（材料加工工程专业论文）轮胎检测测量光幕的研制.pdf

硕上学位论文 摘要 红外测量光幕又称为红外线扫描线阵，是一种特殊的对射式光电传感器，包 含相互分离且相对放置的发射器和收光器两部分，其外形尺寸较大，为长管状。 光幕发射器产生的检测光线并非像普通传感器只有一束，而是沿长度方向定间距 产生一个载波红外线阵列，形成一个“光幕”，以一种扫描的方式，配合控制器及 其软件实现监测和测量物体外形尺寸的功能。红外测量光幕具有结构简单、分辨 率高等特点常用于工业生产线控制和分拣等作业中。本文介绍一种用于子午线轮 胎自动化检测系统中轮胎内、外径检测的红外测量光幕。工作主要包括以下内容。 以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心设计了红外测量光幕硬件系统，硬件系统包括单片 机控制系统电路，红外线发射电路和红外线接收电路三个部分，分别进行扫描与 逻辑控制、红外线的发射与载波和接受与滤波。单片机控制系统电路除了实现上 述功能之外，还分别扩展r s 4 8 5 和r s 2 3 2 接口用于和上位机的串行通讯。在发 射和接收电路设计中，采用移位寄存器串联的方式，利用移位脉冲驱动一个选通 信号在相互串联的移位寄存器中顺次传递，以实现红外通路的依次选通，最大程 度地减少了单片机控制板与红外发射板、接收板的连线数目，同时有效地提高了 系统稳定性和抗干扰能力。红外发射、接受线阵的p c b 设计为级联结构，即由相 同的l 8 个长度2 5 4 m m 的p c b 串联而成。依据用户参数进行软件选择，便可达 到2 5 4 m m - - - 2 0 3 2 m m 范围的测量要求。通过系统调试和优化，所设计红外测量光 幕分辨率为4 m m ，检测宽度2 0 3 2 m m 时的扫描速度可达每秒l o 行。 单片机控制系统软件利用a t 8 9 c 5 2 单片机的t o 、t 1 两个定时器产生五路脉 冲信号用来控制扫描过程。其中t o 作为载波频率发生器，用来产生3 8 k h z 载波红 外。t 2 定时器作为波特率发生器，以实现串行通讯。通讯协议采用h e x a s c i i 码数据格式，每帧数据由标识码、数据码、校验码构成，支持9 6 0 0 1 9 2 0 0 比特 的波特率。 在w i n d o w s 下基于v i s u a lb a s i c 语言- 丌发了成像软件，利用上位机串行接口与 光幕硬件进行数据传递，实现对测量光幕的参数设置、数据处理以及实时监测被 测对象的外部轮廓等功能。实践证明该方法具有较好的精度和实时性，检测结果 简洁直观。 关键词：测量光幕；单片机；红外线；载波频率 轮胎榆测测量光幕的研制 i ii iii i i i i l i l _ i i l l _ a bs t r a c t t h ei n f r a r e dm e a s u r el i g h ts c r e e ni sak i n do fs p e c i a lp h o t o e l e c t r i cs e n s o r ，w h i c h c a nb ec a l l e di n f r a r e ds c a nl i n e a r r a y , a n dh a st h eb i gs i z ea n dl o n gt u b es h a p e i t c o n s i s t so ft h et r a n s m i t t e ra n dt r a n s c e i v e rd e v i c e s ，w h i c ha r es e p a r a t e da n do p p o s i t e f r o me a c ho t h e r t h ed e t e c t i n gr a yg e n e r a t e db yt h et r a n s m i t t e rd e v i c eo fl i g h ts c r e e n c a nc o m ei n t ob e i n gac a r r i e ri n f r a r e da r r a yw i t ht h ed e t e r m i n i n gd e v i a t i o na l o n gt h e l e n g t ho ft h ed e v i c e ，n o tab u n c ho b t a i n e df r o ma no r d i n a r ys e n s o r t h el i g h ts c r e e n c a nm o n i t o ra n d m e a s u r et h es h a p ea n dd i m e n s i o n so ft h eo b je c tw i t ht h ea s s i s t a n c eo f c o n t r o l l e ra n di t ss o f t w a r ei nas c a nm o d e t h el i g h ts c r e e ni so f t e nu s e di ni