摘 要

在当今许多的工业生产过程，尤其是在轧机生产线中，薄膜卷径的实时测量都是一个十分重要的环节，一个更为精确的测量系统能显著的提高生产效率。

本文对测量薄膜卷径的领域进行了研究，以单片机作为处理器，编写A/D转换程序以及LCD显示程序，激光传感器作为工作模块，完成一套薄膜卷径显示系统的设计。

本论文介绍的是一种基于STM32单片机并且运用意法半导体集团的53L0A1激光传感头所设计的薄膜卷径测量传感器。首先介绍激光以及激光传感器的分类以及应用和STM32单片机的构造和功能；然后阐述薄膜卷径显示系统的工作原理、基本结构，并对单片机、激光传感器和LCD液晶显示屏的工作电流进行介绍；最后，对系统进行整体构想，对硬件和软件进行设计，并对整个系统进行仿真和调试，验证系统的可行性。

关键词：薄膜卷径；单片机；激光传感器；LCDAbstract

In many of today's industrial production processes, especially rolling mill production lines, real-time measurement of film roll diameter is a very important part, and a more accurate measurement system can significantly increase production efficiency.

In this paper, the field of film roll diameter measurement is studied. The single-chip microcomputer is used as a processor, and A/D conversion program and LCD display program are programmed. The laser sensor as a working module completes the design of a film roll diameter display system.

This paper describes a thin film roll diameter measurement sensor designed based on the STM32 microcontroller and using STMicroelectronics' 53L0A1 laser sensor head. Firstly, the classification and application of laser and laser sensors and the construction and function of STM32 single-chip microcomputer are introduced. Then, the working principle and basic structure of the film roll diameter display system are described, and the operating currents of the single-chip microcomputer, laser sensor and LCD liquid crystal display are introduced; The overall concept of the system, the design of hardware and software, and the entire system simulation and debugging to verify the feasibility of the system.

Keywords :Film roll diameter;SCM;Laser sensor;LCD

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 卷径测量的方案讨论和选择 1

1.3 薄膜卷径显示系统设计思路 3

1.4 全文结构 4

第2章 薄膜卷径显示系统的硬件设计 5

2.1 激光测距的工作原理 5

2.1.1 相位法激光测距原理 5

2.1.2 脉冲法激光测距原理 7

2.2 薄膜卷径显示系统整体结构设计 7

2.3 薄膜卷径显示系统的传感器模块 8

2.3.1 VL53L0X工作模式 9

2.3.2 VL53L0X的电路图 11

2.4 薄膜卷径显示系统的单片机模块 12

2.4.1复位系统 14

2.4.2 时钟系统 14

2.4.3 JTAG/SWD下载电路 15

2.4.4 A/D转换模块 17

2.5 薄膜卷径显示系统的LCD显示模块 17

2.6 本章小结 18

第3章 薄膜卷径显示系统的软件设计与调试 19

3.1 薄膜卷径显示系统的工作流程 19

3.2 薄膜卷径显示系统软件程序设计 20

3.2.1 薄膜卷径显示系统的main程序 20

3.2.2 薄膜卷径显示系统的IIC程序 21

3.2.3 薄膜卷径显示系统的VL53L0X程序 22

3.2.4 薄膜卷径系统的LCD1602程序 24

3.3 本章小结 26

第4章 薄膜卷径显示系统的调试与实现 28

4.1 薄膜卷径显示系统的外观 28

4.2 薄膜卷径显示系统的程序下载方式 29

4.3 薄膜卷径显示系统的实际测量和误差分析 30

4.3.1 薄膜卷径系统的实际测量 30

4.3.2 薄膜卷径系统的误差分析 31

4.4 本章小结 32

第5章 总结与展望 33

5.1 工作总结 33

5.2 未来展望 33

参考文献 34

致谢 35

第1章 绪论

本文要基于STM32单片机，外接VL53L0X激光传感器和LCD1602液晶显示器实现实时测量薄膜卷径的系统。

1.1研究背景及意义

当今社会是一个越来越强调效率和精确度的时代，尤其是在工业领域，往往一点点的偏差差就会造成很大的影响。而在很多的工业制造过程中都会用的薄膜卷筒材料，其中薄膜卷径是其中一个非常重要的数值，起着十分关键的作用。因此，快速并且精确地测量出薄膜卷径十分的关键。

