基于光柵位移傳感器硬件電路設計

光柵作為精密測量的一種工具，由于他本身具有的優(yōu)點，已在精密儀器、坐標測量、精確定位、高精度精密加工等領域得到了廣泛的應用［1，2］。光柵測量技術是以光柵相對移動所形成的莫爾條紋信號為基礎的，對此信號進行一系列的處理，即可獲得光柵相對移動的位移量［3］。將光柵位移傳感器與微電子技術相結合，進行線性位移量的測量，以實現較高的測量精度。本文采用光柵作為傳感元件，經接收元件后變?yōu)橹芷谛宰兓碾娦盘枺ń普倚盘枺?，采用邏輯辨向電路區(qū)別位移的正反向，利用單片機進行數據處理并顯示結果。軟件采用匯編語言實現。

1　硬件電路

本設計的硬件電路主要由單片機89C51、計數器8253、細分與辨向電路、信號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；光柵光學組成。光柵光學系統的作用是形成莫爾條紋；光電接受系統。光電接受系統是由光敏元件組成，他將莫爾條紋的光學信號轉換成電信號，本系統采用的光敏元件是4個硅光電池。

?
1．2　信號變換電路

信號變換就是將由光敏元件輸出的正弦電信號轉換成方波信號。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加到LM339的2個比較器的正輸入端上，而在這2個比較器的負輸入端分別預制一定的參考電壓，該參考電壓應使光柵輸出的方波的高、低電平寬度一樣。

1．3　細分與辨向電路

1．3．1　細分電路

為記錄光柵上移過的條紋數目和判斷光柵的移動率等，傳感器中采用4極硅光電池來接收莫爾條紋信號。調整莫爾條紋的寬度B，使他正好與4個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，即進行4倍細分。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。為了辨別標尺光柵位移的方向，僅靠一個光敏元件輸出一個信號是不行的。必須有2個以上的信號根據他們的相位不同來判斷位移方向。因此，本設計采用的是4個硅光電池來接收莫爾條紋信號，則輸出的4路信號在相位上依次相差90°，利用這種特點設計的辨向電路的如圖3所示。圖中u1，u2和u3，u4分別通過相同的電路實現對位移方向的區(qū)別。當莫爾條紋上移時（假設經過硅光電池的前2個，此時u1，u2有信號，u3，u4無信號），則圖中A點有計數脈沖，B點為恒定電平；當莫爾條紋下移時（假設經過硅光電池的前2個，此時u1，u2有信號，u3，u4無信號），則圖中B點有計數脈沖，A點為恒定電平。用2個不同計數器分別記錄上移和下移所形成的脈沖數，即可實現辨向。

1．4　LED顯示

本文采用動態(tài)4位顯示。第1位為符號為，莫爾條紋上移為正，下移為負；第2，3位為整數位；第4位為小數位。將所有的段選線并聯在一起，由單片機的P1口控制，而共陰極公共端分別由P3．0，P3．1，P3．2，P3．3控制，實現各位分時選通。

2　軟件部分

軟件部分主要有采集子程序、數據處理和顯示子程序組成［4］。

采集子程序完成對計數值的讀入和轉化；數據處理子程序完成對采集數據的線形化處理；顯示子程序對結果進行循環(huán)顯示。程序的流程如圖4所示。

3　結　語

本文中，設計的硬件采用比較器LM339把光敏器件輸出信號轉換成方波信號，采用邏輯辨向電路，對光柵的正向、反向移動做準確的判斷；采用8253的2個計數器分別對正反兩路信號進行計數，然后，用89C51進行數據處理，送到顯示器顯示。硬件結構簡單、成本低、工作可靠、精度比較高；軟件采用匯編語言實現，程序簡單、可讀性強、效率高。