CCD动态线径测量仪

./毕业设计CCD动态线径测量仪学生：学生学号：院〔系：年级专业：指导教师：助理指导教师：二〇一三年六月.文摘CCD全称为电荷藕合器件,由于CCD具有非接触性测量、分辨率高等方面的特点,因此CCD器件在物体外型测量、表面检测、图像传真、智能传感等方面得到了广泛的应用。另外,CCD测量速度快,所以不仅可用于静态测量,还可用于动态在线检测,因此CCD技术在线检测系统中应用也越来越多。现代加工技术发展迅速,加工精度不断提高,相应的对检测设备也提出了新的要求,如高精度,在线检测等,新技术,新工艺,新项目对大直径尺寸高精度测量技术提出了越来越高的要求。在当今国工业中对直径的测量大多还是采用千分尺等落后的接触式的方法,不但效率不高而且精确度不够。针对工业中用千分尺人工对工件直径测量的落后方法,利用线阵CCD对直径实现精密测量的系统进行了设计。该系统基于光学系统无接触性测量的基本原理,运用光学测量的理论和一般方法,设计并讨论了在实际运用中存在的问题及解决办法。为了探索CCD图象传感器在尺寸检测方面的应用性能、特性参数以及相关测控系统硬件系统的设计特点,从而为今后研制基于线阵CCD的宽围尺寸测量系统作好理论和实验准备。设计方案容:光学部分的容光源的设计。机械部分主要是相关传感器的支撑结构设计。电路控制部分主要有CCD芯片选择、CCD输出信号的处理、单片机数据采集及处理等。关键词CCD传感器,二值化,单片机,输出显示.EnglishAbstractAllcalledchargecoupleddeviceCCD,duetoCCDnon-contactmeasurementwithhighresolutionandthecharacteristics,soCCDdeviceobjectshapemeasurement,surfaceinspection,imagefax,intelligentsensingandsoonhavebeenwidelyused.Inaddition,CCDhighspeed,sonotonlycanbeusedforstaticmeasurement,butalsofordynamiclinedetection,theCCDtechnologyonlinedetectionsystemapplicationsareincreasing.Therapiddevelopmentofmodernprocessingtechnology,continuouslyimprovingprocessingprecision,correspondingtothetestequipmentalsomadenewdemands,suchashigh-precision,on-linedetection,newtechnologies,newtechniques,newprojectsonthelargediameteroftheproposedhigh-precisionmeasurementtechnologymoretothehigherrequirements.Intodaythedomesticindustry,ormostofthediametermeasurementusingmicrometerandotherbackward-contactmethod,theefficiencyandaccuracyisnothighenough.MicrometerusedforindustriallaborbehindtheworkpiecediametermeasurementmethodusinglineararrayCCDtoachieveprecisemeasurementofthediameterofthesystemdesign.Thesystemisnon-contactopticalsystembasedonthebasicprincipleofmeasurement,usingopticalmeasurementmethodsofthetheoryandthegeneraldesignanddiscussesthepracticalapplicationofproblemsandsolutions.InordertoexploretheCCDimagesensorinthesizeoftheapplicationperformancetesting,measurementandcontrolsystemparametersandrelateddesignfeaturesofthehardwaresystem,whichforthefuturedevelopmentoflineararrayCCDbasedonawiderangeofdimensionalmeasurementsystemsmaketheoreticalandexperimentalpreparations.Designelements:theopticalpartofthecontentsofthesourcedesign.Mechanicalsensorismainlyrelatedtothesupportstructuredesign.CircuitcontrolpartofthemainCCDchipselect,CCDoutputsignalprocessing,microprocessordataacquisitionandprocessing.KeywordsCCDdataacquisition,MCU.