磨损度的CCD光电非接触检测技术研究.docx
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磨损度的CCD光电非接触检测技术研究
磨损度的CCD光电非接触检测技术研究
摘要：
21世纪世界钢铁工业竞争激烈，焦点在于钢材的质量好并且生产成本低。
轧辊长期工作后表面会有一定程度的磨损，如何检测轧辊的磨损度成为影响钢铁工业的关键技术。
光电耦合器件即CCD是20世纪70年代发展起来的新型半导体图像传感器。
它可以通过光电转换将位置、角度、尺寸等非电量信息转换成电荷信号，从而完成比较精确的测量工作。
CCD以其测量范围大、频率响应高、实时传输光电变换信号快，在非接触测量领域有着广泛的应用和发展前景。
本文以CCD为关键检测器件，驱动电路以STC12C5A60S单片机为基础，充分利用其可编程的特点，可以根据不同CCD的驱动时序要求，设计不同的驱动电路，而且程序简单可靠，时序调节方便灵活。
本文详细介绍了线阵CCD驱动电路的设计思想及实现方法，对其在轧辊磨损度方面进行了研究，实验证明此系统测量精度高，可以很好地完成检测任务。
关键词：
线阵CCD，单片机，驱动电路，非接触检测
1系统测量原理及总体方案
轧辊被均匀照明后，经光学系统按照一定的倍率成像，影像反应轧辊的尺寸，在CCD的光敏面上，CCD期间把光敏上的轧辊影像的光学信息转换成与光强成正比的电荷量。
用一定频率的时序脉冲驱动CCD，在CCD输出端获取被测轧辊的视频信号。
视频信号中的每一个离散的电压信号的大小对应着光敏元所接收的光强的强弱，信号输出的时序则对应着光敏元位置的顺序。
对视频信号进行二值化处理后，再利用51单片机系统对信号进行测量、处理、即可得到接收到光源的光敏元的位置，用计数法把对应光敏元的位置转换成尺寸。
该系统包括激光光源、CCD器件及其驱动电路、滤波放大电路、A/D转换电路、液晶显示器以及上位机处理器。
系统框图如下。
图1
2系统的各单元设计
2.1电源设计
方案1：
采用10节1.5V干电池供电，电压达到15V，经L7812稳压后给系统供电，然后将12V电压再次降压，稳压到5V后给单片机和其他芯片供电。
但干电池电量有限，并且随着使用时间的延长，其电压会逐渐下降，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，放弃了这种方案。
方案2：
采用15V左右的可充电式锂电池，经过L7812、L7805稳压后给单片机主控系统和其他芯片。
随着使用时间的延长蓄电池其电压会逐渐下降，稳定性也不好，也放弃该种方案。
方案3：
采用220V交流电，然后设计整流、稳压等电路，将220V交流电变为直流，再分别经L7812、L7805稳压到12V和5V。
但是这种方案，持续供电性好，且系统运行不需要经常变动位置，我们选择这种方案。
电源电路原理图如下。
图2
2.2光学系统
由于CCD像敏元所成的像的稳定性与准确性对系统的精度影响很大，这就要求光学系统成像较好、杂散光少、像面照度分布均匀、成像的几何畸变小。
我们采用激光器作为光源，激光的最大特点是方向性好。
将激光器发出的细束光扩束成平行光可直接作为测量光源。
用激光照射轧辊，透过放大镜使轧辊的轮廓的像呈现在CCD光敏元面上，这时，受光照的光敏元输出高电平，为受到的输出低电平。
于是CCD输出信号端可得到与轧辊半径成比例的脉冲信号，通过计数脉冲可以得到测量结果，光学系统如图3。
图3光学系统
2.3驱动电路设计
2.3.1驱动时序分析
CCD是一种新型的图像信息转换和探测器件。
它通过光电转换可以将非电量信息转换成电荷信息，可以保证测量的准确度。
CCD的核心部件是表面上依次排列的MOS光敏半导体。
当光线入射到光敏元上时，由于光强度的不同，产生的光生电子的数量不同，依次排列的光敏元就会产生于光强成正比的电信号，并存储在MOS存储单元中。
CCD存储单元的电荷在外加驱动信号的作用下一个接一个的顺序转移，通过输出放大器在CCD的输出端产生于存储电荷成正比的输出电压，再由微处理器进行处理。
CCD器件分为线阵和面阵两种。
线阵CCD是指光敏元排列在一条直线上，构成光敏线。
面阵CCD是指光敏元排列在一个平面上，构成的光敏面。
由于线阵CCD实时传输光电变换信号速度快，频率响应高，能够实现动态测量，能在低照度下工作，结构简单便于安装，成本较低，所以本文采用线阵CCD。
不同型号的CCD对应不同的驱动电路。
在选择CCD器件时，也要根据测量环境和技术指标来设计灵活方便的驱动电路与之匹配。
本文选用东芝公司生产的TCD1251UD。
该器件是一种高灵敏度、低暗电流、2700像元的双沟道线阵CCD图像传感器。
工作电源电压为12V，驱动电压为5V。
该CCD器件需要4路驱动脉冲。
其中1A、1B分别为驱动时钟的第一相和第二相，2A、2B分别为末极时钟的第一相和第二相，SH为转移脉冲，RS为复位脉冲，这6个脉冲的幅值大小均为+5V，OD为驱动电源电压，其值为+12V，SS是地,OS为信号输出,DOS为补偿输出。
