《传感器原理及应用技术》课程设计：检测传感器系统设计.doc

玻璃管内外直径检测传感器系统设计18传感器原理及应用技术课程设计任务书一、要求能够独立进行系统方案设计及论证，设计合理的接口电路，检测电路，光学系统，以及合理选择光学元器件、电子元件等，设计接口程序与控制检测算法原程序，并进行有关精度分析与讨论。二、总任务针对总要求，进行原理及方案论证、系统设计、接口电路设计或必要的接口电路搭接调试、借口程序设计、精度分析等工作。三、设计题目玻璃管内外直径检测传感器系统设计四、设计内容1) 玻璃管内外直径分别为15、20左右，要求检测精度达到0.003mm.2） 用CCD设计检测模块，包括选型和接口电路设计3） 讨论分析所设计系统的精度等五、设计进度1.布置任务及调研 1天2.总体方案设计 2.天3.理论建模与分析计算 2天4.机械装置（或者光学系统）设计 2天5.信号调理电路设计与绘制 2天6.整理设计说明书、图纸及相关技术资料 1天六、设计说明书包括的主要内容1目录2设计题目3设计任务4工作原理5总体方案设计及论证6软硬件电路设计7体统调试及精度分析目 录一 总体方案设计1） 系统方块图 、42）总电路图 、5二 光路系统设计 1） 光路系统方框图 、5 2）激光光束直径的计算 、6三 电路部分设计1） TCD1208AP的结构及电路 、62） 巴特沃斯低通滤波器设计 、1 3） 微分电路设计、4） 绝对值电路设计、5） 二值化电路设计、6） 接口电路设计、11四 计算玻璃管壁厚和外直径的原理和方法 、12五 误差分析 、13六 电路调试 、14七 程序设计 、15八 心 得 、16九 参考文献 、17 一、 总体方案设计驱动电路CCDD电路预置放大电路1）系统方框图光学系统低通滤波器绝对值电路微分电路二值化电路过零比较器微分电路二值 单片机处理电路测量系统的结构和组成：测量系统由光源及光学系统、CCD测量系统、微机及接口电路三个部分组成。光源采用氦-氖激光器，光学系统通过将激光束聚焦、针孔滤波与准直，使激光束直径符合系统要求。 CCD测量系统由光电传感器CCD及驱动电路、视频信号预处理电路、二值化电路、信号处理电路等组成。CCD驱动电路提供CCD光电传感器正常工作所需的各种信号。CCD光电传感器输出的视频信号经预放大电路和二值化电路，得到与外壁厚有关的电脉冲信号，在经过信号处理电路，产生与空间区域的光学信号c和e相应的电信号。2）总电路图光学系统二、光路系统设计1） 光学系统结构图激光器电源图一 光学系统示意图2）激光最大光束直径的确定 利用激光束反射光束和折射光束的位置来测量玻璃管的外径值和壁厚值，因此，必须将反射光束和折射光束区分开来。如图二所示：图二 激光束直径与玻璃管壁厚关系示意图由2d tga1 b/*tg 即b2d*tg * cos，因为d=5mm. =30度，折射率n=1.5。所以sin/sina2 =1/1.5 sin=1/3,cos=2.8/3，b2.9mm。据此，我们选择激光束直径为2.5mm的激光发生器；考虑到光电效应中产生的光电流 与激光频率成正比，因此选用紫色激光。同时，选择小凸透镜的直径为10mm,又由测量范围小于20mm,所以选择大凸透镜的直径为25mm(大一点有利于减小光传播的边缘效应)。二、电路部分设计1）TCD1208AP的结构及电路CCD测量系统由光电传感器CCD及驱动电路、视频信号预处理电路、二值化电路、信号处理电路等组成。CCD驱动电路提供CCD光电传感器正常工作所需的各种信号。CCD光电传感器输出的视频信号经预放大电路和二值化电路，得到与外壁厚有关的电脉冲信号，在经过信号处理电路，产生与空间区域的光学信号c和e相应的电信号。1D1208AP电路原理图图三 CCD内部结构图3TCD1208AP的工作参数TCD1208AP是一种高灵敏度、低暗电流、2160像元的线阵CCD图像传感器。该传感器可用于真、图像扫描和OCR。该器件的内部信号预处理电路包含采样保持和输出预放大电路。它包含一列2160像元的光敏二极管，当扫描一张B4的图纸时，可达到8线/毫米（200DPI）的精度。特性：像敏单元数目：2160像元像敏单元大小：14m*14m*14m光敏区域：二相（5V）封装形式：22脚DIP封装4.