【正文】 無測件的情況， B2 是有測件的信號。信號 B2 送到脈沖分離電路中，經(jīng)過脈沖分離、整形后輸出被測件脈沖，如圖中 C2所示。掃描脈沖如圖中 D 所示。顯然 D 這個脈沖與測件是否存在無關(guān)。然后把 C2 送到測件計數(shù)器門中，用它來開關(guān)從晶體振蕩器出來的高頻脈 沖，只有當(dāng)測件脈沖出現(xiàn)時，高頻脈沖才能通過門進(jìn)到測件計數(shù)器中，如圖中 E 所示。高頻脈沖數(shù)與測件直徑成正比。 同時，從脈沖分離器選擇出來的掃描信號送到掃描計數(shù)器中，在這里累計掃描次數(shù)。當(dāng)掃描次數(shù)等于預(yù)先給定的某數(shù)時，便產(chǎn)生一個脈沖送到延時電路中，經(jīng)延時電路產(chǎn)生兩個復(fù)制脈沖 (f， G)分別作選通信號和置數(shù)清除信號，執(zhí)行電路的邏輯功能，實現(xiàn)電路的一次測讀過程。 因此，數(shù)碼管顯示的數(shù)是高頻脈沖數(shù)，這個脈沖數(shù)并不是一次掃描被測件，而是 M次掃描所對應(yīng)的脈沖數(shù)之平均值，可以消除被測件振動所造成的讀數(shù)誤差。 另外，電路采用同步 供電的方式，它選用 10MHz 的晶體振蕩器作為基頻，利用晶體振蕩源經(jīng)分頻器分頻到 50Hz，用以控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速。 由式 (223)可以看出， δ 決定于電機轉(zhuǎn)速 n、光學(xué)系統(tǒng)焦距 f、晶體振蕩頻率 γ 等三個基本參數(shù)。 δ 、 n、 f、 r 四個參數(shù)之間是相互聯(lián)系又相互制約的。系統(tǒng)設(shè)計時，一般來說要首先選定 δ 。 δ 的選擇，一般是根據(jù)數(shù)據(jù)處理的方便性選定。當(dāng) δ 選定后，根據(jù)所選用的電機， n 也是一定的。所以光學(xué)系統(tǒng)參數(shù) f 和電學(xué)系統(tǒng)參數(shù) γ 就要在已確定的咨與 n的約束情況下，根據(jù)本身的內(nèi)在因素與系統(tǒng)的要求來確定。在某種意義上，δ 是聯(lián)系光學(xué)的、機 械與電學(xué)的參數(shù)的一個關(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)。 設(shè)被測件的被測直徑為 D，其對應(yīng)的信號脈沖寬度為 T，則 T=D/V （ 41） 將式 (223)代入式 (41)整理得 D=4πnfT (42) 假設(shè)高頻振蕩器的脈沖周期為 0T ，頻率為 γ ，則在 T 時間內(nèi)被測件的被測直徑所包含的高頻脈沖個數(shù) A為 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 26 0TTA? （ 43） 由式 (42)和式 (43)可得每個高頻脈沖代表的數(shù)值是 ?? fn4AD? (44) 則被測件的被測直徑可由下式給出 : An4D ???? f (45) 當(dāng)系統(tǒng)確定后， 4πnf/γ=常數(shù)，被測尺寸 D 就可由高頻脈沖數(shù) A確定。 信號接 收 元 件選用 本系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換元件采用光電二極管。 光電二極管和普通二極管一樣，也是由一個 PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，也具有單方向?qū)щ娞匦?。但是，在電路中不是用它作整流元件，而是通過它把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。那么，它是怎樣把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的呢？大家知道，普通二極管在反向電壓作用 圖 43 光電二極管 在處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計和制作時盡量使PN 結(jié)的面積相對較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。 光電二扳管的主要參數(shù)有最高工作電壓、暗電流、光電流、光電靈 敏 度、結(jié)電容、響應(yīng)時間等。而對于業(yè)余制作來講，最為關(guān)切的還是暗電流 、光電流和最高工作電壓。 光電二極管的種類很多。有用 N 型硅單晶制作的 2CU 型硅光電二極管；有用 P 型硅單晶制作的 2DU型硅光電二極管。 2DU 型光電二嵌管，卻有三條引線，分別稱前扳、后極和環(huán)極 ( 如圖 44 中的 2DUA、 2DUB )，前極即光敏區(qū) (N)引線；后級為對底 (P)引線；環(huán)極是為了減少暗電流、提高管子穩(wěn)定而設(shè)計的，通常接公共極 (地線 )。 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 27 圖 44光電二極管及其符號 選用光電二扳管時，如果條件允許的話。