目录文摘Ⅰ英文文摘Ⅱ1绪论 11.1课题背景 11.2课题的提出 12编程软件简介 32.1KEIL软件 32.1.1KEIL的使用方法 32.2ISIS7professional简介 3ISIS7professional简介9 3ISIS7professional使用方法简介 32.3PCB概述 43编程语言的简介 43.1C语言的概述 53.2C语言的优缺点 53.3C语言的容 54CCD动态线径测量硬件系统的设计 64.1芯片介绍 74.2使用到的电子元件的简介 74.3使用到的CCD传感器的简介 ..4测径系统的总体结构 134.5测径系统的基本测量原理 134.6光学系统设计 144.7信号转换电路 144.4.4.8显示接口电路 16显示器驱动器 17译码器 174.8.35软件设计 175.1测量程序 185.2影响仪器精度的因素及解决措施 196系统调试 196.1程序调试 246.2硬件调试 256.3装载程序后的硬件电路调试 26结论 27参考文献 28附件A 29附件B 31附件C 32致 37.1绪论1.1课题背景CCD是于1969年由美国贝尔实验室〔BellLabs的维拉·博伊尔<WillardS.Boyle>和乔治·史密斯〔GeorgeE.Smith所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像和半导体气泡式存。将这两种新技术结合起来后,波义耳和史密斯得出一种装置,他们命名为"电荷‘气泡’元件"〔Charge"Bubble"Devices。这种装置的特性就是它能沿着一片半导体的表面传递电荷,便尝试用来做为记忆装置,当时只能从暂存器用"注入"电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产生电荷,而组成数位影像。到了70年代,贝尔实验室的研究员已能用简单的线性装置捕捉影像,CCD就此诞生。有几家公司接续此一发明,着手进行进一步的研究,包括快捷半导体〔FairchildSemiconductor、美国无线电公司〔RCA和仪器〔TexasInstruments。其中快捷半导体的产品率先上市,于1974年发表500单元的线性装置和100x100像素的平面装置。四十年来,CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展,特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。随着CCD技术和理论的不断发展,CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成,它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号,在通过模数转换器芯片转换成"0"或"1"的数字信号,这种数字信号经过压缩和程序排列后,可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图像信号,可对被侧物体进行准确的测量、分析。CDD应用于线径测量是新型非接触式线径测量系统。在边缘提取中,所采用的三次样条插值法计算简单、精度高。该系统具有精度高、稳定性好、非接触测量、测量速度快等特点,适合检测各种线材和插针的直径,并且信号易于进行数字化处理,易于计算机联接,组成实时自动测量系统。而且该系统与传统的采用游标卡尺进行测量精度搞速度快方便易于使用,大大的提高了生产效率。随着科技的发展,CCD在我们的生活中的应用将会越来越广,让我们的生活更加的方便快捷。1.2课题的提出CCD动态线径测量仪适合在动态条件下无接触地测量各种线材〔塑料导线,裸铜线,钢线,纤维的直径,并能储存测量过程的最大值,最小值及平均值。本仪器由线阵传感器CCD和单片机组成,及克服料传统测量方法的缺点,又达到料较高的精度,易推广应用。此外,本仪器除了可在线无接触测量陷阱外,可用于橡胶,塑料,金属等等的外形和片状物的幅度之测定；也可同时使用两台这种一起来测量大幅度板材或大直径管材；若将线阵CCD传感器置于特质的照相机底片处,还可进行远距离测量。使我们的测量过程更加的方便快捷,精度更加准确,减少人为因素引起的误差等优点。而且现代生产效率的要求较高传统的测量方法已经不能满足我们的需求.在此背景下才提出使用CCD传感器进行线径测量的方法。所以本课题的研究有一定的适用意义和经济意义。而在当今国工业中对直径的测量大多还是采用千分尺等落后的接触式的方法,不但效率不高而且精确度不够,更少有确切的数据库记录。现代加工技术发展迅速,自动化程度、加工精度不断提高,相应的对检测设备也提出了新的要求,如高精度,自动化,在线检测等等,新技术,新工艺,新项目对大直径尺寸高精度测量技术提出了越来越高的要求。针对工业中用千分尺人工对工件直径测量的落后方法,利用线阵CCD对直径实现精密测量的系统进行了设计。