n d u s t r i a l p r o d u c t i o nl i n ec o n t r o la n ds o r t i n go p e r a t i o n sw i t hi t ss i m p l es t r u c t u r ea n dh i g h r e s o l u t i o nf e a t u r e s t h i sp a p e rp r e s e n t sam e a s u r i n gl i g h ts c r e e nw h i c hi su s e di n a u t o m a t e dt i r e i n s p e c t i o ns y s t e mt om e a s u r et h ei n s i d ea n do u t s i d ed i a m e t e ro ft h e m e r i d i a nt i r e t h em a i nw o r k sw e r ed o n ea sf o l l o w s t h el i g h ts c r e e nh a r d w a r es y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do nt h ec o r eo fa t 8 9 c 5 2 m c u i ti n c l u d e dc o n t r o lp a n e lc i r c u i t ，t r a n s m i t t e rc i r c u i ta n dt h er e c e i v ec i r c u i t ， w h i c ha c h i e v e dt h es c a n n i n ga n dl o g i c a lc o n t r o l ，e m i s s i o na n dc a r r i e ro fi n f r a r e d ，r e c e i v i n g a n df i l t e r i n gr e s p e c t i v e l y i na d d i t i o nt ot h ea b o v e m e n t i o n e df u n c t i o n s ，t h er s 一4 8 5a n dr s 一2 3 2 i n t e r f a c ew e r ee x t e n d e dt or e a l i z et h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nw i t hp cb ym c uc o n t r o l c i r c u i t d u r i n gt h ed e s i g no ft r a n s m i t t e ra n dr e c e i v ec i r c u i t ，as t r o b es i g n a lw a sd r i v e n b yt h es t r o b ep u l s ea n dt r a n s m i t t e di n s e r i e ss h i f tr e g i s t e ro n ea f t e ra n o t h e ri no r d e rt o a c h i e v et h ei n f r a r e ds e q u e n t i a ls t r o b ec h a n n e l t h es y s t e mm i n i m i z e dt h ec o n n e c t i o n s n u m b e ro ft h em c uc o n t r o l l e rb o a r d ，t h ei n f r a r e de m i s s i o na n dr e c e i v eb o a r d ，a l s o i m p r o v e dt h es y s t e ms t a b i l i t ya n da n t i - ja m m i n gc a p a b i l i t ye f f e c t i v e l y t h ei n f r a r e d e m i s s i o na n dr e c e i v i n gl i n ea r r a yw a sd e s i g n e db a s e do nt h ec a s c a d es t r u c t u r eo fs e r i e s p c b ，w h i c hh a dt h es a m el e n g t ho f2 5 4 m m ，a n dc a nb ec h o s e nf r o m1t o8 a tt h es a m e t i m e ，t h er a n g eo ft h em e a s u r e m e n tc a nr e a c hu pf r o m2 5 4 m mt o2 0 3 2 m mb a s e do nu s e r p