【2020-03】机动车后视镜反射率测试仪设计
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2020-03
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【2020-03】机动车后视镜反射率测试仪设计,2020-03,2020,03,机动车,后视镜,反射率,测试仪,设计
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长春理工大学本科毕业设计摘要随着汽车工业的急速发展，智能化，环保化概念的提出，作为汽车“后眼”的外后视镜从外观及功能上也不断更新换代。本文跟随时代潮流，为解决当前测试仪在实际应用中存在的不足问题，设计一款性价比较高的机车后视镜测试仪。其下位机控制部分选用AT89C52单片机，该款单片机具有操作简单，使用普遍，价格低廉，性能可靠，并能完成复杂控制系统等优点。在积分球设计方面与之前相比在性能方面也有了相应的优化。本次设计的机车后视镜反射率测试仪主要由积分球、箱体、前门、探测器、校准板、开关、电源插座、显示器等部件组成；采用solid works进行以上零部件件三维建模，并完成装配；此外，对于主要零部件以及装配体，利用autocad进行二维设计。关键词：反射率；测试仪；AT89C52单片机；三维建模 0Abstract With the rapid development of automobile industry, the concept of intelligence and environmental protection is put forward, and the external rear-view mirror, as the rear-eye of automobile, is constantly updated in appearance and function. This article follows the trend of the times, in order to solve the shortcomings of the current tester in practical application, design a high cost-effective locomotive rearview mirror tester. AT89C52 single chip microcomputer is used in the control part of the lower computer, which has the advantages of simple operation, universal use, low price, reliable performance, and can complete complex control system. In terms of integral ball design compared with the previous performance has also been optimized accordingly. This design of locomotive rearview mirror reflectivity tester is mainly composed of integral ball, box, front door, detector, calibration board, switch, power outlet, display and other components; using solid works to do the above parts three-dimensional modeling, and complete assembly; in addition, for the main parts and assembly, the use of autocad for two-dimensional design.Key words: reflectance; tester; AT89C52 MCU ;3D modeling3目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1引言11.211.3国内外后视镜检测仪的现状11.3.1国内外后视镜检测仪的发展11.3.2后视镜检测仪的分类31.4课题的研究内容4第 2 章 技术指标要求及测量定理52.1设计的技术指标与要求52.1.1后视镜的分类52.1.2测试仪的系统要求62.2检测方法72.3测量原理8第3章 总体结构设计103.1光学部件及结构设计103.1.1光源的选取103.1.2平行光管103.1.3积分球113.2 后视镜位移传动装置机械结构设计123.2.1丝杠滑台电机选取及计算133.2.2丝杠选取及计算133.2.3轴承选取153.2.4联轴器选取153.2.5待测后视镜安装16第 4 章 电控部分设计174.1单片机选择及功能介绍174.1.1单片机方案选择174.1.2单片机介绍184.2光电接收电路194.2.1前置放大及滤波电路194.2.2光电接收器电路194.2.3 A/D转换部分204.3光栅尺采集电路204.4光源恒流控制214.4.1数模转换DAC0832214.4.2恒流驱动系统电路224.5电动机正反转控制电路224.6音乐报警线路的控制234.7串口通信控制23第5章 人机交互系统设计255.1人机交互界面简介255.2人机交互界面设计255.3功能介绍27第 6 章 工程定额概算306.1 反射率测试仪制作成本预算306.2 机动车后视镜反射率测试仪制作过程管理31结 论33参考文献34致 谢36第 1 章 绪 论1.1引言作为现代化工具，机动车在人类社会中被广泛使用，已然成为不可替代的工具之一，机动车的安全性也受到广泛关注。