光柵式位移傳感器構(gòu)成的測控系統(tǒng)硬件電路設計

1、光柵式位移傳感器構(gòu)成的測控系統(tǒng)硬件電路設計 光柵式位移傳感器構(gòu)成的測控系統(tǒng)硬件電路設計 柵式位移傳感器構(gòu)成的測控系統(tǒng)的硬件電路設計 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(lǐng)域得到了廣泛的應用。目前，廣泛地 將光柵位移傳感器與微電子技術(shù)相結(jié)合，進行微小位移量的測量，以實現(xiàn)較高的 測量精度。本設計以全自動金屬帶鋸床為例介紹了光柵式位移傳感器在機電一體 化產(chǎn)品中的應用實例，以AT89C51 為核心，以光柵式位移傳感器為檢測元件， 以電磁閥、電動機為驅(qū)動部件，由控制

2、軟件作支持的智能光柵測控系統(tǒng)，對機電 一體化設備的運動部件進行定位控制。該系統(tǒng)性能可靠，操作方便，通用性強， 具有一定的工程實用價值。 本文設計了一種基于 AT89C51 單片機開發(fā)的光柵位移傳感器對微小位移 進行測量的系統(tǒng)。其硬件設計主要包括鍵盤輸入與顯示、傳感器信號處理和輸出 驅(qū)動。把讀數(shù)頭輸出的信號（脈沖電信號），經(jīng)過硬件電路辨向，送入計數(shù)器計 數(shù)，利用 AT89C51 單片機進行信號處理，最終轉(zhuǎn)換成實際的位移值顯示出來。 與其他系統(tǒng)相比，他的硬件電路簡單，并能實現(xiàn)較高的位移測量精度。 關(guān)鍵字： 單片機 AT89C51 ； 光柵傳感器 ； 位移檢測 光柵式位移傳感器構(gòu)成的測控系統(tǒng)硬件電路

3、設計 GRATING DISPLACEMENT SENSOR MEASUREMENT AND CONTROL SYSTEM CONSISTING OF HARDWARE CIRCUIT DESIGN ABSTRACT Grating as a tool for precision measurement, due to his own advantages, in precision instruments, coordinate measuring, precision positioning, high accuracy in areas such as precision machini

4、ng has been widely used. At present, the wider will be grating displacement sensor with a combination of microelectronic technology for micro-displacement measurement, in order to achieve higher measurement accuracy. The design is based on the microprocessor as the core, grating displacement sensor

5、for the detection of components to the solenoid valve, motor-driven components, by the control software for the intelligent support grating measurement and control system, mechanical and electrical integration of the moving parts of equipment to carry out positioning control . The system is reliable

6、, easy to operate, high universality, the project has a certain practical value. In this paper, the design of a single-chip microcomputer-based development AT89C51grating displacement sensor for measuring micro-displacement system. Its hardware design including keyboard input and display, sensor sig

7、nal processing and output driver. The reading of the first output signal pulse signal , after a hardware circuit to identify, count into the counter, using AT89C51 single-chip microcomputer for signal processing, and ultimately converted into the actual displacement values displayed. Compared with o

8、ther systems, and his simple hardware circuit and can achieve high precision displacement measurement. Key words: Single-chip AT89C51;grating sensor;Displacement detection 光柵式位移傳感器構(gòu)成的測控系統(tǒng)硬件電路設計 目 錄 1 緒論.1 1.1 課題背景及目的.1 1.2 國內(nèi)外研究狀況.2 1.3 課題研究方法.2 1.4 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容.3 2 系統(tǒng)整體硬件設計.4 2.1 系統(tǒng)功能與總體設計方案.4 系統(tǒng)功能分析.

