梁金澤，程 琳

(浙江理工大學(xué)，浙江 杭州 310018)

隨著我國(guó)全面小康的持續(xù)推進(jìn)，我國(guó)制造業(yè)結(jié)合相關(guān)信息技術(shù)也得到了穩(wěn)步發(fā)展，傳統(tǒng)制造業(yè)中制圖是最基礎(chǔ)的一步。制圖是所有工件加工的基礎(chǔ)，后期的質(zhì)量管理等也深受制圖的影響，圓規(guī)作為一種基本的繪圖測(cè)量工具，廣泛應(yīng)用于制圖測(cè)繪行業(yè)[1]。傳統(tǒng)的圓規(guī)制圖的過(guò)程中有幾個(gè)誤差是無(wú)法避免的：普通圓規(guī)在尺子上量取直徑時(shí)，筆芯厚度所造成的誤差沒(méi)法避免，在畫小圓的時(shí)候，誤差尤為明顯；普通圓規(guī)是靠齒輪嚙合移動(dòng)，在不斷地開合情況下，會(huì)使得齒輪嚙合變得不可靠，造成松動(dòng)，使得畫圓的時(shí)候直徑改變；難用于精確的測(cè)量，沒(méi)有卡口裝置，在畫取小圓的時(shí)候，圓規(guī)處于小角度狀態(tài)，不僅畫圓受到限制，而且直徑容易改變。以上傳統(tǒng)圓規(guī)現(xiàn)存的不足，會(huì)經(jīng)常導(dǎo)致重畫，影響學(xué)生學(xué)習(xí)品質(zhì)，而在實(shí)際生產(chǎn)中往往會(huì)放大次品率，影響實(shí)際作業(yè)。

基于如今市面上沒(méi)有一款圓規(guī)能夠有效地解決以上幾個(gè)問(wèn)題，本研究對(duì)圓規(guī)進(jìn)行一系列的研究與創(chuàng)新，特提出一種具有自主測(cè)量功能的新型電子圓規(guī)。本研究的創(chuàng)新型智能電子圓規(guī)，由能夠自主測(cè)量圓的直徑功能為首要目標(biāo)并向外拓展延伸，通過(guò)紅外測(cè)距功能對(duì)兩腳距離進(jìn)行探測(cè)，并通過(guò)小塊電子屏將距離顯示出來(lái)。本研究的開展能夠?yàn)閷W(xué)生的學(xué)習(xí)條件提供幫助，并就此影響到我國(guó)文具行業(yè)的發(fā)展速度，推動(dòng)文具行業(yè)向更智能、更便利、更科技的方向發(fā)展，另一方面將新型電子圓規(guī)推廣到加工制造業(yè)中，勢(shì)必會(huì)降低次品率，提高產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品效率。

1 紅外線傳感器實(shí)現(xiàn)圓規(guī)測(cè)距原理

紅外傳感器的測(cè)距基本原理為發(fā)光管發(fā)出紅外光，光敏接收管接收前方物體反射光，以此來(lái)測(cè)出兩端的距離。紅外傳感器檢測(cè)方式：鏡面反射式[2]。

(1)發(fā)光管發(fā)出紅外光,光敏接收管接收前方物體反射光,以此來(lái)測(cè)出兩端的距離。

(2)紅外線測(cè)距器由發(fā)射器和接收器兩部分組成。發(fā)射器不斷發(fā)射出頻率為40 kHz 的紅外線，當(dāng)碰到副腳接收器接收到反射波信號(hào)后將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。利用高頻的紅外線在待測(cè)距離上往返產(chǎn)生的相位移推算出光束跨越時(shí)間Δt，得出距離D：

(1)

上式中，C為光速，一般取C=3×108m/s。

本系統(tǒng)采用的是“計(jì)數(shù)”，通過(guò)單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，其原理是：連續(xù)發(fā)射紅外發(fā)射器，當(dāng)紅外接收器第一時(shí)間接收到反射的紅外信號(hào)時(shí)，電路中，單片機(jī)給出一個(gè)起動(dòng)信號(hào)，計(jì)數(shù)器起動(dòng)在單片機(jī)的一定頻率上計(jì)數(shù)；當(dāng)接收機(jī)再次接收到反射的紅外信號(hào)時(shí)，電路處理單片機(jī)給出一個(gè)停止計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)[3]。通過(guò)軟件編程，使單片機(jī)能夠自動(dòng)處理這些數(shù)據(jù)，用脈沖周期T乘以脈沖數(shù)n可以得到Δt，即

