【導(dǎo)讀】水準儀在測量過程中需要人工不斷的讀數(shù)和記錄，不僅增加了工人的勞動強度，人工讀數(shù)的精度也不高。隨著數(shù)字時代的到來，數(shù)字水準儀應(yīng)運而生，它是一種。技術(shù)等于一體的高科技產(chǎn)品。作為水準測量的儀器，數(shù)字水準儀具有測量速度快、水準測量內(nèi)外業(yè)一體化的優(yōu)點。本文主要論述一種基于AT89S52單片機的數(shù)字水準儀測量系統(tǒng)的設(shè)計。主要由條碼標尺和主機兩部分組成。系統(tǒng)硬件以AT89S52單片機為核心，Intel8253

　　

【正文】 列長度為 m，表示為 {x(0)， x(l)， … ， x(m一 l)}，窗口長度為 2n+1，表示為 {w(0)， w(1)， …w(2n)} ，共需要 m一 2n次對長度為 2n+1的數(shù)據(jù)序列進行排序。中值濾波流程如圖 53所示。 開始初始化等待接收驗證碼是否正確發(fā)送確認信息數(shù)據(jù)解析發(fā)送 PC 機Y天津 職業(yè)技術(shù)師范大學 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計 21 圖 53 中值濾波流程圖 、條碼識別程序模塊 對標尺條碼的邊緣檢測是數(shù)字水準儀數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)，邊緣檢測的定位精度將直接影響條碼 識別的準確度。為使被噪聲污染的條碼圖像很好的檢測出邊緣，結(jié)合數(shù)字水準儀標尺條碼的特點，本系統(tǒng)選用基于指數(shù)基的平滑濾波器的快速一維邊緣檢測方法，該算法是 DeriChe依據(jù) Canny設(shè)計思想導(dǎo)出的邊緣檢測算子，具有較好的單、雙邊定位精度和較快的檢測速度。該算法采用的平滑算子和邊緣檢測算子可用遞歸算法代替卷積運算，大大提高運算速度。 (1)運用平滑算子的遞歸公式對圖像進行平滑化處理。 根據(jù) Canny設(shè)計思想得到的平滑算子為： nenknS ?? ??? )1()( （ 51） 其中 k 是比例因子，對 )(nS 歸一化處理，即 ?????? ?n nS 1)(，可得 ????2221 )1(??? ?? ?? ee ek （ 52） 開始K = 0結(jié)束YYYW ( i )= K ( i + K )( i = 0 , 1 , 2 , ... 2 n )對 W ( i ) 排序輸出中值 w ( n )K = K + 1K = m 2 nN天津 職業(yè)技術(shù)師范大學 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計 22 將式 (51)表示為： nenknS ?? ?? ?? )1()( 0?n nenknS ?? )1()( ???? 0?n （ 53） )()()( nSnSnS ?? ?? 對 )( 1?? ZS 和 )(ZS? 分別進行反 Z 變換，求得平滑算子的遞歸公式為： )2()1(2)]1()1()([)( 1211 ???????? ??? nyenyenxenxkny ??? ? 0?n )2()1(2)]2()1()1([)( 22222 ????????? ???? nyenyenxenxekny ???? ? 0?n )()()( 21 nynyny ?? n=1,..,M （ 54） 式中：參數(shù)因子 ? 為高斯函數(shù)散步參數(shù)，用它控制平滑程度。 k 為比例因子， M 為CCD 輸出信號的最大采樣點。 )(nx 為原圖像灰度值， )(ny 為平滑后的圖像灰度值。 (2)運用一階導(dǎo)數(shù)算子的遞歸公式求圖像極大值點。 DeriChe 推導(dǎo)出的一階導(dǎo)數(shù)邊緣檢測算子為 : nknenD ???)( 同理，對 D(n)進行 Z 變換和反 Z 變換，求得一階導(dǎo)數(shù)算子的遞歸公式為 : )2()1(2)1()( 1211 ?????? ??? nyenyenxkeny ??? 0?n )2()1(2)1()( 2222 ?????? ??? nyenyenxkeny ??? 0?n )()()( 21 nynyny ?? n=1,..,M （ 55） (3)運用二階導(dǎo)數(shù)算子的遞歸公式求圖像零交叉點。 