晏强，沈玄
(武汉纺织大学机械工程与自动化学院，武汉430073)
摘要：根据目前激光清洗设备中现有手持清洗头清洗效率低㊁无法根据待清洗工件自身高度进行自动调节等缺点，提出一种利用相位激光传感器㊁以太网通信模块组成的嵌入式系统解决方案㊂该方案利用激光传感器采集待清洗工件表面与激光设备振镜的高度,M C U接收传感器采集的有效数据后，控制步进电机工作，自动调节激光设备振镜与待清洗工件表面的高度，使待清洗工件表面一直处于激光的有效焦深内，从而改变现有激光清洗机的手工操作模式㊂实验结果表明，该系统有良好的鲁棒性和高效的清洗效果㊂ 关键词：焦距自适应；激光清洗；有效焦深;S TM32
中图分类号:T P273文献标识码:A
D e s i g n o f F o c a l L e n g t h A d a p t i v e L a s e r C l e a n i n g C o n t r o l S y s t e m B a s e d o n S T M32
Y a n Q i a n g,S h e n X u a n
(C o l l e g e o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A u t o m a t i o n,W u h a n T e x t i l e U n i v e r s i t y,W u h a n430073,C h i n a)
A b s t r a c t:A c c o r d i n g t o t h e s h o r t c o m i n g s o f t h e c u r r e n t h a n d-h e l d c l e a n i n g h e a d i n t h e l a s e r c l e a n i n g e q u i p m e n t s u c h a s l o w c l e a n i n g e f f i-c i e n c y a n d i n a b i l i t y t o a u t o m a t i c a l l y a d j u s t t h e h e i g h t a c c o r d i n g t o t h e h e i g h t o f t h e w o r k p i e c e t o b e c l e a n e d,a n e m b e d d e d s y s t e m s o l u-t i o n u s i n g a p h a s e l a s e r s e n s o r a n d a n E t h e r n e t c o mm u n i c a t i o n m o d u l e i s p r o p o s e d.T h e s o l u t i o n u s e s a l a s e r s e n s o r t o c o l l e c t t h e h e i g h t o f t h e s u r f a c e o f t h e w o r k p i e c e t o b e c l e a n e d a n d t h e g a l v a n o m e t e r o f t h e l a s e r d e v i c e.A f t e r r e c e i v i n g t h e v a l i d d a t a c o l l e c t e d b y t h e s e n-s o r,t h e M C U c o n t r o l s t h e o p e r a t i o n o f t h e s t e p p i n g m o t o r,a n d a u t o m a t i c a l l y a d j u s t s t h e h e i g h t o f t h e g a l v a n o m e t e r o f t h e l a s e r d e v i c e a n d t h e s u r f a c e o f t h e w o r k p i e c e t o b e c l e a n e d.T h e s u r f a c e o f t h e w o r k p i e c e i s a l w a y s w i t h i n t h e e f f e c t i v e d e p t h o f f o c u s,a n d c h a n g e s t h e m a n u a l m o d e o f o p e r a t i o n o f e x i s t i n g l a s e r w a s h e r s.T h e e x p e r i m e n t r e s u l t s s h o w t h a t t h e s y s t e m h a s g o
o d r o b u s t n e s s a n d e f f i c i e n t c l e a n i n g e f f e c t.
K e y w o r d s:f o c a l l e n g t h a d a p t a t i o n;l a s e r c l e a n i n g;e f f e c t i v e d e p t h o f f o c u s;S TM32
引言
随着科学技术的发展，人们利用水㊁化学物质㊁超生波
等发明了许多清洗方式，但这些传统的清洗方式遗留的废
料往往造成更大的环境污染㊂例如，利用超声波清洗的物
品需要被放置于化学溶液中，这些化学物质不仅会破坏环