表一 TCD1208AP的主要参数特性符号最小值典型值最大值单位（注释）灵敏度R82110138V/lx.s(见注释2)光响应非均匀性PRNU(1)-10%(见注释3)PRNU(3)-716% 寄存器不平衡性RI-3%(见注释4)饱和输出电压VSAT0.60.5-V(见注释5)饱和曝光量SE-0.01-V/lx.s(见注释6)暗信号电压VDDDRK-26mV(见注释7)暗信号非均匀性DSNU-37mV(见注释7)直流电源功耗PD-50100mW 总转移效率TTE92-% 输出阻抗To-1K 动态范围DR-750-(见注释8)直流信号输出电压VOS33.54.5V(见注释9)直流补偿输出电压VDOS33.54.5V(见注释9)直流差动误差电压VOS-VDOS-50100mV随机噪声NDO-1.7-mV注释：所有电压都是Vss和Vcs终端为参考。6表三 管脚定义： 1时钟1OS信号输出2时钟2DOS补偿输出SH转移栅OD电源RS复位栅SS地NC未连接注释2：在2854kw-Lamp灯光下的灵敏度是330/lx.set（典型值）。注释3：此为50%饱和曝光量（典型值）下测定。 PRNU 定义为：PRNU=I/I*100(%)其中l为均匀照度下全部输出信号的平均值，为输出信号与 的最大偏差值。注释4： 此为50%饱和曝光量（典型值）下测定。RI定义如下：RI= 其中In 与In+1为像敏单元的输出信号,I为所有输出信号的平均值。注释5：VSAT为所有有效单元的最小饱和输出电压。注释6：SE定义如下：SE=VSAT/R注释7：VDRK为所有有效单元的暗信号电压平均值。 DSNU是在VNDK为最大暗信号电压平均值。 图四 暗信号电压平均值注释8：DR的定义为： DR=VSAT/VDRK因VDRK与tINT成比例,所以tINT越短DR值越大。图五 时序图表六 各个信号描述特性描述符号最小值典型值最大值单位SH与1的时间间隔T1,t50100-nsSH脉冲上升时间，下降时间T2,t4050-SH脉冲宽度T35001000-1，2脉冲上升时间，下降时间T6,t7060100SH脉冲宽度T8,t10020-RS脉冲宽度T940250-1，2与RS脉冲间隔T11230-视频数据延迟时间（见注释）T12,t13-150-注意事项：（玻璃窗口）期间玻璃封装窗口上的灰尘或污点将使CCD期间的光学件性能下降。所以使用浸透酒精的棉球轻拭清洁表面，并使用过滤后的氯气喷其表面。同时注意器件的机械震动或过热特会导致玻璃窗口的损坏。7驱动电路图六 驱动电路2）巴特沃斯低通滤波器设计图七 巴特沃斯低通滤波器经估计可得出CCD输出信号频率小于2kHz,因此设计滤波器的截止频率fc为2kHz.参考文献3表6-3-1查得，滤波电容C1=0.01F.由K= ，可的增益系数K=1， 查参考文献3表6-3-2得C2=C1,R1=R2=15.011K,R3=20.890 K.考虑到电阻阻值的变化范围，可选R1=R2=15K，R3=20K。放大器选用通用型H177415C（开环增益80-86）即可。3) 微分电路设计图八微分电路分析：该微分电路输入输出对应的表达式为, u0=-R1C1为了消除干扰（使微分曲线更明显），应选择R1C1值大些。在本次设计中我们选择R1=10K，C1=0.02F，R2为平衡电阻在该微分电路中等于R1为10K，集成运算放大器选择了通用型H177415C4）绝对值电路图九绝对值电路分析：假设输入电压ui为正，则运放A1输出为负，二极管D1截止、，同时M，N两点的电势都为零，输入ui相当与通过R2直接接到A2反相端，根据电流关系可算出ui/R2=uo/R5;当输入电压ui为负，则运放A1输出为正，二极管D1导通，D2截止，此时根据M，N两节点的电流和电压表达式可算出1=R3,R4=R2/2。于是我们选择1=R3=2K,R2=R5=10K,R4=R2/2=5K,运放都取H177415C,两整流管选了IN40.二值化电路图十 二值化电路视频信号的二值化有两中处理方法。第一种是对CCD视频信号进行二值化处理后，在进行数据采集。第二种对CCD视频信号直接采样后，在有计算机对所得到的数据作二值化处理。但是前者是利用硬件实现信号的二值化，速度快，但电路复杂。后者利用计算机进行处理，硬件电路复杂，但处理速度慢。所以我们采用前者的电路进行二值化处理的方法。5）8031接口电路设计图十一 8031接口电路电路图利用微机内部的定时/记数器或者外置的可编程定时/计数器，就可以做成了CCD二值化数据采集接口电路。二值化信号的前沿与过零检测电路输出信号相与得到第一个脉冲，作为中断申请信号，第一个脉冲通过INT0向单片机申请中断，单片机的INT0中断响应子程序打开定时器开始记数，定时的最小时间单位为单片机的机器周期。二值化信号反电压的后沿与过零检测电路输出信号相与得到第二个脉冲。作为中断申请信号脉冲，第二个脉冲通过INT1向单片机再次申请中断，单片机的INT1中断响应子程序关闭定时器，定时器的时间长度对应的就是二值化信号的宽度。