该系统基于光学系统无接触性测量的基本原理,运用光学测量的理论和一般方法,设计并讨论了在实际运用中存在的问题及解决办法。.2编程软件简介2.1KEIL软件KEIL软件简介单片机开发中除必要的硬件外,同样离不开软件,我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法,一种是手工汇编,另一种是机器汇编,目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码,用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51,随着单片机开发技术的不断发展,从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发,单片机的开发软件也在不断发展,Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件,这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在的完整开发方案,通过一个集成开发环境〔uVision将这些部份组合在一起。KEIL的使用方法步骤：1单击2单击project中的newproject并取名1-1并保存3选择你所需要的芯片〔AT89C51再点击确定4新建文件并保存〔保存的文件必须是*.C文件5将1-1.C添加到SourceGroup1就得到这时候就只要在TEXT中编辑好C程序并且保存,并单击就得到以下的这个图形在单击选择OUTPUT生成HEX文件得到2.2ISIS7professional简介ISIS7professional简介PROTEL：PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件,在电子行业的CAD软件中,它当之无愧地排在众多EDA软件的前面,是电子设计者的首选软件,它较早就在国开始使用,在国的普及率也最高,有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它,几乎所有的电子公司都要用到它,许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用,运行在DOS环境,对硬件的要求很低,在无硬盘286机的1M存下就能运行,但它的功能也较少,只有电原理图绘制与印制板设计功能,其印制板自动布线的布通率也低,而现今的PROTEL已发展到PROTEL99〔网络上可下载到它的测试板,是个庞大的EDA软件,完全安装有200多M,它工作在WINDOWS95环境下,是个完整的板级全方位电子设计系统,它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计〔包含印制电路板自动布线、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能,并具有Client/Server〔客户/服务器体系结构,同时还兼容一些其它设计软件的文件格式,如ORCAD,PSPICE,EXCEL等,其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率。ISIS7professional使用方法简介步骤：1双击2再在编辑框进行电路设计3设计完成后进行保存。软件需要Pentium或以上的CPU,16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINX2.3PCB概述PCB是英文〔printedcircuieboard印制线路板的简称,通常把在绝缘材料上,按照预定设计,制成印制线路,印制元件或者两者结合的导电图形称之为印制电路板。而在绝缘基材上提供元器件之间电器连接的导电图形,称之为印制电路板。这样就把印制电路或者印制线路的成品板称之为印制线路板也称之为印制板或印制电路板。PCB用途非产广泛。几乎我们所能见到的电子设备逗都离不开它,小到电子手表,计算器,通用电脑,大到计算机,通讯电子设备,航空航天,军用武器系统,只要有集成电路等电子元器件,它们之间电气互连逗要用到PCB。PCB提供集成电路等各种电子元器件固定的机器支撑。实现集成电路等各种电子器件之间的布线和电气连接或电绝缘,提供所要求的电气特性,如特性阻抗等。同时为自动焊锡提供阻焊图形,为元器件插装,粘装检查,维修提供识别字符标记图形。本次设计中采用了洞洞板就是单孔板目的是为了减少成本,下面就对设计中使用洞洞板介绍。性能特点：1、多层防砂过滤套具高效防砂性能,能更好地阻挡地层砂粒,满足井下防砂需要。2、滤孔均匀,渗透性及防堵性能高。3、过滤面积大,流动阻力小,出油率高4、不锈钢材质的优异抗腐蚀性能,抗酸、碱、盐腐蚀,可适应油井的特殊要求,缝隙不会因腐蚀而逐渐变大。5、多层结构焊接一体,可使滤孔稳定,抗变形能力极强。外保护套也可螺旋焊接。.3编程语言的简介3.1C语言的概述C语言是CombinedLanguage〔组合语言的中英混合简称。是一种计算机程序设计语言。它既具有高级语言的特点,又具有汇编语言的特点。它可以作为工作系统设计语言,编写系统应用程序,也可以作为应用程序设计语言,编写不依赖计算机硬件的应用程序。