境，并且危害人体建康，因此寻一种绿环保的清洗方
式尤为重要㊂激光以其非接触㊁激光强度高㊁无污染等特
性，成为一种新型的工业清洗技术[1-2]㊂目前激光清洗设备存在激光焦距深度无法根据待清洗工件的表面高度进
行自动调节的问题，造成清洗工件尺寸单一㊁工件特征单
一等问题㊂
本文以S TM32F107作为M C U实现激光控制和上位机的通信，利用相位激光传感器采集待清洗工件表面与激光设备振镜的高度，使待清洗工件表面一直处于激光的有效焦深内，利用以太网建立网络激光控制的数据传输方
式，使激光清洗脱离人工㊂
1系统总体设计
本文设计的焦距自适应激光清洗控制系统以S TM32F107作为微控制器，该系统主要由以太网通信模块㊁激光传感器㊁步进电机控制模块㊁激光控制模块㊁振镜驱动模块组成，还包括系统故障报警模块和最小系统的基本外围电路等㊂系统原理框图如图1所示㊂
该系统中S T M32F107与相位激光激光传感器，以及步进电机控制模块组成焦距自适应控制系统，调节待清洗物件表面与振镜的距离，使待清洗物件表面一直处于有效焦深内㊂利用M C U的以太网控制器(M A C)与物理层(P H Y)芯片L A N8720组成以太网数据传输系统㊂该系统在运行时，相位激光传感器将测量的距离数据发送给S T M32F107，数据经处理后与设定的焦距进行对比，利用步进电机提供
动力控制激光振镜上下移动；上位机发送的
图1 系统原理框图
控制命令通过以太网发送给S T M 32F 107
，控制命令经过M C U 解析后，分别控制执行机构工作，从而实现基于T C P
以太网网口控制的焦距自适应的振镜扫描式激光清洗㊂
2 系统硬件设计
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2.1 相位激光传感器数据接收的硬件设计
相位激光传感器的测距原理是通过测量连续的光波信号在激光发生器和待测物体之间往返传播产生的相位差，间接测量激光往返的传播时间，从而计算出被测距离
[3]
，其基本原理如图2所示㊂
图2 距离2D 后的光波相位变化
根据下式计算:
D =
c ϕ
2π
f
图3 R S 485电路原理图
式中,c 为激光在空气介质中的传播速度,ϕ为光波的相位移,f 为光波信号的调制频率㊂
相位激光传感器与S TM 32F 107之间采用R S 485
通信，其电路原理图如图3所示㊂在该模块中，由于MA X 3485工作在半双工状态，其发送或接收需要改变R E 端口
的高低电平，因此在S TM 32F 107和
MA X 3485之间加入三极管(S 8050)
，利用S TM 32F 107的U A R T 4_T X 端口在发送或接收时的电平变化控制R E 端口的电平㊂R 24为匹配电阻,低利率 通胀
用于消除由于传输时线路阻抗不匹配造成的反射干扰[
4]
㊂2.2 以太网通信硬件设计
媒体访问控制器(MA C )
和物理层接口(P H Y )
是以太网通信接口电路的2个重要组成部分，两者之间通过介质独立接口(M I I )或简化介质独立接口(R M I I )接口进行数据传送㊂M I I 接口需要16个数据和
控制信号的引脚，在实际使用中较为繁琐，而R M I I 接口只需要7根信号线，降低了10/100M 下微控制器以太网外设与外部P H Y 间的引脚数,
有效降低了硬件设计的难度，故本次设计使用R M I I 进行数据传送㊂
本设计采用的S TM 32F 107内置了MA C ，因此外部只需要连接P H Y 芯片㊁网络变压器以及R J 45插座就可
以连接到T C P /I P 网络㊂具有内置MA C 的以太网通信接
口电路原理图如图4所示㊂
p2p传输在本设计中，内置MA C 的S TM 32F 107与P H Y 的通信采用R M I I 模式，可以支持10M b p s 和100M b p
s 的数据通信速率，提供独立的双位发送和接收数据路径，可以使系统全双工工作㊂P H Y 选用的芯片是L A N 8720A ，该芯片通过网络变压器与R J 45插座相连，网络变压器的主要作用是用于电平信号的耦合，增强信号，从而提高其
传输距离[5]
㊂为了简化电路，本设计采用H R 911105A 带
有网络变压器的R J 45插座,
使系统的芯片与外部端隔离，防止不同电平网口相连时对系统产生影响，大大提高了其抗干扰能力㊂
3 系统软件设计
3.1 S 曲线模型电机控制算法
为了提高激光设备振镜上下运动的平稳性和快速到达目标位置，防止步进电机在运行时由于内部的反电动势
增加而造成电机发生丢步或堵转问题，因此步进电机的速
度控制是本系统的一个主要控制对象[
内家拳法
6]
㊂步进电机的工作原理是根据其每接收到一个脉冲就
转一个固定的角度，旋转的角位移量与接收的脉冲数量成正比，旋转速度是由脉冲频率控制的㊂步进电机的运动过程包括：低速启动㊁加速运行至目标速度㊁匀速运行㊁减速运行至停止㊂在脉冲控制工作模式，要使步进电机在各个
图4 以太网通信电路原理图
阶段平稳过渡，就要解决步进电机的加减速过程，而S 曲线函数模型的特征是开始缓慢增大，然后在一定范围内迅速增大，到达一定程度后，增大变缓慢趋于一个稳定值；减速时也一样，开始从稳定值缓慢减小，然后在一定范围内迅速减小，到达一定程度后，减小变缓慢趋于一个稳定值直至为零㊂这S 曲线刚好适合步进电机的加减速轨迹，由于加速和减速轨迹刚好是对称的，故本文以步进电机加速轨迹的S 曲线函数模型进行详细介绍㊂
本系统使用的S 曲线函数模型如下:
棱镜常数y=c +k /(1+e -a (x -b )/b )式中,c 表示步进电机启动频率,k 为增益,a 为倾斜率,b 为偏移量㊂
k =F m a x -F m i n
c =F m i n