9、5 鍵盤顯示與管理.5 2.2 系統(tǒng)總體設計研究任務.5 2.3 光柵式位移傳感器原理介紹.6 莫爾條紋的概念.6 位移傳感器的分類與選擇.7 光柵式位移傳感器的檢測原理.8 3 各部分硬件設計.10 3.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu).10 AT89C2051 簡介.10 控制系統(tǒng)AT89C2051 引腳功能說明.11 3.2 電源電路.12 3.3 鍵盤輸入與顯示電路.12 3.4 傳感器信號處理電路.15 光柵式位移傳感器的選擇.17 3.5 輸出驅(qū)動電路.18 3.6 系統(tǒng)時鐘電路設計.18 3.7 系統(tǒng)復位電路設計.19 3.8 系統(tǒng)的抗干擾措施.20 3.9 元器件的選擇.21 光柵式位移傳感

10、器構(gòu)成的測控系統(tǒng)硬件電路設計 4 系統(tǒng)軟件設計概述.22 4.1 系統(tǒng)軟件功能分析.22 4.2 系統(tǒng)初始化及主程序設計.22 5 結(jié)論.25 參考文獻.26 致謝.27 附錄 總體系統(tǒng)電路圖.28 光柵式位移傳感器構(gòu)成的測控系統(tǒng)硬件電路設計 1 緒論 1.1 課題背景及目的 光柵式位移傳感器是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置，經(jīng)常用于機 床與現(xiàn)在加工中心以及測量儀器等方面，可用作直線位移或者角位移的檢測。其 測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，檢測精度高，響應速度快的特點。 例如，在數(shù)控機床中常用于對刀具和工件的坐標進行檢測，來觀察和跟蹤走刀誤 差，以起到一個補償?shù)毒叩倪\動誤差的作

11、用。 光柵式位移傳感器在現(xiàn)代工業(yè)中的作用是十分巨大的，不僅進一步完善了代 加工工業(yè)的精度，同時也提高了其工作效率。隨著國內(nèi)加工業(yè)、制造業(yè)等工業(yè)越 來越成熟，對加工的精度要求也日益提高。因此，越來越多的企業(yè)選擇在各種機 床上安裝光柵式位移傳感器，例如：銑床、磨床、車床、線切割、電火花等。其 工作環(huán)境相對來說并不很苛刻，操作也很簡單。 機床用的光柵測量系統(tǒng)是現(xiàn)代高檔數(shù)控機床的關(guān)鍵功能部件。隨著機床的加 工精度、進給速度和加工效率的迅速提高，由機床不恒定的彈性變形、熱變形引 起的機床誤差，用傳統(tǒng)補償幾何誤差的方法將難以消除。因此，采用全閉環(huán)的機 床光柵位移傳感器的位置控制是必須的。光柵位移傳感器分為

12、光柵尺和圓光柵編 碼器。光柵尺用于長度測量；圓光柵編碼器又分為旋轉(zhuǎn)編碼器和角度編碼器，用 于旋轉(zhuǎn)運動和角度測量。 目前線位移和角位移傳感器構(gòu)成的測量系統(tǒng)從增量式測量方法逐步發(fā)展為 絕對式測量方法。安裝有絕對式光柵位移傳感器的機床或生產(chǎn)線在重新開機后不 需要找尋零位，即能立刻重新獲得各個軸的絕對位置以及刀具的空間指向，因此 可以立刻從中斷處繼續(xù)原來的加工程序，大大提高了數(shù)控機床的有效加工時間。 在這里需要說明的是，光柵式位移傳感器只是一個反應裝置，它可以將位移 量和位移方向通過信號輸出的方式反饋出來，但它不能直接顯示出來，它還需要 一個顯示裝置，我們簡稱它為數(shù)顯顯示箱，也稱數(shù)顯表。只有當光柵式位

13、移傳感 器和數(shù)顯表連接在一起的時候，才能正常地將數(shù)值反應給每一位操作者。 第 1 頁 共 29 頁 光柵式位移傳感器構(gòu)成的測控系統(tǒng)硬件電路設計 1.2 國內(nèi)外研究狀況 我國光柵數(shù)顯技術(shù)的發(fā)展從上世紀 80 年代以數(shù)顯技術(shù)改造傳統(tǒng)的機床行業(yè) 為起點。光柵位移傳感器銷售量從2000 年起，每年以30%到50%的速度遞增， 2008 年光柵尺的銷售量達到40 萬坐標，銷售額達到3 億元；圓光柵編碼器銷售 量達到90 萬個，銷售額達到2 億元。 國內(nèi)封閉式玻璃光柵尺的最大測量長度為3m，準確度有±15 m 、±10 m 、 ±5 m 和±3 m ，分辨力有5 m