a r a m e t e r sa n ds e l e c t e ds o f t w a r e t h er e s o l u t i o no fd e s i g n e di n f r a r e dd e t e c t i o nl i g h ts c r e e n c a na c h i e v e4 m m ，a n dt h em a x i m u ms c a n n i n gs p e e dc a na c h i e v e10 h za st h ed e t e c t i n g w i d t hw a s2 0 3 2 m mt h r o u g ht h es y s t e md e b u ga n do p t i m i z a t i o n t h et o ，t 1t i m e ro fa t 8 9 c 5 2m c uw e r eu s e dt op r o d u c ef i v e rp u l s es i g n a lt o c o n t r o lt h es c a n n i n gp r o c e s si nt h es o f t w a r eo fm i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m t oa s t h ec a r r i e rf r e q u e n c yg e n e r a t o rw h i c hi su s e dt og e n e r a t e38 k h zc a r r i e ri n f r a r e d a sa b a u dr a t eg e n e r a t o rt 2t i m e ri su s e dt oa c h i e v es e r i a lc o m m u n i c a t i o n h e x a s c i ii s u s e di nt h ed a t af o r m a to fc o m m u n i c a t i o nr e g u l a t i o n ，e a c hf r a m ec o n s t i t u t eo f 硕卜学位论文 i d e n t i f i c a t i o nc o d ea n dd a t a ，c h e c kc o d e ，s u p p o r t19 2 0 0b i t s9 6 0 0 b a u dr a t e i nw i n d o w s ，i m a g i n gs o f t w a r ei s c o m p i l e db yt h ev i s u a lb a s i cl a n g u a g e ，w h i c h u s i n gt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nc o m m u n i c a t ew i t ht h eh a r d w a r eo ft h em e a s u r el i g h t s c r e e n s ，a c h i e v et h ef u n c t i o nw h i c hi st h ep a r a m e t e r ss e t t i n g s ，d a t ap r o c e s s i n ga n d m a p p i n gf e a t u r e sa n do t h e r w i s e p r a c t i c eh a sp r o v e dt h a tt h em e t h o dh a sg o o d a c c u r a c ya n dr e a l t i m e ，a n dt h et e s tr e s u l t sa r es i m p l ea n di n t u i t i v e k e yw o r d s ： m e a s u r el i g h ts c r e e n ；m c u ；i n f r a r e dr a y ；c a r r i e rw a v e 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作：许三日期易p 年 学位论文版权使用授权书 p 易月7 日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：专耳主 导师签名： ，9 6 月7日 s 只j l e l ， 年年 ， ， ， 矿 习 期期日日 硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 汽车轮胎是汽车行驶结构中的主要基础部件。轮胎的质量与性能对汽车的牵 引性、制动性、行驶稳定性、平顺性、安全性、越野性和燃料经济性等都有着直 接的影响。检测是成品轮胎的关键，众所周知，轮胎生产是一个科技含量很高的 工艺过程，不仅整个生产过程要经历压延，成型、硫化等一系列复杂、严谨的工 序，而且后续的检测同样工序严格，一般分为以下几个步骤，首先是成品质量检 测，它包括外观检测、x 光检测、均匀性检测、静平衡检测。