一种多功能双目激光检测系统的制作方法

1.本发明涉及激光检测技术领域，具体而言，涉及一种多功能双目激光检测系统。


背景技术：

2.长度计量是常规计量项目中最基本的项目之一，也是日常生活和工业生产中最常遇的被测项目之一。长度计量和国民经济的发展有着十分密切的关系，尤其在智能建造、先进制造和国防科技工业中被广泛应用，在计量测试机构中有着重要的地位。
3.随着科学技术的发展，特别是集成电路、信号处理技术、半导体芯片等领域的集成融合，利用激光检测技术进行长度计量已成为常态，激光检测仪应运而生。使用传统的尺量检测不仅费时费力，而且由于尺子长度的限制，在进行长距离检测时有可能因为分段测量的累加而导致数据失真，激光检测仪则突破了传统尺量的限制，在各方面发挥着它独有的优势。随着人们对激光检测仪的开发及优化，激光检测仪的使用范围已越来越广，尤其在地形勘测、交通定位、汽车安全距离检测、机械工业以及建筑施工等领域发挥着重要的作用。
4.经调研分析，现有市场上的激光检测仪虽然具有体积小、成本低、检测快和精度高等优点，但是它们在测量时，需要依靠一个固定点，并将激光投射至物体上，得到的距离是激光源到该物体的距离，属于平面内的检测，无法突破空间带来的限制，若是遇到悬空的物体，如测量悬挂在半空中的两盏灯之间的距离、测量一扇窗户的尺寸、测量堆场中预制构件的长度及宽度时则无法使用。另外，市场上也存在一些检测仪器，如全站仪，能够对空间中任意两点之间的距离进行测量，但是这些仪器均由摄像系统组成，系统运算量非常大，对计算单元的性能要求非常高，使得这类仪器的集成化、小型化和便携化的难度较大，同时仪器的成本很高。
5.因此，提供一种能够方便测量空间中任意两点之间距离的仪器，同时该仪器还具有成本低、精度高和功能集成等优点是现有技术需要解决的问题。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明提供了一种成本低、精度高，能够方便测量空间中任意两点之间距离并集成垂直度与相邻两面夹角检测功能的检测系统。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多功能双目激光检测系统，设于激光检测仪器内部，包括控制器和与所述控制器相连的至少两个激光传感器、角度传感器和电源模块；所述激光传感器用于测量激光发射点至在空间中投射点的距离；所述角度传感器用于测量两个激光传感器所发射光束之间的夹角；所述电源模块用于为控制器、激光传感器和角度传感器提供电能；所述控制器用于根据两个激光发射点至在空间中投射点的距离，以及两个激光传感器所发射光束之间的夹角，获得空间中任意两投射点之间的距离。
8.作为优选方案，所述空间中任意两投射点之间的距离计算公式如下：
[0009][0010]
上式中，la为两发射光束的交点到投射点a的距离，lb为两发射光束的交点到投射点b的距离，α为两发射光束之间的夹角。
[0011]
作为优选方案，所述控制器的最小系统包括芯片u8、及与其连接的时钟电路、复位电路、swd调试编程接口、boot设置模块和滤波电路，所述时钟电路包括8mhz高速外部时钟和32.768khz低速外部时钟，用于产生时钟信号驱动芯片u8，所述复位电路用于使芯片u8恢复到起始状态，所述swd调试编程接口用于连接测试工具对芯片u8进行测试，所述boot设置模块用于设置boot引脚为高电平或低电平，以决定执行程序的起始区域，所述滤波电路由多个钽电容和瓷电容并联连接，其用于过滤杂波信号。
[0012]
作为优选方案，所述电源模块包括供电切换电路，所述供电切换电路包括二级管d7、电阻r37和mos管q6，所述二级管d7的正极、电阻r37一端部和mos管q6的g极均与usb电源的vusb端相连，所述二级管d7的负极接芯片u8的vcc引脚，所述电阻r37另一端部接地，所述mos管q6的d极与电池接口的第二端相连，且所述电池接口的第一端接地，所述mos管q6的s极接芯片u8的vcc引脚。
[0013]