14、 、1 m ，速度為60m/min，主要應 用于手動數(shù)顯機床。中、高檔光柵尺的標準為：精度等級為±2 m 、±3 m 、 ±5 m ，速度要達到到120m/min，加速度 要達到5g；玻璃光柵尺的最大測量長度為3m，鋼帶光柵尺要超過30m ；要有絕 對式光柵尺和信號雙向傳輸接口。 我國現(xiàn)在的光柵產(chǎn)品只能用于靜態(tài)測量，主要是手動數(shù)顯機床，我國年產(chǎn)60 萬臺機床中有30%安裝了國產(chǎn)光柵測量系統(tǒng)。 1.3 課題研究方法 位移是和物體的位置在運動過程中的移動有關(guān)的量，位移的測量方式所涉及 的范圍是相當廣泛的。小位移通常用應變式、電感式、差動變壓器式、渦流式、 霍爾傳感器來

15、檢測，大的位移常用感應同步器、光柵、容柵、磁柵等傳感技術(shù)來 測量。其中光柵傳感器因具有易實現(xiàn)數(shù)字化、精度高（目前分辨率最高的可達到 納米級）、抗干擾能力強、沒有人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠等優(yōu)點，在 機床加工、檢測儀表等行業(yè)中得到日益廣泛的應用。 本篇設計是基于 AT89C51 單片機開發(fā)的光柵位移傳感器對微小位移進行測 量的系統(tǒng)，其硬件設計包括數(shù)據(jù)采集、鍵盤操作、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示。把讀數(shù) 頭輸出的信號（脈沖電信號），經(jīng)過硬件電路辨向，送入計數(shù)器計數(shù)，利用89C2051 單片機進行信號處理，最終轉(zhuǎn)換成實際的位移值顯示出來。 光柵尺將位移轉(zhuǎn)換成脈沖，光柵尺輸出的脈沖經(jīng)過光耦合器、GAL16

16、V8 后， 被識別是前進還是后退的脈沖，分別經(jīng)過 T0、T1 計數(shù)，由擴展 8155、8279、 GAL16V8 等邏輯芯片后的單片機系統(tǒng)處理。系統(tǒng)選用可編程鍵盤及顯示器管理 芯片8279，經(jīng)譯碼器輸出經(jīng)三極管放大后驅(qū)動八支LED 數(shù)碼管。單片機的I/O 口和8155 的C 口輸出經(jīng)緩沖、隔離放大，驅(qū)動相應電磁閥或電動機。 第 2 頁 共 29 頁 光柵式位移傳感器構(gòu)成的測控系統(tǒng)硬件電路設計 1.4 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容 光柵式位移傳感器被廣泛應用于機電一體化設備中。全自動金屬帶鋸床是集 機械、電子、液壓技術(shù)于一體的典型機電一體化設備，在單片機系統(tǒng)控制下，完 成被鋸毛坯材料的輸送，夾具的夾緊/放

17、松、鋸切長度的測量、定位和切斷等工 作。操作人員只要按要求輸入所需材料的尺寸和根數(shù)，鋸床就能自動完成預定的 工作。由于使用光柵式位移傳感器，鋸床的測量和定位總誤差小于0.1mm 。 金屬帶鋸床由床身、頭架、送料裝置等部分組成。頭架是鋸條的支撐結(jié)構(gòu)， 環(huán)形鋸條由兩個輪盤張緊并固定在頭架上。在液壓油缸的作用下頭架可以上下移 動，完成鋸切進給和快速進給動作。送料裝置由搗鬼、動虎鉗、定虎鉗和安裝在 床身與動虎鉗之間的直線光柵式位移傳感器（光柵尺寸）組成。 動虎鉗在液壓油缸的作用下可在導軌上移動，光柵尺將移動距離轉(zhuǎn)換成對應 的脈沖數(shù)。送料時定虎鉗夾緊，動虎鉗松開并后退，退到一定長度后停止，這時 動虎鉗夾