TCD1251UD的四个驱动脉冲之间的关系如图2所示。
转移脉冲SH的脉冲宽度没有要求，其下降沿是每行输出的起始点，时钟脉冲1，末极时钟2是频率相同，占空比均为50%，相位相差90度的两路脉冲，其作用为驱动信号电荷进行定向转移。
复位脉冲RS的频率是时钟脉冲频率的二倍，它能清除输出端输出一个单元电荷后所残留电荷,以保证下一个单元电荷电压的正确输出。
由其时序图可以看出，1（1A和1B）和2（2A和2B）是两路频率相同，相位相差90°的脉冲。
为保证输出信号的正确，必须使时钟脉冲的第零个高电平的脉宽大于转移脉冲的高电平宽度。
RS复位脉冲的频率是时钟脉冲的2倍。
在整个积分范围内，TCD1251UD要输出2700个像元以及前后76个哑元像元，因此积分时间至少要大于1388个时钟脉冲周期。
在满足这样的条件下，才能确保输出信号和补偿输出信号的正确。
时序图如下。
图4驱动时序
2.3.2驱动电路设计
选用单片机STC12C5A60S，该单片机抗干扰性强，功能强大，速度比传统的8051单片机快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM8路高速A/D转换。
该单片机的晶振频率为24MHz，机器周期为1/24微秒，即在1微秒内单片机可以执行24条单机器周期指令。
机器周期降为标准8051单片机的24倍，为快速驱动提供了可能。
基本思想是：
两路相位相差90°的时钟脉冲分别由P1.0和P1.1输出，同时P1.0与P3.4相连构成计数器。
复位脉冲由P1.2输出，转移脉冲由P1.3输出。
电路连接图见图5。
图5驱动电路图
初始化包括定时器T0的初始化和IO口P1=0x01的初始化。
转移脉冲SH放在中断程序中来完成。
TCD1251UD的驱动时序仿真图如图6。
由时序仿真图可见，四路驱动脉冲输出稳定，无毛刺现象出现，完全满足TCD1251UD的工作要求。
图6驱动仿真时序
2.4信号处理
经驱动电路的正确驱动，把OS端的输出信号接入示波器，信号随着光照强度呈线性变化，说明驱动的正确性。
可以看出转移脉冲OS有尖峰脉冲的出现，因此考虑用滤波电容消除尖峰脉冲,经过滤波之后的波形变坏了，所暂且不进行滤波。
信号输出如下图。
图7OS输出信号
CCD输出的有效信号OS是含有经过光积分的有效光电信号,而补偿信号DOS则反映了CCD的暗电流特性,也反映了CCD在复位脉冲的作用下信号传输沟道产生的容性干扰OS和DOS的理想输出波形,易看出两信号被RS容性干扰的相位是相同的,可以利用差分放大器完成信号的放大与抑制共模干扰作用。
信号调理电路如图8。
图8信号调理电路
2.4.2数据处理
用游标卡尺测得轧辊模型的直径D，本次试验通过测量值与实际比较得到轧辊的磨损情况，即磨损大小
，由半径R与d的几何关系（如图）可得
，进而推出
，所以
。
其中f=10cm，L=20cm。
以下为实验测得的几组数据，从表中可以看出测量磨损度与真实磨损度（
1）非常接近，证明了实验数据的正确性也说明了系统达到了检测的目的。
表格1单位（mm）
编号
标准值D
游标卡尺测量值
D1
CCD测量值
2R
测量磨损度（D与d的差）
真实磨损度
（D与D1的差））
1
1
25.00
24.45
24.38
0.62
0.55
2
25.00
24.55
24.50
0.50
0.45
3
25.00
24.48
24.44
0.56
0.52
4
25.00
24.35
24.30
0.70
0.65
3程序设计
程序设计主要包括驱动程序的设计以及数据处理程序设计，具体思路见流程图。
驱动程序基本思想是：
两路相位相差90°的时钟脉冲分别由P1.0和P1.1输出，同时P1.0与P3.4相连构成计数器。
复位脉冲由P1.2输出，转移脉冲由P1.3输出。
图9驱动程序设计流程图
通过计数器检测光照所在的光敏元的位置，用所在光敏元的排列次序N乘以光敏元的大小就得到对应的尺寸，然后将数值AD转换得到数值显示出来。
图10数据处理程序流程图
4结论
本项目旨在基于线阵CCD检测技术原理，对轧辊磨损度的检测，通过研究型号为TCD1251UD的线阵CCD，以STC12C5A60S单片机为基础，充分利用其可编程的特点，可以根据不同CCD的驱动时序要求，设计驱动电路，而且程序简单可靠，时序调节方便灵活，摒弃使用CPLD、FPGA等复杂的可编程逻辑芯片，为线阵CCD提出新型的驱动方法。
实验证明STC12C5A系列的单片机完全可以很好的驱动线阵CCD。
实验也对其在轧辊磨损度方面进行了研究，通过光学系统，把轧辊的半径的数学模型建立，得到测量值，用测量值与实际值比较就得到了轧辊的磨损情况，实验证明此系统测量精度高，可以很好地完成在轧辊磨损度方面的研究，完成项目的预期目标。
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