光栅式位移测量仪的设计

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
2.5.2设计中LCD液晶屏的连线
基于LCD显示块低功耗、短响应时间以及适应低频工作的特点，设 计者选用LCD显示器完成显示部分的功能,并且使用静态驱动。所选的 LCD型号为1601。 1601是一款最常用也是最便宜的液晶显示屏。1601的意思是每行显 示16个字符，一共可以显示一行。1601可显示内部字符，也可以显示自 定义字符。 1601液晶的引脚图如图11所示。
Ub＝U0＋UmSIN(＋90°) ＝U0＋UmCOS() 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
附录二 程序代码
#include<reg52.h> #include<intrins.h> #include<math.h> #define uint unsigned int #define uchar unsigned char #define RS_CLR RS=0 #define RS_SET RS=1 #define RW_CLR RW=0 #define RW_SET RW=1 #define EN_CLR EN=0 #define EN_SET EN=1 #define DataPort P2 sbit RS = P3^0; //定义端口 （显示屏） sbit RW = P3^1; sbit EN = P3^2; void LCD_Init(void); void inti() { LCD_Init() ; TMOD=0x05 ;//*T0为16位计数方式*/ TH0=F0 ; TL0=60 ;//*预置初值*/ TR0=1; } // 单片机计算脉冲数 显 示 uint num;//计数变量声明 /*延时子程序********************/ void delay(uint xms)
图9 LCD模块外观
图10 液晶显示器基本结构
液晶屏其结构如图10，液晶显示器LCD是一种极低功耗显示器，其 应用特别广泛。目前常用的LCD是根据液晶的扭曲-向列效应原理制成 的。这是一种电场效应，夹在两块导电玻璃电极之间的液晶经过一定处 理后，其内部的分子呈90°的扭曲，这种液晶具有旋光特性。当线形偏 振光通过液晶层时，偏振面回旋转90°。当给玻璃电极加上电压后，在 电场的作用下液晶的扭曲结构消失，其旋光作用也随之消失，偏振光便 可以直接通过。当去掉电场后液晶分子又恢复其扭曲结构。把这样的液 晶放在两个偏振之间，改变偏振片的相对位置就可得到黑底白字或白底 黑字的显示形式。LCD的响应时间为毫秒级，域值电压为3～20V，功 耗为5～100mW/cm2.
· 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。
附录一 元器件清单
器件类型 器件名 数量
单片机 集成运放 集成运放 集成运放 电容 电阻 开关 液晶屏 与门 变阻器 晶振 非门 或非门
AT89C52 LM324 LM311 NE5532 C R 按键开关 LCD1601 74LS08 RV1 X1 74LS04 7425
1 2 2 2 7 21 1 1 11 1 1 4 2
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。
1、 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。
用protues软件画出电路图，整体电路图如图13：
图13 系统整体电路图
总结
两周的测控系统原理与设计课程设计终于顺利完成了，其中包含着 快乐，也有辛酸。我们选的设计题目是“光栅位移测量仪的设计”，大 家都觉得这个题目是比较简单的。其实不然，做了之后，发现设计电路 虽然简单，但我们认为它真正困难的地方是程序设计，不过在我们同心 努力下最终完成了。 我们刚选该题目时，真的是一头雾水，硬件电路不知如何下手，更 何谈解决程序那块，因为我们所学的都是单片机方面的理论知识，应用 到实践中去还比较少。不过，我们俩人也没偷下懒，迅速分工去查阅和 收集资料。我们去了图书馆借一些参考书，上网找一些相关资料，并且 请教指导老师。通过不断努力，终于把设计的思路和模型定了下来，并 最终完成了设计。 本文对单片机用于位移测量的理论、原理进行了系统的分析、比 较，并对每种测量方法定性、定量的予以阐述，设计了显示接口电路和 应用程序。以下从三个方面进行总结: 硬件电路 本系统采用89C52单片机，充分利用单片机内部自带的16位定时计 数器进行设计，较完全的开发了单片机自身的功能，接口利用了89C52 的I/O口具有较大的电流驱动能力的特点，直接由单片机驱动，简化了 硬件电路。有一定的实用价值和较高的性价比。 测量方法 在测量原理上采用了利用单片机内部计数器实现可逆计数的测量方 法，保证了在位移测量中获得较高的精度。应用范围广泛，可通过扩展 进行二次开发。 程序调试 本系统进行了全面的程序设计，显示程序、中断服务程序和初始化 程序，并对这些程序在Keil U4软件上进行编译和调试，并且与Proteus 进行了联机仿真，取得了较好的仿真效果。Keil的编译HEX文件还可通
（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：
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
在实际应用中，用户很少直接设计LCD显示器驱动接口，一般是直
接使用专用的LCD显示驱动器和LCD显示模块LCDM 。 LCDM是把LCD显示屏、背景光源、线路板和驱动集成电路等部件 构造成一个整体，作为一个独立部件使用。其特点是功能较强、易于控 制、接口简单，在单片机系统中应用较多。其内部结构如下页图所示。 LCDM一般带有内部显示RAM和字符发生器，只要输入ASCII码就可以 进行显示。实物图见图9。
三、系统软件设计
把计数脉冲接到单片机的片内计数器T0端即可，相对外部计数芯片 来说，使用软件方法电路相对要简单的多。下图为程序流程图：
Y N 主程序 上电初始化 系统初始化 下降沿触发开始计数 读取TH0、TL0数据 判断是否溢出 结束 脉冲停止、计数停止
送LCD显示
图12 系统程序流程图来自四、系统仿真电路图2.5 LCD液晶显示屏的设计
液晶显示器简称LCD（Liquid Crystal Diodes）是利用液晶经过处 理后能够改变光线传输方向的特性，达到显示字符或者图形的目的。其 特点是体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富等特点，在单片机应 用系统中有着日益广泛的应用。
2.5.1 LCD显示模块LCDM
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＝U0＋UmSIN()