机动车上的后视镜是机动车非常重要的安全部件，随着机动车的发展而产生，其安全标准同样重要。在机动车发展初期，由于车速慢、机动车少，后视镜并没有被人们使用。但是随着车辆增多、车速变快，在机动车变线超车、或交通拥挤的情况下,机动车的事故率在逐渐增加增加，因此为了解决是这一问题，后视镜才被人们发明出来。使用后视镜可以让驾驶员间接得看见机动车后方和侧方情况，这就相当于是驾驶员的“第二只眼睛”。后视镜的使用能够方便得扩大驾驶员所能看到的的视野范围，了解车辆周围物体的动向从而有力地保障了驾驶员的行车安全性。传统后视镜主要包括镜面，镜架以及辅助部件，镜的形状为圆形或正方形。 而现在的后视镜的结构和形状发生了重大变化，以使其尽可能满足安全要求，提高操作便利性并满足个性化需求，并且许多机械构件和电子设备已添加到后视镜中。后视镜反射率测试仪的研究是为了检测当后视镜反射率是否能达到相关规定的标准，后视镜镜面的质量是否合格。1.2课题的研究意义汽车的后视镜好像是驾驶员的二只眼睛，有助于帮助人们查看路面情况。但如果这两个眼睛有缺陷，它就会给汽车安全驾驶带来隐患。为了确保汽车使用者的驾驶安全性，后视镜的检测工作尤其重要，需要受到特殊标准的限制。反射镜反射率是一个重要指标，不合格的后视镜是为了给用户带来安全性风险，我国为了规范后视镜的标准，发布了后视镜性能和安装标准，给出了用于测量后视镜的反射率的方法和要求，这大大提高了使用后视镜的安全性。所以制造的后视镜必须经过严格的检查，符合所有安全标准的后视镜才是有资格的可以用来使用的。本文针对机动车后视镜安全性检测的问题提出了一种后视镜测试仪，它可以检测机动车后视镜反射率是否达到标准。此系统针对机动车后视镜的反射率这一安全因素利用光机电结合的方法可以判断机动车后视镜反射率是否符合要求。有了这样一个测试仪，对于保障后视镜实物的安全性要求提供良好的途径。测试仪通过寻找后视镜反射率的问题可以更好的改善制作工艺，所以设计后视镜检测仪是对后视镜生产有一定实际意义的。1.3国内外后视镜检测仪的现状1.3.1国内外后视镜检测仪的发展华中理工大学光电子工程系的李颖文等人在1998年提出了自动快速测试磁光盘反射率的双通道测试方法 ,讨论了磁光盘反射率测试仪的误差来源 ,并通过磁光盘反射率测试仪进行优化设计 ,提高了磁光盘反射率测试仪的测试精度。徐红光等人于2002年对现代汽车后视镜进行了综合分析，分析了现代汽车后视镜的结构与工作原理，包括结构、材料以及镀层等，还分析了现代汽车后视镜的分类及其特点，按布置位置分为内后视镜和外后视镜，按镜面形状分为平面镜、凸面镜，而凸面镜又分为球面镜、双曲率镜面，变曲率镜面以及全景后视镜等，按操作时的调节方式分类分为固定式后视镜、直接调节镜面式后视镜以及电动后视镜等。后面又总结了光学后视镜的优点：结构简单，易于制造，成本低，安装方便，节省空间等；缺点：无法根除视觉盲区，难以消除物象失真，光线不足或过强时观察困难以及存在时差盲点等。并在最后总结了后视技术的发展趋势，即对后视镜改进内容应围绕后视安全性、操作方便性、经久耐用性和美观协调性等方向发展。2005年以及2006年Alan J DeWeerd，Lyth，David等人对汽车后视镜的相关检测仪器进行了系统详尽的分类与整合。按按检测对像来划分，汽车后视镜检测仪可分为：专用型和通用型；按检测镜面转动角度的方法来划分，汽车后视镜检测仪可分为：基于倾角传感器、基于位移传感器、基于影像传感器三种外后视镜检测仪。其中专用型外后视镜检测仪就是指专为一种外后视镜设计的检测设备，一般是由汽车整车厂指定厂家生产（一般为国外引进），通用型外后视镜检测仪是指该检测设备适用于各类电动外后视镜使用；基于倾角传感器的外后视镜检测仪是指检测外后视镜镜片偏转性能的方案采用倾角传感器，基于位移传感器的外后视镜检测仪是指检测外后视镜镜片偏转性能的方案采用位移传感器（LVDT），基于影像传感器的外后视镜检测仪是指检测外后视镜镜片偏转性能的方案采用影像传感器。沈阳紫微机电设备有限公司的冀中祥于2007年对机动车后视镜反射率测试仪的设计进行了深入研究。针对机动车后视镜质量控制的需要，冀中祥设计研制了一种测量机动车后视镜反射率参数的测试仪，着重叙述了该测试仪的测试原理、结构和测量精度分析。该测试仪采用比较测量法、光电积分和单片机相结合，不仅具有结构简单、操作方便 、性能稳定等特点，而且还具有测量精度高及重复性好等优点。研究设计的测试仪结构简单、测量简便快速并能直观得出反射率数值。且该测试仪采用比较测量法、光电积分和单片机相结合，不仅具有外观精美、操作方便 、性能稳定等优点，而且在测量精度及重复性上还具有完全符合并高于国家对机动车后视镜反射率性能检测的要求。为机动车后视镜反射率测试仪的设计提供必要的参考。在2011年武汉理工大学汽车学院的马东杰，屈金龙从汽车倒车安全性方面考虑，着重且系统的研究了汽车后视镜的发展演变历程以及其对倒车安全性能的影响，从后视镜功能来看，镜片由传统的平面镜、球面镜，向双曲率镜、变曲率镜、全景后视镜发展，力求减少外后视镜的盲区，改善汽车后视镜的安全性功能，为汽车后视镜朝着更为良好的安全性能的进步提供了发展方向方面的较大支持。Daniele Romanini于2014年对光学谐振腔激发场进行了较为深入的模拟研究，假设近轴近似，Daniele Romanini推导了高斯光束在光腔的高斯-赫姆特横向电磁（TEM）模式上的投影系数的有效递归表达式。虽然先前的研究考虑了具有圆柱对称性的腔，但新的推导考虑了“简单”的像散和椭圆率，这使得它可以处理更多现实的光学系统。高斯光束在腔TEM模式上的最终扩展提供了腔内，透射和反射中激发场分布的精确模拟。