對 )(nD 求導(dǎo)可得二階導(dǎo)數(shù)算子，即 nenknL ?? ??? )1()( 依照前面的推導(dǎo)公式，可得二階導(dǎo)數(shù)算子的遞歸公式為： )2()1(2)1()1()()( 1211 ???????? ??? nyenyenxkaenxny ??? 0?n )2()1(2)2()1()1()( 22222 ????????? ???? nyenyenxenxkaeny ???? 0?n )()()( 21 nynyny ?? n=1,..,M （ 56） 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計 23 初始條件：由 0)0( ?x , 0)2()1( ???? MxMx 可得： )0(1y = )1(1?y =0 ， )1(2 ?My = )2(2 ?My =0 （ 57） 找出同時滿足一階導(dǎo)數(shù)最大值和二階導(dǎo)數(shù)零交叉的點，即為條碼的邊緣點。 標尺條碼中的 R 碼是用來求視距的，視距不同，成像在線陣 CCD 上標尺截距不同，但至少 應(yīng)包含兩組 R 碼，如圖 54 所示。本系統(tǒng)設(shè)計的標尺條碼相鄰兩組 R 碼的間距為 P (=40mm)，它在 CCD 線陣上成像所占的象素個數(shù)為 z，象素寬為 b (=14 pm)，則 P 在 CCD 上的成像長度為 : bz??L ,再根據(jù)幾何光學成像原理，即可求出視距 : fLPD ?? / 。 圖 54 條碼標尺光學成像原理圖 本系統(tǒng)中采用相位差法設(shè)計標尺條碼，標尺中位于任意兩組 R 碼之間的 A 碼 ,B碼和 C 碼的條碼寬度組合具有惟一性，即任意一組 A 碼， B 碼， C 碼 ， R 碼的組合對應(yīng)標尺的高度值具有單值性。利用線陣 CCD 中心像元所在的那組 A 碼， B 碼， C碼寬度值，可以算出該組條碼中 R 碼的高度，再利用該中心 R 碼所對應(yīng)的像元和 CCD中心像元的偏差，即可算得視線高讀數(shù)。 CCD條碼標尺40 mmD f物鏡LRRP天津 職業(yè)技術(shù)師范大學 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計 24 結(jié) 論 實現(xiàn)水準測量的數(shù)字化、自動化是水準測量的發(fā)展趨勢 ,本設(shè)計將傳統(tǒng)光學水準儀進行了改造。硬件結(jié)構(gòu)以單片機為核心實現(xiàn)數(shù)字水準儀測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能，通過串口通訊模塊將采集的數(shù)據(jù)送入 PC 機進行數(shù)據(jù)處理，通過相關(guān)算法最終得到視距和視線高。 本設(shè)計具有系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計成本低、軟件算法簡單、運算速度快 、界面友好等特點。能夠準確、快速的實現(xiàn)水準測量功能，同時能夠?qū)⑺疁蕼y量數(shù)據(jù)進行存儲、通訊、以及進一步處理，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的內(nèi)外一體化。 本設(shè)計還有一些有待改進的地方，在水準測量過程中，要對圖像傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理，而圖像的存儲和處理需要很大的數(shù)據(jù)存儲空間和程序存儲空間，目前常用的單片機 ROM 和 RAM 相對較小，無法完成某些圖像的存儲和處理，一般需要外擴數(shù)據(jù)存儲器芯片，同時單片機的晶振頻率有限，處理的速度也相對較慢。在電子信息行業(yè)飛速發(fā)展的今天，數(shù)字處理芯片的問世很好的解決了這些問題，數(shù)字信號處理芯片不僅有龐 大的內(nèi)存來存放圖像數(shù)據(jù)，而且運算和處理的速度非常快，能夠更加快速和有效的實現(xiàn)圖像數(shù)字信號的處理功能。 天津 職業(yè)技術(shù)師范大學 2021 屆 本科生 畢業(yè) 設(shè)計 25 參考文獻 [1]楊 振江，蔡德芳 .新型集成電路使用指南與典型應(yīng)用 [M].西安 :西安電子科技大學出版社， 1998. 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