18、緊，定虎鉗松開。動虎鉗夾著被鋸毛坯材料向前移動，移動距離達到規(guī) 定尺寸后停止，完成一次送料動作。頭架以工作進給速度下降，鋸條開始移動， 進入鋸切工作過程。毛坯材料被鋸斷后頭架觸動另一個行程開關(guān)，頭架升起，完 成一次鋸切工作。 本文設計了一種基于 AT89C51 單片機開發(fā)的光柵位移傳感器對微小位移 進行測量的系統(tǒng)。其硬件設計主要包括鍵盤輸入與顯示、傳感器信號處理和輸出 驅(qū)動。把讀數(shù)頭輸出的信號（脈沖電信號），經(jīng)過硬件電路辨向，送入計數(shù)器計 數(shù)，利用 AT89C51 單片機進行信號處理，最終轉(zhuǎn)換成實際的位移值顯示出來。 與其他系統(tǒng)相比，他的硬件電路簡單，并能實現(xiàn)較高的位移測量精度。 第 3 頁

19、共 29 頁 光柵式位移傳感器構(gòu)成的測控系統(tǒng)硬件電路設計 2 系統(tǒng)整體硬件設計 金屬帶鋸床主要用于鋸割碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金鋼、高合金剛、特殊合金鋼和 不銹鋼、耐酸鋼等各種金屬材料。根據(jù)結(jié)構(gòu)分為臥式金屬帶鋸床、立式金屬帶鋸 床、臥式又分為剪刀式、雙立柱、單立柱式帶鋸床；根據(jù)使用情況分為手動型（經(jīng) 濟型手動送料手動切割物料）、自動型；根據(jù)使用控制器的自動化程序可分為手 動型（半自動手動送料）全自動型（自動送料自動切割）；根據(jù)切割角度要求分 為角度鋸床（能鋸切角度90 度45 度）無角度即90 度垂直切割。 目前國內(nèi)最先進的帶鋸床，要屬液壓雙立柱型帶鋸床。它以速度快，效率高 受到國內(nèi)外加工廠的歡迎。其

20、主要功能特點有：切削速度液壓控制，無級調(diào)速； 導向塊結(jié)構(gòu)科學合理，延長鋸條的使用壽命；雙立柱結(jié)構(gòu)，操作平穩(wěn)；鋸切穩(wěn)定， 精度高；工作夾緊采用液壓夾緊，操作方便；可定制三向液壓夾緊裝置。 2.1 系統(tǒng)功能與總體設計方案 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碾娦盘枺ń?正弦信號），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(shù)據(jù)處理并 顯示結(jié)果。數(shù)據(jù)采集通過光柵尺完成對物體的檢測，并以電信號脈沖的形式送入 單片機的中斷源，單片機對送來的信號進行分析、處理，采集的信息再經(jīng)過轉(zhuǎn)換， 通過LED 顯示出來。硬件電路由鍵盤輸入與顯示電路、傳感器信號處理電路、 輸出驅(qū)動電路三部分組成

21、。 第 4 頁 共 29 頁 光柵式位移傳感器構(gòu)成的測控系統(tǒng)硬件電路設計 傳感器信號 顯示 單 蜂鳴報警 片 鍵盤 機 輸出 系統(tǒng)功能分析 根據(jù)AT89C51 單片機系統(tǒng)設計要求分析，所設計的系統(tǒng)主要功能有： 1、系統(tǒng)可以對一定移動距離范圍內(nèi)的物體進行精密測量，誤差較??； 2 、系統(tǒng)具有鍵盤輸入與顯示功能，八支 LED 數(shù)碼管以顯示輸入信息，電 路簡單，方便操作； 3、系統(tǒng)驅(qū)動相應的電磁閥或電動機，為使操作者了解鋸床工作狀態(tài)，電磁 閥和電動機的工作狀態(tài)分別由發(fā)光二極管在面板上指示。 4. 系統(tǒng)工作異常時，會有聲音提示。 要實現(xiàn)以上系統(tǒng)功能，本設計中，光柵尺將位移轉(zhuǎn)換成脈沖，光柵尺輸出的 脈沖經(jīng)

