摘　要：提出了一種基于at89c51單片機(jī)開發(fā)的光柵位移傳感器對(duì)線性位移進(jìn)行測(cè)量的方法。其硬件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集、辨向、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示。把讀數(shù)頭輸出的信號(hào)（脈沖電信號(hào)），經(jīng)過硬件電路辨向，送入計(jì)數(shù)器8253計(jì)數(shù)，利用at89c51單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，最終轉(zhuǎn)換成實(shí)際的線性位移值顯示出來。與其他系統(tǒng)相比，他的硬件電路簡(jiǎn)單，并能實(shí)現(xiàn)較高的位移測(cè)量精度。

關(guān)鍵詞：光柵位移傳感器；光柵；單片機(jī)；細(xì)分與辨向電路

　　光柵作為精密測(cè)量的一種工具，由于他本身具有的優(yōu)點(diǎn)，已在精密儀器、坐標(biāo)測(cè)量、精確定位、高精度精密加工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1，2］。光柵測(cè)量技術(shù)是以光柵相對(duì)移動(dòng)所形成的莫爾條紋信號(hào)為基礎(chǔ)的，對(duì)此信號(hào)進(jìn)行一系列的處理，即可獲得光柵相對(duì)移動(dòng)的位移量［3］。將光柵位移傳感器與微電子技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行線性位移量的測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)量精度。本文采用光柵作為傳感元件，經(jīng)接收元件后變?yōu)橹芷谛宰兓碾娦盘?hào)（近似正弦信號(hào)），采用邏輯辨向電路區(qū)別位移的正反向，利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示結(jié)果。軟件采用匯編語言實(shí)現(xiàn)。

　　1　硬件電路

　　本設(shè)計(jì)的硬件電路主要由單片機(jī)89c51、計(jì)數(shù)器8253、細(xì)分與辨向電路、信號(hào)變換電路和光柵位移傳感器組成。如圖1所示。

　　1．1　光柵位移傳感器

光柵位移傳感器包括以下幾部分：光柵；光柵光學(xué)組成。光柵光學(xué)系統(tǒng)的作用是形成莫爾條紋；光電接受系統(tǒng)。光電接受系統(tǒng)是由光敏元件組成，他將莫爾條紋的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，本系統(tǒng)采用的光敏元件是4個(gè)硅光電池。

　　1．2　信號(hào)變換電路

　　信號(hào)變換就是將由光敏元件輸出的正弦電信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)。本文中采用的比較器lm339，來自光柵的莫爾條紋照到光敏元件硅光電池上，他們所輸出的電信號(hào)加到lm339的2個(gè)比較器的正輸入端上，而在這2個(gè)比較器的負(fù)輸入端分別預(yù)制一定的參考電壓，該參考電壓應(yīng)使光柵輸出的方波的高、低電平寬度一樣。

　　1．3　細(xì)分與辨向電路

　　1．3．1　細(xì)分電路

　　為記錄光柵上移過的條紋數(shù)目和判斷光柵的移動(dòng)率等，傳感器中采用4極硅光電池來接收莫爾條紋信號(hào)。調(diào)整莫爾條紋的寬度b，使他正好與4個(gè)硅光電池的寬度相同。則可直接獲得在相位上依次相差90°的4路信號(hào)，即進(jìn)行4倍細(xì)分。如圖2所示。

　　1．3．2　辨向電路

　　位移除了有大小的屬性外，還具有方向的屬性。為了辨別標(biāo)尺光柵位移的方向，僅靠一個(gè)光敏元件輸出一個(gè)信號(hào)是不行的。必須有2個(gè)以上的信號(hào)根據(jù)他們的相位不同來判斷位移方向。因此，本設(shè)計(jì)采用的是4個(gè)硅光電池來接收莫爾條紋信號(hào)，則輸出的4路信號(hào)在相位上依次相差90°，利用這種特點(diǎn)設(shè)計(jì)的辨向電路的如圖3所示。圖中u1，u2和u3，u4分別通過相同的電路實(shí)現(xiàn)對(duì)位移方向的區(qū)別。當(dāng)莫爾條紋上移時(shí)（假設(shè)經(jīng)過硅光電池的前2個(gè)，此時(shí)u1，u2有信號(hào)，u3，u4無信號(hào)），則圖中a點(diǎn)有計(jì)數(shù)脈沖，b點(diǎn)為恒定電平；當(dāng)莫爾條紋下移時(shí)（假設(shè)經(jīng)過硅光電池的前2個(gè)，此時(shí)u1，u2有信號(hào)，u3，u4無信號(hào)），則圖中b點(diǎn)有計(jì)數(shù)脈沖，a點(diǎn)為恒定電平。用2個(gè)不同計(jì)數(shù)器分別記錄上移和下移所形成的脈沖數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)辨向。

　　1．4　led顯示

本文采用動(dòng)態(tài)4位顯示。第1位為符號(hào)為，莫爾條紋上移為正，下移為負(fù)；第2，3位為整數(shù)位；第4位為小數(shù)位。將所有的段選線并聯(lián)在一起，由單片機(jī)的p1口控制，而共陰極公共端分別由p3．0，p3．1，p3．2，p3．3控制，實(shí)現(xiàn)各位分時(shí)選通。

　　2　軟件部分

　　軟件部分主要有采集子程序、數(shù)據(jù)處理和顯示子程序組成［4］。

　　采集子程序完成對(duì)計(jì)數(shù)值的讀入和轉(zhuǎn)化；數(shù)據(jù)處理子程序完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的線形化處理；顯示子程序?qū)Y(jié)果進(jìn)行循環(huán)顯示。程序的流程如圖4所示。

　　3　結(jié)　語

　　本文中，設(shè)計(jì)的硬件采用比較器lm339把光敏器件輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，采用邏輯辨向電路，對(duì)光柵的正向、反向移動(dòng)做準(zhǔn)確的判斷；采用8253的2個(gè)計(jì)數(shù)器分別對(duì)正反兩路信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后，用89c51進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，送到顯示器顯示。硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作可靠、精度比較高；軟件采用匯編語言實(shí)現(xiàn)，程序簡(jiǎn)單、可讀性強(qiáng)、效率高。

　　參考文獻(xiàn)

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［3］李懷瓊，陳錢．新型光柵信號(hào)數(shù)字細(xì)分技術(shù)及其誤差分析［j］．電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2001，15（3）．
［4］余永權(quán)．a(chǎn)tmle89系列單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)［m］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002．