光电综合课程设计报告-测量纸张厚度

光电综合课程设计报告测量纸张测厚仪的设计姓名（学号）：陈嘉伟（0201）班级：刘信生（0217）黎澄伦（0212）沈其治（0224）叶伟雄（0227）2007级电子科学与技术（2）班指导老师：罗霞谢家兴赵懿琨张宇日期：华南农业大学工程学院摘要国内外测量纸张厚度（或定量）的仪器有接触式和非接触两类，由于接触式纸张测厚仪会损坏纸张，因此现在工业生产中常用非接触式测厚仪来测量产品的厚度（如钢板、钢带、纸张等）。这类仪表中有利用α射线、β射线、γ射线穿透特性的放射性厚度计；有利用超声波频率变化的超声波厚度计；有利用涡流原理的电涡流厚度计；还有电容式厚度计等。纸张定量是衡量纸张质量的主要指标之一。纸的密度一定时，用其厚度或定量来衡量纸张质量指标是等效的。有些纸张（如电话电缆纸）,生产上要求直接检测其厚度.在线测量纸张厚度是保证纸张质量和实现造纸生产过程自动控制必须解决的重要课题。自1800年F．W．Hcr~ctwl发现红外辐射以来，红外技术己在许多领域内得到广泛应用，但在测量纸张厚度方面的应用国内外尚未见报道，说明在这方面的应用尚有一些理论与技术实践问题需要进行探索研究。本文采用了红外纸张测厚仪，主要论述了红外纸张测厚仪的理论及个部件的设计，我们以实验报告纸为对象研制的红外纸厚传感器，配有放大，采样及模数转换等环节的信号处理单元，应用了AVR系列单片机的运算及控制功能，组成一台智能型的红外纸张测厚仪。与射线定量仪比较，具有价格低，相应速度快，较好的稳定性，切避免了由于存放在放射性物质所引起的问题，最后对该研究结果及进一步的工作提出了看法。关键词：光电纸张测厚目录前言 错误!未定义书签研究目的和意义 错误!未定义书签研究内容 错误!未定义书签设计原理 错误!未定义书签设计原理 错误!未定义书签探测器原理与设计 错误!未定义书签电路处理原理与设计 错误!未定义书签总原理框图 错误!未定义书签探测电路模块 错误!未定义书签单片机处理与AD转换模块 错误!未定义书签方案比较 错误!未定义书签方案一——传统接触式测厚仪 错误!未定义书签设计原理 错误!未定义书签方案分析 错误!未定义书签方案二——射式光强位移传感器测量纸张厚度 错误!未定义书签设计原理 错误!未定义书签方案分析 错误!未定义书签方案三——光电纸张测厚仪 错误!未定义书签实物制作 错误!未定义书签电路元器件 错误!未定义书签元器件介绍 错误!未定义书签芯片avrmega16l 错误!未定义书签集成运放lm358t 错误!未定义书签字符型液晶显示屏LCM1602 错误!未定义书签探测器--光电二极管 错误!未定义书签设计实物图 错误!未定义书签33错误错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。错误!未定义书签。数据测试和分析 数据测试 数据分析 误差分析 结论 附录 前言1.1研究目的和意义在加深对光电传感器与单片机的认识，更进一步地掌握光电检测技术。同时，在研制红外纸厚传感器的过程中，对发现的一些理论与技术问题进一步的分析研究。1.2研究内容（1）为了减少纸张所含水分吸收红外的影响，通过多次实验，选出合适的测量波长和参考波长。（2）设计出合适的光路。（3）使用探测器将接收到的光信号转换成电信号（4）电信号通过放大器放大后，进行采样和A/D转换。（5）通过AVR单片机把测得结果通过液晶屏显示出来。设计原理2.1设计原理根据Beer—LamBert公式，某一波长光线的遁过率与样品的厚度存在如下关系：I= （1）式中和I，分别为射入纸张和透过纸张的红外光线强度，T为纸张的厚度，a为吸收系数，吸收系数与光的波长及纸的材质有关。由于当红外光源发生漂移或光路、测量电路发生漂移时，对和I将发生影响，造成在同一材质同一厚度的纸张的情况下， 与I的比值不同，同时，测量的值比较困难。因此，运用单色光，根据式(1)研究纸厚传感器实际上是不可行的。为了解决上述问题，我们采用了双色光比较法。双色光比较法是选用两束不同波长的红外光，其波长各为和，由式(1)可得TOC\o"1-5"\h\z=exp(-T) (2)=exp(-) (3)式(2)和(3)经过数学处理后可得T=(-ln) (4)对一某一材质的纸张，和是一个与纸张厚度无关的定值，和也与T无关，若它们处于同一光路中,则红外光源或光路的漂移对和的比较值不会发生影响，因此，式(4)可写成T=K·ln+C (5)根据式(5)，测量出和的值，就可以求得纸张的厚度T.根据式(5)设计红外纸厚传感器时，必须注意纸张中所含水分带来的影响。前面已经指出吸收系数a与纸的材质有关，电话电缆纸的成份主要是纤维素和水，它们对于红外光的辐射能量都有吸收作用。因此，同一纸张当某一波长的红外光。透过纸张后的I，所含水分不同时，I的值也就不同。如仍用式(1)表示透过率与纸厚T的关系,则a是一个与水分有关的量，式(5)中的K,C值也将因纸张所含水分的不同而改变，这将给传感器的设计带来困难。我们研制的双色光单光路红外纸厚传感器的结构原理如图1所示。红外光源发出的光线穿过透镜后成为平行光，经置于调制盘上的滤光片滤光，得到某一波长的红外光，照射在纸上，再经截次片和光波导，被探测器接收，探测器输出的电信号进入信号处理单元

1．光源4．滤波片71．光源4．滤波片7．光电探测器10．LCD显示电路2．透镜5．纸张8．放大电路3．光阑6．光波导9．微机处理电路我们在确定和时，考虑了以下几个问题应是纸纤维的特征吸收蜂，应是纸纤维不吸收或是吸收较弱的波长。和分别称为测量波长和参考波长。为了尽量减小水的红外吸收带来的影响，和既不应是水的红外吸收特征波长O，也不宜与O比较接近，以使式(2)和式(3)中的和基本上只与纤维素有关,式(5)中的K和C可以近似地认为与水份无关，再考虑到在线测量纸张厚度时，纸张所含水份是控制在一定的范围内(如电话电缆纸为8～12)。上述处理，可使按式(5)设计的纸厚传感器最大限度地减小由于纸张所含水份不同引起的误差。为使光源、光路和探测器在和波长处性能一致，和应该比较靠近，同时，由于滤光片一般不可能做刊绝对的单色滤光，因此，若和太靠近，双色光的滤光片特性将发生重叠而引起误差。不宜选得过大，因为过大将会给光路的设计增加困难。探测器原理与设计探测器是整个装置的关键器件之一，它的任务是将接收到的信号和转换成电量。探测器的响应时间(驰豫时问)应小于和脉冲的宽度，在和范围内，它的探测率较高且比较平稳，以保证探测器有较大的输出量和较好的线性度。本装置中选用的是光电二极管。电路处理原理与设计总原理框图探测电路模块探测电路这部分通过将光电二极管反接，在光照下将电压信号输入到集成运图表1总原理框图图表2图表1总原理框图放的放大倍数为，通过调节Rf和R1的比值控制放大倍数，使得单片机能够识别并转换光电信号。如右图2：单片机处理与AD转换模块在这个模块中，采用功能强大的AVR单片机，其内部集成AD转换芯片，可以减少在制作电路板时产生的硬件方面误差。AVR单片机采用12Mhz的外部晶振和低电平的复位电路，利用芯片集成的AD模块，采用内部自带的电源和基准电压，使用单通道的10位AD转换，再将转换和处理后的数据输送到液晶显示屏显示。图表3单片机处理单元方案比较方案一——传统接触式测厚仪设计原理采用机械的压住方式。如图2上部触头设计在上游侧和下游侧的二纸导引之间，从下部吸住的基准面加压，压在高速移动的纸的表面上。但是用这种方式对造纸的变化出现的下列问题考虑如下：图表4接触式测量方案分析要求最大限度地生产纸，要求纸端边有效利用，为了不使产品的质量降低，必须放松卷绕力。此外，进行各种测定时为了减小张力，下侧单元的基准面机械压入会产生测定不稳定现象。由于造纸的高速化对新闻纸、薄纸等纸质测定过程中会产生穿孔现象。由于产品的多样化，用同一机器造纸的纸厚变化幅度大时会产生超过吸入量的允许范围。接触式厚度计测定纸厚从定义来讲必须夹住住被铡定物，但是要在规定的接触压力(0．055MPa)下央住高速移动的纸，要求不弄破纸，实际是不可能的。方案二——射式光强位移传感器测量纸张厚度设计原理通过传感器接收受到光强随传感器探头到反光面距离的改变而变化，经光电变换器件转变为直流电压或电流信号后由电路输出。该仪器受到的电压为U=f(σ,Ι0,α，ε,η,Ζ)，σ为反光表面的反射率；Ι0为电源发光强度；α为光电转换效率；ε为电路增益；η为光路效率；Ζ为反射面到传感器探头端口的距离。假设当σ,Ι0,α，ε,η,Ζ一定时，电压就是Z的函数。该设计采用浙江大学仪器系检测技术研究所生产的CSY10型传感器系统试验仪作为检测设备，将Φ30mm圆钢切成约8mm后的柱体上，上下表面磨平行，抛光，上下表面平行度为，得到上下表面平行且反射率基本一致的试件，以满足电压只是Z的函数。该试件用作反光面。实 图表5位移传感器测量原理验装置如右图：将纸片切片后放到试件于基面之间，则通过接收光强计算传感器探头端口间的距离，就可以算出纸张的厚度为Z0= 。方案分析该方案实现测量结果的前提依赖于其传感器在线性度、重复性、滞缓、灵敏度、分辨力、静态误差、稳定性、漂移等。因此本方案需采用较为精美的仪器才能够满足以上条件，从而使得电压满足Z位移的函数。该方案中所用到的试件要求表面磨平、抛光等条件，实验室较难实现。并且该试件直接压挤纸张，使纸张发生形变使得测量结果产生一定误差。方案三——光电纸张测厚仪光照射到物体上将产生透射，通过测量透过纸张后的光强，再综合考虑数学模型的建立、被测物的厚度及表面光精度等因素，得出纸张的相关参数，进而计算出纸张厚度。具体方法如前文所述实物制作3.4电路元器件序号名称型号及规格数量1单片机ATMEGA16L12液晶显示屏160213集成运放Lm358t14探测器光电二极管15发光二极管若干6电阻1KΩ和10KΩ若干7电容22pF和若干8双排五针插座若干若干95V电压输出电源一个10开关若干11电源插座5V13.5元器件介绍芯片avrmega16l选择avr作为MCU处理的芯片具有比89c51有如下几个优点：1)工作电压范围为~，电源抗干扰性能强；2)片内集成16位指令的程序存储器，总线采用哈佛结构，程序存储器和数据存储器分开组织和寻址；采用CMOS工艺技术，精简指令RISC结构，用32个通用工作寄存器代替了累加器，具有较高的MIPS/MHZ的能力，具有高速度，低功耗，休眠功能，指令执行速度可达50ns，自带8路复用的单端输入通道的AD转换，具有10位精度，65~260微妙的转换时间，7路差分输入通道，具有可选的的参考电压，连续转换或单次转换模式，ADC转换结束中断集成运放lm358tLM358P是一块双运算放大电路，该电路由两个独立的高增益运算放大器组成，具有内部频率补偿，该电路可在较宽的电源电压范围内单电源工作，亦可在双电源条件下工作，在电路的实际运用中，双电源正负5V的驱动电压，可带来所需要的输出电压宽，具有较高的输入电阻和较小的输出电阻，在内部频率补偿下，放大输出的电压值较稳定，输出电阻若再并联一个电阻可以使得输出的电压波形更好。字符型液晶显示屏LCM1602LCM就是将液晶显示器件，连接件，集成电路，pcb线路板，背光源，结构件装配在一起的部件，由控制器，驱动器和接口三部分组成，由并或串数据装换电路，16路行驱动器和16位移位寄存器，40路列驱动器和40位锁存器，40位移位寄存器和液晶显示驱动信号输出和液晶显示驱动偏压等组成，单片机与字符型LCD显示模块的连接方法分为直接访问和间接访问两种，数据传输可分为8位和4位两种探测器--光电二极管光电二极管是利用光生伏特效应制造的光电敏感器件，在反向电压的偏置下，光电流会虽光照的变化而变化。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。所以不同种类的光敏二极管，具有不同的光电特性和检测性能，锗光敏二极管与硅光敏二极管相比，锗在红外光区域有很大的灵敏度。3.6设计实物图图表6实物设计电路数据测试和分析4.1数据测试表格1输入电压与各波长的对应的输出电压值波长（nm）输入电压（V）4405305606006606789

由图表可知，为了求得T=K·ln+C中的K和C值，在试验设备有限的情况下可以利用半导体激光器的透过率较高的波长和 440nm透过率较低的波长代替由原理图推荐的红外波2μm和μm。来检测不同电压下透过纸张的IM和IC，并且用千分尺测量不同纸张的T值，从而解出K和C值。表格2LED灯输入电压（V）与输出电压（mV）输出电压（mV）LED输入电压（V）纸张一纸张二纸张三纸张四纸张五23232325232424252425262628

表格3激光光源的输入电压（V）与输出电压（mV）输出电压（mV）纸张一纸张二纸张三纸张四纸张五激光输入电压（V）0096233271251285222246284262303313249287265306330251287265306330251288266307332251289267307332251289267307332252290269309332253290269310332253290269297333242278259292320239274253292313237272252290312237表格4两层纸LED灯输入电压（V）与输出电压（mV）输出电压（mV）激光器输入电压（V）两层纸张一两层纸张二两层纸张三两层纸张四2

表格5两层纸激光光源的输入电压（V）与输出电压（mV）输出电压（mV）激光器输入电压（V）两层纸张一两层纸张二两层纸张三两层纸张四66666表格6千分尺测量出来的不同纸张的厚度值纸张一纸张二纸张三纸张四纸张五两层纸张一两层纸张二两层纸张三两层纸张四888984878616016416116282868286831641611631638188848486160161164162838286858416116016016084838384881611641611638182868586160165162164868386828516016316316384828183821611621611658585828684162164162162纸张厚度μm4.2数据分析仪器经过安装，调试，根据T=K·ln+C，因为光强跟电压成正比，只要测得纸张在不同点不同波长下的电压值，再采用最小二乘法确定K和C，再将K和C置入单片机程序存储器中，实际测纸样，并与千分之一纸厚仪对比，结果如下图所示：由上图可知，红外纸张测厚仪测量的最大误差小于±μm，再考虑到千分之一厚度仪精度是±μm，则可认为测量最大误差小于±μm。最后算的K=0.，C=83.。图表7误差分析1)从红外透射双色光比较法原理可知，我们需要的波长需要的条件是一个是纸纤维的特征吸收峰，一个是纸纤维不吸收或是吸收较弱的波长，但是由于实验设备的问题，我们较难取得这样特定的红外波长，所以我们采取了红外激光器与发射二极管经过滤波后出来的两种波长，选取这两种波长可能会引起其他物质的吸收，可能会产生误差；2)纸张的干燥度和均匀度，如果纸张不够干燥，两种透过的波长可能会有一部分被水分吸收，造成实验数据的误差，均匀度不好的话，会对选择的波长产生较多或者较少的反射，使得透过纸张的能量不是趋向于线性，引起误差；实验操作，实验不可能达到完全黑暗的环境，即使用了遮光筒，也难免会有杂散光射入纸张，使得实验数据产生一定的误差，搭建可见光滤光部分，可见光发出来的光散射较强，即使增加了透镜汇聚滤波后产生的光，也会减少发射出来的光强，这样的电压改变使得发光二极管射进纸张的光强会偏离正比的值；电路板的设计即使增加了滤波等电路，也有可能会因为电源和放大电路的问题，产生输出的不稳定，使得输出的值比较随机送到单片机电路处理会产生少量的误差；螺旋测微仪，千分尺内径，对纸张厚度的标定，可能在精度上和操作上会产生一定的误差，这样用最小二乘法模拟出来的直线带进了螺旋测微仪测量时产生的误差，而测出来的数据则会带进螺旋测微仪的误差；半导体激光器和发射二极管的使用操作过长，使得发射出来的光强会随着温度的升高，有不同程度的衰弱，衰弱程度的不同会造成透过纸张的光强有不同程度的减小，即使光强取得是多次实验后所采集的结果也会造成一定的误差；由于纸张厚度各部分都不一样，所含的杂质等都有不同程度的差别，而实验的操作和标定的数据都不可能完全对准某一个区域，这样也会造成一定的误差；结论测试结果表明，由上述的光电探测器和单片机处理系统组成的测厚仪能够测量出纸张的厚度，而且测量结果具有较高的精度，并且该方案避免了计算纸张对光线的吸收率，从而减小了可能产生的误差。在这个方案中，选择两束纸张吸收最多和吸收最少的光束很重要。在整个设计中由所用到的仪器限制，处理结果还有待进一步的提高。致谢感谢指导老师在我们设计过程中悉心的指导，以及长时间地提供实验室让我们有足够的时间测试数据和调试电路，使得我们的设计能够跟上进度。这次设计能够按时完成，在此再次感谢指导老师。参考文献张习加.2006.激光位移传感器在纸坯厚度在线检测中的应用.传感器于微系统，6（1）：77-78俞云涛、张鸣华、马越.2009.红外纸张厚度传感器.浙江大学学报.6（1）：15-18植田武志.1992.造纸厂用吸附形两面接触式厚度计.国外计量.6（1）5-7TheDesignofMeasuringPaperThicknessAbstract：Domesticandforeignmeasurementpaperthicknesses(orquantitative)instrumenthavecontactandnon-contacttwokinds,becausecontactpaperthicknessmightdamagethepaper,sonowcommonlyusedinindustrialproductionnon-contactthicknessgaugetomeasurethethicknessoftheproducts(suchassteel,stripsteel,paper,etc.).Thiskindofinstrumentincludedtheusealpharays,betarays,gammarayspenetratecharacteristicsofradioactiveHouDuJi;HaveanultrasonicfrequencyvariationofultrasonicHouDuJi;TheprincipleofeddycurrentelectricaleddycurrentHouDuJi;AndcapacitiveHouDuJietc.Paperquantitativelymeasurepaperqualityisoneofthemainindex.Paperwiththedensityofcertainthethicknessorquantitativemeasurepaperqualityindicatorsareequivalent.Somepaper(suchastelephonecablepaper),productionrequirementsdirectlymeasureitsthickness.Onlinemeasurementpaperthicknessistoguaranteethepaperqualityandrealizingpapermakingproductionprocessofautomaticcontrolmustsolveimportantissue.Sincecr~1800yearssinceCTWLfoundinfraredradiation,infraredtechnologyhasinmanyfields,butiswidelyusedinmeasuringpaperthicknessesapplicationathomeandabroad,thathasnotbeenseeninthisrespectreportedtheapplicationoftheoryandpracticehassometechnicalproblemstoberesearched.Thispaperadoptstheinfraredpaperthicknessgauge,mainlydiscussestheinfraredpaperthicknessgaugetheoryandacomponentdesign,wewithexperimentreportpaperastheobjectofresearchofinfraredsensor,paperthickwithamplifier,samplingandfrequency-fieldlinkssuchasthesignalprocessingunit,appliedtheAVRseriesmicrocontrollercomputingandcontrolfunctions,composedaintelligentinfraredpaperthicknessgauge.Withbetaraysquantitativelycomparedwithlowprice,instrument,thecorrespondingfaster,betterstabilityandcutavoidedbecausestoredintheproblemscausedbyradioactivesubstances,finallytheresultsandfurtherresearchworkareputforwardviews.Keywords:photoelectricpaperthickness附录/*****************************************************Chiptype:ATmega16LProgramtype :ApplicationAVRCoreClockfrequency:MHzMemorymodel:SmallExternalRAMsize:0DataStacksize :256*****************************************************/#include<>#include<>#defineRS//定义液晶屏1062控制端RS,RW,E,#defineRW#defineEflashunsignedcharready[16]={'r','e','a','d','y',0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20};//各状态提示flashunsignedcharmeasure[16]={'m','e','a','s','u','r','i','n','g',0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20};flashunsignedcharthe_first_v1[16]={'t','h','e',0x20,'f','i','r','s','t',':','v','1',0x20,0x20,0x20,0x20};flashunsignedcharthe_second_v2[16]={'t','h','e',0x20,'s','e','c','o','n','d',':','v','2',0x20,0x20,0x20};flashunsignedcharthe_thickness[16]={'t','h','e',0x20,'t','h','i','c','k','n','e','s','s',0x20,'i','s'};bitbb;unsignedcharcom[11];unsignedcharnum,aa;unsignedintzhsh,xiaoshu;floattem,tem3,tem1,tem2;//unsignedcharzishu;voiddelayee(unsignedinttime)//{unsignedinti,j;for(i=time;i>0;i--)for(j=1000;j>0;j--);}voidwrite_com(unsignedcharcom){DDRC=0xff;PORTC=0x00;RS=0;RW=0;PORTC=com;E=1;delayee(5);E=0;DDRC=0x00;PORTC=0x00;}voidinit_lcd(){E=0;=E;write_com(0x38);//write_com(0x0c);//write_com(0x06);//write_com(0x01);//write_com(0x80);//}voidwrite_data(unsignedchardate){DDRC=0xff;PORTC=0x00;RS=1;//RW=0;PORTC=date;//E=1;delayee(5);定义浮点型ADC转换结果存储单元tem1,tem2延时子程序E=0;//////

//E//////液晶写命令子程序设置PBC为输出写命令，RS＝L,RW=0,E=高脉冲送命令字高脉冲重新定义PBC为输入液晶初始化子程序设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口设置开显示，不显光标设置当读或写一个字符后地址指针加一清屏设置数据地址指针为第一行首位//液晶写数据子程序写数据，RS＝H,RW=0,E=高脉冲送显示数据DDRC=0x00;PORTC=0x00;voiddisplay(floattem)//有效数字7位{zhsh=(int)tem;//tem=tem-zhsh;//tem=tem*10000;//xiaoshu=(int)tem;////com[1]=zhsh/100;//zhsh=zhsh%100;com[2]=zhsh/10;//com[3]=zhsh%10;//送液晶显示子程序，其中，整数取 3位，小数取4位，取整数部分取小数部分将小数部分变为整数，取小数4位求整，取出小数4位以下是整数处理取百位取十位取个位com[5]=xiaoshu/1000;xiaoshu=xiaoshu%1000;com[6]=xiaoshu/100;xiaoshu=xiaoshu%100;com[7]=xiaoshu/10;com[8]=xiaoshu%10;for(num=1;num<9;num++)//{if(num==4)//{write_data(0x2e);num++;}write_data(com[num]+0x30);//}}逐个数据送显示定点小数，小数点设置转化为ASCII码后显示voidmain(void)//{DDRA=0x00;//PORTA=0x00;DDRB=0x00;PORTB=0x00;DDRC=0xff;PORTC=0x00;主函数各I/0端口初始化DDRD=0xf0;PORTD=0x0f;init_lcd();//液晶初始化TCCR0=0x0b;//设置计数器T/C0,CTC模式，ADCTCCR0=0x0b;//TCNT0=0x00; // 计数器设初值OCR0=0x7c; // 设置比较值TIMSK=0x02; // 开T/C0中断ADMUX=0xe0;SFIOR&=0x1f;SFIOR|=0x60;ADCSRA=0xf8