Δt=nT

(2)

(3)

2 智能測(cè)距圓規(guī)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

紅外線傳感器的智能測(cè)距圓規(guī)的原理框圖如圖2所示。圖中，整個(gè)智能測(cè)距圓規(guī)中除了前面所介紹的紅外線測(cè)距部分，還包括主、副腳裝置、滑槽裝置、開關(guān)裝置、讀數(shù)裝置、緊定裝置和儲(chǔ)能裝置，圓規(guī)整體結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖1 紅外線距離傳感器原理圖

圖2 智能測(cè)距圓規(guī)的原理框圖

主腳裝置和滑槽裝置是電子圓規(guī)的主體部分，滑槽裝置與主腳相連，副腳裝置固定于滑槽間，可在滑槽裝置上移動(dòng)，主腳與副腳之間距離即為所畫圓的半徑。紅外傳感測(cè)距裝置固定在主腳上，打開開關(guān)裝置，紅外測(cè)距裝置實(shí)時(shí)進(jìn)行圓規(guī)間的距離信號(hào)處理，讀數(shù)裝置顯示屏通過(guò)導(dǎo)線于紅外傳感測(cè)距裝置相連接，電子顯示屏將接受到地信號(hào)顯示在電子屏幕上，紅外測(cè)距裝置和讀數(shù)裝置由充電裝置和儲(chǔ)能裝置為其供電。緊定裝置跟隨副腳固定在滑槽裝置上，緊定裝置將副腳進(jìn)行固定，固定好后，副腳以主腳為軸進(jìn)行畫圓。

2.2 產(chǎn)品實(shí)物及重點(diǎn)零件

紅外測(cè)距傳感器的示意圖如圖3所示，由可充電電池、開關(guān)及充電口、LED顯示屏、集成電路板、紅外發(fā)射/接收裝置五個(gè)部分構(gòu)成。該裝置精度高，體積小，且壽命較長(zhǎng)，無(wú)須經(jīng)常更換。同時(shí)，定位滑塊如圖4所示，裝置采取螺紋孔連接，緊定效果可靠，不易松動(dòng)，使用者不需要擔(dān)心半徑距離發(fā)生變化。滑槽裝置如圖5所示，采用鏤空方式，減輕產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約材料，同時(shí)提高產(chǎn)品的剛度強(qiáng)度，更加耐用，也方便使用者的攜帶與使用。整體裝置操作簡(jiǎn)單，可靠耐用，如圖6所示。

圖3 紅外測(cè)距裝置圖

圖4 定位滑塊圖

圖5 鏤空移動(dòng)滑槽圖

圖6 智能圓規(guī)結(jié)構(gòu)圖

3 紅外測(cè)距模塊硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)

3.1 89C52單片機(jī)硬件電路的設(shè)計(jì)

單片機(jī)的硬件電路圖如圖7所示。

圖7 單片機(jī)硬件電路圖

單片機(jī)發(fā)出頻率為12 MHZ的晶振，XTAL1和XTAL2搭建振蕩電路，RST與按鍵組合完成復(fù)位動(dòng)作。單片機(jī)P0口接respack-8排阻，同時(shí)P0口作為數(shù)據(jù)口與LCD1602相連。P2口連接ACD0804模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，ACD0804用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。P2口讀取ACD0804的地址信號(hào)，內(nèi)部處理后從P0口將地址寫入LCD1602，LCD1602的液晶顯示屏顯示測(cè)得的距離，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)距的功能[4]。

3.2 紅外線測(cè)距硬件電路的設(shè)計(jì)

紅外線測(cè)量距離的硬件電路圖如8圖所示。

使用的紅外測(cè)距模塊為GP2D12，配合ADC0804模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器使用，測(cè)量射程范圍：10～80 cm，更新頻率/周期：25 Hz/40 ms，測(cè)量距離與輸出模擬電壓關(guān)系：2.4～0.4 V模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)10～80 cm，輸出與距離成反比非線性關(guān)系。GP2D12測(cè)得的模擬量通過(guò)ADC0804轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，從而配合單片機(jī)使用。

圖8 紅外線測(cè)量距離的硬件電路圖

3.3 液晶顯示接口硬件電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用LCD1602顯示器(LCD) 來(lái)進(jìn)行顯示，其原理圖如圖9所示。

