔn)直后的激光束通過(guò)柱面光學(xué)透鏡后，可以射出一條直線光，其線寬可做到 ，此外，將準(zhǔn)直的激光光束通過(guò)某種光柵片后可射出十字形激光，在 檢測(cè)和定位方面亦有獨(dú)到的應(yīng)用之處。 （ 3）適應(yīng)不同使用要求，有多種波長(zhǎng)的激光光源可供選用 近一、二十年來(lái)，半導(dǎo)體激光技術(shù)取得長(zhǎng)足的發(fā)展，業(yè)已商品化的半導(dǎo)體激光管在可見(jiàn)光波段有波長(zhǎng)為 635nm、 650nm、 670nm、 690nm 四種類(lèi)型，在近紅外波段則有 780nm、 810nm、 830nm、 850nm、 860nm、 910nm、 980nm 等幾種。根據(jù)使用要求，可靈活選擇其中任何一種作為光電開(kāi)關(guān)的激光電源。一般來(lái)說(shuō)，若選擇可見(jiàn)光波段，則在安裝、調(diào)試、對(duì)準(zhǔn)上都比較方便，若選用近紅外波段，則在安裝、調(diào)試過(guò)程中，須使用夜 視儀或紅外測(cè)試卡配合進(jìn)行。當(dāng)使用波長(zhǎng)短于 860nm的型號(hào)時(shí)，雖然看不見(jiàn)激光光束，但激光管窗口還能清楚看到有紅色光，即所謂有 “ 紅暴現(xiàn)象 ” 。因此，在作周界報(bào)警的光電發(fā)射傳感器時(shí)，宜選用無(wú) “ 紅暴現(xiàn)象 ” 的 910nm、 980nm 激光器，以免暴露目標(biāo)。有時(shí)還要考慮傳輸介質(zhì)中的損耗問(wèn)題，例如，綠色激光在水中很少被吸收，其他波段則很容易被水吸收引起激光能量嚴(yán)重衰減。因此，在水中工作時(shí)，選用 532nm 的綠色激光最為適宜。 總之，今天的半導(dǎo)體激光波長(zhǎng)范圍之寬，品種之豐富，均為使用者提供了充分選擇的余地。 單片機(jī)測(cè)量轉(zhuǎn)速的 方法 轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個(gè)參數(shù)，早期模擬量的模擬處理一直是作為轉(zhuǎn)速測(cè)量的主要方法，這種測(cè)量方法在測(cè)量范圍和測(cè)量精度上，已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求。而隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)得到普遍應(yīng)用，利用單片機(jī)對(duì)脈沖數(shù)字信號(hào)的強(qiáng)大處理能力，應(yīng)用全數(shù)字化的結(jié)構(gòu)，使數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)的越來(lái)越普及。在測(cè)量范圍和測(cè)量精度方面都有極大的提高。下面對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行探討。 11 一般轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)有以下幾個(gè)部分構(gòu)成，轉(zhuǎn)速測(cè)量框圖如圖 所示。 圖 轉(zhuǎn) 速測(cè)量框圖 1． 轉(zhuǎn)速 信號(hào)拾取 轉(zhuǎn)速 信號(hào)拾取是整個(gè)系統(tǒng)的前端通道，目的是將外界的非電參量，通過(guò)一定方式轉(zhuǎn)換成電量，這一環(huán)節(jié)可以通過(guò)敏感元件、傳感器或測(cè)量?jī)x表等來(lái)實(shí)現(xiàn)。 2．整形和 放大 前向通道中，將傳感器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成 單片機(jī) 輸入要求的信號(hào)。 3．單片機(jī) 單片機(jī)是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的主要部分，擔(dān)負(fù)對(duì)前端脈沖信號(hào)的處理、計(jì)算、以及信號(hào)的同步，計(jì)時(shí)等任務(wù)，其次，將測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后，將得到的轉(zhuǎn)速值傳送到顯示接口中，用液晶顯示器顯示數(shù)值。在本系統(tǒng)中考慮到計(jì)數(shù)的范圍、使用的定時(shí) /計(jì)數(shù)器的個(gè)數(shù)及 I/O 口線，選用 STC89C52 單片機(jī)。 4．驅(qū)動(dòng)和顯示 液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄超輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用 系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛應(yīng)用。 由于 本系統(tǒng) 采用獨(dú)立供電的方案，所以也選用了液晶來(lái)顯示。 轉(zhuǎn)速測(cè)量原理 測(cè)周期法“ T 法” 轉(zhuǎn)速可以用兩脈沖產(chǎn)生的間隔寬度 TP來(lái)決定。用以采集數(shù)據(jù)的碼盤(pán)，可以是 單片機(jī) 顯示接口芯片 鍵盤(pán) 整形和放大 驅(qū)動(dòng)電路 顯示 轉(zhuǎn)速信號(hào)拾取 12 單孔或多孔，對(duì)于單孔碼盤(pán)測(cè)量?jī)纱蚊}沖間的時(shí)間，就可測(cè)出轉(zhuǎn)述數(shù)據(jù)， TP也可以用時(shí)鐘脈沖數(shù)來(lái)表示。