然后是d o t 安全标准 检测，它包括轮胎外缘尺寸、耐久性试验、高速试验、强度试验、脱圈试验。安 全标准的检测尤为重要，因此轮胎内径、外径等诸类专业测试成为规范成品轮胎 的必需。只有这样才能对轮胎的侧向力、径向力、锥力以及波动情况有更精确的 测试，继而保证轮胎性能达到整车配套的要求【l 们。因此对轮胎的检测无疑是确保 轮胎质量的关键步骤。 在生产过程中对产品质量的把关就在于细节之处，能否在最短的时间内精确 到毫米的检测，对于轮胎质量的控制非常关键，在目前的轮胎生产厂中对于成品 轮胎的检测，例如对轮胎内外径的关键数据的测量，往往是采用机械的手段来完 成，这样就造成了测量的速度和精度受到了人为因素的影响。机械操作的人工误 差和低效率就成了阻碍生产效率提升的关键因素。为了能提高检测的效率和精度， 一套能精确测量轮胎内外径的检测系统就成了必需。利用专业的自动化技术替代 传统的机械操作模式，为轮胎检测带来质的提升。 我国轮胎检测设备长期依赖进口，设备价格昂贵，给我国轮胎企业带来很大 负担，2 0 0 8 年，兰州三磊电子有限公司在甘肃省重大专项资金的扶持下总投资3 3 0 万元，打破国外技术封锁，研制开发了“数字化x 射线轮胎检测自动线”。由于金 融危机给我国经济带来严重冲击，同时也给公司带来很大影响，面对市场需求减 少，企业利润下降，资金链紧张的各方面的压力，竞争力就成了企业能否存活的 根本。自主创新就成了增强金融危机中企业竞争力的唯一选择，以降低成本满足 市场需求，提高竞争力。在自行研制的“数字化x 射线轮胎检测自动线”中成本占 有率最高的光幕依然依靠进口，为了将“数字化x 射线轮胎检测自动线”产品深度 国产化，对核心器件光幕的自主研发进行国产化就成了破在眉睫的重任。因此， 如果该产品国产化，将大幅度降低产品成本，从而满足更多中小型轮胎企业的使 用要求，提高我国自动化检测水平。 另外光幕作为一种新兴技术，凭借它结构简单、分辨率高的特点不仅可以满 足在轮胎检测中的应用，也可以在控制和分拣作业中检测或测量颗粒、组件和零 轮胎柃测测量光幕的研制 件的尺寸与位置，例如，工业和林业中的产品尺寸确定及成型、金属板制造过程 中的孔洞检测、印刷和连续薄膜处理系统中的边缘导向和环路控制，以及在物资 搬运和分配过程中的零件计数与分拣等等2 1 。根据具体的应用场合，调整尺寸、分 辨率等各项规格指标就可以达到预期目的。光幕同时也适用于安全保护装置，用 来保护危险设备操作人员的人身安全，具体应用下节详细叙述。 1 2 红外光幕工作原理 1 2 1 光幕基本原理及实际应用 光幕是现代新发展的一种光电装置，包含相互分离且相对放置的发射器和收 光器两部分，其外形尺寸较大，为长管状。光幕发射器是由密排的红外发射管组 成，工作时沿长度方向定间距产生一个载波红外线阵列，与其相对放置的收光器 是由一组红外接受器件组成，定间距排列并与发光器上的红外发射器件一一对应， 于是在发光器和收光器之间就构成了一面由红外线组成的幕墙，当有物体经过时， 使得其中某些光束被遮挡，当光束被遮挡使得收光器上的光敏元件产生开关信号。 通过控制器和软件读取收光器上接受器件的状态，就可以获得物体的信息，达到 测量和监控的作用l lj 。 自然界在存在大量可见光和红外光，而光幕的设计则需要对自己所发光进行 识别以便于判断是否有遮挡。为了自身的隐敝我们采用人眼看不见的红外光作为 光源，并用对该波长红外光敏感的光电接收器接收所发红外光，并且在接收器件 前设置能通过该波长红外光的滤光片以防杂光干扰，当该光遇遮挡，则系统输出 电流变化。为了避免自然界中该种红外波长光的干扰，我们对光源进行了调制，以 有别于自然光。在接收方面，经电子滤波后解调出原有信号，并加以判别。这就是 单束光对射管原理。将多个单束光对射管排列在一起就形成光幕。 红外光幕具有隐敝性、高可靠性、较强的环境适应能力，具有较高的科技含量。 红外光幕在国外已经有相应的产品但售价昂贵，如英国门科公司生产的电梯用红 外光幕产品报价1 2 0 0 0 美元，而我国在这方面刚刚起步。因此深入研究、分析光幕 系统，使其早日商品化具有重要意义1 3j 。 根据光幕的应用不同可大致分为安全光幕和测量光幕两类，安全光幕大量应 用在在电梯、防盗、加工中心外防护等许多领域，用来保护使用人员的人生安全， 相对于测量光幕其对分辨率的要求相对较低，但对可靠性要求更高。测量光幕则 主要应用在工业生产线上，例如在控制和分拣作业中检测或测量颗粒、组件和零 件的尺寸与位置，同时它还可以做为一个检测系统中的前级，用来测量待测物体 大小，把测量的数据传给上位机以便于下一步工作的进行。本文所设计的轮胎检 测测量光幕就是应用在自主研制的“数字化x 射线轮胎检测自动线”前端，测量轮胎 内外径，并分辨待测轮胎的型号，传递到检测自动线的下一级，使其机械部分对 待测轮胎进行准确的夹装，并进行翻置等一系列机械动作。下面根据应用场合的 硬士学位论立 不同来分别来介绍几种目前常见的红外光幕。 1 红外安全光幕 安全光幕也就是光电安全保护装置( 也称安全保护 器、冲床保护器、红外线安全保护装置等) 。