基于红外线传感器的智能测距圆规的设计开发

梁金泽，程 琳

(浙江理工大学，浙江 杭州 310018)

随着我国全面小康的持续推进，我国制造业结合相关信息技术也得到了稳步发展，传统制造业中制图是最基础的一步。制图是所有工件加工的基础，后期的质量管理等也深受制图的影响，圆规作为一种基本的绘图测量工具，广泛应用于制图测绘行业[1]。传统的圆规制图的过程中有几个误差是无法避免的：普通圆规在尺子上量取直径时，笔芯厚度所造成的误差没法避免，在画小圆的时候，误差尤为明显；普通圆规是靠齿轮啮合移动，在不断地开合情况下，会使得齿轮啮合变得不可靠，造成松动，使得画圆的时候直径改变；难用于精确的测量，没有卡口装置，在画取小圆的时候，圆规处于小角度状态，不仅画圆受到限制，而且直径容易改变。以上传统圆规现存的不足，会经常导致重画，影响学生学习品质，而在实际生产中往往会放大次品率，影响实际作业。

基于如今市面上没有一款圆规能够有效地解决以上几个问题，本研究对圆规进行一系列的研究与创新，特提出一种具有自主测量功能的新型电子圆规。本研究的创新型智能电子圆规，由能够自主测量圆的直径功能为首要目标并向外拓展延伸，通过红外测距功能对两脚距离进行探测，并通过小块电子屏将距离显示出来。本研究的开展能够为学生的学习条件提供帮助，并就此影响到我国文具行业的发展速度，推动文具行业向更智能、更便利、更科技的方向发展，另一方面将新型电子圆规推广到加工制造业中，势必会降低次品率，提高产业产品效率。

1 红外线传感器实现圆规测距原理

红外传感器的测距基本原理为发光管发出红外光，光敏接收管接收前方物体反射光，以此来测出两端的距离。红外传感器检测方式：镜面反射式[2]。

(1)发光管发出红外光,光敏接收管接收前方物体反射光,以此来测出两端的距离。

(2)红外线测距器由发射器和接收器两部分组成。发射器不断发射出频率为40 kHz 的红外线，当碰到副脚接收器接收到反射波信号后将其转换成电信号。利用高频的红外线在待测距离上往返产生的相位移推算出光束跨越时间Δt，得出距离D：

(1)

上式中，C为光速，一般取C=3×108m/s。

本系统采用的是“计数”，通过单片机处理数据，其原理是：连续发射红外发射器，当红外接收器第一时间接收到反射的红外信号时，电路中，单片机给出一个起动信号，计数器起动在单片机的一定频率上计数；当接收机再次接收到反射的红外信号时，电路处理单片机给出一个停止计数脉冲，计数器停止计数[3]。通过软件编程，使单片机能够自动处理这些数据，用脉冲周期T乘以脉冲数n可以得到Δt，即

Δt=nT

(2)

(3)

2 智能测距圆规的设计

2.1 设计原理

红外线传感器的智能测距圆规的原理框图如图2所示。图中，整个智能测距圆规中除了前面所介绍的红外线测距部分，还包括主、副脚装置、滑槽装置、开关装置、读数装置、紧定装置和储能装置，圆规整体结构图如图6所示。

图1 红外线距离传感器原理图

图2 智能测距圆规的原理框图

主脚装置和滑槽装置是电子圆规的主体部分，滑槽装置与主脚相连，副脚装置固定于滑槽间，可在滑槽装置上移动，主脚与副脚之间距离即为所画圆的半径。红外传感测距装置固定在主脚上，打开开关装置，红外测距装置实时进行圆规间的距离信号处理，读数装置显示屏通过导线于红外传感测距装置相连接，电子显示屏将接受到地信号显示在电子屏幕上，红外测距装置和读数装置由充电装置和储能装置为其供电。紧定装置跟随副脚固定在滑槽装置上，紧定装置将副脚进行固定，固定好后，副脚以主脚为轴进行画圆。

2.2 产品实物及重点零件

红外测距传感器的示意图如图3所示，由可充电电池、开关及充电口、LED显示屏、集成电路板、红外发射/接收装置五个部分构成。该装置精度高，体积小，且寿命较长，无须经常更换。同时，定位滑块如图4所示，装置采取螺纹孔连接，紧定效果可靠，不易松动，使用者不需要担心半径距离发生变化。滑槽装置如图5所示，采用镂空方式，减轻产品质量，节约材料，同时提高产品的刚度强度，更加耐用，也方便使用者的携带与使用。整体装置操作简单，可靠耐用，如图6所示。