盡量選用光照窗口面積大的管子，如 2CU1或 2DUB。 但 2CU 型管子暗電流隨環(huán)境溫度變化大，所以在穩(wěn)定性要求較高的光電控制電路上，用 2DU型光電二扳管最適宜。 本系統(tǒng)對穩(wěn)定性要求很高所以采用 2DU 系列硅光電二極管 ，其參數(shù)如下： 型號 2DU2響應(yīng)度 ? A 光電流 30~100? A 上升時間 100ns 峰值波長 900nm 工作光譜范圍 400~1100nm。 硬件電路的設(shè)計 硬件電路主要有放大電路、整形電路、晶振電路和單片機電路四大部分： 放大電路 ： 光電二極管一般有兩種模式工作：零偏置工作和反偏置工作，圖 45 所示是光電二極管的兩種模式的偏置電路。圖中，在光伏模式時，光電二極管可非常精確的線性工作；而在光導(dǎo)模式時，光電二極管可實現(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲一定的線性。 圖 45 光電二級管的工作模式 本 系統(tǒng) 由于 對速度精度要求高 ， 實 現(xiàn)高的切換速度 是首要任務(wù)，所以，設(shè)計時采用光 導(dǎo) 模式。 光電信號放大采用低噪聲寬頻帶運算放大器 ,以保證光電信號得到無失真放大。 具體電路圖： 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 28 圖 46 光電轉(zhuǎn)換 前置放大電路 脈沖分離、整形電路 整形轉(zhuǎn)換電路采用 D觸發(fā)器及組合邏輯電路 ,將已放大的雙脈沖轉(zhuǎn)換為與光闌寬度及工件直徑對應(yīng)的兩個單脈沖 t 及 T。 D 觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài) nQ 、次態(tài) 1nQ? 和輸入信號 D 的關(guān)系為 1nQ? =D。 圖 47 脈沖分 離及整形電路 晶振電路 本電路的晶振選用石英晶體振蕩器，頻率為 10MHz； 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 29 11178。G 1G 2R 1R 2C 2C 11ov 2ov+ I2v1Iv 圖 48 晶振電路原理圖 單片機 數(shù)據(jù)處理及顯示 電路設(shè)計 圖 49數(shù)據(jù)處理 單片機 數(shù)據(jù)處理及顯示 電路 單片機與 PC機通訊電路 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 30 圖 410單片機與 PC機通訊接口電路 單片機控制步進(jìn)電機電路 圖 411單片機與 步進(jìn)電機 接口電路 圖 412 89C51 單片機 封裝 引腳圖 主控器的選擇 本 系統(tǒng) 以 AT89C51單片機作為主控制器的 CPU，運用匯編語言采用模塊化結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行程序設(shè)計，其層次清晰，各功能模塊的設(shè)計 與調(diào)試可分別進(jìn)行，編程效率高且有利于提高系統(tǒng)的實時性。外界信號的實時響應(yīng)是由中斷實現(xiàn)，相應(yīng)的操作由對應(yīng)的功能模塊完成。它的基本任務(wù)主要包括測量的直徑數(shù)據(jù)實時預(yù)處理、顯示以及與上級計算機通訊等。 AT89C51 單片機 封裝 引腳如圖 412。 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 31 總 電路 圖 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 32 系統(tǒng) 抗干擾設(shè)計 硬件系統(tǒng)可靠性由多種因數(shù)決定，其中抗干擾性能是系統(tǒng)可靠性的重 要指標(biāo)，所以抗 干擾設(shè)計是硬件系統(tǒng)研制中不可忽視的一個重要內(nèi)容。工業(yè)生產(chǎn)中的 干 擾一般都是以脈沖的形式進(jìn)入系統(tǒng)，干擾竄入系統(tǒng)的渠道主要有三條 : 1） 空間干擾，即通過電磁波輻射竄入系統(tǒng) 。 2） 過程通道干擾，干擾通過與主機相聯(lián)的前、后向通道進(jìn)入 。 3） 供電系統(tǒng)干擾。 一般情況下空間干擾的強度遠(yuǎn)小于其它兩項干擾，而且可以用良好的屏蔽和正確的接地、高頻濾波加以解決，所以硬件系統(tǒng)重點防止供電系統(tǒng)和過程通道干擾。 供電系統(tǒng)的干擾及抗干擾措施 任何電源和輸電線路都存在內(nèi)阻，因而引起電源的噪聲干擾。為防止從電源系統(tǒng)引入的干 擾，硬件系統(tǒng)采取以下幾項措施 : 1）使用交流穩(wěn)壓器，保證供電的穩(wěn)定性，防止電源系統(tǒng)的過壓與欠壓。 2）使用低通濾波器，由諧波頻譜分析可知，電源系統(tǒng)干擾源大部分是高次諧波，所以采用低通濾波器讓 50Hz 市電基波通過，濾去高次諧波，以改善電源波形。 