特别是，这要求包括通常在教科书中忽略的反向传播的TEM模式。作为对复杂案例的说明性应用，新的模拟可重入腔配置，其中在腔输出处获得Herriott点。模拟研究表明，散光腔的情况也很容易建模。就我们所知，此类相关应用通常在简化的几何光学近似下或使用较重的数值方法进行处理。Xiaoming Zhu等人于2015年对间接ADC最佳参数选择的分析测量进行了深入研究，提出了在间接测量中如何选择最佳的ADC参数，包括分辨率，采样率，ADC的采样误差和系统误差。以光时间常数在腔衰荡光谱中的拟合为例，依次模拟ADC的分辨率，采样率和采样误差（有/无系统误差）对拟合精度的影响。分析和模拟了镜面反射率对拟合函数参数的影响。给出了在不同镜面反射率下区分1 ppbv甲烷浓度的ADC参数。得出相应结论，ADC是AD系统的关键组件，其分辨率和采样率直接确定位宽和最小数字系统的工作频率，对电路设计。通过拟合CRDS系统的照相时间常数，ADC的分辨率对拟合的影响更大精度高于采样率，降低采样误差将得到最佳拟合精度，并且在选择ADC单个对象时应该考虑活动拟合功能。 另外，系统噪还应包括在ADC采样误差中以获得标称值采样精度。因此，根据以上分析，可以选择具有合适分辨率和采样率的ADC使仪器以最佳的位宽和频率工作在间接测量中具有设计灵敏度。1.3.2后视镜检测仪的分类通过查阅文献2122可以知道后视镜检测仪有几种分类方法。根据后视镜检测仪的检测对象来说可分为专用型和通用型这两种后视镜检测仪，根据测量镜面时的转角方式来说可分为基于倾角的传感器的机动车后视镜检测仪、基于位移的传感器的机动车后视镜检测仪和基于影像的传感器的机动车后视镜检测仪三种。（1）专用型外后视镜性能检测仪 专用型的外部后视镜检测仪一般由国外进口的汽车制造商指定的制造商制造，一般专门为某一种特定外后视镜检测所用。这种检测仪是操作简单，不需要调整检测器的参数，性能更加稳定，对特定型号的后视镜不需要重复调试设备。但是它价格较高，所以这种检测仪通常用在销量较高的车型上的外后视镜或豪华品牌车的外后视镜上。（2）通用型外后视镜性能检测仪 通用型外后视镜检测仪是指可以应用于各种外部后视镜的测试装置。它的普遍性强，测试项目灵活，成本较低，但如果使用的是不同类型的后视镜，工程师需要相应调整或改变测试设备的一些参数。操作比专用测试仪复杂。这种类型的测试器主要用于中型和低端车型的后视镜。（3）基于倾角传感器的外后视镜性能检测仪 是基于角度传感器来检测外部后视镜的偏转性能的检测仪，它的低成本但是结构复杂、检测速度慢。在检测之前需要将传感器模块配置在镜片中心且在检测过程中，机械构造和传感器接触镜片有可能对镜头造成损伤。（4）基于位移传感器的外后视镜性能检测仪 是一种基于位移传感器检测外部后视镜偏转性能的检测仪，它具有高检测精度可以精确到0.1度，传感器具有的高速响应速度（超过200Hz）和简单的机械构造，但同样有可能损伤镜片。（5）基于影像传感器的外后视镜性能检测仪 是一种基于图像传感器用于检测外部后视镜透镜的偏转性能的检测仪。具有高检测精度、高检测效率而且传感器或机器结构无需与镜头接触，也不会对镜面造成任何损害，镜面外观可由图像传感器识别来判断缺点但是成本高。检测器采用了高级的图像分析技术，以交叉激光射线作为透镜的基准坐标，用于判定旋转透镜的旋转角度和范围。1.4课题的研究内容本设计涉及到的基本技术包括：单片机的基本原理及应用、机械原理及设计、机电一体化等，软件方面涉及到CATIA三维建模、Proteus电路仿真绘制、Keil编程软件、PCCAD二维图绘制、Labview上位机编程等应用，这对于培养学生硬件系统设计能力、编程能力、软件使用能力的培养具有重要意义。本课题主要进行了如下四个方面的研究：（1）机动车后视镜反射率测试仪的光学结构设计；（2）机动车后视镜反射率测试仪的位移传动机械结构设计；（3）电路控制系统设计；（4）人机交互界面设计。第 2 章 技术指标要求及测量定理依 据 GB 15084-2006 机 动 车 辆 后 视 镜 的 性 能 和 安 装 要 求 、 CNCA-02C-059:2005机动车辆产品强制性认证实施规则汽车后视镜产品，设 计一套后视镜反射率测试仪，用于测定汽车后视镜反射率。 设计人机界面功能，采用 windows XP 操作系统，主要进行试验信息输入、传感器标定、试验参数设定、试验操作、数据记录及报告生成等。系统要求：（1）光源：符合 CIE 标准光源；工作相关色温 T68=2855.6K； （2）接收器：符合 CIE（1931）标准视见函数； （3）几何条件：入射角为 255； （4）测量范围：反射比 0100% ； （5）零位漂移 10 分钟不大于0.001； （6）测量重复性不大于 0.01； （7）测量误差：1；测量速度： 1 秒。2.1设计的技术指标与要求2.1.1后视镜的分类（1）平面镜这种反射镜的镜面是没有曲率的平面。优点是可以显示与实际物体相同的物体的大小，后视镜的图像不存在失真，看到的情况实际上是机动车后面的实际情况。但是这种后视镜视野狭窄，后视范围比较小，所以在行车时使用这种后视镜比较危险（2）凸面镜凸面镜是有曲率的镜面，它可以增大观察者的视野，在后视镜上的凸透镜由以下几种： 1）球面镜球面镜能够使镜中的物体缩小从而使视野更宽，但实际上无法反映物体真正大小和真实的距离。所以球面曲率的设计就成为了重要的设计目标来提高反射镜的安全性，标准规定曲率半径不得小于1200毫米，曲率半径通常为1400毫米。2）双曲率镜面双曲后视镜镜目前是比较新的反射镜，可以弥补球面镜反射物体不真实以及平面反映物体视野狭窄的缺点。双曲率镜部分被设计成曲率半径变大的镜面，SR 2000基本上可以解决失真问题，并且为可变曲率反射镜的设计提供了良好的转变条件。