因此,它的应用围广泛,不仅仅是在软件开发上,而且各类科研都需要用到C语言,具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。3.2C语言的优缺点优点：1.简洁紧凑、灵活方便C语言一共只有32个关键字,9种控制语句,程序书写形式自由,主要用小写字母表示。它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。C语言可以像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作,而这三者是计算机最基本的工作单元。2.运算符丰富3.数据结构丰富4.C是结构式语言5.C语法限制不太严格,程序设计自由度大。6.C语言允许直接访问物理地址,可以直接对硬件进行操作7.生成目标代码质量高,程序执行效率高一般只比汇编程序生成的目标代码效率低10へ20%。8.C语言适用围大,可移植性好缺点1.C语言的缺点主要表现在数据的封装性上,这一点使得C在数据的安全性上有很大缺陷。2.C语言的语法限制不太严格,对变量的类型约束不严格,影响程序的安全性,对数组下标越界不作检查等。从应用的角度,C语言比其他高级语言较难掌握。3.3C语言的容C语言的结构主要有三种基本结构：1：顺序结构是指每个程序都是按照语句的书写顺序执行的,这是一种最简单的基本结构。2：选择结构是指通过对特定条件的判断,选择一个分支来执行如图3-3-1所示当条件s为真时,执行A操作；当条件S为假时,执行B操作。无论何种情形,A,B两个操作不能同时执行。入口S入口SAB真假出口SA入口假真出口图3-3-2while循环结构图3-3-1判断结构3循环结构循环结构是指在给定的条件下,重复执行某段程序,直到条件不满足时为止。循环结构又分为如下的两种形式。〔1 while型循环结构：这种结构的执行过程是先判断条件,当条件为真时,重复执行某段程序,直到条件为假的时为止。图3-3-2所示由于是线判断条件,所以,当一开始条件为假时A操作将一次也不被执行。〔2do-while型循环结构：这种循环结构的执行过程是先执行某段程序,直到条件为假为止。如图3-3-3所示。由于先执行A操作,然后在判断条件S,所以,无论一开始条件S是否为真,A操作都至少被执行一次。由上述基本结构构成的程序被称为结构化的程序,一个结构化的程序具有可读性好,可靠性好,易于维护和易于移植等优点。C语言为程序设计者提供了非常完整的适合于结构化程序设计的语句和数据结构,这些语句和结构化的程序设计提供了极为方便的条件。AAB出口假入口图3-3-3.4CCD动态线径测量硬件系统的设计4.1芯片介绍根据自己手里的编程器的型号采用AT89C52AT89C52是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片含8kBytesISP<In-systemprogrammable>的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89C52具有如下特点：40个引脚,8kBytesFlash片程序存储器,256bytes的随机存取数据存储器〔RAM,32个外部双向输入/输出〔I/O口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗〔WDT电路,片时钟振荡器,

主要功能特性：

1.兼容MCS-51指令系统

2.8k可反复擦写<>1000次ISPFlashROM3.32个双向I/O口

4.4.5-5.5V工作电压

5.3个16位可编程定时/计数器6.时钟频率0-33MHz

7.全双工UART串行中断口线8.256x8bit部RAM

9.2个外部中断源

10.低功耗空闲和省电模式

11.中断唤醒省电模式

12.3级加密位

13.看门狗〔WDT电路

14.软件设置空闲和省电功能

15.灵活的ISP字节和分页编程164.2使用到的电子元件的简介A电阻:标准电阻一般用于对其他电阻,或带电阻器件的衡量,作为一个标准阻值的参照或比较。要具有高精密,低温度系数的特点。标准电阻的特征：标准电阻一般用于对其他电阻,或带电阻器件的衡量,作为一个标准阻值的参照或比较。主要具有高精密,低温度系数的特点。标准电阻的生产制造：制造标准电阻需要高精密的仪器,设备。电阻的单位是欧姆,用符号"Ω"表示。B电容:电容〔或称电容量是表征电容器容纳电荷本领的物理量。我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量,叫做电容器的电容。电容的符号是C。C=εS/d=εS/4πkd<真空>=Q/U.在国际单位制里,电容的单位是法拉,简称法,符号是F,常用的电容单位有毫法<mF>、微法<μF>、纳法<nF>和皮法<pF><皮法又称微微法>等,换算关系是：1法拉<F>=1000毫法<mF>＝1000000微法<μF>1微法<μF>=1000纳法<nF>=1000000皮法<pF>C晶振晶体振荡器,简称晶振,其作用在于产生原始的时钟频率,这个频率经过频率发生器的倍频或分频后就成了电脑中各种不同的总线频率。有关晶体的正负极晶振分为有源晶振和无源晶振。无源晶振只有两个引脚,没有所谓的正负极。