在现代化 工厂里，人与机器协同工作，在一些具有潜在危险的机 械设各上，如冲压机械、剪切设备、金属切削设各、自 动化装配线、自动化焊接线、机械传送搬运设备、危险 区域( 有毒、高压、高温等) ，容易造成作业 员的人 身伤害。安全光幕通过发射红外线，产生保护光幕，当 检测光线被遮挡时装置发出遮光信号，控制具有潜在 危险的机械设备停止工作，避免发生安全事故。安装 光电安全保护装置，可以有效地避免安全事故的发生，幽1 1 安全光幕示意图 避免操作工人及第三方的危险，减少事故综合成本，有利于公司自身、操作工人 及社会。t 要应用行业；锻压机床厂、汽车制造厂、摩托车制造厂、电器生产厂、 五金加工厂、塑胶机械厂、切纸机应用等行业口】。 如图1 l 所示是一个用安全光幕检测物体( 比如手) 进入的测试原理结构示意 图。图中，光幕的一边等间距安装有多个红外发射管，另边相应的有相同数量 同样排列的红外接收管，每一个红外发射管都对应有一个相应的红外接收管，且 安装在同一条直线扛。当同一条直线上的红外发射管、红外接收管之间没有障碍 物时，红外发射管发出的调制信号( 光信号) 能顺利到运红外接收管。红外接收 管接收到调制信号后，相应的内部电路输出低电平，而在有障碍物的情况下，红 外发射管发出的调制信号( 光信号) 不能顺利到达红外接收管，这时该红外接收 管接收不到调制信号相应的内部电路输出为高电平。当光幕中没有物体通过时 所有红外发射管发出的调制信号( 光信号) 都能顺利到达另一侧的相应红外接收 管，从而使内部电路全部输出低电甲。这样，通过对内部电龉状态进行分析就可 咀榆测到物体存在与否的信息。 安全光幕的红外旋射和接收通路数目理论上虽大可有2 1 5 个，考虑到实际光 幕的高度和上下通路之间的间距，一般不会超过4 8 个。安全光幕分直线扫描方式 和交叉扫描方式，在直线扫描模式下，单片机每次向发送端和接收端发送相司的 通路选择信号，即第一路发第一路收、第二路发第二路收、第十血路发第十五 路收、第十六路发第十六路收。而在交叉扫描模式下，单片机每次向发送端和接 收端发送不同的通路选择信号。即第一路发第二路收、第二路发第一路收 第十五路发第卜六路收、第十六路发第十五路收”】。相比之下，交叉扫描模式对物 体的高度测量更为精确，且在检铡区域中心l 3 处的检测精度最高。最小检测高度 可缩至直线扫描模式下的2 3 。但是考虑到实际需要，现在普遍使用的都是直线扫 描方式的安全光幕。 2 红外光幕靶涮逮系统 轮胎检测测量光幕的研制 红外光幕靶测速系统是利用光电转换原理研制而成的，当飞行弹丸经过红外 光幕时，汇集在接收器件上的光通量发生变化而产生微弱的电信号，经过放大处 理后形成脉冲信号从而触发测时仪，从而得到一个时间量，以记录弹丸飞经两光 幕的时问问隔。同时测量两光幕的间距从而便可以计算出弹丸在这一区域的飞 行速度。光幕靶由起始靶和停止靶组成分别为测试仪提供起始和停止信号。这 种以光学方法形成的光幕，在常规兵器铡试靶场已被广泛应用。 3 红外光幕电梯门保护系统 红外光幕电梯门保护系统由安装在电梯轿门两侧的红外发射器和接收器、安 装在轿顶的电源盒及专用柔性电缆四太部分组成。它以非接触式完成电梯门的监 控和动作功能。在发射器内有3 2 个( 1 6 个) 红外发射管，在m c u 的控制下，发 射接收管依次打开，自上而下连续扫描，在轿门区域形成一个密集的红外线保护 光幕。当其中任何一求光线被阻挡时，电梯轿门即停止关闭，并反转开启，从而 达到保护乘客的目的。 4 测量用光幕 测量用光幕是一种特殊的光电传感器，与普通的对射式光电传感器一样，包含 相互分离且相对放置的发射器和收光器两部分。但其外形尺寸较大，为长管状。测量 光幕发射器产生的检测光线并非如普通传感器般只有一束，而是沿长度方向定间距 生成光线阵列，形成一个“光幕”，以一种扫描的方式，配合控制器及其软件，实现监控 和测量物体外形尺寸的功能。光幕测量系统要正常工作需配备一个控制器，控制器 使用软件进行编程设定，可提供多种扫描模式和检测分析模式，而且可通过串行接 口与p l c 或计算机进行通讯，传递控制或扫描结果，另外还可接入触发信号控制扫 描过程。测量光幕的结构如图12 所示。 冗搠 图12 测量光幕结构简式留 1 2 2 光幕的扫描和分析模式 1 扫描模式 硕 ：学位论文 通过了解光幕的原理可知，光幕是通过发光器和收光器之间红外光束阵列对 检测物体进行测量，红外发射管和接受器件一一对应，通过检测每个红外接收器 件的状态便可得到此红外通路的状态，从而达到测量物体的目的，然而在现实情 况中所有的红外发射接收器件都有一个发射和接受角度，这就造成所发红外光束 并非理想中的一束，而是形成一个圆锥状，这样每个红外通路之间就会存在干扰， 为了避免这种干扰现象，光幕的工作过程就必须采用扫描的方式，在扫描状态下， 红外通路依次被选通，也就是在光幕的整个工作过程中，任何一个时间只有一对 红外器件相互对射，并保持一个固定的时间，完成后下一对红外器件再打开，这 样一来红外通路相互之间干扰的问题就解决了。 光幕商线扫描模式 红外光束 光幕交叉扫描模式 图1 3 光幂扫描模式示意图 常用的光幕扫描模式有两种，分别为直线扫描模式和交叉扫描模式，如图1 3 所 示。前者是最常用和最简单的扫描模式，发射器连续生成定间距的光线阵列，依次由 始至终平行排列，并由收光器对应一一接收。在直线扫描光线问交错排列有倾斜光 线。第一束倾斜扫描光线于发射器第二通道和收光器第一通道之间建立；第二束倾 斜扫描光线于发射器第三通道和收光器第二通道之间建立。依此类推，直到最后一 束倾斜扫描光线于发射器最后通道和收光器终点前一通道间建立。发射器最后通 道在发射倾斜光线后再次被激活，发射直线光线至收光器最后通道，从而完成整个 扫描过程。采用交叉扫描模式可提高光学分辨率，在检测区域中间1 3 部分的精度 最高，最小检测物体尺寸可缩小为直线扫描时的2 3 。 2 检测分析模式 光幕检测分析模式有多种设置，最常用的有两种，分别为“首尾光线阻挡模式” 和“首尾光线透射模式”。首尾光线阻挡模式当物体进入光幕区域时，通过控制器 识别被阻挡的首束光线的编号，然后依次由下往上计算被阻光线总数，直到最后被 阻挡光线) 为止，累加数值，从而得出物体的被测方向尺寸。首尾光线透射模式当物 轮胎检测测量光幕的研制 体进入阻挡模式幕区域时，控制器识别透射光线，由首束透射光线，依次累加数值 直到最后透射光线为止，计算透射光线总数，得出物体的被测方向尺寸 1 2 1 。 1 3 国内外使用和研制现状 美国b a n n e r e n g i n e e r i n g 公司去年推出一款测量光幕系统e z a r r a y ，它同时 具有使用简便且功能齐全的特点。它可咀与计算机连接后使用，e z - a r r a y 可以 仅使用简单的d i p 开关即可进行设置。该系统且有极高的精确度，其堆小目标物 检测尺度为5 r a m ，边缘分辨率精确达25 r a m 。然而国内目前还没有类似产品。 e z a r r a y 由一排发射器和一排平行的接收传感器组成，其设计是用来在控 制或分拣作业中检测或测量颗粒、组件和零件等的尺寸与位置。用途包括包装工 业和林业中的产品尺寸确定及成型、台属极制造过程中的孔洞检测、印刷和连续 薄膜处理系统中的边缘导向和环路控制，以及在物资搬运和分配过程中的零件计 数与分拣。该系统为电子器件集成化的两件式设计而不需要单独的控制器，系统 备有专属软件以便应用于更先进的设置。其坚固的铝制外壳配有m 1 2 接头，防护 等级达到i p 6 5 。该系统具有灵活的输出，包括两个数字量输出、两个模拟量输出 和m o d b u s 输出口。同时具有直观显示设备，包括用于显示状态的多个彩色l e d 、 用于校准的7 段条形图，以及用于诊断的3 位数显示器。检测高度为1 5 0 1 8 0 0 m m 检测距离为4 0 0 m m 到4 m i l “。 e z a r r a y 也成功应用到了轮胎内外径的测量上，如图14 所示，它最大的 特点就在于可以精确到25 r a m 的精确测量。然而昂贵的价格、选择的唯一性制约 了它在轮胎工业中的广泛应用，绝大多数企业只能采用最原始的机械手段，这样 就在很大程度上限制了轮胎工业的发展，因此，种专业的、高性价比的光幕产 品是一项颇有研究价值的课题。 翻14e z - a r r a y 在国外轮胎检测中的应闱 硕 ：学位论文 1 4 本课题的研究目标及内容 1 4 1 课题研究目标 l 、研制开发轮胎测量光幕。针对目前国内轮胎厂家的实际情况，研制出一种 测量光幕，可以在轮胎检测中精确测量轮胎内、外径，与自主研制的“数字化x 射 线轮胎检测自动线”配套使用，并具有串行通讯功能。该光幕具有以下特性：结构 简单、灵活易用、多种扫描方式输出、边缘分辨率4 m m 、误差小于5 m m 、每秒钟 扫描次数在十次以上，最大检测距离2 m 。 2 、开发成像软件系统基于v i s u a lb a s i c 开发出相应的软件，以便在计算机上 实现操作、即时成像、保存数据等功能，代替原有人工手写抄录。 3 、研制开发在其他行业中应用的系列产品。光幕作为一种新兴技术凭借它结 构简单、分辨率高的特点可以应用在很多领域中，例如，工业和林业中的产品尺 寸确定及成型、金属板制造过程中的孔洞检测、印刷和连续薄膜处理系统中的边 缘导向和环路控制，以及在物资搬运和分配过程中的零件计数与分拣等等。根据 具体的应用场合，调整尺寸，分辨率等各项规格指标，就可以达到预期的目的。 并开发出相应软件与之配合。 1 4 2 课题研究内容 光幕作为一种新兴技术，已经在众多场合得到应用，在国外也有相应产品， 技术水平也比较成熟，然而售价昂贵，在国内这方面刚刚起步，因此深入研究分 析光幕系统，使其早日打断国外产品的垄断地位具有重要意义。 针对以上问题，本课题研究内容如下： 1 红外线特性研究 通过实验分析红外线发射和接收原理，掌握红外线载波技术，解决红外线传 输过程中的存在的干扰现象。 2 器件的选择、器件特性研究 由于受到条件的限制，如何在有限的市场选取性价比最高的红外器件，同时 有效的利用其达到预期的目的也是设计环节要解决的关键问题。 3 红外测量光幕电路的设计 电路设计环节包括控制电路、发射板电路、接收板电路的设计。 4 软件设计 ( 1 ) 系统控制软件。由于延时和复位现象的存在，如何实现准确读取接收头 输出和接收头的复位是软件设计中的关键。 ( 2 ) 成像软件设计。单片机与p c 之间通讯协议的制定是软件实现的关键，通 讯协议也叫通讯规程是指通讯双方格式上的约定。