22、過光耦合器、GAL16V8 后，被識別是前進還是后退的脈沖，分別經(jīng)過 T0、T1 計數(shù)，由擴展8155、8279、GAL16V8 等邏輯芯片后的單片機系統(tǒng)處理。 系統(tǒng)選用可編程鍵盤及顯示器管理芯片 8279，經(jīng)譯碼器輸出經(jīng)三極管放大后驅(qū) 動八支LED 數(shù)碼管。單片機的I/O 口和8155 的C 口輸出經(jīng)緩沖、隔離放大， 驅(qū)動相應電磁閥或電動機。 鍵盤顯示與管理 這次設計的鍵盤顯示和管理采用通用可編程鍵盤和顯示器的接口電路芯片 8279。8279 可以實現(xiàn)對鍵盤和顯示器的自動掃描，識別閉合鍵的鍵號，完成顯 示器動態(tài)顯示，可以節(jié)省 CPU 處理鍵盤和顯示器的時間，提高 CPU 的工作效 率。因此用

23、戶只需進行讀入鍵盤數(shù)據(jù)（在中斷處理中讀入）和顯示數(shù)據(jù)。另外， 8279 與單片機的接口簡單，顯示穩(wěn)定，工作可靠。因此使用 8279 的通用鍵盤 顯示電路可使系統(tǒng)設計簡單化。此外在本系統(tǒng)設計中 8279 與 C8051 許多信號 第 5 頁 共 29 頁 光柵式位移傳感器構(gòu)成的測控系統(tǒng)硬件電路設計 是兼容的，可直接連接，非常方便。 2.2 系統(tǒng)總體設計研究任務 光柵式位移傳感器被廣泛應用于機電一體化設備中。全自動金屬帶鋸床是集 機械、電子、液壓技術(shù)于一體的典型機電一體化設備，在單片機系統(tǒng)控制下，完 成被鋸毛坯材料的輸送，夾具的夾緊/放松、鋸切長度的測量、定位和切斷等工 作。操作人員只要按要求輸入

24、所需材料的尺寸和根數(shù)，鋸床就能自動完成預定的 工作。由于使用光柵式位移傳感器，鋸床的測量和定位總誤差小于0.1mm 。 金屬帶鋸床由床身、頭架、送料裝置等部分組成。頭架是鋸條的支撐結(jié)構(gòu)， 環(huán)形鋸條由兩個輪盤張緊并固定在頭架上。在液壓油缸的作用下頭架可以上下移 動，完成鋸切進給和快速進給動作。送料裝置由搗鬼、動虎鉗、定虎鉗和安裝在 床身與動虎鉗之間的直線光柵式位移傳感器（光柵尺寸）組成。 動虎鉗在液壓油缸的作用下可在導軌上移動，光柵尺將移動距離轉(zhuǎn)換成對應 的脈沖數(shù)。送料時定虎鉗夾緊，動虎鉗松開并后退，退到一定長度后停止，這時 動虎鉗夾緊，定虎鉗松開。動虎鉗夾著被鋸毛坯材料向前移動，移動距離達到規(guī)

25、 定尺寸后停止，完成一次送料動作。頭架以工作進給速度下降，鋸條開始移動， 進入鋸切工作過程。毛坯材料被鋸斷后頭架觸動另一個行程開關(guān)，頭架升起，完 成一次鋸切工作。 2.3 光柵式位移傳感器原理介紹 莫爾條紋的概念 莫爾條紋 是 18 世紀法國研究人員莫爾先生首先發(fā)現(xiàn)的一種光學現(xiàn)象。從 技術(shù)角度上講，莫爾條紋是兩條線或兩個物體之間以恒定的角度和頻率發(fā)生干涉 的視覺結(jié)果，當人眼無法分辨這兩條線或兩個物體時，只能看到干涉的花紋，這 種光學現(xiàn)象就是莫爾條紋。 莫爾條紋具有如下特點： 1.莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例。光柵每移動過一個柵距W ，莫爾條 紋就移動過一個條紋間距B 2.莫爾條紋具有位移放