圖9 LCD1602顯示器電路圖

第1腳VSS為地。第2腳：VDD接5 V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10 K的電位器調(diào)整對(duì)比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時(shí)可以讀外部信號(hào)，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。

3.4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)主要是主程序的設(shè)計(jì)。通過(guò)主程序的驅(qū)動(dòng)，使智能測(cè)距圓規(guī)可以完成距離的測(cè)量，為半徑的精確控制提供相應(yīng)的依據(jù)。軟件的設(shè)計(jì)流程如圖10所示。開始時(shí)，首先將AT89C52進(jìn)行初始化，通過(guò)紅外線信號(hào)的發(fā)射和采集得到電壓模擬信號(hào)，利用A/D轉(zhuǎn)換模塊將電壓轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的距離值，最后輸出相應(yīng)的距離值[5]。

圖10 軟件的設(shè)計(jì)流程

4 性能測(cè)試

4.1 半徑距離探測(cè)試驗(yàn)

打開紅外測(cè)距裝置的開關(guān)，在測(cè)量范圍內(nèi)從滑槽上等差取十個(gè)點(diǎn)?；瑒?dòng)滑塊改變副腳的位置，從而改變半徑的大小。分別記錄固定點(diǎn)和畫筆的實(shí)際距離和紅外線傳感器智能測(cè)距圓規(guī)測(cè)得的距離，每組重復(fù)十次實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)際所取的半徑距離 單位：m

表2中第一行是十組實(shí)驗(yàn)組測(cè)量距離的平均值，第二行是十組實(shí)驗(yàn)組測(cè)量距離的標(biāo)準(zhǔn)差，第二行是十組實(shí)驗(yàn)組測(cè)量距離的標(biāo)準(zhǔn)誤差。可見，在誤差允許范圍0.2%的前提下，該裝置所畫圓的半徑距離與實(shí)際距離相符，因此精度極佳。

表2 十組實(shí)驗(yàn)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、標(biāo)準(zhǔn)誤匯總表 單位：m

4.2 繪制圓時(shí)間的比較實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)分為兩組，一組采用傳統(tǒng)尺規(guī)作圖畫圓，另一組使用紅外線傳感器智能測(cè)距圓規(guī)畫圓。繪制不同半徑的圓，比較作圖時(shí)間，組內(nèi)組間對(duì)比，實(shí)驗(yàn)方法同上，其結(jié)果如表3所示。

表3 繪制圓時(shí)間的比較表

從表3中比較可見，使用智能圓規(guī)作圖的時(shí)間受半徑距離影響不大，同時(shí)，與傳統(tǒng)的尺規(guī)作圖相比，縮短了作圖的時(shí)間，而且所繪半徑越大，節(jié)省時(shí)間效果越明顯。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文“基于紅外線傳感器的智能測(cè)距圓規(guī)”，通過(guò)紅外線測(cè)距確定兩腳之間的距離，以單片機(jī)為核心處理數(shù)據(jù)，經(jīng)智能計(jì)算從而得到半徑距離。本智能圓規(guī)相較于傳統(tǒng)圓規(guī)有許多優(yōu)點(diǎn)，如測(cè)距精確度更高、畫圖時(shí)不易松動(dòng)、以滑動(dòng)代替轉(zhuǎn)動(dòng)效率更高等。本文對(duì)智能圓規(guī)進(jìn)行了闡述，通過(guò)簡(jiǎn)單的紅外測(cè)距模塊，實(shí)現(xiàn)高精度的距離測(cè)量，從而減小制圖的誤差，使制圖規(guī)范化，精準(zhǔn)化，便于使用者的使用。

本電子圓規(guī)滑槽式展開、距離準(zhǔn)確、成本不高的特點(diǎn)為其進(jìn)一步推廣提供了可能。對(duì)個(gè)人而言，能夠改善人們的繪圖條件，提高繪圖質(zhì)量；對(duì)制造傳統(tǒng)圓規(guī)的企業(yè)而言，利潤(rùn)空間很大，很有必要投入研發(fā)；對(duì)生產(chǎn)零件的企業(yè)而言，改進(jìn)其生產(chǎn)模式，降低其次品率，提高生產(chǎn)效率；對(duì)社會(huì)而言，科技推動(dòng)智能化，有利于社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展。因此本新型電子圓規(guī)設(shè)計(jì)開發(fā)的意義很大，市場(chǎng)前景十分樂(lè)觀。