数据通讯中，在收发器之问传 送的是一组二进制位串，但它们在不同的位置可能有不同的含义，有的只是用于 轮胎柃测测量光幕的研制 同步，有的代表通信双方的地址，有的是一些控制信息，有的则是通信中真正要 传输的数据，还有的是为了差错控制而附加上去的冗余位。这些都需要在通信协 议中事先约定好，以形成一种收发双方共同遵守的格式。由于光幕测量过程中 轮胎一直是运动的，所以成像的难点就在于纠偏的计算。 5 根据研制设备在生产中的实际应用，优化设计 在实际应用中肯定还会产生各种各样的问题，例如：提高扫描速度，降低成 本等，通过积累经验，解决这些问题，也是课题研究的重点。这样才能提高产品 性能，使光幕这种先进的技术得到更好的推广。 磋学位论文 第二章红外测量光幕电路设计 2 1 红外线检测原理 2 1 1 红外线简介 可见光若按波长排列，依次( 从长到短) 为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。 红光是可见光中波长最长的一种，它的波长范围为o6 2 岬o7 6 p m ，比红光波长 还长的光叫红井线。红外线是不可见光线。如图21 所示为可见光的光谱图。由图 可知红外线根据波长也分为近红外和远红外两种，红外线存在于生活的各个角落， 这是由于所有高于绝对零度( 一2 7 3 1 5 ) 的物质都可以产生红外线，所以在现代 物理领域也将之称为热射线l i “。 l 墨 嚣_ 一 蒜1 止：一唑u 【! 面i 爵词 嘲 图2 1 可见光光潜线 一切物体都在不停的辐射红外线。物体的温度越高，辐射的红外线就越多， f 是由于红外线这种热效应的存在，其被用在很多场合。例如人体生病豹时候， 虽然外面看起来没有什么变化，但是由于局部皮肤的温度不正常，如果在照相机 里装上对红外感光的胶片，给皮肤拍照再与正常人的照片对比可以对疾病做出 诊断。这种相机拍出来的照片叫热谱图。红外线照射到物体上虽明显的效果就是 产生热。冬天烤火，就是因为有大量的红外线从炉子里射到人身上，才能让我们 礴觉到热乎乎的。 根据红外线的热效应，人们还研究出了红外线夜视仪。红外线夜视仪在漆黑 的夜晚也可以发现人的存在。夜间人的体温比周围草木或建筑的温度高，人体辐 射出来的红外线就比他们强。可以帮助人们在夜间进行观察、搜索、瞄准和驾驶 车辆等。物体在辐射红外线的同时也在吸收红外线。各种物体吸收了红外线以 轮胎榆测测量光幕的研制 后温度就会升高。我们就可以利用红外线的热效应来加热物品。家庭用的红外线 烤箱，浴室用的暖灯等等。 在无线传输方面的应用也是红外线的另一大特点。红外线遥控器就是利用波 长o 7 6 9 m - - 1 5 p , m 之间的近红外线来传送控制信号的。红外线跟蓝牙一样都是无 线传输，只是使用的频带不同。红外线同样具有光的特性，它无法穿越不透光 的物体。并非因为我们看不到红外线，就表示它不存在，在我们生活的四周 即充斥着红外线光，它可能是从电灯发出，也可能太阳光发出。例如，低速 红外线应用在电视遥控器上己有相当长的一段时间了，其它像是录像机、音 响等遥控器也是；电视遥控器将特定的讯号编码，然后透过红外线通讯技术 将编码送出( 通常你可以看到遥控器的讯号灯亮了一下) ，而设置在电视上 的红外线接收器收到编码之后，将其进行译码而得到原来的讯号；例如，电 视端解得的讯号为加大音量，则译码后即进行加大音量的动作。低速红外线 是指其传输速率在每秒1 15 2 k b i t s 者而言，它适用于传送简短的讯息、文字 或是档案。有低速红外线也有高速红外线( f a s ti r ) ，它是指传输速率在每 秒l 或是4 m b i t s 者而言，其它更高传输速率则仍在发展中。对于网络解决方 案而言，高速红外线可以说是其基础，包括档案传输、局域网络连结甚至是 多媒体传输。红外线网络适用于例如教室的环境，或是小型、封闭的区域。 对于讲究信息保全的人而言，红外线网络或许是一个不错的选择，因其无法 穿透墙壁传输，位在建筑物之外的人将不可能直接截取到散布在建筑物内的 红外线讯号。但相对地，这也构成其缺点一红外线传输极容易受到墙壁的阻 碍。另一方面，红外线也是一种低成本的无线传输形式。视线红外线以有如 雷射线般的直线形态传输数据，因为其运动是以直线前进，如果传输的路途 中没有任何的障碍物，则数据的传输可以说相当快速且具有效率的，因为红 外线也是光的一种，所以它前进的速度为光速。但是就像太阳光一样，红外 线不能穿透墙壁或是大型物体，所以，在数据收发的两端必须相互对准( 即 可以看得见对方) 才能进行通讯，这对行动通讯可能常常移动位置的情形而 言，是非常不利的，而且容易受到下雨、下雪或是雾气的干扰i l 引。 2 1 2 红外线的发射与接收 1 0 硕卜学位论文 常用的红外发光二极管发出的红外线波长为9 4 0 n m 左右，外形与普通q 5 m m 发光二极管相同，只是颜色不同。般有透明、黑色和深蓝色等三种。单只红外 发光二极管的发射功率约l0 0 m w 。红外线也是光的一种，所以它也同样具有光 的特性，它无法穿越不透光的物体。并非因为我们看不到红外线，就表示它不 存在，在我们生活的四周即充斥着红外线光，它可能是从电灯发出，也可能 太阳光发出，使用者并不需要使用执照即可以使用红外线。