四、计算玻璃管壁厚和外直径的原理和方法我们这次设计采用激光扫描原理，利用倾斜入射到玻璃管激光束的折射光束，还利用其反射光束，在玻璃上方离开一定距离测量反射光束和折射光束的位置，即可得出被测玻璃管的外径和壁厚。图十二示出了激光束斜射到玻璃管的反射和折射情况。从图中可c=2dtga2 （1）式中：d为玻璃管壁厚值；c为玻璃管外壁直接反射与内壁第一次反射光线沿轴向距离；a2为玻璃折射角。从式（1）可得出d=c/2tga2,又因为n1/n2=sina1/sina2,其中，n2为玻璃的折射率，a1为激光束的入射角，n1为空气折射率，n1=1。所以有:sina2=cosa2=tga2=d= （2）图十二 倾斜入射的激光束在玻璃管中的反射和折射示意图 从式（2）可以看出，n2为常量，a1为激光束入射角，为已知值，只要测出c值，就可以计算出壁厚d。另外，从图中还可得e=2(D-2d)tga1 （3）式中：e为玻璃管内壁第一次反射、折射与第二次反射、折射光线沿轴向的距离，可由CCD测量得到（CCD可以同时测量c和e的值）；D为外径值，从式（3）可得，e=2Dtga1-4dtga12Dtga1=e+tdtga1=e+4tga1= e+2tga1从而有：D=+tga1 （4）其中n2和a1为已知值，因此，只要测量出c和e值，就可以计算出外径 。微机接口电路将表示空间位置c和e的电脉冲宽度信号通过接口器件8253（或8254）进行量化，再送入微机，按照式（2）和式（4）就可以计算出玻璃管的壁厚和外径。五、 误差分析响测量误差精度的因素：1）方案本身由于选择各个系统都存在系统误差，所以经累积必然在输出端产生一定误差。2）因为电子元器件与光学元件本身存在制造误差：比如透镜边缘引起的非线性误差，两凸透镜安装引起的不同轴、焦点不重合，以及电阻由于发热而引起的非线性误差等等。3）还有光源的稳定性等原因以及CCD像元之间有一定的距离，像元亦有一定尺寸，故测量精度受到CCD器件空间分辨能力的限制，测量精度比较低，在两个边缘位置不能准确确定的情况下，每边有一个以上的像元距离的分辨误差。为了提高CCD的测量精度，要求能找到代表真正边界的特征点，在依照它去形成二值化信号，可以使用更高频率的时钟脉冲通过二值化信号的宽度进行记数，从而将提高CCD测量的精度提高近一个数量级。六、电路调试表七 电子元件列表名称型号度量值数量实验板HS-032（块）电阻2k2（个）5 k2（个）10 k8（个）15k2（个）20 k1（个）电容0.01F3（个）0.02F2（个）电位器W104245C100 k1 （个）整流二极管IN402（个）稳压管ST6.06.0v2（个）集成运放H177415C3开环增益837（个）导线若干2调试结果与对照分析表八 实验器件名称型号数量直流稳压源HMW2351（台）示波器GLP10041（台）信号发生器ZYU7761（台）电路板1（块）说明：我们的电路调试采用的是逐级测量的方法。 首先，我们按照电路图接好实验线路 。然后开始测量第一级（巴特沃斯低通滤波器）。如下面图十一、图十二所示，先后输入频率为1kHz，10KHz的就矩形波（模拟CCD输出信号）1kHz1kHz 图十三 输入低频信号及其输出10kHz10kHz图十四 输入高频信号及其输出因为，我们设计的滤波器截止频率为2kHz，所以当输入低频信号时，输出幅值基本上没有什么衰减，而当输入高频信号时，输出幅值衰减很大。由此，可以得出该低通滤波器设计基本达到设计要求。接着，我们依次检测了微分电路，绝对值电路，过零比较器，二值化电路。通过比较输入输出波形，得出该电路虽然存在一定误差，但是符合设计要求。 七、程序设计 该程序设计采用的是才C语言编辑。程序是用来计算下图中两个脉冲之间的时间间隔。T图十五 脉冲间隔示意图程序: （注：该单片机的晶振频率是12MHz，1s计数加1） #include #define uint unsigned int sbit p13-2=p32; /* 外部中断0入口位 */ sbit p13-3=p33; /* 外部中断1入口位 */ uint count,perild; bit rflag=0; /* 设标志 */ void int-0(void) interrupt 0 using1 /* 中断服务子程序 */tr0=1; /* 启动定时器0 */while(rflag=0); /* 等待中断 */ void int-1(void) interrupt 1 using2 /* 中断服务子程序 */ tr=0; /* 定时器0停止记数 */ea=0;