有源晶振需要接电源才能工作,一般有四个引脚,其中有两个电源输入引脚,有正负极之分D三极管三极管,全称应为半导体三极管,也称双极型晶体管,晶体三极管,是一种电流控制电流的半导体器件.其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号,也用作无触点开关。插件三极管贴片三极管4.3使用到的CCD传感器的简介本次设计采用TCD1304AP线阵CCD传感器其参数如下：A：转移效率和转移损失率电荷转移效率是表征CCD性能好坏的重要参数。一次转移后达到下一个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比较为转移效率。如果在t=0时,注入到某电极下的电荷为Q〔0；在时间t时,大多数带你和在电场作用下向下一个电极转移,但总有一小部分电荷由于某种原因留在该电极下。若被留下来的电荷为Q〔t,则转移效率为：ή=1-Q<T>/Q<0>如果转移损失率定义为：ξ=Q<T>/Q<0>则转移效率与转移损失率的关系为：ή=1-ξ影响电荷转移效率的主要因素是界面态对电荷的俘获,为此常采用胖零工作模式即让零信号也有一定的电荷。B：工作的频率f：为了避免由于热产生的少数载流子对注入信号的干扰,注入电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t必须小于少数载流子的平均寿命τ,即t<τ工作频率升高时,若电荷本身从一个电极转移到另一个电极所需要的时间t大于驱动脉冲使其转移的时间的T/3,哪么,信号电荷跟不上驱动脉冲的变化将会使转移效率大大下降。为此要求,t<T/3即f<T/3TCD13404AP传感器的额定值参数符号数值参数符号数值输出单元的漏极电压VOD/V-0.3—+8工作温度TOPT/C-25-+60移位寄存器时钟电压V∮1,V∮2/V-0.3—+8存储温度TSTC/C-40-+70移位栅极信号电压V∮TG/V-0.3—+8TCD1304AP电特性参数TA=+25C,VOD=5V,F∮1=1MHZ,数据速率=1MHZ,存储时间=10ms,光源：3200K卤灯+C500,输出时钟=5VPP.参数符号测试条件最小典型最大饱和电压饱和曝光量相相应不均匀性平均暗信号平均暗信号不均匀电源消耗输出阻抗响应性响应峰值波长图像延迟偏压电平移位寄存器时钟脚输入电容总转移效率动态围复位馈通噪声BIT噪声分辨率VSAT/VSE/LX.SPRNU/%ADS/MVDSNU/MVPW/MWZ0/KNRF<V/LX.S>IL/%VOS/VC∮,C∮2/PFC∮TG/PFTD/NSTTE/%DRMTF/%日光彩色荧光灯VOUT=500MV光屏蔽光屏蔽日光彩色荧光灯VOUT=1V数据速率=2MhzVOUT=1V光屏蔽光屏蔽调制转移功能1.0-8632.59201.20.013+/-21.0+/-4300.59055073.03001001303758001065+/-88.0+8501117143.51500TCD1304AP工作原理TCD1304是一个MOS集成电路,有560个有效光电元素和64个被掩膜的,用于暗基准电平的光电元素,此外还有两个线阵1280位CCD电荷传送寄存器,一个驱动单元,一个采样/保持电路及输出信号处理电路。每一个光电元素的尺寸为200um*5um,其间均有2um宽的沟道分隔。整个器件密封在20脚双列瓷封装中。当光投射到传感器的光电元素上时,使元素的电荷蓄积,蓄积的电荷量由光的强度和所照射的时间决定。对蓄积的电荷每隔一定的时间〔由时序电路控制进行串行变换,从一根信号线以电压〔或电流形式依次送出。由于传感器中每个光电元素所占的宽度为已知〔200um,通过对信号线送出的电压脉冲进行计数,就能得到被测物体的尺寸〔光照区有电压脉冲输出,由物体被挡光而造成的阴影区无脉冲输出。下图为图4-4-3CCD传感器TCD1304的结构框图注明：SR传感器复位S/H采样/保持电路OB光学暗逻辑电路逻辑电路驱动电路放大器放大器筘位电路筘位电路S/H2-+--OBS/CD模拟移位寄存器光电元素〔2560位+OB64位CCD模拟移位寄存器SR8VclCH图4-4-3CCD传感器TCD1304的结构框图TCD1304驱动图4-3-4为传感器正常工作的定时图。图中∮M∮TG均由时序〔驱动电路产生,∮M为频率为1MHZ时钟。从图中可知,∮OB可用于有效光电元素计数前的复位；∮TG可用作单片机对计数值采样的选通信号；∮M可用作计数脉冲。在2560个有效光电元素有光照的元素,其输出为高电平,借助逻辑控制,使∮M脉冲输至计数器进行计数；而无光照的元素,其输出为低电平,则禁止∮m进行计数器。图2-4为驱动电路,它提供1MHZ∮M时钟以及∮TG时钟信号,其他部分为TCD1304正常工作提供所需的电源或电平。图4-3-4TCD1304传感器引脚的功能介绍管脚结构像元结构其中VDD是CCD传感器的供电引脚电压为5V左右,OS是信号输出引脚,VSS是传感器的接地引脚,ICG复位引脚,∮M传感器的时钟频率,SH为启动引脚图4-3-5CCD的测量原理测量系统原理示意图如图4-3-6所示,该系统由平行光源,被测线材,CCD传感器,控制电路及单片机组成。来自电光源A的光经透镜后产生一束平行光,照射在CCD传感器上。当该光束中置有被测线材时,在CCD上产生与线材直径相当的的阴影,从而在CCD的输出端产生如图所示的波形。