對(duì)于多孔碼盤(pán)，其測(cè)量的時(shí)間只是每轉(zhuǎn)的 1/N， N 為碼盤(pán)孔數(shù)。如圖 “ T”法脈寬測(cè)量所示。 TP通過(guò)定時(shí) 器測(cè)得。定時(shí)器對(duì)時(shí)基脈沖 (頻率為 fc)進(jìn)行計(jì)數(shù)定時(shí)，在 TP內(nèi)計(jì)數(shù)值若為 m2，則 計(jì)算公式為： n = 60/PTp （ ） 即： n = 60fc/Pm2 （ ） P — 為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)； fc— 為硬件產(chǎn)生的基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖頻率：?jiǎn)挝唬?Hz）； n — 轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn) /分）； m2— 時(shí)基脈沖。 輸入脈沖 時(shí)基脈沖 圖 “ T”法脈寬測(cè)量 由 “ T”法脈寬測(cè)量可知“ T”法測(cè)量精度的誤差主要有兩個(gè)方面，一是兩脈沖的上升沿觸發(fā)時(shí)間不一致而產(chǎn)生的；二是計(jì)數(shù)和定時(shí)起始和關(guān)閉不一致而產(chǎn)生的。因此要求脈沖的上升沿（或下降沿）陡峭和計(jì)數(shù)和定時(shí)嚴(yán)格同步。測(cè)周法在低轉(zhuǎn)速時(shí)精度較高，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，精度變差， 會(huì) 有小于一個(gè)脈沖的誤差存在。 測(cè)頻率法“ M 法” 在一定測(cè)量時(shí)間 T 內(nèi)，測(cè)量脈沖發(fā)生器（替代輸入脈沖）產(chǎn)生的脈 沖數(shù) m1來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速，如圖 “ M”法測(cè)量轉(zhuǎn)速脈沖所示，設(shè)在時(shí)間 T 內(nèi)，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)的弧度數(shù)為 Xτ ，則轉(zhuǎn)速 n 可由下式表示： 13 n=60Xτ /2π T () 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過(guò)的弧度數(shù) Xτ 可用下式所示 Xτ =2π m1/p () 圖 “ M”法測(cè)量轉(zhuǎn)速脈沖 將（ 36）式代入（ 35）式得 轉(zhuǎn)速 n的表達(dá)式為： n=60m1/TP () n轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn) /分）； T定時(shí)時(shí)間單位：（秒）。 在該方法中， 由于定時(shí)時(shí)間 T和脈沖不能保證嚴(yán)格同步，以及在 定時(shí)時(shí)間 T內(nèi)能否 準(zhǔn)確測(cè)量外部脈沖的完整 周期 等問(wèn)題的影響 ， 所以 可能產(chǎn)生 1個(gè)脈沖的量化誤差。因此，為了提高測(cè)量精度， 要保證定時(shí)時(shí)間 T 足夠長(zhǎng) 。定時(shí)時(shí)間 T可根據(jù)測(cè)量對(duì)象情況預(yù)先設(shè)置。設(shè)置的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)， 雖然 可以提高精度，但在轉(zhuǎn)速較快的情況下，所計(jì)的脈沖數(shù)增大 （碼盤(pán)孔數(shù)已經(jīng)確定的 情況下） ，限制了轉(zhuǎn)速測(cè)量的量程。而設(shè)置的時(shí)間過(guò)短，測(cè)量精度 又 會(huì)受到一定的影響。 測(cè)頻測(cè)周期法“ M/T 法” 所謂測(cè)頻測(cè)周 期 法，即是綜合了“ T”法和“ M”法分別對(duì)高、低轉(zhuǎn)速具有的不同精度，利用各自的優(yōu)點(diǎn)而產(chǎn)生的方法，精度位于兩者之間，如圖 “ M/T”法定時(shí) /計(jì)數(shù)測(cè)量所示。 “ M/T”法采用三個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器，同時(shí)對(duì)輸入脈沖、高頻脈沖（由振蕩器產(chǎn) 14 生）、及預(yù)設(shè)的定時(shí)時(shí)間進(jìn)行定時(shí)和計(jì)數(shù)， m1反映轉(zhuǎn)角， m2反映測(cè)速的準(zhǔn)確時(shí)間，通過(guò)計(jì)算可得轉(zhuǎn)速值 n。該法在高速及低速時(shí)都具有相對(duì)較高的精度。測(cè)速時(shí)間Td 由脈沖發(fā)生器脈沖來(lái)同步，即 Td 等于 m1個(gè)脈沖周期。由圖可見(jiàn)，從 a點(diǎn)開(kāi)始，計(jì)數(shù)器對(duì) m1和 m2計(jì)數(shù)，到達(dá) b 點(diǎn)，預(yù)定的測(cè)速時(shí) 間時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出停止計(jì)數(shù)的指令，因?yàn)?TC不一定正好等于整數(shù)個(gè)脈沖發(fā)生器脈沖周期，所以，計(jì)數(shù)器仍對(duì)高頻脈沖繼續(xù)計(jì)數(shù)，到達(dá) c 點(diǎn)時(shí)，脈沖發(fā)生器 產(chǎn)生的 脈沖上升沿使計(jì)數(shù)器停止 計(jì)數(shù) ，這樣， m2就代表了 m1個(gè)脈沖周期的時(shí)間。 “ M/T”法綜合了“ T”和“ M”兩種方法，轉(zhuǎn)速計(jì)算如下： 設(shè)高頻脈沖的頻率為 fC，脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)發(fā)出 P個(gè)脈沖，由式（ ）和（ ）可得 M/T 法轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為： n=60fcm1/pm2 () n轉(zhuǎn)速值。單位：（轉(zhuǎn) /分）； fc晶體震蕩頻率：?jiǎn)挝唬?Hz）； m1輸入脈沖數(shù)，反映轉(zhuǎn)角； m2時(shí)基脈沖數(shù)。 圖 “ M/T”法定時(shí) /計(jì)數(shù)測(cè)量 通過(guò)誤差和精度分析可知， M法適合于高速測(cè)量，當(dāng)轉(zhuǎn)速越低，產(chǎn)生的誤差會(huì)越大。 T 法適合于低速測(cè)量，轉(zhuǎn)速越大，誤差越大 。 M/T 這種轉(zhuǎn)速測(cè)量方法的相對(duì)誤差與轉(zhuǎn)速 n無(wú)關(guān)，只與晶體振蕩產(chǎn)生的脈沖有關(guān)，故可適合各種轉(zhuǎn)速下的測(cè)量。保證其測(cè)量精度的途徑是增大定時(shí)時(shí)間 T，或提高時(shí)基脈沖的頻率 fc。 在實(shí)際操作時(shí)往往采用一種稱(chēng)變 M/T 的測(cè)量方法。 所謂 的 變 M/T 法， 就是 在 15 M/T 法的基礎(chǔ)上，讓測(cè)量時(shí)間 Tc始 終等于轉(zhuǎn)速輸入脈沖信號(hào)的周期之和，并根據(jù)第一次 所測(cè) 的轉(zhuǎn)速及時(shí) 調(diào)整預(yù)測(cè)時(shí)間 Tc， 這樣就解決了不同轉(zhuǎn)速情況下 的測(cè)量精度 問(wèn)題 。 基于 M法 來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速 ，電路和程序均較為簡(jiǎn)單，且可以在一定的條件下滿足精度的要求，所以本設(shè)計(jì)中采用 M法進(jìn)行測(cè)量，誤差和精度的具體分析過(guò)程在此不做復(fù)述。 16 4 智能轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 本轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)有以下幾個(gè)部分構(gòu)成，如圖 。 圖 轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)方框圖 本 設(shè)計(jì) 的硬件主要由光電傳感器、信號(hào)處理電路、單片機(jī) STC89C5鍵盤(pán)、LCD 顯示 等部分組成。如圖 ，當(dāng)測(cè)速轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電傳感器接收反射紙反射 的 激光 信號(hào) ， 產(chǎn)生一個(gè)脈沖電信號(hào)，然后把信號(hào)送入放大電路、整形及三極管組成的 整形電路進(jìn)行 信號(hào) 處理，將 模擬 波信號(hào)轉(zhuǎn)化為 TTL 電平輸出到 單片機(jī) 計(jì)數(shù)器中 進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)，最后通過(guò)液晶顯示器顯示其數(shù)值 。硬件電路圖如圖附件 1 所示。 轉(zhuǎn)速信號(hào) 發(fā)射與 拾取的結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)中采集信號(hào)部分是通過(guò)光電傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用測(cè)速轉(zhuǎn)盤(pán)將激光信號(hào)轉(zhuǎn)變成單片機(jī)能夠處理的電信號(hào)。測(cè)速轉(zhuǎn)盤(pán)位于 激光 二極管和 接收光電傳感器 正前方 ，采用 +5V 電壓供電，選用合適的電阻值來(lái)配合 其工作。 激光 二極管發(fā)出的光信號(hào)通過(guò)反射紙， 光電傳感器 表面，并將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。如圖 轉(zhuǎn)速傳感器電路圖所示。 測(cè)速轉(zhuǎn)盤(pán) 光電傳感器 信號(hào)處理 單片機(jī) 顯示 鍵盤(pán) 半導(dǎo)體激光器 17 圖 轉(zhuǎn)速 信號(hào)發(fā)射與接收 電路圖 T11234567 891011121314J P 174 L S 04123J P 2發(fā)射管123J P 3接收管75R 11R e s 21KR 13R e s 21KR 12R e s 2D S 1激光管D S 2L E D 0V C CV C CV C CV C CC8C a pV C C 18 本 設(shè)計(jì)中 采用 LCD1602 液晶顯示器作為顯示部分， P0 口的 ～ 口作為液晶顯示器的段驅(qū)動(dòng)， 使用一片 10K的上拉排阻