作为优选方案，所述电源模块还包括充电检测电路，所述充电检测电路包括芯片u9、电容c52、电阻r28、电阻r26、电阻r25、二极管d4、电阻r27、电阻r30和mos管q5，所述芯片u9的vcc引脚与usb电源的vusb端相连，且所述usb电源的vusb端串联电容c52后接地，所述芯片u9的gnd引脚接地，且其prog引脚串联电阻r28后接地，所述芯片u9的chrg引脚与芯片u8的pa4引脚相连，且两者之间并联连接有电阻r26、电阻r25和二极管d4，所述芯片u9的bat引脚分别与电池的vbat引脚和电阻r27一端相连，所述电阻r27另一端与电阻r30和mos管q5串联连接，且在所述电阻r27和电阻r30之间连接有低通滤波电路，所述mos管q5的g极与芯片u8的pa1引脚相连，且其s极接地。
[0014]
作为优选方案，所述电源模块还包括5v稳压输出电路和3.3v稳压输出电路，所述5v稳压输出电路包括芯片u11、电感l2、电容c57、电容c58、电容c59和电容c60，所述芯片u11的lx引脚通过电感l2与芯片u8的vcc引脚相连，且其vbat引脚与芯片u8的vcc引脚相连，所述电容c59和电容c60并联连接后一端与芯片u8的vcc引脚相连，另一端接地，所述电容c57和电容c58并联连接后一端与芯片u11的vout引脚相连，另一端接地，所述芯片u11的gnd引脚接地；所述3.3v稳压输出电路包括芯片u10、电容c53、电容c54、电容c55和电容c56，所述电容c53和电容c54一端与芯片u10的in引脚相连，另一端接地，所述电容c55和电容c56一端与芯片u10的out引脚相连，另一端接地，所述芯片u10的gnd引脚接地。
[0015]
作为优选方案，还包括与所述控制器相连的垂直度模块，所述垂直度模块用于测量激光检测仪器在水平和垂直方向上的倾角。
[0016]
作为优选方案，所述角度传感器还用于测量物体相邻两面夹角。
[0017]
作为优选方案，还包括与所述控制器相连的蓝牙模块，键盘模块和显示模块，所述蓝牙模块用于通过蓝牙无线通信协议将数据传输给其它的设备，所述键盘模块用于实现系统的开关机、工作模式的选择、工作方式的选择以及单次测量的控制，所述显示模块用于显示系统的控制信息和测量数据。
[0018]
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过激光传感器测量激光发射点至在
空间中投射点的距离，通过角度传感器测量两个激光传感器所发射光束之间的夹角，实现了非接触的方式测量空间中任意两点之间的距离，测量范围广、准确度高。采用32位处理器、测量误差为1mm的激光测量传感器和输出为15位数字量的角度传感器等元器件的使用保证了本系统各个物理量测量的高精度以及使用稳定性。电源模块由供电切换电路、充电检测电路、5v稳压输出电路和3.3v稳压输出电路组成，实现了usb电源和电池双供电，充电安全，可靠性高。采用蓝牙的方式传输数据至手机、电脑等设备，除了具有低功耗、实时性的优点，还具有很好的兼容性。本发明提供了一种成本低、精度高，能够方便测量空间中任意两点之间距离并集成垂直度与相邻两面夹角检测功能的检测系统。
附图说明
[0019]
参照附图来说明本发明的公开内容。应当了解，附图仅仅用于说明目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。在附图中，相同的附图标记用于指代相同的部件。其中：
[0020]
图1为本发明实施例的多功能双目激光检测系统的结构示意图；
[0021]
图2为本发明实施例的空间任意两点之间距离测量示意图；
[0022]
图3为本发明实施例的控制器最小系统的电路结构示意图；
[0023]
图4为本发明实施例的供电切换电路的结构示意图；
[0024]
图5为本发明实施例的充电检测电路的结构示意图；
[0025]
图6为本发明实施例的5v稳压输出电路和3.3v稳压输出电路的结构示意图；
[0026]
图7为本发明实施例的usb接口和程序下载电路的结构示意图；
[0027]
图8为本发明实施例的角度传感器的电路结构示意图；
[0028]
图9为本发明实施例的垂直度模块的电路结构示意图。
具体实施方式
[0029]
容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
[0030]
