張新紅，黃智杰，蘭發(fā)勝，李華健，陳虹微，陳晶晶，呂 晶

(龍巖學(xué)院 福建龍巖 364000)

隨著半導(dǎo)體芯片技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能、自動控制已深入到生產(chǎn)制造、智能家居、醫(yī)療、遙感監(jiān)控、逆向工程等各個領(lǐng)域，這就急需應(yīng)用型電子、光電、電信、計(jì)算機(jī)等專業(yè)人才。增加實(shí)踐訓(xùn)練，加強(qiáng)專業(yè)知識聯(lián)系，提高綜合設(shè)計(jì)、解決實(shí)際問題能力，是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的重要舉措[1]。為此，教育部、科技部組織高校開展各類學(xué)科競賽，大力推進(jìn)實(shí)踐課程改革和專業(yè)群建設(shè)[2]。在模擬電子、數(shù)字電子、單片機(jī)、光電子技術(shù)、傳感器、光學(xué)、激光原理、光電檢測技術(shù)等課程實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，聯(lián)合開發(fā)綜合性課題的課程實(shí)訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目、挑戰(zhàn)杯等是各高校常用的提高應(yīng)用能力的實(shí)踐訓(xùn)練方法。

激光三角測頭運(yùn)用經(jīng)典的三角法測距[3]，以激光為非接觸測量媒質(zhì)，實(shí)現(xiàn)距離、位移、長度、輪廓、形貌等物理量測量[4]，廣泛用于三坐標(biāo)測量機(jī)、工業(yè)照相機(jī)、激光比長儀中。位置敏感探測器PSD測量精度較高，驅(qū)動和處理電路簡單，常用于激光三角測頭中[5]。本文以本科生通用的單片機(jī)為主控芯片，通過電機(jī)驅(qū)動PSD的激光三角測頭在XY二維平面內(nèi)掃描，獲得水平面上靜止物體Z方向的高度，再利用串口通信電路和MATLAB的GUI可視化和通信功能，實(shí)現(xiàn)物體三維輪廓的可視化實(shí)時掃描。本設(shè)計(jì)綜合了電子、光電、自動控制等多專業(yè)基本技能，適合應(yīng)用型人才培養(yǎng)綜合技能訓(xùn)練。

1 輪廓掃描系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1是系統(tǒng)機(jī)構(gòu)示意圖。如圖1所示，被測物體靜止放置在標(biāo)準(zhǔn)水平面上，激光測頭(含PSD)為檢測單元，詳細(xì)見1.2部分。系統(tǒng)由單片機(jī)控制并采集數(shù)據(jù)，X、Y絲桿構(gòu)成測頭運(yùn)動平面，X電機(jī)帶動測頭沿X絲桿橫向掃描，再沿Y絲桿前進(jìn)，掃描過程中PSD獲得物體表面高度信息Z，同時記錄X、Y位置信息，單片機(jī)通過串口通信將獲取的物體表面位置信息X、Y、Z傳給PC機(jī)的MATLAB，由MATLAB的GUI功能和串口通信、數(shù)據(jù)控制處理功能可視化顯示被測物體三維輪廓。

圖1 輪廓測量儀裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

圖2 直射式激光三角法工作原理示意圖

1.2 激光三角測頭設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)激光三角測頭采用直射式方式，它組裝方便，測試過程中測頭運(yùn)動對測量結(jié)果影響較小[6]，圖2是直射式激光三角測頭測試原理圖。如圖2所示，激光器發(fā)出的光經(jīng)匯聚透鏡聚焦后垂直入射到參考表面A和被測物表面B處，漫反射的光經(jīng)接收透鏡成像在PSD相應(yīng)的A'、B'位置處。由幾何關(guān)系可得到這兩者位置關(guān)系如下：

(1)

式中，a=BO為激光束經(jīng)匯聚透鏡后到達(dá)被測表面點(diǎn)B與該光束經(jīng)被測表面漫反射后到達(dá)接收透鏡中心O的距離，b=OB'為該光束至接收透鏡中心O到被測表面點(diǎn)B在PSD成像點(diǎn)B'的距離，Z=AB、Z'=A'B'分別為參考平面和被測表面相應(yīng)參考點(diǎn)A與被測點(diǎn)B間距及它們在PSD上成像點(diǎn)A'、B'間距。

若一維PSD以中點(diǎn)光點(diǎn)位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，光點(diǎn)坐標(biāo)僅與兩電極輸出電流、PSD長度有關(guān)，即

(2)

由此可見，只要讀取電極電流，即可通過光點(diǎn)位置獲得物體高度信息。測量中隨O點(diǎn)變化，(1)式中a、b、α、β也會變化，Z與Z＇非線性關(guān)系，本設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)厚度的A4紙定標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸與可視化時顯設(shè)計(jì)