3）变曲率镜面3变曲率的反射镜可以根据车辆种类、驾驶员的视角和相对位置对凸透镜的镜面曲率进行改变，这一变化是基于光学原理来进行的，能够选择不同的曲率半径过渡。以这种方式，可以在反射物体基本上没有失真的状态下进一步扩大视角并且可以减少视觉盲区。4）全景后视镜为了解决司机的盲点问题，国外发明并采用了全景后视镜，后视镜的中央部分的三分之二是平面镜而外侧的三分之一是具有圆弧较大的凸面镜，行车时可以在车内观看全景从而消除盲点、扩大视野。2.1.2测试仪的系统要求（1）光源和光检测器的光谱特性21）通过使用稳压电源来使CIE标准光源A产生的一束平行光，光束透过镜片形成光源。2）光检测器的光谱响应与CIE标准色度观测仪的亮度函数成正比。接受部件采用内壁涂上无光泽白色涂料的光集成球体。（2）几何条件1）入射光线与试验镜面表面的垂线成（）角。如图2-1所示，接收装置轴线和试验镜面的垂线成角度，且大小等于入射角的角度。光束在镜面形成的圆形半径要大于19毫米，照在检测器上的面积不能太大但也要大于检测器感光面积的一半2）在光接收单元中使用光积分球的情况下球的直径不小于127mm，透镜测试的开口和球面壁的光束完全通过入射光束和反射光，光检测器被放置在反射器的入射和反射光没有直接照到的位置。图2-1两种标定方法所用反射率测试仪的几何关系（3）光检测器指示仪表装置的电特性光检测元件的读数与入射光的亮度成线性关系。为了校准仪器，可以使用光和电组合的方法但是不能影响设备的线性和光谱特性。接收系统的精度在全比例的2%以内或读取值的10%以内。2.2检测方法（1）直接标定法1）直接标定法将接收元件调整到光源的一些光路，从而能够进行100测量和标定的光学仪器，如图2-1所示。2）测量低反射面一半通过直接标定法来检测，是将一定透射率滤波器插入需要测量的光路上，通过调节校准按钮，使测量仪的读数与滤波器透射率相同，从而能够校准仪器。（2）间接标定法间接标定法经过标定确定反射率。通常适用于测试镜片反射率很接近的平面镜上，同时也一般用于光源和接收器的位置固定的机器上。（3）平面镜的测定平面镜的反射率可以采用直接或间接标定法进行测定，通过这些方法测量后，直接从测试仪表盘读出反射率的数值4。（4）非平面镜( 凸面镜 ) 的测定对凸面镜测量反射率就要运用到一些特殊的仪器。如图2-2所示，为带光积分球体的测量仪，当测量用反射率为E%的标准试件时，测量仪的指针在处，所以如果测量不知道的镜面的反射率，当指数为 ，那么这个镜面的相应的反射率X就可以用如下的公式进行计算： (2-1)图2-2 球面反射率测量装置2.3测量原理（1）积分球原理如图2-3所示，首先要明白朗伯余弦定律的含义才能知道积分球的具体工作原理，设在某一个方向上均匀发光面的发光面积为A，亮度为，那么在该方向上的发光面的发光强度就为，称为方向角，如图2-3所示。如果发光面亮度在发光面的各个方向上都是相同的即，则此时： (2-2)图2-3朗伯体亮度不随方向而变的发光面的发光强度和该发光面法线方向上的发光强度与方向角的余弦的乘积相等，这就是朗伯余弦定律5。具有一定光亮度的发光面为朗伯发射面。有时一般漫射表面如磨砂后的玻璃等都能具有理想漫射面的特征，因此可以经常应用在光的测量上。（2）积分球测反射率原理光谱反射比是指反射光谱的辐射通量与入射光谱的辐射通量的比值。所以要测量某种镜面的反射比，只要可以测量反射射通量和入射射通量的数值然后进行计算即可。积分球可以测量很多镜片的反射率 6，把测量镜面放在球开口的地方而且用光照射，将反射的光通过球其他开口捕捉，然后通过探测装置检测数值，将获得的数值通过观察计算得到反射率。积分球是内壁均匀涂上白色中性漫反射材料的一种空心球，球内某点亮度一部分由光直接照射产生，另一部分由光照射在球内后反射所产生，第二部分是通过无限次数反射产生。 光源直接照射得到的光照度为；一次反射所产生的照度为，二次反射所产生的照度为其中,p为积分球内部涂料的反射率，r为积分球的半径，为光源光通量。则该点的总照度为： + (2-3) =+ =+(+) =+第一项为光直射在球上某点产生的照度，光源是存在各向异性的特征的,光照度和方向具有特点联系。所以加挡板减去直射光，上式就变为： (2-4) 因此光源经内壁无限次反射后，某点的光照度就只与光通量、球半径、内壁反射率存在关系。由于r、p已知，一次要测光源的光通量只需在球上开孔，通过检测小孔的光照度即可。第 3 章 总体结构设计3.1光学部件及结构设计3.1.1光源的选取国标上规定测量时可以使用2855.6K的钨丝灯。因此选用了P15D-25-3型车前照灯作为光源，灯泡的工作电压为12VDC。由于同样的色温条件下的同样的灯泡电流有时是不相同的，所以要对电流进行调节稳定电流的大小，才能保证测量工作正常进行。3.1.2平行光管（1）平行光管基本原理根据系统焦面发出的光线经光学系统后将出射平行光这一几何光学的原理。平行光管就是在其光学系统焦平面上设置光源或者所需光学元件(如星点板、分辨率板、玻罗板等)7，使其成像于无穷远处，提供一束平行光或者一个无穷远的目标。图3-1平行光管基本原理（2）平行光管的基本使用透镜或透镜组的焦距、识别率和其他成像质量可以与微仪表目镜或显微镜系统通过使用不同的分划板来测量。平面反射器也可以放置在直线运动中的工作件上，并且可以通过观察准直器上的高斯目镜来检查工作件的直线度。在平行光管像面处放置运动目标发生器，可以模拟一个无穷远处目标的多种运动形式，如移动、旋转等。在检测过程中配以动态千涉仪和其他检测仪器，就可以构建一个动态检测系统，对被检件进行动态检测，记录光学元件各参数各个时间的情况。（3）本系统使用的平行光管及基本尺寸总体结构如图3-2所示，选择的透镜的焦距为250mm，相对孔径的大小有效通光口径30mm。透镜选用品质好、吸收小的玻璃，结构采用小像差的结构，表面要消除杂光,镜筒材料为铝合金，镜筒的内壁有细牙的消光螺纹,光管的内部有孔径光栏和消杂光光栏，尽可能降低杂光的影响。