CCD读码技术在长度自动测量中的研究与应用

摘要

本文针对市场上常见的4种类型位移传感器作了调查，查阅了大量资料，分析了各自的工作原理。为了解决现有传感器在制造工艺、材料成本、测量精度以及应用上易受环境影响等方面的问题，本文提出了一种新的基于条形码的测量方法。新方法的主要思路是在长度位移测量上引入带有条形码刻度的尺，利用人工测量位移长度的方法让机器去识读出尺面上条形码刻度值来完成测量。如果量程较大就需要进行分级编码，即先分段标出大致刻度，然后在段内标出细微刻度来精确定位。
　　利用条码刻度进行长度自动测量的基本方法是先在PC上编程输出条码尺图案，图案规定了条码长度（位数）、制式、间距和最大量程，再以 CCD（Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件）图像感应器件TCD1501为关键部件读取条码尺上的条码刻度。通过研究其工作原理和性能参数，分析出TCD1501正常工作所需要的驱动脉冲后，引入宏晶单片机通过汇编语言编程来提供 TCD1501驱动脉冲，对图像感应信号进行采样。利用另一宏晶单片机对TCD1501的输出信号进行收集暂存，并通过485接口向PC机发送。在PC机上接收采样数据，并进行译码还原出条形码刻度值，再通过定量计算，得出最终的测量值。
　　在调试过程中遇到了单机片内存太小不足以暂存全部采样数据的问题，虽然使用了“压缩算法”，但由于花费时间过长以至于无法赶上 TCD1501的采样输出速度而引起了数据丢失。为此经过讨论和分析提出了改进方案，即用具有2KB内存更高系列的宏晶单片机来替代，而放弃原先使用的“压缩算法”，以加快数据接收和暂存速度。由于更换单片机需要重新制作实验线路板，无法立即验证改进方案的可行性。为此特意缩减了条形码位数，缩短间距和最大量程，使得采样数据在只暂存2000位的情况下也能读到完整的条形码，从而验证了改进方案的可行性和有效性。按照论文的研究内容制成的实验样机具有材料成本低、测量精度高、不易受环境影响等优势，目前该样机正在进行更深入的测试和设计优化研究。
　　最后对整个测量装置提出了完善功能的方案，即再加一块单片机来执行译码程序，并把译码结果输出至LCD显示器显示出测量结果，使得测量装置即能用于远程读数与控制，又能够独立使用。同时提出展望，设想把CCD读取条形码实现测量的技术推广到角度测量装置中，为这项技术的运用打开了新的领域。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1背景

1.2常见的测量仪

1.2.1 绕线电位器式传感器

1.2.2 电感位移传感器

1.2.3 光栅位移传感器

1.2.4 磁栅位移传感器

1.3条码尺的原理及优势

1.4论文研究内容

1.5论文结构

1.6小结

第二章 条形码介绍及应用场景说明

2.1 标准条形码

2.2 “分级编码条码标尺”发明专利内容

2.3 专利的应用方案

2.4 条形码在长度测量中的应用

2.5 条码测量的应用场景

2.6 小结

第三章 长度自动测量装置的设计

3.1 设计目标与设计方法

3.2 条形码图案生成的程序设计

3.2.1 程序设计任务

3.2.2 Visual Studio 集成开发环境

3.2.3 C# 图形控件

3.2.4 程序设计逻辑

3.3 图像感应器件TCD1501D 构造及工作原理

3.4 STC11系列芯片

3.5 STC11系列单片机的中断

3.6 读码电路

3.7 串口通讯

3.8 STC11单片机内存

3.9 TCD1501D输出数据暂存方法

3.10PC串口数据接收

3.10.1串口监听程序

3.10.2 串行口（Serial Port）控件的常用属性、方法和事件

3.10.3 Serial Port 的使用

3.11小结

第四章 长度测量装置测试结果及问题分析

4.1 上位机不能收到全部采样数据的问题描述

4.2 上位机不能收到全部采样数据的问题原因分析

4.3 上位机不能收到全部采样数据的改进方案描述

4.4 长度测量装置的测试和效果

4.5 条码图案精细度低的问题描述与解决方案

4.6 条码的识别

4.7 小结

第五章 总结与展望

5.1 回顾与总结

5.1.1 比较不同种类的长度传感器的工作原理及优劣分析

5.1.2 掌握关键部件的作用与现实可用性

5.1.3 对关键问题的分析与解决

5.2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的学术论文