式中,F m a x 为步进电机设定的目标速度,F m i n 为步进电机低速启动频率㊂
当倾斜率a 变化时，其S 曲线变化如图5所示㊂根据S 曲线特征可以看出，倾斜率a 决定了S 曲线区
间的变化快慢,a 越大,S 曲线越抖，其速度上升得越快，本系统中取a =5，由上图可以看出，当a =5时，曲线不仅走势比较平滑，而且也能快速稳定地到达设定的目标速度㊂
当偏移量b 变化时，其S 曲线变化如图6所示㊂
可以看出，偏移量b 不会影响S 曲线的形态，只是使
S 曲线沿x 方向偏移㊂当b =500时，可以满足使系统快速到达设定目标速度的要求㊂
3.2 相位激光传感器数据采集实现
目前高精度相位激光传感器有很多，在实际工作中，根据其需要选择相应接口的传感器，可以简化系统设计，有效降低成本㊂相位激光传感器采集数据主要包括启动采集数据㊁在中断服务程序中读取数据和对采集的数据进行处理
㊂
图5 倾斜率a 变化对S
曲线的影响
图6 偏移量b 变化对S 曲线的影响
中断服务程序如下:
v o i d U S A R T 2_I R Q H a n d l e r (v o i d
){ i f (U S A R T _G e t I T S t a t u s (U S A R T 2,U S A R T _I T _R X N E )
!=R E S E T ){ /
/接收中断 u a r t S b u f [a c i i C o u n t ]=U S A R T _R e c e i v e D a t a (U S A R T 2);//读取接收到的数据
i f (t e s t M o d e ){
i f (u a r t S b u f [9]=='&')//应答信号{ a c i i C o u n t =0;
//收到应答信号之后，接收数据量重新清零
u a r t S b u f [9]='0';} a c i i C o u n t ++;
i f (a c i i C o u n t >s t r i n g L e n t h ){//根据各个模式截取合适长度的字符串
a c i i C o u n t =0;
i m++;
i f ((u a r t S b u f [8]=='0'&&u a r t S b u f [9]=='0'&&
u a r t S b u f [12]=='0'&&u a r t S b u f [13]=='0'&&u a r t S b u f [14]
=='0')&&(i m<=10
)){ s u m=s u m+(u a r t S b u f [17]-48)*100+(u a r -t S b u f [18]-48)*10+(u a r t S b u f [19]-48); /
/计算测量距离
j u l i j
i s u a n _a d d ++;} i f (i m==10){ //连续测量10次有效数据
t e s t M o d e =0; S e n d U a r t 2A s c i i ("$00022123&"
); i m=0;
}}}}}相位激光传感器在实际应用中会受到环境噪声源的
干扰，比如电路纹波对采集数据的误差增大，还有机械振动㊁随机尖峰脉冲等都会对测量结果造成影响㊂由于激光的有效焦深为ʃ2mm ，这些环境噪声源会对数据采集产
生影响，使待清洗物体表面不是处于激光的有效焦深内，造成清洗效果差㊂如果要实现对相位激光传感器采集的数据进行有效性判断，保证采集的数据正确性尤为重要㊂在本系统设计中，单片机在采集
相位激光传感器的数据时，都会对采集的数据进行校验，每一轮都会采集10个有效性数据，同时程序中采用冒泡排序法将10个数据按从小到大的顺序排序，在计算激光设备的振镜与待清洗物体表面的距离时，会去掉第1个和第10个数据，取剩下8个数据的平均值㊂该数据处理方式能有效避免环境噪声源等对测量精度的不良影响㊂
4 系统性能测试
本系统测试主要对硬件部分和软件部分进行了测试㊂首先对核心处理器的外围各个模块进行了单独测试，在保证硬件电路性能稳定的情况下再进行软件测试㊂软件测试主要包括相位激光传感器数据采集和处理㊁步进电机S 曲线控制以及激光能量控制的各个功能程序测试㊂
为了验证本系统的清洗效果，对不同金属外型表面进
行了清洗实验㊂实验清洗效果如图7㊁图8所示，其中黑圈中为实验清洗部分
㊂
图7
锯齿形金属清洗效果图
图8 平面金属清洗效果图
结 语
激光清洗技术已成为绿环保㊁高效的工业清洗技
术，本文针对目前激光清洗设备的不足，提出了一种自动调节激光设备振镜与待清洗物体表面的高度控制系统，该系统组成结构简单，相比目前激光清洗设备控制系统优势明显，清洗效率高
㊂
2011年高考
参考文献
[1
]苏春洲，栾晓雨，王海军，等.激光清洗技术的初步研究和应用[J ].科技资讯,2013(26):36.[2]郭绍雄，陈玲，李悦，等.激光清洗的特点及应用[J ].
内蒙古科技与经济,2018(13):9294.
[3
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单片机与嵌入式系统应用,2016,16(1):4952.
[5]何晋，张一斌.基于C o r t e x M 3的嵌入式以太网门禁系统设
计[J ].单片机与嵌入式系统应用,2014,14(5):5255.
[6
]王燕东，彭明莎，李伟.嵌入式系统的多路步进电机控制系统的设计[J ].单片机与嵌入式系统应用,2016,16(3):67
69,73.
晏强(硕士研究生)，主要研究方向为嵌入式系统技术开发与应用㊁嵌入式激光标刻㊂
(责任编辑：薛士然 收稿日期:2018-11-06
)
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