26、大作用。莫爾條紋的間距 B 與兩光柵條紋夾角之間 關(guān)系為 第 6 頁 共 29 頁 光柵式位移傳感器構(gòu)成的測控系統(tǒng)硬件電路設計 w w ? ? ? 2 sin 2 3.莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。 通過光電元件，可將莫爾條紋移動時光強的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信 號，如圖所示。 莫爾條紋移動產(chǎn)生的電壓信號 其電壓為： 2?x U U0 ?Ums i n W 將此電壓信號放大、整形變換為方波，經(jīng)微分轉(zhuǎn)換為脈沖信號，再經(jīng)辨向電 路和可逆計數(shù)器計數(shù)，則可用數(shù)字形式顯示出位移量，位移量等于脈沖與柵距乘 積。測量分辨率等于柵距。 位移傳感器的分類與選擇 位移傳感器又稱為線性傳感器，把位移轉(zhuǎn)換為電量

27、的傳感器。位移傳感器是 一種屬于金屬感應的線性器件，傳感器的作用是把各種被測物理量轉(zhuǎn)換為電量它 分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，超聲波式位移 傳感器，霍爾式位移傳感器。 第 7 頁 共 29 頁 光柵式位移傳感器構(gòu)成的測控系統(tǒng)硬件電路設計 在這種轉(zhuǎn)換過程中有許多物理量 例如壓力、流量、加速度等 常常需要先變 換為位移，然后再將位移變換成電量。因此位移傳感器是一類重要的基本傳感器。 在生產(chǎn)過程中，位移的測量一般分為測量實物尺寸和機械位移兩種。機械位移包 括線位移和角位移。按被測變量變換的形式不同，位移傳感器可分為模擬式和數(shù) 字式兩種。模擬式又可分為物性型（如自發(fā)電式）和

28、結(jié)構(gòu)型兩種。常用位移傳感 器以模擬式結(jié)構(gòu)型居多，包括電位器式位移傳感器、電感式位移傳感器（見電感 式傳感器）、自整角機、電容式位移傳感器（見電容式傳感器）、電渦流式位移傳 感器（見電渦流式傳感器）、霍爾式位移傳感器等。數(shù)字式位移傳感器的一個重 要優(yōu)點是便于將信號直接送入計算機系統(tǒng)（見數(shù)字式傳感器）。這種傳感器發(fā)展 迅速，應用日益廣泛 見感應同步器、碼盤、光柵式傳感器、磁柵式傳感器 。 從測控系統(tǒng)中常用位移傳感器的工作原理和性能特點可以看出，不同的傳感 器具有不同的應用場合，由于在位移測控系統(tǒng)中，傳感器是前向通道的關(guān)鍵部件， 因此選擇合適的傳感器是非常重要的。選擇的原則應主要考慮位移范圍、控制精

29、 度、應用場合和價格等因素。 位移是和物體的位置在運動過程中的移動有關(guān)的量，位移的測量方式所涉及 的范圍是相當廣泛的。小位移通常用應變式、電感式、差動變壓器式、渦流式、 霍爾傳感器來檢測，大的位移常用感應同步器、光柵、容柵、磁柵等傳感技術(shù)來 測量。其中光柵傳感器因具有易實現(xiàn)數(shù)字化、精度高（目前分辨率最高的可達到 納米級）、抗干擾能力強、沒有人為讀數(shù)誤差、安裝方便、使用可靠等優(yōu)點，在 機床加工、檢測儀表等行業(yè)中得到日益廣泛的應用。 總之，位移傳感器的選擇要與測控系統(tǒng)的要求相適應，除此之外再考慮成本。 在滿足要求的前提下，盡可能選擇成本較低的傳感器。從而，本系統(tǒng)中使用了光 柵式位移傳感器。 光柵式

