中北大学信息商务学院2013届毕业论文
塑性药柱尺寸检测系统的设计
摘要
本论文采用TCD132D线阵CCD为主要探测器件，依据非金属管状部件的结构特点，设计了几何尺寸光电测量装置。
本系统光源采用高强度窄波谱LED，经特殊的光学结构形成均匀的平行光。同时根据线阵CCD的工作原理与性能，采用CPLD技术设计了TCD132D时序脉冲驱动电路、A/D转换电路、数据存储与传输电路，从而实现了稳定的微米级尺寸几何量测量。通过实验测试，表明驱动电路能很好地与CCD器件配合，充分发挥CCD光电转换的特性，输出稳定可靠的图像信号。对系统采集的图像信号采用MATLAB软件进行处理，依据图像算法可完整得到所要检测的非金属管状部件的几何尺寸信息，完成对被检测部件的检测。
该系统具有速度快、精度高、可以进行非接触测量，同时可以测量多个参数等优点，故在高效实时在线检测方面有很好的应用前景。
关键词：线阵CCD；CPLD；图像测量；高速数据采集
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中北大学信息商务学院2013届毕业论文
Plastic grain size detection system design
Abstract
This paper using a linear CCD device TCD132D as the main research devices, according to non metal tubular shape, designs of the geometric dimensions photoelectric measuring device.
The light of the system using a narrow spectrum of high-intensity LED, form a uniform parallel light by a special optical structure. According to the working principle and performance of the linear CCD, CPLD technology to design a TCD132D timing pulse driver circuit, the A/D converter circuit for the main components of data acquisition system, in order to achieve a stable micron geometric measurement of class size. Experimental system, indicating that the drive circuit in conjunction with the CCD device, give full play to the characteristics of the CCD photoelectric conversion, the output is stable and reliable image signal. In this paper, the output image signal using MATLAB software for image processing, based on geometry information of the image algorithm can obtain the testing of non-metallic tubular member geometry information and complete the seized construction detection.
Experiments show that the system compared with the existing manual measuring method has the advantages of fast speed, high precision and can perform non-contact measurement and measure a plurality of parameters est.’s it has a very good application prospect in the real-time online detection.
Key words: linear array of the CCD; the CPLD; image measurement; high-speed data acquisition
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目 录
1 绪论 ............................................................... 1
1.1 课题研究背景以及相关理论 ...................................... 1
1.1.1 尺寸检测研究背景 ........................................ 1 1.1.2 非接触测量的研究方法 .................................... 2 1.2 线阵CCD尺寸测量的应用方法概述 ................................ 2 1.3 课题研究目的、理论意义和实际应用价值 .......................... 4 2 测量系统总体方案的设计及工作原理 ................................... 5
2.1 CCD检测方案的确定 ........................................... 5 2.2 测量系统的总体结构框架及功能分析 .............................. 7 2.3 线性CCD传感器的工作原理及特性 ............................... 8 3 系统硬件电路设计 .................................................. 10
3.1 硬件部分总体设计及工作原理 .................................. 10 3.2 驱动模块的设计 .............................................. 11
3.2.1 TCD132D结构及工作原理 ................................. 11 3.2.2 CCD驱动时序电路的工作过程分析 ......................... 13 3.2.3 TCD132D驱动时序电路的设计 ............................. 14 3.2.4 CCD光积分时间控制电路 ................................. 16 3.3 A/D转换模块的设计 .......................................... 16
3.3.1 数据放大电路的设计 ..................................... 16 3.3.2 A/D转换芯片的选择 ...................................... 17 3.3.3 TLC5510的特性及工作原理 ................................ 18 3.3.4 数据采集总体设计 ....................................... 19 3.3.5 CPLD对A/D转换的控制 ................................... 20 3.4 RAM模块的设计 .............................................. 21
3.4.1 RAM芯片的选取 .......................................... 21
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3.4.2 CPLD对RAM的读写控制 ................................... 23 3.5 单片机软件及接口设计 ......................................... 25
3.5.1 C8051F340简介 .......................................... 25 3.5.2 单片机工作流程及设计 ................................... 26 3.6 照明系统的设计 ............................................... 29
3.6.1 光源的选择 ............................................. 29 3.6.2 照明系统的设计 ......................................... 30
4 图像处理算法的实现 ................................................ 31
4.1 图像处理技术概述 ............................................. 31 4.2 处理算法流程分析及实验结果初步分析 ........................... 31
4.2.1 算法设计总体框架 ....................................... 31 4.2.2 线性CCD信号的特点及实验结果的初步分析 ................. 32 4.3 图像分析及图像预处理 ......................................... 34
4.3.1 几何变换 ............................................... 34 4.3.2 生成并绘制图像的直方图 ................................. 36 4.3.3 图像的平滑处理 ......................................... 37 4.3.4 图像二值化 ............................................. 41 4.4 边缘检测 ..................................................... 42 5 总结 .............................................................. 46 附录1： ............................................................. 47 附录2： ............................................................. 48 附录3： ............................................................. 49 参考文献 ............................................................ 52 致谢 ................................................................ 55
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1 绪论
1.1 课题研究背景以及相关理论 1.1.1 尺寸检测研究背景
国内外对于物体尺寸检测从检测方式上来说，可以分为人工检测和自动检测两类，其中人工检测主要以游标卡尺及千分尺作为测量工具。这种检测方式可以根据检测物体尺寸的实际情况采用灵活的检测方式，但速度低，效率慢，并且检测精度受人为因素影响较大，而且只能实现离线检测，不能实时发现生产过程中参数的变化。
在进入二十世纪以后，随着科学技术的发展，在工业上应用于物品形貌检测的方式方法已经变得多种多样，从测量方式上来说可以分为接触式和非接触式两种检测方式。
接触式测量都是通过自带的探头在物体表面滑动来感知物体形貌的变化。这种检测方式可以用于检测平缓曲面和平面的物体，如表面有无蚀坑等小缺陷。例如，主要用于精密表面的轮廓检测的轮廓仪，这种轮廓仪可以精确检测到物体轮廓的起伏变化，径向精度可以达到0.05μm。三坐标测量仪可以测量较为复杂的机械加工表面，这种检测仪通过探针在表面滑动，给出表面各点的三维坐标，精度较高，主要应用在形位公差的测量中。这些设备的特点是测量精度高，价格昂贵，对测量表面要求高，一般都是应用在平缓变化的曲面或平面。
对于非接触式测量而言则以光测为主。在目前，一般是将光测方法与图像处理技术相结合，利用光学方法对检测目标的位置、尺寸、方位、形状和目标间相互关系等进行测量，这种检测方式在工业测试方面具有广泛应用。光测具有高精度、非接触、全场测量的三大重要特点。非接触测量对被测物不用加以任何干扰限制，因此可以独立、客观地对被测物进行静态或动态的测量。这使得许多不能在被测物上附加传感器的测量成为可能，并且更直观和客观。光测方法主要包括有云纹法、激光散斑干涉计量技术、直接光学成像测量方法。
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