圖3 數(shù)據(jù)傳輸與MATLAB時顯處理原理圖

利用MATLAB的GUI功能在PC端建立可視化界面，設(shè)計(jì)串口通信電路和傳輸協(xié)議建立MATLAB與單片機(jī)間的數(shù)據(jù)通信，圖3是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和可視化時顯原理圖。如圖3所示，掃描過程中單片機(jī)獲取的物體表面位置信息X、Y、Z經(jīng)串口通信電路和傳輸協(xié)議以單個字符串形式傳給PC機(jī)端的MATLAB，儲存在三維字符串?dāng)?shù)組中，利用轉(zhuǎn)換函數(shù)Str2num轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)組拆分成單個的數(shù)字X、Y、Z，用polo3函數(shù)逐點(diǎn)繪制物體輪廓線條，當(dāng)所有數(shù)據(jù)傳輸完時用surf三維曲面函數(shù)，顯示出物體的完整三維輪廓。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)總方案

圖4是系統(tǒng)硬件邏輯框圖。如圖4所示，選用STC12C5A60S2單片機(jī)為主控芯片，除PC端MATLAB的GUI界面上自動控制和實(shí)時可視化顯示外，也在硬件中設(shè)計(jì)按鍵手動控制、系統(tǒng)運(yùn)行信息和采集數(shù)據(jù)的LCD1602液晶顯示。單片機(jī)驅(qū)動電機(jī)帶動激光測頭采集物體表面三維信息，通過CH340G串口通信實(shí)時發(fā)送到PC端MATLAB處理，在GUI界面實(shí)時顯示掃描物體輪廓。

圖4 系統(tǒng)硬件邏輯框圖

2.2 PSD電路與信號傳輸

根據(jù)(2)式，PSD信號采集和處理按圖5所示思路進(jìn)行，其中I-V轉(zhuǎn)換放大電路、加減和除法電路、反相電路分別運(yùn)用AD704JN、AD538BD、LM324芯片。信號傳輸采用CH340G轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成串口通信電路，將USB信號轉(zhuǎn)換為TTL電平，用printf函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)觸發(fā)到需要發(fā)送數(shù)據(jù)時將發(fā)送標(biāo)志位TI=1，結(jié)束后將發(fā)送標(biāo)志位TI=0進(jìn)行協(xié)議傳輸。

圖5 PSD信號處理框圖

3 系統(tǒng)制作與測試應(yīng)用

3.1 實(shí)物與MATLAB的GUI可視化界面

按設(shè)計(jì)思路，運(yùn)用MATLAB的GUI功能設(shè)計(jì)可視化界面，編寫單片機(jī)程序和M文件執(zhí)行系統(tǒng)控制、信息傳輸、圖線繪制和實(shí)時顯示。圖6(a)和(b)是系統(tǒng)機(jī)構(gòu)和電路實(shí)物圖，圖7是PC端MATLAB的GUI界面和運(yùn)行效果。圖6(a)測試機(jī)構(gòu)中激光三角測頭LD激光器、PSD驅(qū)動共用一個電源供電，圖6(b)控制系統(tǒng)單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動、串口通信、液晶等電路共用另一電源供電。圖7 GUI界面包括串口參數(shù)設(shè)置、信號傳輸控制和圖像顯示區(qū)。由圖6和7可以看出，該平臺制作簡單，元器件常見，適合學(xué)生自主開發(fā)，且綜合MATLAB 的GUI功能和串口通信、數(shù)據(jù)控制處理功能，實(shí)現(xiàn)了PC電腦自動控制和實(shí)時可視化效果。

(a)機(jī)構(gòu)外觀圖

圖7 PC端MATLAB的GUI界面運(yùn)行效果圖

3.2 系統(tǒng)測試與應(yīng)用

表1和圖8是系統(tǒng)性能測試和實(shí)物應(yīng)用測試結(jié)果。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)能耗較低，待機(jī)功率僅約7.2 W，Y軸移動雙電機(jī)同時工作時功率最大約23.04 W。測量范圍主要與PSD長度有關(guān)，本設(shè)計(jì)采用8 mm的PSD，測量范圍Z高度約為0～23 mm，放大了近3倍。Z高度測量精度較高，10次測量實(shí)測為10.23 mm的位置結(jié)果平均值為10.22 mm。掃描時間效率與電機(jī)步進(jìn)間隔有關(guān)，間隔越小掃描時間越長，掃描效果也越好。

表1 系統(tǒng)性能測試參數(shù)

圖8 測試實(shí)物和三維輪廓圖、高差平面圖

4 總結(jié)

激光三角輪廓掃描系統(tǒng)以單片機(jī)為主控芯片，運(yùn)用MATLAB的GUI功能設(shè)計(jì)可視化界面，電機(jī)驅(qū)動以PSD為探測器的直射式雙透鏡激光三角測頭掃描物體表面，獲取物體表面位置信息X、Y、Z，通過串口電路和傳輸協(xié)議單片機(jī)與MATLAB通信，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)物體表面三維輪廓的實(shí)時掃描顯示。該系統(tǒng)各部分基于本科基礎(chǔ)教學(xué)，既簡單又具獨(dú)立性，整體設(shè)計(jì)集電子、光電、機(jī)械、自動控制、可視化顯示于一體，設(shè)計(jì)方案科拓性強(qiáng)，激光三角應(yīng)用廣泛，非常有利于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)扎實(shí)、應(yīng)用綜合的實(shí)踐能力培養(yǎng)目標(biāo)。