過程通道干擾及抗干擾措施 過程通道是前向接口、后向接口與單片機或單片機相互之間進(jìn)行信息傳輸?shù)穆窂?，其中長線傳輸是主要干擾因素。系統(tǒng)中傳輸線上的信息多為脈沖波，它在傳輸時會出現(xiàn)延時、 畸 變、衰減與通道干擾。為保證長線傳輸?shù)目煽啃?，主要措施有? 1）光電藕合隔離 采用光 電藕合器將單片機和前、后向通道之間直接的電氣聯(lián)系切斷，有效地防止干擾從過程通道進(jìn)入單片機。光電藕合器的主要優(yōu)點是能有效地抑制尖峰脈沖和各種噪聲干擾，提高過程通道的信噪比。 2）雙絞線傳輸 在應(yīng)用系統(tǒng)的長線傳輸中，雙絞線是較常用的一種，與同軸電纜相比，雖然頻帶較差，但阻抗高，抗共模噪聲能力強，它還能使各個小環(huán)路的電磁感應(yīng)干擾相互抵消，對電磁場有一定的抑制效果。 印制電路板的抗干擾設(shè)計 印制電路板是硬件系統(tǒng)中器件、信號線、電源線的高密度集合體，其設(shè)計必須符合激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 33 抗干擾設(shè)計原則，通常印刷電路板設(shè)計要解決的問題包括 :電源及地線設(shè)計、信號線走向設(shè)計、元件的配置等。 1）電源及地線設(shè)計 在硬件系統(tǒng)中，接地是抑制干擾的重要方法。根據(jù)系統(tǒng)的工作頻率來確定是單點還是多點接屏蔽地。數(shù)字與模擬電路分開，要區(qū)分?jǐn)?shù)字地與模擬地，分別與電源端地線相連，盡量加大模擬電路的接地面積，降低公共阻抗，減小地電位的波動，數(shù)字電路的接地線最好構(gòu)成閉環(huán)，采用網(wǎng)絡(luò)狀地線，減小地電位差異。電源與地線應(yīng)盡量加粗，其走向最好與數(shù)據(jù)傳遞方向一致，以助于抗干擾能力的增強。 2）信號線走向設(shè)計 信號線中強、弱信號要分開，走向不要平行，最好垂直交又，減少相互間的干擾 ，信號線間插入地線，提高信號的可靠性。 3）元件的配置 元件的配置要使走線簡單，減小布線回路以防止外界磁場干擾，信號、電源和地線走向要合理。 軟件系統(tǒng) 的實現(xiàn) 主程序 主程序的主要功能是負(fù)責(zé) 控制步進(jìn)電機、 直徑值 的實時顯示、 對脈沖進(jìn)行計數(shù)及直徑值計算，對脈沖讀取及計算 每 1s進(jìn)行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測量一次被測 工件 ，其程序流程 圖如圖 414 示 。 計數(shù)子程序 計數(shù) 子程序的主要功能是 對輸入脈沖進(jìn)行計數(shù) 。其程序流程圖如圖 415 示 。 計算直徑子程序 計算 直徑 子程序?qū)?RAM中讀取 脈沖數(shù)應(yīng)用（ 45）式 圖 414 主程序流程圖 進(jìn)行 計算及所得直徑值的 BCD 碼的轉(zhuǎn)換運算，其程序流程圖如圖 416 示 。 廣東技術(shù)師范學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計 34 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對顯示緩沖器中的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作。程序流程圖如圖 417 示。 圖 415 計數(shù)子程序流程圖 圖 416 計算子程序流程圖 圖 417 顯示子程序流程圖 形成控制步進(jìn)電機脈沖 子程序 通過 定時中斷調(diào)用本程序輸出高電平和等待中斷時的低電平配合形成 可以控制步進(jìn)電機的脈沖。 脈沖子程序 ： ； ********************************************************** ； 輸出一個 250 us 的高電平 BUJIN: PUSH A PUSH PSW LOOP: SET B MOV R6, 78H 。 延時 250us DJNZ R6, $ CLR P2. 0 POP PS W POP A RET 圖 418 形成脈沖程序流程圖 激光掃描測徑儀系統(tǒng)的設(shè)計 35 中斷服務(wù)程序 。************************************************************************** T0IT: PUSH A PUSH PSW MOV A, @R0 MOV P2,A INC R0 MOV A, 00H XRL A, @R0 JNZ NEXT MOV A, R0 CLR C SUBB A, 03H MOV R0, A NEXT: DJNZ R3, RET U CLR ET1 CLR EA RET U: POP PS W POP A RETI 激光掃描測徑儀是一種綜合了激光、光學(xué)、精密機械、電子學(xué)和微機等多學(xué)科技術(shù)的光電檢測儀器。它具有高速度、高精度、非接觸檢測等特點，適用于許多工業(yè)部門。由于這種儀器涉及 到多種科學(xué)技術(shù)，影響測量精度的因素較多，且相互作用機制非常復(fù)雜，要