根据本发明的一实施方式结合图1示出。一种多功能双目激光检测系统，设于激光检测仪器内部，包括控制器和与控制器相连的至少两个激光传感器、角度传感器和电源模块；激光传感器用于测量激光发射点至在空间中投射点的距离；角度传感器用于测量两个激光传感器所发射光束之间的夹角。该角度传感器还用于测量物体相邻两面夹角，即将仪器左臂边缘贴近物体一面，将仪器右臂边缘贴近物体相邻一面，角度传感器自动检测出该物体相邻两面的夹角。电源模块用于为控制器、激光传感器和角度传感器提供电能；控制器用于根据两个激光发射点至在空间中投射点的距离，以及两个激光传感器所发射光束之间的夹角，获得空间中任意两投射点之间的距离。
[0031]
本发明实施例中，该系统还包括与控制器相连的蓝牙模块，键盘模块和显示模块，蓝牙模块用于通过蓝牙无线通信协议将数据传输给其它的设备，键盘模块用于实现系统的开关机、工作模式的选择、工作方式的选择以及单次测量的控制，具体的，该键盘模块设有四个按键，分别实现系统的开关机、工作模式的选择、工作方式的选择以及单次测量的控
制。显示模块用于显示系统的控制信息和测量数据，该显示模块为tft液晶屏。
[0032]
参见图2，为本发明实施例的空间任意两点之间距离测量示意图。图中l1为激光传感器a测量的距离，l2是仪器左臂的长度，α是角度传感器模块测得的角度值，即两发射光束之间的夹角，d是激光传感器所发射激光束的延长线与右边距之间的距离。则
[0033][0034]
因此，在仪器左臂、仪器右臂和待测长度构成的三角形中，左边总长度为：
[0035]
la＝l1 l2 l3[0036]
同理，可得右边激光传感器b测量的总长度为lb，因此，根据余弦定理，空间中任意两投射点之间的距离l计算公式如下：
[0037][0038]
上式中，la为两发射光束的交点到投射点a的距离，lb为两发射光束的交点到投射点b的距离，α为两发射光束之间的夹角。
[0039]
参见图3，上述控制器的最小系统包括芯片u8、及与其连接的时钟电路、复位电路、swd调试编程接口、boot设置模块和滤波电路，该时钟电路包括8mhz高速外部时钟和32.768khz低速外部时钟，用于产生时钟信号驱动芯片u8。复位电路用于使芯片u8恢复到起始状态。swd调试编程接口用于连接测试工具对芯片u8进行测试。boot设置模块用于设置boot引脚为高电平或低电平，以决定执行程序的起始区域，以实现系统可以用不同的方式启动。滤波电路由多个钽电容和瓷电容并联连接，其用于过滤杂波信号，确保芯片u8供电电压的稳定。具体的，该芯片u8采用arm架构的stm32处理器，型号为stm32f103rct6，32位的处理器保证了系统的高精度。
[0040]
本发明实施例中，激光传感器的数量为2个，分别为激光传感器a和激光传感器b，具体可以为635nm激光或者ii级激光，激光传感器a与芯片u8的pa9、pa10引脚相连，激光传感器b与芯片u8的pa2、pa3引脚相连。
[0041]
参见图4，上述电源模块包括供电切换电路，该供电切换电路包括二级管d7、电阻r37和mos管q6，二级管d7的正极、电阻r37一端部和mos管q6的g极均与usb电源的vusb端相连，二级管d7的负极接芯片u8的vcc引脚，电阻r37另一端部接地，mos管q6的d极与电池接口的第二端相连，且电池接口的第一端接地，mos管q6的s极接芯片u8的vcc引脚。
[0042]
当usb电源vusb未接入的时候，mos管q6的g极接地，因此mos管q6被完全打开，锂电池vbat端通过mos管q6给系统提供电压vcc。当usb电源vusb接入时，二极管d7导通，mos管q6的g极和s极承受正向电压，mos管q6处于不导通状态，其内部二极管也处于反向截止状态，此时usb电源vusb通过二极管d7给系统提供电压vcc。具体的，该mos管q6的型号为cj3401，二极管d7的型号为b5817w。
[0043]
参见图5，上述电源模块还包括充电检测电路，充电检测电路包括芯片u9、电容c52、电阻r28、电阻r26、电阻r25、二极管d4、电阻r27、电阻r30和mos管q5，芯片u9的vcc引脚与usb电源的vusb端相连，且usb电源的vusb端串联电容c52后接地，芯片u9的gnd引脚接地，
且其prog引脚串联电阻r28后接地，芯片u9的chrg引脚与芯片u8的pa4引脚相连，且两者之间并联连接有电阻r26、电阻r25和二极管d4，芯片u9的bat引脚分别与电池的vbat引脚和电阻r27一端相连，电阻r27另一端与电阻r30和mos管q5串联连接，且在电阻r27和电阻r30之间连接有低通滤波电路，mos管q5的g极与芯片u8的pa1引脚相连，且其s极接地。