然而，在实际的工业生产的过程中，卷径的变化往往是快速而且无规则的，这样就给卷径的测量带来了很大的困难。

本文的研究目的就是为了探究一个卷径测量的解决方案。通常情况下，卷径的测量分为非接触式和接触式两种类型。接触式方案通过一个接触薄膜物体外径的轴将其中的卷径信息转换为位移量传递给相应的传感器，这些测量位移量的传感器一般包括行程开关、接近开关、电位器或者倾角传感器等等。非接触式方案则是用相应的传感器，多数情况下是超声波传感器或者是激光传感器等等来直接测量出薄膜卷筒外径和传感器之间的距离。接下来，本文将会对接触式方案和非接触式的方案分别进行更为详细的讨论。

1.2 卷径测量的方案讨论和选择

在本节，一共会列举3种不同的卷径测量方案，其中两种是非接触式的，另外一种是接触式的。

（1）电位器检测

电位器检测是一种接触式的卷径测量方式，原理如图1.1所示，图中的接触臂和薄膜卷筒材料的外表面相接触且紧贴着卷筒的外表面，当薄膜卷筒材料开始工作时，其外径会发生变化，此时，紧贴着卷筒外表面的接触臂会发生转动，此位移量会通过联动装置传导给电位器，来引起电位器的变化，从而检测出薄膜卷径的值。

图1.1 电位器检测薄膜卷径

由图1.2.1可以看出，这种接触式的方法十分地简单易型，但由于是直接接触物体的外表面，因此，对薄膜卷筒的精度有着十分高的要求。

（2）超声波检测

超声波检测是一种非接触式的方案，通过传感器发出的超声波来测量超声波传感器和薄膜卷筒外面的距离，然后再使用软件来将这个距离换算成卷径值。超声波检测的关键是超声波传感器必须对准薄膜卷筒物体的轴心，同时保证，传感器和薄膜物体的距离要在超声波的测距范围以内。

（3）激光检测

激光检测也是一直非接触式的方案，通过激光传感器发出的激光来测量激光传感器和薄膜卷筒外面的距离，然后再使用软件来将这个距离换算成卷径值。

激光检测与的关键是，传感器和薄膜物体的距离要在激光测距的范围以内。但是与超声波检测不同的是，激光传感器不一定要完全对准薄膜卷筒物体的轴心，因为激光传感器测量的是一个以一个点为圆形的圆距离的平均值，因此相对于超声波检测的方案其容错率更高。

比较以上的三种方案，很明显，由于接触式的方案需要直接与被测物体接触，但在实际的生产工作的过程中，往往不一定具备这样的条件，而且生产的环境有时也十分的复杂，这都给接触式的测量方案带来了很大的困难。所以，非接触式的方案更具备优势。而在非接触式的两种方案中，由于声音传播的速度是远远小于光速的，因此，超声波传感器相比于激光传感器需要更长的响应时间，并且声波信号更容易受到物体表面的影响，比起激光传感器也有着更大的局限性，综上所述，本文选用的是激光测距法来测量卷径值得方案。

1.3 薄膜卷径显示系统设计思路

在上一节中，我们一节对各种不同的检测方向进行了比较讨论并最终选择了激光测距的方法来测量卷径的值，在本节将会对这种方案展开具体的论述。

很显然，直接运用激光传感器只能够测出传感头到薄膜物体的距离，无法实现测出薄膜卷径的目的，因此，需要利用到给定的器件进行方案的设计。

激光传感器可以基于STM32单片机直接测出传感器到薄膜物体的距离，因此，如果测出传感器到薄膜物体距离，则只需要知道传感器到薄膜物体的轴的距离即可，因为不管卷径的值是在增大还是减小，传感器到薄膜物体的轴的距离都是一定的，是一个定值，所以只需要用这个值减去传感器到薄膜物体外部的距离即可，这样，就可以实现直接显示出薄膜卷径的目的。其原理如图1.2所示。

图 1.2 设计思路图

由于激光传感器直接测试的是传感器到薄膜物体外部的距离，所以为了LCD显示器能直接显示出卷径的长度，需要在软件部分撰写相关的代码加以实现。

1.4 全文结构

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