集测量、显示和存储功能于一体的智能卷尺设计

刘佳业，薛建材，李勋标，祝磊，张婉婷，雷宏香，蔡志岗

（中山大学，广东 广州 510275）

随着现代电子技术的发展，长度测量也逐渐开始数字化。目前，市面上已经有较为实用的数显卷尺，但是数显卷尺只能使得读数变得容易，若是对于需要在野外测量大量数据用于统计分布规律的测量时，数显卷尺就显得力不从心了。众所周知，在进行野外测量时，大量的工作时间都是浪费在用笔和本子记录数据，以及测量后录入电脑的过程中，于是迫切需要一个能自动记录数据以及测量结束后可以直接将测量数据导入电脑的智能尺子。

1 原理与方法

采用单片机作为系统核心，光电门作为传感器探测尺子伸缩度量，SD卡作为存储单元，LCD作为显示器。

1.1 尺子伸缩量检测

图1 系统框图

对卷尺伸缩的测量可以有多种方法。直接测量尺子位移量：容栅传感器［1］、光栅［2－4］、光学感应器（即光电鼠标所用方法）。

测量滚轮转动角度进而计算位移量：角度传感器、光电门［5］、电阻测量法。

本实验采用间接测量法，使用光电门测量滚轮转动角度进而计算尺子伸缩量。

双光电门，如图1所示。双光电门既可用于测量转动速度，也可用于测量转向，该双光电门集成在一个芯片上，他们之间错开约1 mm，对比脉冲1，2的相位可以知道转盘转动方向，如图2所示。

图2 传感器

图2中的编码转盘为带有扇叶的转盘，扇叶扫过光电门产生开关脉冲。

图3 输出脉冲

当计数脉冲1的相位先于脉冲2，那么尺子正转，计数为加，当计数脉冲1的相位慢于脉冲2，说明尺子反转，计数为减［6］，见图3。

1.2 单片机处理器

单片机按照字长可以分为3类：32位的ARM／MIPS／T MS32、16 位 的 MSP430、8 位Intel51／pic／AVR／m68等众多单片机。

选择单片机的考虑因素：价格，性能，复杂程度，功耗。

3类单片机都可以满足设计的硬件性能要求，32位和16位单片机价格较贵，也较为复杂，重要的是移动设备对于功耗的要求较高，8位单片机的功耗较低，所以这里选择8位单片机。

8位单片机常见的有51、PIC和AVR等系列。51属于CISC类型，没有硬件SPI接口，也没有I2C接口；PIC和AVR属于RISC类型，执行效率高，两者价格相当，集成有SPI接口，I2C接口。综合考虑，AVR单片机成为首选。

1.3 存储方案

EEPROM或者SD卡（或MMC卡、TF卡），他们存储数据掉电后都不会丢失。SD卡在移动设备中比较通用，数据容易复制到电脑上进行统计，这里选择SD卡作为存储介质。

本来SD卡支持SPI接口模式读写［7］，而且项目所用Mega16本身有SPI接口，可以直接对SD卡进行读写。但是，由于SD卡的命令太多，而且命令发送接收校验复杂，同时SD卡还分为HCSD和普通SD，底层扇区大小区别等，文件系统更加复杂，为了编程简单，采用沁恒公司的解决方案，使用CH376芯片对SD卡进行读写。

CH376是文件管理控制芯片，用于单片机系统读写U盘或者SD卡中的文件［8］。

使用ATmega16单片机的SPI接口连接。CH376连接方式如图4所示。

图4 CH376连接方式

1.4 显示方案

采用LCD1602（3.3 V）作为显示器件，并口传输数据。以标准接法接入ATmega16 PA口。

2 实验

2.1 硬件方面

系统使用3.3 V电源，由线性电源L M1117 3.3 V产生。

以实际的卷尺为基础，经改装，把具有紧密扇叶结构的编码转盘固定于卷尺的转动轴心上，从而使得卷尺伸缩时编码转盘同步转动。

将红外发光器放置于转盘一侧，两个接收器紧密放置于另一侧，构成两个光电门。

由此，当皮尺伸缩时，转盘随之转动，转盘上的扇叶扫过光电门，产生计数脉冲。该脉冲将输入单片机。

2.2 软件方面

（1）脉冲处理。由于单片机同时处理输出显示，存储，判断按键状态等，为了精确计数，使用外部中断方式对脉冲信号进行处理，有助于及时处理，不会丢失数据。

（2）存储的程序框图如图5所示.

图5 存储程序框图

2.3 定标及测试

硬件安装完成，设置软件，使得LCD显示出原始光电门计数数据（尺子拉出时为正转，光电门计数为加，反之则减）。这样，光电门脉冲计数与尺子伸出量有了一定的对应关系，可以进一步对尺子进行定标。

对数据进行采样（10 c m一个采样点），见表1。

表1 采样

对表1数据进行拟合，得出拟合公式，相关度等。

定标曲线为二项式，见图6。因为卷尺滚轮的外径不是一成不变的，随着尺子的伸长，外径将减少，尺子本身的厚度不可以忽略。

定标曲线公式：

相关度为0.999 76，数据较为理想。公式的长度单位为mm。

图6 定标曲线

将该公式加入软件之中，尺子的读数就变为真正的长度，单位为mm。

3 实验结果

定标后，将该智能尺应用于测试，同时每次都按确定键保存测量数据（保存于SD卡中）。

SD卡中“树径.txt”数据（以及格式）如下：

212

254

460

……

1 225

一组测量长度与实际长度对比见表2：

表2 实际测量结果

标准偏差为

实际值：

存在一定的误差。

但由原定标公式

可以看出一次常量为7.15，说明制作所用的转盘扇叶及其间距太大，本身的精度为7 mm。这是因为实验所用手工制作的铁片扇叶及间距太大，但是该实验所用的光电门与滚轮鼠标的光电门是一样的，精度在1 mm以下，所以通过改善转盘扇叶的紧密度及间距，实验系统的精度可进一步获得提高。

4 结 论

设备借助双光电门将长度信号转换为电信号，以此为基础，利用单片机编程以及各种接口技术，实现了集数值显示与数据存储功能于一体的智能卷尺。若再配上良好的封装工艺支持，测量的精度和准度都能达到1 mm，将很好地满足实际测量的需要。这将给实验人员带来极大的便利，使其能够较轻松地测量大量数据。

［1］王习文，齐欣，宋玉泉.容栅传感器及其发展前景［J］.吉林大学学报，2003，33（2）：89－94.

［2］关柏鸥，刘志国，开桂云，等.基于悬臂梁结构的光纤光栅位移传感研究［J］.光子学报，1999，28（1）：983－985.

［3］龚华平，曹丛，屠于梦.光纤光栅应变传感的综合性实验设计［J］.大学物理实验，2012（3）：80－81.

［4］史智平.光源特性研究与使用［J］.大学物理实验，2011（1）：14－17.

［5］李俊，余光伟，薛雷，等.基于单片机的智能型无刻度电子卷尺设计［J］.机电工程，2008，25（2）：23－25.

［6］EMC公司，EM84510（一种滚轮鼠标控制芯片）说明书［Z］.

［7］刘润.基于单片机和串口的SD卡读取平台的设计［J］.现代电子技术，2010，16：166－168.

［8］沁恒公司，CH376S用户手册［Z］.