[0044]
当usb电源vusb接入时，锂电池vbat端被充电，二极管d4为充电指示灯被点亮。当锂电池被充满时，二极管d4自动熄灭。另外，本系统中锂电池剩余电量的检测是通过检测锂电池电压，然后查找电压与剩余电量之间关系表来获得锂电池剩余电量的。图中r27和r30两个电阻串联分压把锂电池电压通过cell_vol引脚传递给控制器，控制器通过ad转换器把电压信号转换成数字量，然后通过查表把电压转换成剩余电量在显示器上进行显示。而且，图中电阻r1和电容c3构成低通滤波电路，使得控制器采集的电压信号更准确。具体的，芯片u9的型号为me4054。
[0045]
参见图6，上述电源模块还包括5v稳压输出电路和3.3v稳压输出电路，5v稳压输出电路包括芯片u11、电感l2、电容c57、电容c58、电容c59和电容c60，芯片u11的lx引脚通过电感l2与芯片u8的vcc引脚相连，且其vbat引脚与芯片u8的vcc引脚相连，电容c59和电容c60并联连接后一端与芯片u8的vcc引脚相连，另一端接地，电容c57和电容c58并联连接后一端与芯片u11的vout引脚相连，另一端接地，芯片u11的gnd引脚接地；3.3v稳压输出电路包括芯片u10、电容c53、电容c54、电容c55和电容c56，电容c53和电容c54一端与芯片u10的in引脚相连，另一端接地，电容c55和电容c56一端与芯片u10的out引脚相连，另一端接地，芯片u10的gnd引脚接地。
[0046]
图6中vcc接入来自usb电源或者锂电池的稳定电压，稳定电压vcc通过芯片u11转换成稳定的 5v电压给角度传感器模块等负载供电。 5v电压通过芯片u10转换成稳定的 3.3v电压输出， 3.3v电压主要给控制器、显示器、激光检测传感器和垂直度模块等负载供电。具体的，该芯片u11的型号为me2107，芯片u10的型号为ams1117-3.3。
[0047]
参见图7，该系统还包括usb接口和程序下载电路。当系统需要usb电源供电或者锂电池需要充电时，usb电源从p21的usb接口接入本系统。另外，当控制器里面的程序需要更新时，上位机通过p21的usb接口连接控制器。此时利用芯片u12完成usb转串口协议的功能，实现了上位机的usb接口和控制器的usart异步串口进行数据通信。具体的，该芯片u12的型号为ch340c。
[0048]
参见图8，为本发明实施例的角度传感器的电路结构示意图。该角度传感器的芯片u8采用巨磁阻原理的15位绝对磁编码器，其型号为tle5012。15位磁编码器保证了本系统的角度分辨率能达到0.01度，提高了本系统的精度和分辨率。
[0049]
参见图9，该系统还包括与控制器相连的垂直度模块，该垂直度模块用于测量激光检测仪器在水平和垂直方向上的倾角，使得该系统在检测的同时具备测二维垂直度的功能，从垂直度检测方面丰富了系统的功能。
[0050]
控制器通过i2c接口从芯片u6中读取加速度和角速度传感器的原始数据，这些原始数据结合芯片u6的嵌入式运动驱动库，通过姿态融合结算，可以得到该仪器的双轴倾角，它还具有3轴mems加速度计功能。该芯片u6为9轴运动处理传感器，具体型号为mpu6050。
[0051]
综上所述，本发明的有益效果包括：通过激光传感器测量激光发射点至在空间中投射点的距离，通过角度传感器测量两个激光传感器所发射光束之间的夹角，实现了非接
触的方式测量空间中任意两点之间的距离，测量范围广、准确度高。采用32位处理器、测量误差为1mm的激光测量传感器和输出为15位数字量的角度传感器等元器件的使用保证了本系统各个物理量测量的高精度以及使用稳定性。电源模块由供电切换电路、充电检测电路、5v稳压输出电路和3.3v稳压输出电路组成，实现了usb电源和电池双供电，充电安全，可靠性高。采用蓝牙的方式传输数据至手机、电脑等设备，除了具有低功耗、实时性的优点，还具有很好的兼容性。通过集成距离检测、垂直度检测和相邻两面夹角检测功能，实现一机多用，拓宽了检测仪器的使用场景。
[0052]
本发明的技术范围不仅仅局限于上述说明中的内容，本领域技术人员可以在不脱离本发明技术思想的前提下，对上述实施例进行多种变形和修改，而这些变形和修改均应当属于本发明的保护范围内。