因此，为了使发 射管发出的红外光顺利到达接收头而不受到外界的干扰，我们必须采用特定 的频率。在光幕的设计中采用3 8 k h z 的红外作为载波信号。 红外的接收一般是采用红外接收管，红外接收管是一种光敏二极管，使用时 要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作而获得高的灵敏度。红外接收 二极管一般有圆形和方形两种。由于红外发光二极管的发射功率较小，红外接收 二极管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。放大电路通常由 一个集成块及若干电阻电容等元件组成。然而现在不论是业余制作或正式的产品， 大都采用成品的一体化接收头，如图2 3 所示。红外线一体化接收头是集红外接收、 放大、滤波和比较器输出等的模块，性能稳定、可靠【l 。所以，有了一体化接收 头，人们不再制作接收放大电路，这样红外接收电路不仅简单而且可靠性大大提 高。 1 、g | i d 2 、v c c 3 、o u t 2 1 3 红外器件的选择 受 光 面 图2 3 红外线一体化接收头示意图 芦面 当 在选择器件时，最关键的红外器件的选择，由于所选光源为红外发光二极管， 其出射光有较大的发散角，虽然挡住了其中一个或几个，但其余光源的余光均能 投射在被挡光的那一组或几组的对应接收探头上从而形成自身相互干扰，虽加编 码调制，但由于载波相同互干扰使解码出错频繁，导致不能正常工作。为了实现 光幕内的各单束光对射管互不干扰，则需要选择发光角足够小的光源。半导体激 光二级管虽然能满足要求，但因价格因素而不能采用。由于红外接收头对入射光 的接收角远大于红外光发光二极管发射光的发光角，故将发射管出射光的发光角 作为考查对象。同时考虑到设备分辨率，尽量选择尺寸较小的红外发射管。选择 面 一垒 轮胎检测测量光幕的研制 台湾亿光公司出品的i r 2 0 4 红外发射管。i r 2 0 4 的详细资料如图2 4 所示，由图可知 i r 2 0 4 的两个引脚间距2 5 4 m m ，顶端最大直径4 m m ，最d 、3 m m 。 国 _ l 本而c 幽础 图2 4i r 2 0 4 尺寸图 对于红外接收头的选择，由于我们只需要开关两种状态，所以对其内部编码协 议没有具体要求，反而希望其对编码要求不严格，只需根据红外线的有无相应作 出输出即可，然而国内市场的产品绝大部分提供给遥控器使用，条件的限制迫使 只能将红外接收头的灵敏度作为选择的唯一指标。选择台湾亿光公司的i r m 一3 6 3 8 红外一体化接收头。i r m 3 6 3 8 的详细资料如图2 5 所示。 图2 5i r m 3 6 3 8 尺寸图 2 1 4 红外器件的延时与复位 1 红外单通路测试 1 2 硕l j 学位论文 图2 6 红外单管发射原理图 图2 7 一体化接收头原理图 用一个简易电路来测试所选器件的各方面性能，电路中只使用一对发射与接 收。电路原理如图2 6 、2 7 所示，在一块实验板上用5 2 单片机做一个最小系统， 外接开始、停止按键，红外发射管接到单片机的p 2 口，利用定时器中断在p 2 口 产生一个不连续的3 8 k h z 频率信号，这样就可以实现简易的3 8 k h z 载波红外的发 射。一体化接收头3 6 3 8 在另一块实验板上做最小系统。用示波器的两只表笔分别 测量发射与接收的输出，可以得到如图2 8 所示波形。 轮胎檀测量光幕的研制 图2 8 红外发射与接受输出波形 如上图所示，2 号波形为发射头的输出，设定一个5 0 0 9 s 的载波信号( 3 8 k h z ) ， 中间有一个5 0 0 i t s 的停顿，1 号波形为接收头的输出，把发射管与接收头正对，当 接收头收到调制红外线时输出为低，没有收到调制红外时时输出高，由此可知 i r m 3 6 3 8 红外一体化接收头的具体输出对应状态为以后的设计奠定基础。 2 红外器件的延时效应 在器件的选择一节中提到设计中采用台湾亿光公司的i r m 一3 6 3 8 红外一体化 接收头作为红外线的接受器件，关于一体化接受头在前面也大致介绍了，它是一 个集低噪音放大器，限幅器带通滤波器解调器，以及整形驱动电路等于一身 的合成器件由此可知一体化接受头在接受到红外到输出相应电平，需要经过信 号放大、滤波、解调等一系列复杂的过程，尽管从我们自身的角度几乎感觉不到 它的存在，就像在平时使用遥控器时，感觉不到按键和换台之间有间隔，只是由 于这段时问太短，可能是毫秒，甚至是微秒数量级，让人们无法察觉的到，然而 或多或少它一定存在。这段时间就称之为延时。 在光幕工作过程中，由于一体化接收头对一定角度范围的光都很敏感，为了 防止相邻或相近的相互干扰，采用扫描的方式，也就是说光幕工作过程中任何一 个时间都只有一个发射管发光，同时也只关心与之对应的接收头的状态，由于扫 描的速度特别快，采用微秒数量级，那么当一束光发出以后，经过多长时间接收 头爿能输出，也就是延时有多长，如果不能准确测量出延时时问就无法确 定何时读取接收头状态，也无法保证获得准确的接收头状态并与发射管对应， 那么就会给测量结果带柬错误，这种