一、 引言：随着科技的进步，消费者对产品的质量要求越来越吹毛求疵，比如某产品，国家规定的最大偏差是50um，而买方却提取不大于40um的要求，你不做总有别家做，竞争如此强烈。扯远了，就某产品平坦度的测量，咱今天了设计一款平坦度测量工具。
二、 系统论证：
对于平坦度测量，目前有两种方法：一是接触式测量，这样的工具有百分表、千分表等；另一种就是非接触式测量，有超声波测距、激光测距、以及图像处理等。
1、接触式测量：
接触式测量，一般是由机械臂和编码器组成，当然还有别的结构形式，比如压力传感等，就这种方式而言，最大的好处是几乎没什么信号干扰，而且对于产品表面要求低，可以有液体或灰尘等，采用固定支架测量的话，只要一次标定完成，将可以测量很多次，但需要重新标定的周期短，这种设备适用于生产周期长，测量磨损小、人工测量强度低的生产场合。
2、非接触式测量：
非接触式测量，其是以声波或光波反射等方式来测距的，和光波相比，超声波辐射角太大，测量精度低。而对于光信号测量，有两种方式，一种是直接用激光三点测距的原理进行测距，另一种是图像处理的方式来判断，但两者的应用范围不一样，激光测距是通过直接反馈回来的光强来反映距离信息的，而图像处理的方式是以照片灰度来反映的。其优点是方向性好，精度高，算法成熟，设备生命长，适合人工工作强度大的场合，其缺点是抗干扰能力低，受周围环境质量影响大，成本高。
总上所述，该设计采用激光测距的方式来测量平坦度。
三、 测量原理及设计：
1、三角测距原理：
图1初始标定位置
如图1，已知激光器P1至相机透镜P2的距离D1，以及透镜至光敏半导体阵列的距离h2，由几何关系可知，Da=D1*tan(A2)，tan (A2)=h1/h2，即Da=D1* h1/h2，所以只要计算出h1就可得到目标到激光器的距离Da，而h1是在整列上所测光信号强度最大点至标定位置的距离，所以只要判断出该信号主瓣落在那个或那几个像素点上，便可计算出h1，以及Da。
图2像素光强或光信号分布
根据光电效应和跃迁理论知，当感光介质捕获一个特定频率的光子时，原子价带电子将产生低能级向高能级的越前，当大于电离能时，将产生光电效应，而产生的光电流和产生的电子数成正比，即和光强成正比，那么将电流换压后，其电压信号分布也如图3，由图3可知一个相机或感光传感器生产出来后，其光学分辨率将固定不变，而目前市场所用工业CCD或CMOS相机的光学分别率在0.05mm左右，若要或等更高分辨率将受半导体工艺制约，为了增大测量精度，只能用软件的方式处理，而事实证明是可行的，现有MCU、DSP等专用IC ADC位数能达到16位，所以两个像素之间的电压就能被量化成很多等级，例如12位ADC就能量化成4096个数字信号，所以一般说光学测距仪的分辨率均指软件分辨率。
2、CCD与CMOS光敏传感器异同：
两者均是光敏二极管原理，但工艺和扫描方法不同。
〈1〉 CCD是连续扫描完所有像素后，统一输出信号，而CMOS可以输出单个像素点的信号，是异步的。
〈2〉 CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个像素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个像素的数据。
〈3〉 下面是DIY常用线阵列CCD传感器TLS1401的相关资料图。
图3 TLS1401功能框图
图4 TLS1401典型特征
图5 TLS1401时序波形
其128个像素点扫描完成后，放大统一输出，另外其对800nm的近红外波段响应更大，而且其特性受温度影响较大，不管是CCD、还是CMOS,温度带来的热噪声是不可避免的，所以要做好冷却系统，另外由于量子噪声的存在，对信号ADC前应先进行放大、滤波、比例运放至合适的模拟转化信号。
3、简化设计：
一套一般精度的激光、相机,且包括DSP的系统，价格在千元以上，自己开发这种烧钱的成熟技术没多大意义，如果单纯的是兴趣爱好，那么有两种方案，一是自制系统，这个成本更高，二是简化设计，熟悉一下测量原理和信号处理方法，此处采用简化设计。
〈1〉 系统组成:
本设计基于SensorTile套件，采用蓝牙协议和上位机通信，测距模块采用ST的VL53L0X激光测距传感器，而机械部分由横纵扫描支架，以及测距调平模块组成。测量过程是，测距模块是否水平，靠SensorTile上集成的加速度传感器进行判断。
图6系统框图
〈2〉系统工作过程：
1〉上电初始化：
先给MCU上电，然后给执行系统上电，程序内部初始化。
2〉水平校准：
打开手机APP，搜索蓝牙设备，并连接配对，之后选择主画面上的水平校准按钮，其界面会显示实的sensortile加速传感器加速度的值，以及换算出来的XYZ角度值，待角度计算稳定后，点击确认效准按钮，此时手机将效准的角度值传至sensortile，其接收到后，通过串口发送调节值到ATmega2560，该单片机将通过驱动板调节步进电机，此时sensortile加速传感器将相应变化，然后由sensortile程序做反馈判断，然后将差值再次发送至Ardunio单片机，即sensortile、ATmega2560、驱动、电机做成了负反馈调节环。
3〉测距：
与校准相似，sensortile负责通信，而测距由ATmega2560单片机来完成。首先打开APP中的实时测量模块，然后选择监听。表面平坦度测量采用行列扫描的形式，即有两个自由度，先让测距模块沿横向扫描测距，步进距每秒1度，测到边缘时，再次沿该点纵向扫描，边缘的判断只能从距离上去考虑，同时将数据以帧的形式通过串口发送至sersortile，由其整理后通过蓝牙传给手机，如此反复，测完后选择保存数据，此时由手机来完成图像的合成，所以此过程的数据要有一定的格式，方便统一处理，最后的图像信息可在历史数据中查看，并带有平坦度报表，当然这个数据可以传到web上，由web查看，及打印报表。
四、 总结：
由系统设计可以看出该系统比较复杂，确实，但由于sensortile自身IO资源没留多少，而且手头正好有3D打印机相关模块，所以就采用上述方案了，但由于3月、4月出差平平，工作太忙就做了点前期工作，比如42步进电机调试、VL53L0X激光测距传感器调试、APP蓝牙通信调试、及固件简化，后面两项也是做了一点，所以这次算是失败了，望坛友及论坛工作人员见谅，套件可以随时返还，无缺损。
谢谢
以下是这次大赛相关发帖：
（已解决）单步调试能亮灭，run就不行
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