务 勺 似 二维光电检测仪的设计 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａＩ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｔｅｃｔｏｒ 邢灿华‘，张德详 ，赵涛’ ＸｌＮＧ Ｃａｎ．ｈｕａ。，ＺＨＡＮＧ Ｄｅ．ｘｉａｎｇ 。ＺＨＡＯ Ｔａｏ’ （１．南京工程学院自动化学院，南京２１１１６７；２．扬州莱达光电技术有限公司，扬州２２５１２７） 摘要：本文介绍了一种二维光电检测仪的设计。它以硅光电池作为光电接收器，并将激光信号转换 为电信号，然后通过由单片机ＰＩＣ控制的可变倍率的高倍率低噪声放大器对微弓弓电信号进行放 大，同时采用可变衰减器ＭＡＸ５２１对模拟信号进行可选择的衰减。该检测仪能够适应激光光源 在远近距离和光的强弱变化情况下的高精度检测，确保了接收器的实用性和检测性能。这种 二维光电检测仪特别适用于对一些安装精度有特殊要求的施工场所，可以很好地解决传统安 装工艺带来的误差过大的问题。 关键词：二维光电检测仪；激光；单片机；光电池 中图分类号：ＴＰ２１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ００９－０１ ３４（２０１ ３）０８（下）一００２１—０３ Ｄｏｉ：１ ０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１ ００９－０１ ３４．２０１ ３．０８（下）．０７ ０引言 在现代化建设过程中，对于一些安装精度有 特殊要求的施工场所如电梯安装、铁路轨道校正 等，传统的作业方式已满足不了实际需求。二 维激光光电检测仪可以很好地解决传统安装工艺 带来的在水平和垂直方向误差过大的问题。它在 一器）及控制系统等组成。 系统 维光电检测仪（水平方向检测）的基础上增加 了垂直方向检测功能，其检测由单一线方向扩 展为面方向 】。本文在文献【２】的基础上以单片机 ＰＩＣ８７７Ａ为核心，采用高性能专用集成电路设计的 图１激光接收装置 调理电路，构建了由四象限光电检测仪实现的入射 光信号的二维平面光电自动跟踪，使入射光信号自 接收装置主要包括接收器、跟踪装置、控制 系统、编码器安装接口等。跟踪装置为水平导轨 和垂直导轨组成的二维跟踪系统。激光接收器是 激光接收装置的核心部件。为了实现两维的位置 检测，本文采用由１６片硅光电池组成四象限接收 器，接收区的接收面积为５５ｍｍ×５５ｍｍ。由于激 动保持在光电接收装置的中心位置，有效提高了光 电系统的综合性能，具有体积小、功耗小、能量 转化率高及工作稳定等特点。在工程测绘，大型 机械定位与空间对接，例如电梯安装、铁路轨道 水平垂直校正等大方面有着明显优势。 光光斑在距离２００ｍ处直径已经达到４５ｍｍ，因此本 文所设计的接收距离设定为５ｍ￣２００ｍ。 １系统组成与工作原理 １．１系统组成 二维光电检测仪主要包括半导体激光发射装 置和接收装置（如图１所示）两个部分。半导体激 光发射器可以对激光进行高低和方向的微调，激 光光源的发散度要求距离２００ｍ处光斑直径在５０ｍｍ １．２系统工作原理 将激光接收装置安装固定到需要校正的部件 上，将发射器对准接受装置的接收区域，使激光 照射到接受器。硅光电池的特性是在一定光能照 射下能产生一定的电动势。