基于线阵CCD激光位移传感器的设计及性能研究

摘要

目前在国内非接触测量研究领域还没有提出一种相对测量精度比较高、价格比较低廉，设计构造相对简单，应用于较中短距离测量的技术。因此，本文设计一种精度较高、价格低廉、结构简单的基于线阵CCD激光位移测量系统。
　　首先，本文通过分析激光三角法的原理，研究了入射光的不同方式及其优缺点，确定采用直射式三角测距法，并完成了系统的总体方案设计。
　　其次，硬件电路和软件程序设计，本文选用ARM系列高性价比32位微处理器STM32作为整个系统的控制核心，以此展开硬件电路设计，主要包括电源设计、单片机最小系统、线阵CCD与主板通信、外扩Flash、串口通信以及液晶LCD1602的驱动和显示等。据测量系统的功能需求进行软件程序的设计，主要包括数据处理主程序、STM32F103RBT6微处理器与线阵CCD模块通信程序、外扩Flash存储程序、串口通信调试程序以及液晶LCD1602的驱动及显示程序等;
　　再次，研究了CCD光斑细分定位方法，像传统灰度质心法、平方加权灰度质心法以及高斯曲线拟合法等，用于数据处理及系统标定;
　　最后，研制传感器样机，并对其进行装调实验，实验结果验证了硬件电路设计的可靠性和和软件程序设计的可行性，同时，平方加权灰度质心法处理数据系统标定误差最小，在80mm～200mm范围内均方根误差仅为0.088mm，表明平方加权灰度质心法具有良好的光斑细分定位功能;调试后的位移传感器样机可脱离上位机的控制而直接用于位移测量，整个测量系统在满足测量要求的同时还具集成度高、功耗低、成本低等特点。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究的目的与意义

1．3 国内外研究现状

1．4 本课题的主要研究内容

1．5 本章小结

2 位移测量系统原理及总体方案

2．1 位移测量系统的基本原理

2．2 系统总体方案设计

2．3 光学系统总体设计

2．3．1 光学系统结构参数计算

2．3．2 光学器件选型

2．4 位移测量系统的电路系统

2．5 本章小结

3 硬件电路设计

3．1 ARM处理器结构

3．1．1 ARM架构

3．1．2 RISC指令集结构

3．1．3 STM32简介

3．1．4 SPI总线协议简介

3．2 基于STM32的硬件电路设计

3．2．1 电源电路

3．2．2 时钟和复位电路

3．2．3 JTAG接口与串口调试电路

3．2．4 LCD显示电路

3．2．5 外扩Flash电路

3．2．6 线阵CCD采集模块接口

3．3 硬件电路电磁兼容性设计

3．3．1 主板的滤波电容

3．3．2 PCB布局布线设计

3．3．3 电源线地线和信号线设计

3．4 本章小结

4 软件程序设计

4．1 数据处理主程序

4．2 STM32F103RBT6单片机与线阵CCD模块通信程序

4．3 外扩Flash的存储程序

4．4 串口通信调试程序

4．5 液晶LCD1602驱动及显示程序

4．6 本章小结

5 传感器调试及性能研究

5．1 传感器调试

5．2 传感器性能分析

5．2．1 实验研究

5．2．2 CCD光斑细分定位方法

5．2．3 系统标定

5．3 本章小结

6 结论

参考文献

附录A

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

声明