PSD的微小位移测量

摘要：随着科技的发展，许多的控制系统中需要自动识别微小位移。本文就是以光电位置敏感传感器PSD(Posnion Sensnive Detector)为核心来实现微小位移测量的。PSD传感器是一种对其感光面上入射光斑重心位置敏感的光电器件。即当入射光斑落在器件感光面的不同位置时，PSD将对应输出不同的电信号。发射红外光到被测点，遇测量表面反射的光由PSD接收，再经过滤波、放大及A VR系列单片机A TMEGAl 6微控制单元处理，最后显示出测量的结果。

关键词：微小位移测量光电位置敏感传感器微控制单元

高新技术产业逐渐向技术密集型发展，测量技术所面临的问题也越来越复杂。这就使原有静态、接触式测量的方法受到了较大的限制。对于测量过程我们需要向动态、非接触式测量的方向发展。这样不但提高了系统的测量精度，并且使测量更加的方便，同时能够不破损元器件，能够测量一些有毒或者不能进行接触的元器件，大大提高了测量范围。

近些年来，随着半导体技术的高速发展，制造出来的PSD性能得到了较大的提高，分辨率大大提高，同时PSD的有限性度和稳定度也有很大的改善。PSD在国内的研究发展也很快，相关资料也已经比较安全。PSD在工业检测中主要用于被测器件的位移测量、尺寸测量和表面形状测量等。

整体电路设计如下图所示：

按键和PSD的信息输入单片机内，由单片机处理后再由显示器输出。

1、PSD和发光管及其放大电路

红外线发射光，照射在测量面上，所反射的光被PSD接收。PSD依据入射光在接收面的重心不同，即由平面的高度不同而引起入射光在接收面的重心不同，每次两个引脚输出的电流也不同，我们称它为11和12。

PSD两极输出的只是光电流11和12，要想得到位置输出信号必须要有相应的信号处理电路的支持。下面介绍PSD传感器信号处理电路原理。低通滤波放大电路，滤波电路的功能是让指定频段的信号通过，而将其余频段上的信号加以抑制或使其急剧衰减。运算放大器和RC网络组成的有源滤波器与无源滤波器件相比具有体积小，重量轻，线性特性好的优点。其次，由于运算放大器的增益和输入阻抗很高，输出阻抗很低，所以有源滤波器还能提供一定的信号增益和缓冲作用。

输入的光电流型号11和12通过滤波器转换成放大的电压信号。由于加在PSD上的光信号是由一定频率的方波驱动的，因此PSD两个引脚输出的11和12也是交流信号。电容在电路中起到隔直通交的作用。

2、按键电路

按键电路的KEYl，KEY2，KEY3，KEY4端分别接单片机的四个PD口，设PD口为输入端口。按键电路即是通过按键来改变KEY端的电平高低，依据输入单片机的电平高低不同来启动不同的显示程序。当按键没有被按下时，电路为开路，KEY端的电压等于VCC 减去电阻的电压，KEY为高电平，于是输入单片机的电位为高电平；当按键被按下时，KEY 端与地连通电压为0，输入单片机的电位为低电平。电容为隔直通交的功能，在这里起到保障输入单片机的电压稳定的作用，保护单片机。

3、单片机电路

此电路分为三部分，下面来依次介绍这三部分在本系统中的作用以及工作原理。第一分为单片机主体，本系统用的是ATMEGAl6，把单片机的四个电源正端分别接以＋5V，四个接地端分别接地。单片机选用外部时钟，晶振用8MHz。PA的两个端口设置为输入，是连接到PSD两个输出处理所得的信号。作为单片机的输入信号进行处理，以得到所测距离显示。PB端口设置为输出，其中四个端口分别接显示器的四个位选端，还有一个PB端口接发光二极管的共阴控制端。PC端口设置为输出，它的八个端口分别接数码管的八个段选控制位，其中六个端口还兼要控制六个发光二极管的阳极。PD端口设置为输入，其中四个端口接四个按键的一侧，通过按键按下与否的状态给单片机输入不同的高低电平，以启动不同的程序，通过数码管显示不同的内容。第二部分为CON6，是六线的插座，其与单片机相连，插座与烧录器相连，用来把在软件里编好的程序通过烧录器写入到单片机内。第三部分是二极管和电容组成的电路，它们是用来保护单片机的，单片机需要保证输入信号的稳定，以免损坏单片机。

4、显示电路

显示电路用的是4位共阴极数码管。显示电路的工作原理，数码管的每段都是一个发光二极管，数码管动态显示是单片机应用最为广泛的一种显示方式之一，其输入电平有单片机控制。动态驱动是将所有数码管的8个显示笔画“a、b、c、d、e、f、gdp”的阴极连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I／O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示。

5、PSD信号处理流程

设计思路：从硬件滤波放大输送出来的信号，与所测距离存在一定的函数关系，而不是实际所测距离，于是要通过软件做处理。首先模拟信号要转化为数字信号，之后将数字信号进行平均值滤波。根据输入信号和距离的函数关系，对两组转化后的数据做和差运算，对和差值做除法运算求出两个的比值。最后将比值乘上个数即可得距离值。