光柵位移傳感器的硬件電路設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間:2019-04-22 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】光柵作為精密測量的一種工具,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。
光柵作為精密測量的一種工具,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。光柵測量技術(shù)是以光柵相對移動(dòng)所形成的莫爾條紋信號(hào)為基礎(chǔ)的,對此信號(hào)進(jìn)行一系列的處理,即可獲得光柵相對移動(dòng)的位移量。將光柵位移傳感器與微電子技術(shù)相結(jié)合,進(jìn)行線性位移量的測量,以實(shí)現(xiàn)較高的測量精度。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]。
采集子程序完成對計(jì)數(shù)值的讀入和轉(zhuǎn)化;數(shù)據(jù)處理子程序完成對采集數(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),程序簡單、可讀性強(qiáng)、效率高。
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