直径愈大,波形中的缺口〔FG愈宽。实质上FG的宽度体现料CCD中被挡光的光电元素的个数。经单片机,控制电路及接口测量FG的宽度〔即无光照光电元素的个数,并由软件乘以常数〔200um,就可得到该线材的直径。本仪器有效测量围是0-729.6mm,分辨率为200um。图4-3-64.4测径系统的总体结构图4-4为本仪器电路的总体框图。它由时序电路,CCD传感器,控制电路〔比较器和逻辑电路,单片机〔程序储存器和地址锁存器为画出,显示电路等组成。图数器AT89C52单片机T0T1P0口显示动AT89C52动CCD逻辑出BA器通74LS004.5测径系统的基本测量原理利用光学系统射出的平行光束射到被测量物体,经成像透镜将被测量物体成像在线阵CCD光敏面上,这时由于被测量工件的遮挡,CCD输出低电平,从而形成一个脉冲宽度与被测量物体的直径成正比的方波信号。对这个信号进行二值化处理。然后输入到单片机系统作为控制脉冲,再通过外加的标准脉冲对它计数,把计数脉冲乘上系统的比例常数,用数码管显示测量结果。测量时,要使被测件轴线和测量系统的光轴垂直,否则测量结果就有误差,测量如图4-5所示。光学系统光学系统CCD二值化信号驱动电路二值化处理单片机系统显示结果键盘标准脉冲计数软件处理被测量工件图4-54.6光学系统的设计通过点光源经过透镜使其变成平行光束,将其照射到被测量的物件上,在CCD的光敏面就会产生阴影。CCD传感器CCD传感器点光源被测量物件透镜图4-64.7信号转换电路4.7.1A/D转换电路本次设计采用ADC0809模块,当A/D转换器与微处理器连接时候,至少有两个控制信号,即开始转换和转换结束信号,微处理器发出开始转换信号后,就命令A/D转换器开始转换,转换结束信号是转换器发给微处理器的信号,通知CPU转换结束。其中ADC0809输出端是三态锁存器可以直接和单片机直接接口。D0-D7是转换后的二进制输出端,它们受输出允许信号OE控制,OE=1才有输出A,B,C是三个采样地址输入端,它们组合来选择8个模拟通IN0_N7中的一个通路并进行转换。图4-7程序编制：ORG2000HSETIT0SETEASETREX0MOVDPTR,#4100HMOVR0,#50HMOVA,R1MOVXDPTR,A中断程序：CJNEA,#08AREP1SJMPREP2REP:MOVA,R1CJNEA#08HSJMPREP2REP1:MOVXDPTR,ASJMP$SJMPREPREP2:RET中断服务程序：ORG0005HMOVXA,DPTRMOVR0,AINCR0INCR1RET1主程序ORG003HAJMPRDDATRDDAT:MOVXA,DPTRMOVR0,AINCR0INCR1REP:MOVA,R1MOVXDPTR,ACJNEA,#08H,RMP0MOVR1,#00HSJMPREPRMP0:RET1二值化电路在不要求图像灰度的系统中,为了提高处理速度和减低成本尽可能采用二值化图像处理方法,实际上许多检测对象在本质上也表现为二值化情况,如图纸,文件的输入,物体尺寸,位置检测等。在输入这些信息时采用二值化处理是恰当的。二值化处理是把图像和背景作为分离的二值对待。光学系统把被测对象成像在CCD光敏像元上,由于被测物与背景在光强的变化上反应在CCD视频信号中对应的图像尺寸边界处会有明显的电平变化,通过而政治化处理把CCD视频信号中的图像尺寸部分和背景部分分离成二值化电平,实现CCD视频信号二值化的方法很多,一般采用硬件电路实现,,主要的二值化电路有：固定阀值法,浮动阀值法,微分法。本次设计采用的是固定阀值法下面就对固定阀值法进行介绍：将CCD输出的视频信号送入电压比较器的同向输入端,比较器的反向输入端上加上可调的电平就构成了图4-7-2固定阀值电路。当CCD视频信号的幅值稍稍大于阀值电压时,电压比较器输出的就是高电平；CCD视频信号小于等于阀值电压的时,电压比较器输出的就是低电平,CCD视频信号经过电压比较器后输出的是二值化的方波信号。调节阀值电压,方波脉冲的前后沿将发生移动,脉冲的宽度发生变化。当CCD视频信号输出含有被测量物体直径信息时,可以通过适当地调节阀值获得方波脉冲宽度与被测量物体直径的精确的关系,这种方法常在CCD测量直径仪中使用。原理示意图4-7-2利用PRTEL做出来的模拟电路图4-7-3二值化电路设计的时候注意事项：1：采用精密的紊流电源为照明系统的电源2：采用浮动阀值对光强进行二值化采样阀值电路将消除光源发光强度不稳定对二值化处理带来的误差,使系统的测量精度和稳定性得到进一步的提高。经过试验对比最后选择了二值化电路。4.8显示显示器驱动器该装置采用的是4-8示,须用动态显示才能达到要求,所以显示器驱动器选择74IS138。因为它的驱动能力强,可以不外加电阻,简化了硬件结构。真值表如下：图4-8译码器为给动态显示提供位选又需要给键盘提供扫描线,而AT89C52只有4根扫描时序输出线,所以需要一个译码器,而且译码器必须是低电平表示选通。因此,选用HD74IS48P.真值表如上数码管的选择由于译码器低电平表示选通,所以动态显示的位选也是低电平选通,为此选择阴极数码管。另外数码管驱动电流是8mA,而74LS138的驱动电流是120mA,因此不需加分流电阻进行分流就可满足要求。图4-8-3显示接口电路采用12引脚的共阴极数码管显示,其中图中所示的D1,D2,D3为片选信号线的输入端子,,A,B,C为选信号的输入端子。图4-8-4.5软件设计5.1测量程序为了减轻制作毕业设计的负担,本次设计中使用了简单的C语言程序。整个测量可分为三大部分,即数据输入部分<包括对信号的采集及存储>,AT89C52完成控制及显示部分；数据处理部分<包括数字滤波、进制转换等>。测量软件用C语言完成,包括主程序和子程序。其主程序流程如图5-1所示。主程序主要完成：状态判断、程序流程控制、各个子程序模块调动等功能。测量时,先设定初值,然后采集数据,作数据处理,最后给出测量结果。CCD测量的程序的框图开始开始初始化设定初值实测采集数据累加数据处理得脉冲数Ne乘以200um显示L=KNe结束图5-1根据上图设计的CCD测量程序：如下所示#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitd1=P1^0;sbitdula=P2^6;sbitwela=P2^7;sbitOS=P2^2;sbitSH=P3^0;sbitCG=P3^5;sbitfM=P3^6;longinttemp;ucharwan,qian,bai,shi,ge;ucharcodetable[]={0X40,0X79,0X24,0X30,0X19,0X12,0X02,0X78,0X00,0X10};ucharcodetablewela[]={0X01,0X03,0X07,0X0F,0X1F,0X3F,0X7F,0XFF};voiddisplay<ucharge,ucharshi,ucharbai,ucharqian,ucharwan>;voiddelay<uintz>;longintceliang<void>;voidinit<>{wela=0;dula=0;}voiddelay<uintz>{uintx,y;for<x=z;x>0;x-->for<y=110;y>0;y-->;}voidmain<>{longinttemp;while<1>{temp++;temp=celiang<>;//测量 temp=3649-temp;wan=temp/10000;qian=temp%10000/1000;bai=temp%10000%1000/100;shi=temp%10000%1000%100/10;ge=temp%10;display<ge,shi,bai,qian,wan>;}}voiddisplay<ucharge,ucharshi,ucharbai,ucharqian,ucharwan>{dula=1;P0=table[wan];dula=0;wela=1;P1=0x01;wela=0;delay<10>;dula=1;P0=table[qian];dula=0;wela=1;P1=0x02;wela=0;delay<10>;dula=1;P0=table[bai];dula=0;wela=1;P1=0x04;wela=0;delay<10>;dula=1;P0=table[shi];dula=0;wela=1;P1=0x08;wela=0;delay<10>;dula=1;P0=table[ge];dula=0;wela=1;P1=0x10;wela=0;delay<10>;}longintceliang<>{longinti;intj;i++;/*sbitOS=P2^2;sbitSH=P3^0;sbitCG=P3^5sbitfM=P3^6;;*/SH=0;CG=1;//这是图像的初始状态fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;//几个脉冲合适fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;CG=0;fM=~fM,_nop_<>;//几个脉冲合适fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;//几个脉冲合适fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;SH=1;fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;//几个脉冲合适fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;SH=0;fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;//几个脉冲合适fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;SH=1;CG=1;//这是CG上升沿时刻的状态i=0;j=0;while<OS==1>{//OS=1,是有光照的部分SH=~SH;fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;//几个脉冲合适fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;if<j++>4000>break;//循环不限制次数,可能会造成死循环}while<OS==0>{//OS=0,是无光照的部分SH=~SH;fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;//几个脉冲合适fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;if<j++>4000>break;//循环不限制次数,可能会造成死循环}while<OS==1>{//OS=1,是有光照的部分SH=~SH;i++;//统计有光照的像素数目 fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;//几个脉冲合适fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;fM=~fM,_nop_<>;if<j++>4000>break;//循环不限制次数,可能会造成死循环}returni;}5.2影响仪器精度的因素及解决措施影响测量精度的因素及解决措施在这个装置中影响测量精的因素有：1>所采用CCD的性能<包括光敏元数量,大小,距离,响应度等>；2>成像物镜的质量；3>平行光源的准直度和光源稳定性；4>脉冲计数及标定准确度等。针对上述因素我们分别采取如下措施：<1>尽量选用高品质的CCD芯片；<2>采用随时标定的方法消除成像物镜质量和平行光源的准直偏离造成的误差；<3>选用比CCD信号频率高的计数频率,以得到亚像素的测量精度<当目标阴影在CCD上的边缘明显时,可提高数倍的精度>；<4>对测量结果进行数字均值滤波,减小偶然误差的影响。使用简单,因此可在有毒有害的环境下使用。该装置对一系列直径做了试验,其测量误差均小于0.01ram。.6系统调试6.1调试程序对上面的编写的程序用KEIL进行调试,并用PRTEL进行模拟检测编写的程序是否正确,调试的结果如下：调试程序项目调试容调试结果调试显示子程序首先在不加外部输入信号的时候编写数管显示程序并是数码管显示正确正确〔附件1-1调试测量子程序从单片机产生脉冲后输入到传感器通过模拟软件检测是否正确正确〔附件1-2调试产生脉冲驱动程序通过编写程序是单片机产生脉冲并检测是否正确正确〔1-3调试计算程序通过按钮模拟输入信号通过单片机进行计算检测计算程序是否正确正确〔1-46.2调试硬件电路第一步：将买回来的元器件进行学习,并了解每个元件的各个引脚的作用和功能,在通过用万用表进行检测每个元件是否是好的。检测结果附录〔1-5第二步：根据设计好的电路图焊接实物。最后将焊接好的电路通电检验,要是显示全为8,则证明锁连接电路是正确的。图6-2为单片机未输入程序时数码管显示〔手机拍摄第三步：焊接过程中出现的问题,首先在第一次焊接过程中由于焊接时候没有注意将每个引脚的标号注明导致焊接失败,以至于重新焊接第二次。耗费时间较长,第二次焊接的时候将单片机的供电电压焊接错误,最后通电的时候没有检查就通电,最后烧掉一块单片机〔焊接的时候错接为了12V电压本该为5V。最后导致我只有重新买来一块单片机。做实物的时候的经验总结：首先在焊接的时候一定要确保焊接的节点没有虚焊,最好是每焊接两个点就用万用表检测一下两个点之间是不是通的,它们之间有没有电阻。在进行下一个点的焊接。再次焊接的时候要将板子的布线整理清楚以免后面焊接的时候出现很多交叉线。例如这次设计中由于布线的时候没有注意焊接的板子不够美观,有许多的交叉线。还有焊接的时候一定要确保每一根电线焊接正确,这次设计中焊接的时候由于思路不清楚焊接的时候出现许多问题。例如：焊接好以后有些点之间不通电,造成我检查困难。最后焊接好以后一定要检查每个元件的供电电压是否正确。这次的设计中由于马虎造成我的实物成本增加许多。6.3装载程序后的调试硬件电路调试记录：1：先通电观察到数码管有时候显示,有时候不显示。通过检查后得到是由于我的数码管的接线接错啦,共阴极数码管和共阳极数码管的位选线位置有差别。2：修改后的电路再次通电,数码管全显示8没有变化。通过检查和查阅资料得知是我的晶振太小频率不够〔原来采用的4M修改后采用12M使单片机没有起振。4：当我增大了晶振的频率后数码管还是不能正确显示,检查得知是由于我的晶振的电容加的太大。原来一般的起振电容大概就是20-30PF。5：经过修改后的电路再次通电加载数码管显示程序的时候数码管能正确的显示,并且能计算外部开关的次数。但是在加载传感器检测程序的时候不能得出正确的结果,通过检查测试得出是由于我的传感器的输入脉冲接错啦,导致我的传感器不能正确输出。6通过修改后的硬件电路再次加电还是不能正确显示,通过测试和监测是由于我的三极管回路的电阻加的太大,导致我的三级管不能正常通断,导致三极管没有输出,从而导致单片机对传感器的输出检测不到,而导致没有正确的显示,7：通过修改后的电路再次加电,我的数码管还是不能正确的显示。.结论通这次毕业设计,使我对所学专业知识有了更加系统、全面的理解；也增强了我理论联系实际、系统分析问题、独立思考和独立工作的能力。而且还学会了许多以前在学校的时候都没有去学习过的软件。并且都能熟练的运用。对这一点我感觉很自豪,因为这是我第一次自学的东西。让我自己的自学能力又增长了一些。本次毕业设计的主要成果是根据实际情况设计出一台基本符合工程实际应用的动态线经测量仪器。分析并设计出符合实际测量要求的硬件和