图3-2平行光管及支架总体结构3.1.3积分球光积分球是制作反射镜测量仪的重要部件，对于不同种类的测量仪光积分球也不同，由于它的重要性，所以积分球的制造工艺也将直接影响测量仪的精确度和准确度。（1）漫反射涂料积分球的涂料除了要有一定的反射率，还需要具有对光谱无选择的漫反射。本次设计的测量仪的积分器采用了分析纯硫酸钡粉体材料，通过一定的涂层工艺使该反射层具有相当良好的性能。为了使积分器获得良好的漫反射涂层，本次设计考虑使用独特的涂层工艺，喷涂次数为10次。测量仪的积分球壳体采用了不锈钢材料，在不锈钢层与涂层中间加了一层中间层，增加过渡性。 对制成涂层的目视及仪器测试表明，涂层均匀且无光泽，具有良好的漫反射胜质，漫反射率大于80%，所以它的一致性好，能够很好地满足此系统的设计要求。（2）积分球几何尺寸要制作后视镜测试仪首先要确定积分器我的尺寸，由标准要求选择的积分球应满足：1)球面直径不小于127mm；2)光的入射角度为255度；3)入射光束在镜面产生的圆的直径应该大于19mm。通过实验发现积分球的内径大小和光斑的大小对结果有很大影响，增大积分球的尺寸和光斑的尺寸可以增加测量仪的精度和稳定性，但过大的积分球也过于浪费材料。所以一般情况下球的直径选择在200毫米左右，测量光斑在30毫米左右。在毕业设计的测量系统中，积分球直径为200mm，入射平行光通光口径为30mm，后视镜测试处通光口径为30mm，光电接收器处设计为30mm，后视镜与入射光线设计夹角，满足标准（255）要求，结构如图3-3所示。图3-3光积分球及其支架总体结构3.2 后视镜位移传动装置机械结构设计传动系统设计包括X轴位移滑台，Z轴位移滑台及后视镜安装，其主要工作流程为：U型夹具上夹紧后视镜，再把U型夹装置通过螺栓固定在U型固定套上，通过控制X轴电机来进行水平移动，控制Z轴电机来竖直移动，移动到光机分球测试点，测试后视镜的反射率。其主要内容包括：步进电机及其驱动器，轴承，联轴器，丝杠等。图3-4 后视镜位移传动系统总体结构3.2.1丝杠滑台电机选取及计算由于设计要求是滑台的移动是可以控制的。因此，我们选用可以控制转动的角度和速度的步进电机9。滑台的最小位移是0.1mm，丝杆的导程是5mm所以必须选择有带细分的步进电机才能够满足设计要求。所以为了达到位移的最小值0.1mm丝杠导程的最小值5mm，就要按照公式：步进电机脉冲=50/1=50。即只要步进电机最高脉冲达到50即可满足设计要求，故选取的电机参数值如表3-1所示。表3-1电机参数表电机型号步距角（）机身长L(mm)电压（V）电流（A）电阻()电感（mH）静力距（kg.cm）引线数（Num）转动惯量（g.cm2）重量(kg)42BYGH4812AA1.848 3.6 1.2 3 5.5 4.3 4 681.353.2.2丝杠选取及计算1) 根据定位精度要求确定脉冲当量选择步距角根据经验，初步选择导程为5mm的丝杆；本系统中X、Z方向的定位精度均为0.1mm，因此X、Z方向的脉冲当量均取=0.1mm/Hz；为脉冲当量为0.1mm/Hz；为传动比 (3-1)为步进电机的步距角，初选为1.8，由公式（3-1）可得传动比i=4。2) 根据快速进给速度，确定电机的最高运行频率 (3-2) 为工作台运行最高速度（m/min）； 为步进电机最高运行频率（Hz）。代入工作台最快进给速度80mm/s，脉冲当量0.1mm/Hz，由公式（3-2）计算得=800Hz。3）根据电机的最高运行频率及步距角，确定电机最高转速 (3-3)由公式（3-3）计算可得=4r/s=240r/min 4）丝杆的导程必须满足下式 : (3-4) 为导程（mm）； 为工作台运行最高速度（mm/s）； 为电机最高转速（r/min）； I为传动比，由公式（3-4）得导程，故取=5（mm）。5） 轴向载荷： (3-5) 为摩擦阻力；，其中m=40kg，u=0.1，F为切削力为0，由公式（3-5）计算可得N，故平均载荷N6）工作寿命为5年，一年工作约300天，每天工作6小时，因此工作寿命=9000（小时），回转寿命r 7）额定载荷： (3-6)为载荷系数，此处为普通运动，由表3-2，取=1.4，由公式（3-6）计算可得=511.57N，故选丝杆时，丝杆的额定动载荷应该大于等于511.57N。表3-2 运动载荷系数载荷系数无冲击运动普通运动有冲击和震动运动FW1.01.21.21.51.52 8）预紧载荷：/3=39.2/3=13.06N，其中为轴向载荷。 9）丝杠公称直径： (3-7)丝杠临界转速r/min,为临界长度，取110mm，为支承系数，当支承方式为支承-支承时，由表3-3取12.1。表3-3 不同支撑方式的支撑系数支撑方式固定-固定27.4固定-支承18.9支承-支承12.1固定-自由4.3由公式（3-7）计算d=12mm，故所选的丝杆的底径应大于等于12mm，故取丝杆为14mm 10）丝杠螺纹长度：=+2 （3-8）为有效行程，为160，为余程，根据导程为5mm和下表可知=20mm，计算由公式（3-8）可得=200mm，故丝杆螺纹的长度不得小于200mm故丝杆螺纹的长度不得小于220mm，则轴承之间的距离=220mm，加上轴承安装长度和与联轴器的连接长度，取丝杆长度为252mm。表3-4 公称导程-余程序公称导程Ph02.534568101216余程1012162024324045503.2.3轴承选取不同类型和结构的轴承可以满足不同的使用条件，选择轴承类型时一般综合考虑如下几个主要的因素：载荷大小、高速性能、轴向游动性能、允许的空间、安装与拆卸方便。本设计选用并设计的轴承是深沟球轴承，它是最常用的也是最具代表性的滚动轴承，适用于高速运行、无需定期维护且非常耐用的场合。这种轴承摩擦系数小且极限速度高，具有各种大小的范围和形状。