基于CCD的测长技术的研究与通用测控仪的研制

摘要

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。传统的检测方法大都采用人工测量，比如卡尺、π尺，弓高弦长法等测量，这种方法测量精度低、效率低、受操作者主观因素影响较大，已经不能适应生产发展的需要。随着现代工程光学和电子技术的发展，出现了光学、机械、电子技术有机结合的光、机、电检测设备。这类检测设备利用了光直线传播的特点，并且运用电子技术对检测信号进行处理，通过软件对测量误差进行校正，测量结果达到了相当高的精度。在长度尺寸测量的领域，采用机、光、电结合的测量方法也越来越多，从而为大尺寸测量问题的解决提供了极有希望的新途径。本文旨在探讨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，从而为研制大轴尺寸在线测量系统奠定理论和实验基础。 论文主要涉及到四个方面：光学系统设计、机械结构设计、单片机数据采集与处理、单片机通用测控仪的研制和改造。在光学设计部分主要介绍了激光特性、激光扩束的理论基础，并按照伽利略激光扩束原理设计了半导体激光器的扩束系统；在机械结构设计中，系统采用燕尾式导轨，为了提高激光器的定位精度，将燕尾滑块和光栅尺的动块固定在一起，这样燕尾滑块的滑动距离可以实时的显示在LED上；数据采集和处理部分采用高速的数字模拟混合处理器C8051F系列单片机做为处理器，利用其内部的丰富资源可以减少片外的扩展，节省电路设计。 单片机通用测控仪的研制一方面是为测试CCD图象传感器应用性能、特性参数等准备实验条件，另一方面也是为今后科研工作准备一台通用的实验装置。在第六章主要介绍了系统硬件设计和软件设计。硬件部分主要有四部分：键盘显示模块、频率测量模块、A/D转换模块和D/A输出模块。在此章详细介绍了系统硬件设计，包括芯片选择和单片机和各功能模块的接口设计，并且介绍了系统软件设计和各功能模块的软件设计。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文版权使用授权书

第一章绪论

1.1课题提出

1.2长度测量技术的发展

1.3 CCD图象传感器在长度测量中的应用现状

1.4课题主要研究内容

第二章激光与CCD技术测长理论基础

2.1 CCD图像传感器工作原理

2.1.1 CCD图像传感器特点

2.1.2 CCD图像传感器工作原理

2.2激光技术

2.2.1激光的特性

2.2.2激光器的种类

2.2.3激光器的选择

2.3激光和CCD技术测长原理

2.4 CCD芯片特性试验

第三章光学系统设计和机械结构设计

3.1激光扩束系统设计

3.1.1初级像差理论

3.1.2薄透镜初级像差普遍公式

3.1.3激光准直扩束原理

3.1.4激光扩束镜的设计

3.2机械结构设计

3.2.1导轨的选择

3.2.2燕尾导轨滑座设计

3.2.3镶条设计

3.2.4燕尾滑块设计

3.2.5激光器固定装置设计

第四章CCD信号采集及处理系统设计

4.1单片机型号选择

4.1.1 C8051F系列单片机简介

4.1.2 C8051F单片机与51单片机的对比

4.2系统电源模块设计

4.3 CCD芯片及其驱动器选择

4.3.1 CCD芯片的选择

4.3.2 TCD1208AP线阵CCD主要特性

4.3.3 TCD1208AP的驱动器特及其接口设计

4.4 CCD输出信号二值化处理

4.4.1固定阈值法

4.4.2浮动阈值法

4.5光栅尺信号处理

4.6显示电路设计

4.7键盘设计

第五章CCD测长技术精度分析

5.1影响测量精度因素

5.2提高系统测量精度的方法

5.2.1在硬件设计中改进系统测量精度措施

5.2.2在软件设计中提高系统测量精度方法

第六章单片机通用测控仪软硬件设计

6.1单片机通用测控仪功能说明

6.2单片机通用测控仪总体设计

6.3单片机通用测控仪硬件系统设计

6.3.1键盘和显示模块设计

6.3.2 A/D转换模块设计

6.3.3 D/A转换模块设计

6.3.4频率测量模块设计

6.4单片机通用测控仪软件系统设计

6.4.1系统程序的总体设计

6.4.2显示移位程序设计

6.4.3频率测量模块程序设计

6.4.4 D/A转换程序设计

6.4.5 A/D转换程序设计

6.5单片机通用测控仪调试实验分析

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