光栅式位移测量仪的设计

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一、系统工作原理光栅位移传感器的原理1.1随着主光与位移部

件固定连接，光栅位移传感器通过主光栅（即标尺光栅），则光栅组透光部分θ栅和副光栅（即指示光栅）进行相对位移，栅线间夹角为光栅位移传感器位移即形成了莫尔条纹。呈菱形，综合效果是一组等间距亮带，经过光电器件转换使黑白相间的条纹转换成正弦波变化的电时莫尔条纹也移动，信号。

（a）长光栅结构（b）莫尔条纹的形成 1 莫尔条纹的原理图电信号再经过放大器放大、整形电路整形，细分、辨向等电路，最终送到单 LCD屏显示。片机对移动的莫尔条纹进行计数，运算后送到系统整体设计框图1.2 所示：系统整体框图如图2四单光放

倍LCD片栅大频机传整位移信号细计感形屏分数器电显辨运路示向算

图2 系统整体框图

该光栅传感器检测后产生近似正弦波的电信号。光栅尺移动产生莫尔条纹，辨向电路实现模再经四细分、整形电路将正弦信号变成方波，电信号经过放大、数转换的部分使电路简单，编程容易。细-拟信号到数字信号的转变，省去了模1

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分信号输入到单片机T0口进行计数，通过程序运算，再由LCD屏显示出运算结

果。

二、系统硬件设计

2.1放大电路设计

采用同向比例放大电路，如图3：

图3 同向比例放大电路

同相比例放大电路结构简单，比较常用，放大倍数易于调整。

采用LM324系列运算放大器（引脚图如图4），是价格便宜的差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V。

LM324的特点：

短跑保护输出1. 2.真差动输入级 3V-32V 3.可单电源工作：）LM324A 4.低偏置电流：最大100nA（每封装含四个运算放大器。 5. 具有内部补偿的功能。6. 7.共模范围扩展到负电源行业标准的引脚排列8.

输入端具有静电保护功能9. 图引脚图4 LM324

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2.2整形电路设计

图5可以把幅值为0.7v～15v的正弦波转换为方波。

NE5532为一个滞回比较器，把正弦波转化为有正负值的方波，再接一级LM311，可以使方波只有5v和0v电压值。

NE5532A是一种双运放高性能低噪声运算放大器。相比较大多数标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器控制电路和电话通道放大器。

LM311的电压比较器设计运行在更宽的电源电压：从标准的±15V运算放大器到单5V电源用于逻辑集成电路。其输出兼容RTL,DTL和TTL以MOS电路。此外，他们可以驱动继电器，开关电压高达50V，电流高达50mA。

图5 整形电路

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2.3细分辨向电路的设计四细分辨向电路如下，图6：

图 6 四细分辨向电路

为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分为记录光栅上移过的条纹，数目和判断光栅的移动率等，光电转换器件采用4极硅光电池来接收莫尔条纹信号。调整莫尔条纹的宽度B，使它正好与2个硅光电池的宽度相同。则可直接获得在相位上依次相差90°的2路信号，进行4倍细分。

位移除了有大小的属性外，还具有方向的属性。为了辨别标尺光栅位移的方向，本设计采用的是2个硅光电池来接收莫尔条纹信号，则输出的2路信号在相位上相差90°，W－光栅的栅距，x－标尺光栅位移量。

2个硅光电池输出的2路信号：

?360x) Ua＝U＋UmSIN(0W??360360xx) Ub＝U＋UmSIN(UmCOS(＋＝°＋90) U00WW4

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位移为矢量，有方向和大小，判向电路输出的加法和减法计数脉冲表示位移的方向和大小。2.4单片机及其附属电路

系统中的单片机采用AT89C52系列， AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚（引脚图如图7），32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可

有效地降低开发成本。

图7 AT89C52引脚图

AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性：

·兼容MCS51指令系统

· 8k可反复擦写(>1000次）Flash ROM

· 32个双向I/O口

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· 256x8bit内部RAM

· 3个16位可编程定时/计数器中断

·时钟频率0-24MHz

· 2个串行中断

·可编程UART串行通道

· 2个外部中断源

·共6个中断源

· 2个读写中断口线

· 3级加密位

·低功耗空闲和掉电模式

·软件设置睡眠和唤醒功能

单片机的连接图如图8：

图8 单片机连线图

AT89C52的复位电路和晶振电路在图8的左上角，晶振为12MHz。图中P2口连接LCD液晶显示屏，作为屏幕的数据接口（其他有关LCD屏的连接在下一节中介绍），P3^4接四细分后的脉冲输出，作为单片机的脉冲信号输入端进行计数。

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2.5 LCD液晶显示屏的设计