它广泛应用于高精度机器、低噪声马达、汽车摩托车等机械产业，主要负担径向负荷，但可以负担一定程度的轴负荷。3.2.4联轴器选取由于轴和丝杠严格对齐，不产生工作的相对位移，所以力矩不大。因此选择星形弹性联轴器。联轴器弹性部件是工程塑料制成的具有优异的弹性，吸收和耐磨性可以补偿位移，凸爪块限制了联轴器的聚氨酯弹性体。而无齿隙可以用于主轴驱动、升降机平台和机床。3.2.5待测后视镜安装本次设计为保证后视镜拆卸和安装方便，首先将待测的后视镜安装在U型夹上，调整后视镜位置，通过紧定螺栓压紧后视镜，然后把U型夹正确安放在U型固定套上，U行固定套已经通过螺栓固定在Z轴滑台的中心位置上，安装调整调整后确定后视镜在合适位置上，并将螺钉拧紧U型夹和U型固定套通过螺母固定位置，防止在运动过程中。安装后视镜时应尽量使后视镜与Z轴移动滑台接近同轴，第 4 章 电控部分设计电控部分作为整个运动的控制部分，在设计中拥有重要的作用，本次设计单片机为核心，同时对光电接收器、电机、报警系统、光栅尺位移传感器、串口通信等系统进行控制，将不同结构的运动整合成有序的可控运动，其中单片机如同大脑一样，指挥各机械机构有序完成指定运动，其控制电路如图4-1所示。图4-1电控部分总体电路设计电路图4.1单片机选择及功能介绍4.1.1单片机方案选择（1）方案一：AT89C51AT89C51内部RAM有128字节的DATA 存储区，而且它的内部有 4K 字节的FLASH PERAM，单片机具有32条可编程的I/O节线，有两个16位定时计器以及数器，且AT89C51与MCS-51完全兼容。（2）方案二：AT89C52AT89C52是CMOS八位单片机，它功耗低且性能强。单片机带有8KB闪存允许改写编程。AT89C52系统与80C52兼容，由于功能强大单片机AT89C52在许多地方都有应用，单片机上还有256B大小的RAM、32条可编程的I/O接口线，还3个16位的定时器和计数器以及有全双工串行接口。可根据以上比较，在单片机的CPU部分选用AT89C52单片机。4.1.2单片机介绍本次毕业设计电控主体部分采用AT89C52单片机，它是由ATMEL公司所生产的51系列的高密度、非易失性存储且兼容标准MCS-51指令的单片机。单片机内置8位的中央处理器以及Flash存储单元，因此可以用在很多复杂的控制系统上。AT89C52单片机具有40个引脚其主要功能特性如下： （1）指令与MCS51指令系统兼容； （2）具有8k大小的Flash ROM； （3）具有32个双向I/O接口； （4）具有256B内部RAM； （5）具有3个16位的可编程定时/计数器； （6）具有0-24MHz的时钟频率； （7）具有2个串行中断； （8）具有可编程的UART串行通道； （9）具有2个外部中断源； （10）具有6个中断源； （11）具有2个读写中断口线； （12）具有3级加密位； （13）具有低功耗空闲模式和掉电模式； （14）具有软件设置睡眠和唤醒功能 。其AT89C52单片机外观引脚图如下：图4-2 AT89C52单片机引脚4.2光电接收电路4.2.1前置放大及滤波电路为了让系统电压稳定，对放大器采用了对电压并联并且有负反馈的形式。由于AD712具有高阻抗、低电流还有高共模抑制比的特点，因此采用了AD712运算放大器，可以使输出电压与输入成线性关系。电路中采用了两个RC滤波器。经过两个RC滤波器可以有效抑制光电流纹波，随后信号接入到了 AD转换模块中15。图4-3放大及滤波电路图设计4.2.2光电接收器电路光电接收器是将光信号转换成电信号的器械，它是可以将两者进行转化联系的装置。当今光电检测技术中常用的光电检测设备包括光电倍增管，雪崩二极管，光电二极管和光电晶体管，PIN，光敏电阻，光敏电池，CCD阵列和其他半导体器件13。通过查询相关信息发现采用光电二极管作为光电接收器最好的。光电二极管的响应可以满足本次设计中控制系统的要求，它具有外加电压小、电流小、稳定且价格低廉的特点。但是应注意连接电器时在反向偏置条件下光电二极管的正常运行，电路如图4-3所示。 图4-4光接收器电路设计4.2.3 A/D转换部分在设计中，为了让光电接收器和单片机进行连接，本系统采用A/D转换部分对采集到光电接收器信号进行模数转换14。利用单片机来启动A/D转换装置，转换结束后再由光电接收器采集到的信号向单片机AT89C52发出中断请求信号，CPU进行中断请求相应。读取译码器后，译码器的转换结果送到相应存储区。重新选择了被测量后再次启动A/D转换装置并进行中断返回操作。其组成框图如图4-5所示。图4-5 A/D转换框图4.3光栅尺采集电路光栅是一种目前非常新型的位移检测元件，它具有测量的精确度高、拥有非常快的响应速度且具有较大的量程的特点。如图4-6所示，光栅由标尺光栅和指示光栅两部分所构成，他们光刻密度是相同的但长度不一。如图4-7所示，指示光栅被平行地放置在了标尺光栅上并且使两者刻线倾斜一定的小角度，然后在指示光栅表面就能显示几条明暗相间的与光栅条纹成垂直的方向排列条纹，叫做莫尔条纹。图4-6光栅测量原理 图4-7莫尔条文示意光栅莫尔条纹能对光栅进行放大，如果用W表示光栅条纹的宽度，P表示光栅的间距，则有 。如果栅距P0.01mm，把莫尔条纹的宽度方法为 l0mm，那么利用光的干涉现象光栅就被放大了1000倍，从而减少了线路负担。 光栅有透射光栅和反射光栅两种，透射光栅一般刻制在透明玻璃上，反射光栅一般刻制在反射强的金属板上。当的主光栅和副光栅有一定的位移时则会在光的干涉与衍射下产生黑白相间的莫尔条纹，这就是光栅的工作原理。经过光电转化器转化为正弦波，最后再将转化后的电信号经过放大器放大以及整形电路整形即可。本文采用的光栅经接收元件后变为周期性变化的电信号（近似正弦信号），采用逻辑辨向电路区别位移的正反向，利用单片机进行数据处理并显示结果。