并且在一定范围内， 电动势的大小与接收到的光能大小成线性关系 。 以下。接收装置是系统的核心部分，它由激光接 收器、水平导轨、垂直导轨、位置传感器（编码 收稿日期：２０１３－０３－２１ 当激光发射器发射出点状光斑时，根据四个象限 上接收到的光强不同而产生不同的电压信号，经过 基盒项目：南京工程学院创新基金项目（ｃｌ（ＪＢ２０１２０９） 作者简介：邢灿华（１９６２一），男，江苏南京人，副教授，研究方向为工业自动化、检测与控制。 第３５卷第８期２０１３－０８（下） 【２１】 务ｌ造 ｌＩ５ 化 Ｓ Ｂ、ＳＣ、ＳＤ分别为光斑在４个象限上的分布面 积，Ｋ为比例系数。 ３．２软件设计 软件系统主要完成程控放大系数规划、信号 采用式（２）的计算量相对较大，为此根据激 光检测仪应用特点和精度要求，这里采用了一种 采集和控制等功能。程序采用模块化设计，包括 程序初始化、激光检测与输出控制、中断服务等 逻辑控制，如图５所示。 图５曩 接收器的接收面 为了便于检测，配置了８只ＬＥＤ灯，分别定义 ａ、ｂ、Ｃ、ｄ为象限灯，ｅ、ｆ、ｇ、ｈ为轴线灯用于辅 助控制。公式３给出了象限灯的控制逻辑表达式， 式中的 为与运算符号，ｕｒｅｆ为比较阈值，用来作 为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四个区域值比较的依据，该值在程 序里是随激光发射器和接收器的距离发生变化 的，这一点将在软件设计中进行说明。 ＬＡ＝ １．０）ｏ ｛［（ 一Ｕ ） “ ，】 ［（ 一 Ｄ） Ｕｒｅｙ］｝ ＬＢ＝ 口 １．０）ｏ ｛［（ Ｂ一 ）≥Ｚ！ｒｅｆ］ ［（ 一ｕｃ） ｕ，￣／ＪＩ］ｆ３） Ｌｃ＝（ ｃ １．Ｏ） ｛［（ ｃ一 口） 甜 ］ ［（ ｃ—ＵＤ） 甜 ］｝ ＬＤ＝＠Ｄ≥１．０）＠ ｛［（ Ｄ一 ｃ） Ｕｒｅｆ］ ［（ Ｄ一 ）≥Ｕｒｅｆ］｝ 下面以图５的光点位置为例对公式作进一步说 明。根据光点的位置可知，校正对象处于基准位置 的左下方，假设此时ｔｌ ，ＵＢ均大干１．０Ｖ，对应的象限 灯ａ，ｂ点亮，根据光点在接收区的分布，轴线灯ｅ，ｈ也 点亮，Ａ象限被校正指示灯ａ、ｅ、ｈ包围，表明目前 光点主要分布在Ａ象限，接收器需要向右上移动。 同样根据式（３）可以计算出Ｌ ＝１，Ｌ ：０，Ｌ ＝０， Ｌ。＝０，根据表１给出的逻辑控制有效动作输出表，可 以获得接收器需要移动的方向，输出给上位。 表１ 逻辑控制输出表 模块。 Ｙ 修正程控规划系数 采集输出信号 Ｙ 信号大予４．０Ｖ ＼／ Ｎ 根据程控规划系数确定比较 阈值 区域信号比￣ｎ－Ｓｍ 大于阈 Ｙ 根据逻辑关系 Ｖ 输出控制信号 Ｎ● 检测完成 图６输出控制程序框图 其中激光检测与输出控制是核心程序，包括 判断有无激光，距离检测、比较阈值确定，逻辑 判断及输出控制距离判断及处理几部分。其主要 程序流程框图如图６所示。本设计选用的激光发射 器在相对接收器距离５ｍ一２００ｍ时，接收器接收到 的电压值会随时发生变化，距离越远激光抖动将 会越厉害，对ＰＩＣ输入端的比较电压就会造成影 响，即距离越远电压值抖动就越大，所以在不同 距离四个象限之间的比较阈值是不同的。程序中 根据ＰＩＣ￣ＩＭＡＸ５２１之间通信的程控规划系数的值 来判断相对距离，同时根据实验得出了距离和比 较阈值之间的对应关系。 第３５卷第８期２０１３－０８（下） ［２３１