30、位移傳感器的檢測原理 光柵是一種新型的位移檢測元件，有圓光柵和直線光柵兩種。它的特點是測 量精確高（可達±1um）、響應速度快和量程范圍大（一般為 12m ，連接使用 可達到10m）等。 光柵由標尺光柵和指示光柵組成，兩者的光刻密度相同，但體長相差很多， 其結(jié) 所示。 第 8 頁 共 29 頁 光柵式位移傳感器構(gòu)成的測控系統(tǒng)硬件電路設計 光柵條紋密度一般為每毫米25 ，50，100，250 條等。把指示光柵平行地放 在標尺光柵上面，并且使它們的刻線相互傾斜一個很小的角度 ，這時在指示 光柵上就出現(xiàn)幾條較粗的明暗條紋，稱為莫爾條紋。它們是沿著與光柵條紋幾乎 成垂直的方向排列， 所示。

31、光柵測量原理 莫爾條紋示意 光柵莫爾條紋的特點是起放大作用，用 W 表示條紋寬度，P 表示柵距， 表示光柵條紋間的夾角，則有 p w ? ? 若P 0.01mm，把莫爾條紋的寬度調(diào)成l0mm，則放大倍數(shù)相當于1000 倍， 即利用光的干涉現(xiàn)象把光柵間距放大 1 000 倍，因而大大減輕了電子線路的負 擔。 光柵可分透射和反射光柵兩種。透射光柵的線條刻制在透明的光學玻璃上， 反射光柵的線條刻制在具有強反射能力的金屬板上，一般用不銹鋼。光柵位移傳 感器的工作原理，是由一對光柵副中的主光柵（即標尺光柵）和副光柵（即指示 光柵）進行相對位移時，在光的干涉與衍射共同作用下產(chǎn)生黑白相間（或明暗相 間）的規(guī)

32、則條紋圖形，稱之為莫爾條紋。經(jīng)過光電器件轉(zhuǎn)換使黑白（或明暗）相 同的條紋轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號，再經(jīng)過放大器放大，整形電路整形后，得 到兩路相差為90o 的正弦波或方波，送入光柵數(shù)顯表計數(shù)顯示。 第 9 頁 共 29 頁 光柵式位移傳感器構(gòu)成的測控系統(tǒng)硬件電路設計 3 各部分硬件設計 硬件設計是指應用系統(tǒng)的電路設計，一般來講這部分可分為兩大部分內(nèi)容： 一是數(shù)字電路部分，二是模擬電路部分。數(shù)字電路設計即單片機系統(tǒng)的擴展，它 包括與單片機直接接口的數(shù)字電路，如存儲器和接口的擴展。存儲器的擴展指 EPROM 和RAM 等的擴展。接口擴展是指串、并行接口（如8255、8155、8279、 7219

33、等）及其他功能器件的擴展。這部分設計一般都能找到相關(guān)的參考資料， 因此相對來講較容易一些。與模擬電路相關(guān)的電路設計包括信號放大、整形、變 換、隔離、驅(qū)動和傳感器的選擇。這部分電路的設計相對較難把握，一旦設計有 誤，對整個系統(tǒng)的性能將產(chǎn)生嚴重影響。 3.1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 該系統(tǒng)以AT89C51 單片機為核心，擴展8155、8279、GAL16V8 等邏輯芯 片組成單片機系統(tǒng)。為了增加系統(tǒng)的抗干擾能力，使其能在操作現(xiàn)場惡劣的電氣 環(huán)境下工作，該系統(tǒng)采用了光耦合器、電源凈化等必要措施。由于采用GAL16V8 芯片，使系統(tǒng)的邏輯電路大為簡化，進一步提高了系統(tǒng)的可靠性。 AT89C2051 簡介 AT

34、89C2051 是一個低電壓，高性能CMOS 工藝的8 位單片機，片內(nèi)含2k bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM ）和128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù) 存儲器（RAM ），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼 容標準MCS-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和Flash 存儲單元，功 能強大 AT89C2051 單片機可為您提供許多高性價比的應用場合。 AT89C2051 是一個功能強大的單片機，但它只有 20 個引腳， 15 個雙向輸入/輸出（I/O ） 端口，其中P1 是一個完整的8 位雙向I/O 口，兩個外中斷口，兩個16 位可編 第 10 頁 共 29 頁 光柵式位移傳感器構(gòu)成的測控系統(tǒng)硬件電路設計 程定時計數(shù)器,兩個全雙工串行通信口，一個模擬比較放大器。同時AT89C2051 的時鐘頻率可以為零，即具備