数据采集通过光栅尺完成对物体的检测，并以电信号脉冲的形式送入单片机的中断源，对信号进行分析和处理，采集的信息再经过转换，通过串口通信在人机交互界面上显示出来。图4-8光栅尺位移传感器信号处理电路设计4.4光源恒流控制由于光源为钨丝灯，同标称色温工作条件下的同类型同规格灯泡，工作时的电流并不完全相同。为此要加上电流可调整的环节，使电流调整至稳定的电流并采用稳压和稳流的相关措施。4.4.1数模转换DAC0832如图4-9所示，DAC0832芯片是通过CMOS工艺制成的一款8位的DA转换器。它主要四部分所组成：反相T型R-2R电阻器网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF。DAC0832芯片具有有八个输入和一个模拟输出。图4-9 DAC0832的逻辑框图和引脚排列图4.4.2恒流驱动系统电路图4-10光源恒流电路设计4.5电动机正反转控制电路后视镜位置的控制主要在于电动机的运动控制，因此，电动机的运动可以用简单的正反转控制电路进行控制。控制端口依靠AT89C52外扩I/O的Q0、Q1进行控制系统。当系统处于Q0=1、Q1=0时，电动机处于正转状态；当系统处于Q0=0、Q1=1时，电动机处于翻转状态；当Q0=0、Q1=1时，电动机处于停转状态。单片机通过对输入信号的控制，完成对电机正、反转的调控，其电路图如411图所示。 图4-11 XZ轴电机正反转电路设计 图4-12 电机正反转流程图 4.6音乐报警线路的控制音乐报警电路可使报警声优美悦耳，克服了蜂鸣音报警音调比较单调的不足，音乐报警接口有两部分组成：（1） 乐曲发生器，即集成电子音乐芯片；（2） 放大电路，也可以采用集成放大电路。电路如图4-13所示，采用了芯片7920A。当AT89C52的Q6口输出高电平时，音乐芯片7920A的输入控制端MT变为高电平，输出端发出声音，经M51182L芯片放大后，扬声器就会发出报警声。若P1.7输出低电平，芯片7920A关闭，扬声器停止输出声音。 图4-13音乐报警电路设计4.7串口通信控制本设计需要设计上位机，因此需要具备单片机和上位机通信功能。针对上位机与单片机通信，采用串口通信的方式进行控制。通信电路是通过单片机AT89C52输出口P3.0、P3.1控制，单片机的通信信息通过P3.0、P3.1传输到通信转换电路，由通信转换电路传输到上位机的控制面板，期间传输电路采用电源转换芯片MAX232，为电路提供电源保障，电路结构设计如图4-14所示。图4-14串口通信电路设计第 5 章 人机交互系统设计5.1人机交互界面简介人机界面是进行人机交互的一个系统界面，通常采用自然语言。它作为人与机器的中间媒介，可以提供了系统内部的信息形式和人类可接受的形式之间的转换，从而方便人们的操作。人机界面作为计算机的重要部件是人与计算机之间传送以及交换自身信息的交互式界面，在人机界面，人和机器的信息交换可以对系统功能进行相互作用和相互影响。信息交换、功能性接触或交互是指人与机器之间的硬性和软性接触，用于传输和控制信息。人机界面的组成部分包括了中央处理器、信息显示单元、信息输入单元、人机通信接口以及数据存储单元。根据人机界面的不同，它的中央处理器可以分别是8位，16位或32位。HMI软件由在HMI硬件上运行的系统软件和在PC的Windows操作系统上运行的屏幕配置软件两部分组成。软件控制在控制系统中非常重要。由于软件是人与机器进行信息交流的方式，可以在功能强大的编程语言的帮助下运行不同类型的交互，主要包括了系统的运动控制、信号接受采集和处理以及优化机械结构等。为此本次设计的车辆后视镜反射率测试仪基于人机交互的软件控制进行。以下将进行人机交互界面系统的设计。5.2人机交互界面设计本次设计是利用单片机作为控制系统，同时涉及到对光电接收器、光栅尺位移传感器、电机和报警电路的控制，因此，设计了配合单片机的人机交互界面如图5-1所示，系统的总体流程图如图5-2所示。图5-1人机交互界面 图5-2 后视镜测试系统总体流程图5.3功能介绍在系统运行之前，要对系统进行光电检测，在排除异常以后，再让系统正常运行。因此光电接收器的系统流程图如图所示。图5-3光电接收器的系统流程图（1）在人机交互界面中“启动”和“停止”按钮是控制整个测试平台的启动和停止，界面还设有对XZ轴电机正反转显示，当X轴电机正转时，正转指示灯亮起，电机正转，滑块带动后视镜水平移动；当反转时，反转指示灯亮起，电机反转，滑块带动后视镜水平反向移动；当电机停止时，停止指示灯亮起，停止运动。当Z轴电机正转时，正转指示灯亮起，电机正转，滑块带动后视镜竖直移动；当反转时，反转指示灯亮起，电机反转，滑块带动后视镜竖直移动；当电机停止时，停止指示灯亮起，停止运动。 图5-4电机正反转显示界面 （2）由于光源为钨丝灯，同标称色温下的同种灯泡工作电流并不全部相同，故需要控制电流大小。如图5-5所示，电流表显示光源电路中电流大小，通过电流调节位置，输入工作色温要求的工作电流，使光源工作色温达到要求。图5-5光源恒流调节（3）如图5-6所示复位按钮可以使电机返回起始位置，便于安装和拆卸后视镜，X轴和Z轴可以输入测试点相关位置参数，在测试点位置统计表中统计出测试点及其位置参数。测试后通过数据清零按钮清除输入的测试点位置相关参数。 图5-6测试点数据输入及统计表界面（4）X轴光栅尺显示出采集的X轴光栅尺输出数据，根据是否到达输入测试点X轴位置，来控制X轴电机转动，和Z轴电机是否转动，Z轴光栅尺显示出采集的Z轴光栅尺输出数据，根据是否到达输入的测试点Z轴位置，控制Z轴电机转动。图5-7 XZ轴光栅尺数据显示界面（5）报警提示功能，当系统出现错误时系统就会出现报警，提示试验台出现异常，警报指示灯也会从绿色变为红色。