图3 红外测距装置图

图4 定位滑块图

图5 镂空移动滑槽图

图6 智能圆规结构图

3 红外测距模块硬件电路和软件的设计

3.1 89C52单片机硬件电路的设计

单片机的硬件电路图如图7所示。

图7 单片机硬件电路图

单片机发出频率为12 MHZ的晶振，XTAL1和XTAL2搭建振荡电路，RST与按键组合完成复位动作。单片机P0口接respack-8排阻，同时P0口作为数据口与LCD1602相连。P2口连接ACD0804模拟数字转换器，ACD0804用于将模拟信号转换为数字信号。P2口读取ACD0804的地址信号，内部处理后从P0口将地址写入LCD1602，LCD1602的液晶显示屏显示测得的距离，从而实现测距的功能[4]。

3.2 红外线测距硬件电路的设计

红外线测量距离的硬件电路图如8图所示。

使用的红外测距模块为GP2D12，配合ADC0804模拟数字转换器使用，测量射程范围：10～80 cm，更新频率/周期：25 Hz/40 ms，测量距离与输出模拟电压关系：2.4～0.4 V模拟信号对应10～80 cm，输出与距离成反比非线性关系。GP2D12测得的模拟量通过ADC0804转化为数字量，从而配合单片机使用。

图8 红外线测量距离的硬件电路图

3.3 液晶显示接口硬件电路的设计

本系统选用LCD1602显示器(LCD) 来进行显示，其原理图如图9所示。

图9 LCD1602显示器电路图

第1脚VSS为地。第2脚：VDD接5 V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10 K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读外部信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。

3.4 软件设计

系统软件部分的设计主要是主程序的设计。通过主程序的驱动，使智能测距圆规可以完成距离的测量，为半径的精确控制提供相应的依据。软件的设计流程如图10所示。开始时，首先将AT89C52进行初始化，通过红外线信号的发射和采集得到电压模拟信号，利用A/D转换模块将电压转换为对应的距离值，最后输出相应的距离值[5]。

图10 软件的设计流程

4 性能测试

4.1 半径距离探测试验

打开红外测距装置的开关，在测量范围内从滑槽上等差取十个点。滑动滑块改变副脚的位置，从而改变半径的大小。分别记录固定点和画笔的实际距离和红外线传感器智能测距圆规测得的距离，每组重复十次实验，其结果如表1所示。

表1 实际所取的半径距离 单位：m

表2中第一行是十组实验组测量距离的平均值，第二行是十组实验组测量距离的标准差，第二行是十组实验组测量距离的标准误差。可见，在误差允许范围0.2%的前提下，该装置所画圆的半径距离与实际距离相符，因此精度极佳。

表2 十组实验的平均值、标准差、标准误汇总表 单位：m

4.2 绘制圆时间的比较实验

实验分为两组，一组采用传统尺规作图画圆，另一组使用红外线传感器智能测距圆规画圆。绘制不同半径的圆，比较作图时间，组内组间对比，实验方法同上，其结果如表3所示。

表3 绘制圆时间的比较表

从表3中比较可见，使用智能圆规作图的时间受半径距离影响不大，同时，与传统的尺规作图相比，缩短了作图的时间，而且所绘半径越大，节省时间效果越明显。

5 结 语

本文“基于红外线传感器的智能测距圆规”，通过红外线测距确定两脚之间的距离，以单片机为核心处理数据，经智能计算从而得到半径距离。本智能圆规相较于传统圆规有许多优点，如测距精确度更高、画图时不易松动、以滑动代替转动效率更高等。本文对智能圆规进行了阐述，通过简单的红外测距模块，实现高精度的距离测量，从而减小制图的误差，使制图规范化，精准化，便于使用者的使用。

本电子圆规滑槽式展开、距离准确、成本不高的特点为其进一步推广提供了可能。对个人而言，能够改善人们的绘图条件，提高绘图质量；对制造传统圆规的企业而言，利润空间很大，很有必要投入研发；对生产零件的企业而言，改进其生产模式，降低其次品率，提高生产效率；对社会而言，科技推动智能化，有利于社会的进步发展。因此本新型电子圆规设计开发的意义很大，市场前景十分乐观。