光栅式位移测量仪的设计(DOC)

一、系统工作原理

1.1光栅位移传感器的原理

光栅位移传感器通过主光栅（即标尺光栅）与位移部件固定连接，随着主光栅和副光栅（即指示光栅）进行相对位移，栅线间夹角为θ，则光栅组透光部分呈菱形，综合效果是一组等间距亮带，即形成了莫尔条纹。光栅位移传感器位移时莫尔条纹也移动，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信号。

（a）长光栅结构（b）莫尔条纹的形成

图1 莫尔条纹的原理

电信号再经过放大器放大、整形电路整形，细分、辨向等电路，最终送到单片机对移动的莫尔条纹进行计数，运算后送到LCD屏显示。

1.2系统整体设计框图

系统整体框图如图2所示：

图2 系统整体框图

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

四

倍

频

细

分

辨

向

单

片

机

计

数

运

算

放

大

整

形

电

路

光

栅

传

感

器

位移信号

LCD

屏

显

示

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：

1.短跑保护输出

2.真差动输入级

3.可单电源工作：3V-32V

4.低偏置电流：最大100nA（LM324A）

5.每封装含四个运算放大器。

6.具有内部补偿的功能。

7.共模范围扩展到负电源

8.行业标准的引脚排列

图4 LM324引脚图9.输入端具有静电保护功能

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

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：

Ua＝U

0＋UmSIN(x

W

︒

360

)

Ub＝U

0＋UmSIN(x

W

︒

360

＋90°) ＝U

＋UmCOS(x

W

︒

360

)

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

·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。