（6）当光栅尺到达测试点位置时光电接收器接受光信号并通过单片机输出反射率测试结果在，测试结果位置显示出不同测试点反射率。（7）反射率数据统计：统计出测试的实验次数及每次测试点反射率，将所做过的试验有关数据依照流水次序记录下来，每次试验结束后，输出的数据会依次保存在表格中，当不需要表格中的数据时，点击数据数据清零清除数据。光栅尺控制电机转动的流程图如图5-10所示。 图5-8测试点反射率采集界面 图5-9反射率数据统计界面图5-10光栅尺控制电机转动的流程图35第 6 章 工程定额概算6.1 反射率测试仪制作成本预算根据材料的计价依据和制作测试仪特定方法，仪器造价的合理确定能对制作过程中的支出费用进行准确并合理的计算。在设计阶段结束后，根据初步的设计图纸大概核算设备价格、材料价格及收取费用的标准等，预先对测试仪造价进行大概了计算。材料使用的多少包括直接用在设备制作中的材料以及制作时损耗的材料用量。材料定额对使用较少、基价影响小的材料影响不大，多以不再具体罗列，将材料的价格以元为单位进行计算。外购件的使用价格按设计的图纸进行计算，外购件的价格按购买价格进行计算。后视镜检测仪制作件、外购件和标准件的零件清单如表6.1所示。表6.1 零件计算清单零件计算清单序号名称型号主要尺寸重量材料单价数量1车前照灯P15D-25-30.5151六角螺栓GB/T5782-2000M8*15碳钢212电机42BYGH4812AAL=481.351201深沟球轴承6300d=10D=35B=110.15轴承钢102联轴器GH1-15D=15L=210.645钢201丝杠DUF06320L=2604045钢901单片机AT89C5251运算放大器AD712101RC滤波器CW4L2-20A-S202光电接收器光电二极管101光栅透射光栅801数模转换DAC0832101电源转换芯片MAX23251音乐芯片7920A51除此之外，一些自制件包括平行光管及支架、积分球及支架以及U型夹具及固定套的制作成本也要计算在内。这些结构件的材料选用45钢，按照表3.2中45号圆钢的价格表，根据第三章的设计尺寸可初步得到成本预算序号名称型号（）长度价格145号圆钢80804360245号圆钢905004360345号圆钢1006004360445号圆钢1107004360545号圆钢1208004360平行光管和积分球支架需要45元，制作平行管用去40元，积分球35元，U型夹具及固定套25元，结构件合计145元。因此制作此机动车后视镜反射率测试仪共花费589元。对比市面其他检测仪，这种新型检测仪性价比较高。6.2 机动车后视镜反射率测试仪制作过程管理反射率测试仪的制造过程是制作出测试仪的整体并测量用途和使用价值的过程。测试仪的监造就是督促整个产品制造的过程，使制造出来的测试仪在性能和质量上全面的符合设计要求，为后视镜反射率测试仪的安装调试打下良好的基础。产品质量监控的主要任务时不断完善质量管理体系，需要检查使用的材料在使用前的质量水平并控制工艺，检验半成品的质量是否具备准确性。根据反射率测试仪制造计划及生产测试仪工艺的安排，制作工艺还包括了产品每个阶段的检测过程，在测试仪完成出厂前还需要进行验收操作，并且要对检查测试仪的包装质量和物流运输过程的质量进行检查。在测试仪制造过程中，要经常检查和了解测试仪制造设备的制造过程和测试仪的质量状况，及时处理相关生产问题。反射率测试仪在制造前应熟悉和掌握设备制造图纸及有关技术说明和规范标准，掌握设计的目的、工艺规程要求以及有关设备操作的各项相关规定。制造测试仪过程的产品质量控制，是设备制造质的重点之处，由于制造过程涉及到一系列工序与工艺，不同的加工制造工艺会形成各种的工序产品。所以加工制造过程中，一定要将工业卡片、工艺流程、工艺要求对生产者进行技术安排，确定加工设备的完好情况及精度，确定了加工制造车间的环境，对生产进行调度安排等，做好了这些方面的控制，就为加工制造打下了良好的基础。设备出厂的质量控制是指要对反射率测试仪进行出厂前的检查，目的是为了防止零件锈蚀和使测试仪更加美观，需要对于后视镜测试仪涂防锈漆，可以把涂漆穿插在制造和装配中进行。在测试仪装配时应按设计要求检查设备，对设备采取防护措施，并应后视镜检测仪检查是否满足产品运输、装卸、储存、安装调试的条件，确定随机文件、装箱单和附件是否齐全。在后视镜测试仪装配好运输前还应将产品包装好，确定较为合理的运输方案并对测试仪的包装质量进行相应的检查。结 论通过调研掌握了机动车后视镜反射率测试仪的现阶段最前沿的信息，据设计要求以及测量仪的技术指标要求及测量原理，了解了测试仪的工作原理，对后视镜测试仪的总体结构进行了设计，主要结构包含平行光管、积分球、丝杠、轴承以及联轴器。然后对测试系统的电控部分进行了设计，绘制了电路图，还对测试仪的人机交互系统进行了设计，绘制了流程图。最后基于测试仪的总体设计，进行了工程定额概算。本设计的优点在于，克服了已有机车反射率测试仪测试精度不足，使用起来不便捷的问题，解决了以往测设仪性能不可靠，效率低的工程问题；具有装配效率高、结构简单、操作方便、成本低、效率高、性能可靠、寿命长的特点。虽然本设计理论上可行，但未进行加工真正实地实验，加之选用AT89C52单片机理论和实验模拟可行，其真正意义上的可靠性有待考证。参考文献1 许晓杰，潘秋菱，王昌银，白英奎汽车后视镜反射率测量系统的研究J光电子.激光，2005，16(5)2 GB/T15084-2006，机动车后视镜性能与安装要求S北京：中国标准出版社，19963 刘旭于，德强，杨一，郑芳兰平面反射镜反射率检测系统研究J光学技术，2011，37(4)4 马国欣，任立环，赵小兰一种机动车后视镜反射率测量系统P中国专利：ZL 200520060721.8，2007-3-14.5 李文宜
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