基于光栅传感器位移测量的软、硬件设计

摘　要：提出了一种基于AT89C51单片机开发的光栅位移传感器对线性位移进行测量的方法。其硬件设计包括数据采集、辨向、数据处理和数据显示。把读数头输出的信号（脉冲电信号），经过硬件电路辨向，送入计数器8253计数，利用AT89C51单片机进行信号处理，终转换成实际的线性位移值显示出来。与其他系统相比，他的硬件电路简单，并能实现较高的位移测量。

    关键词：光栅位移传感器；光栅；单片机；细分与辨向电路 

　　光栅作为精密测量的一种工具，由于他本身具有的优点，已在精密仪器、坐标测量、定位、高精密加工等领域得到了广泛的应用［1，2］。光栅测量技术是以光栅相对移动所形成的莫尔条纹信号为基础的，对此信号进行一系列的处理，即可获得光栅相对移动的位移量［3］。将光栅位移传感器与微电子技术相结合，进行线性位移量的测量，以实现较高的测量。本文采用光栅作为传感元件，经接收元件后变为周期性变化的电信号（近似正弦信号），采用逻辑辨向电路区别位移的正反向，利用单片机进行数据处理并显示结果。软件采用汇编语言实现。

　　1　硬件电路

　　本设计的硬件电路主要由单片机89C51、计数器8253、细分与辨向电路、信号变换电路和光栅位移传感器组成。如图1所示。

　　1．1　光栅位移传感器

   光栅位移传感器包括以下几部分：光栅；光栅光学组成。光栅光学系统的作用是形成莫尔条纹；光电接受系统。光电接受系统是由光敏元件组成，他将莫尔条纹的光学信号转换成电信号，本系统采用的光敏元件是4个硅光电池。

　　1．2　信号变换电路

　　信号变换就是将由光敏元件输出的正弦电信号转换成方波信号。本文中采用的比较器LM339，来自光栅的莫尔条纹照到光敏元件硅光电池上，他们所输出的电信号加到LM339的2个比较器的正输入端上，而在这2个比较器的负输入端分别预制一定的参考电压，该参考电压应使光栅输出的方波的高、低电平宽度一样。

　　1．3　细分与辨向电路

　　1．3．1　细分电路

　　为记录光栅上移过的条纹数目和判断光栅的移动率等，传感器中采用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，使他正好与4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4路信号，即进行4倍细分。如图2所示。

　　1．3．2　辨向电路

　　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，仅靠一个光敏元件输出一个信号是不行的。必须有2个以上的信号根据他们的相位不同来判断位移方向。因此，本设计采用的是4个硅光电池来接收莫尔条纹信号，则输出的4路信号在相位上依次相差90°，利用这种特点设计的辨向电路的如图3所示。图中u1，u2和u3，u4分别通过相同的电路实现对位移方向的区别。当莫尔条纹上移时（假设经过硅光电池的前2个，此时u1，u2有信号，u3，u4无信号），则图中A点有计数脉冲，B点为恒定电平；当莫尔条纹下移时（假设经过硅光电池的前2个，此时u1，u2有信号，u3，u4无信号），则图中B点有计数脉冲，A点为恒定电平。用2个不同计数器分别记录上移和下移所形成的脉冲数，即可实现辨向。

　　1．4　LED显示

    本文采用动态4位显示。第1位为符号为，莫尔条纹上移为正，下移为负；第2，3位为整数位；第4位为小数位。将所有的段选线并联在一起，由单片机的P1口控制，而共阴极公共端分别由P3．0，P3．1，P3．2，P3．3控制，实现各位分时选通。

　　2　软件部分

　　软件部分主要有采集子程序、数据处理和显示子程序组成［4］。

　　采集子程序完成对计数值的读入和转化；数据处理子程序完成对采集数据的线形化处理；显示子程序对结果进行循环显示。程序的流程如图4所示。

　　3　结　语

　　本文中，设计的硬件采用比较器LM339把光敏器件输出信号转换成方波信号，采用逻辑辨向电路，对光栅的正向、反向移动做准确的判断；采用8253的2个计数器分别对正反两路信号进行计数，然后，用89C51进行数据处理，送到显示器显示。硬件结构简单、成本低、工作可靠、比较高；软件采用汇编语言实现，程序简单、可读性强、效率高。

　　参考文献

［1］刘克非，张春林，等．光栅位移传感器在凸轮轮廓测线中的运用［J］．传感器技术，2002，（21）．

［2］李殿奎．光栅计量技术［M］．北京：中国计量出版社，1987．

［3］李怀琼，陈钱．新型光栅信号数字细分技术及其误差分析［J］．电子测量与仪器学报，2001，15（3）．

［4］余永权．ATMLE89系列单片机应用技术［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2002．

[5]. AT89C51 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AT89C51_810155.html.

[6]. LM339 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LM339_1060635.html.


  

参考文献: