基于光柵測長度

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)目 錄 TOC o 1-3 h z u 引 言現(xiàn)實(shí)社會生活中，無論是基于對工業(yè)發(fā)展的需求，還是日常生活的需要，亦或是學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)，往往都涉及到對位移的測量，隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，對位移測量的精度要求也日益提高。高測量精度的位移測量器對經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展都會起到很大的推動作用，顯然，提高位移測量器精度，擴(kuò)大位移測量器的應(yīng)用廣度也就至關(guān)重要了。而目前市場上對位移測量的儀器都存有一定的弊端和局限性，有的測量精度不高，有的讀數(shù)繁瑣易錯，有的只能測量靜止物體的位移針對以上問題，我們以光

2、柵產(chǎn)生的莫爾條紋為理論依據(jù)，并基于單片機(jī)AT89S51進(jìn)行輸入設(shè)置和輸出顯示的設(shè)計(jì)，既方便了使用者的操作，又克服了傳統(tǒng)測量位移工具的弊端。 1 總體的設(shè)計(jì)框圖總體系統(tǒng)框圖 圖1 光柵測量系統(tǒng)1.2 光柵設(shè)計(jì)圖圖2 光柵設(shè)計(jì)圖2 各部分設(shè)計(jì)說明2.1 光柵尺2.1.1 光柵尺設(shè)計(jì)圖 圖3 光柵尺設(shè)計(jì)圖2.1.2 光柵尺的簡介及原理光柵尺位移傳感器（簡稱光柵尺），是利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置。光柵尺位移傳感器經(jīng)常應(yīng)用于機(jī)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。其測高了現(xiàn)在加工時(shí)的工作效率。在現(xiàn)在中國加工業(yè)、制造業(yè)越來越成熟，對加工的精度量輸出的信號為數(shù)字脈沖，

3、具有檢測范圍大，檢測精度高，響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。光柵尺在現(xiàn)代工業(yè)的貢獻(xiàn)也是非常巨大的，不僅僅將現(xiàn)在加工精度進(jìn)一步完善，更重要的是提越來越高的時(shí)候，在各種機(jī)床上，例如：銑床，磨床，車床，線切割、電火花等機(jī)床上都可以安裝光柵尺，其工作環(huán)境要求相對來說不是很苛刻，對操作者的使用來說也十分簡單。如圖所示：光柵尺位移傳感器是由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。標(biāo)尺光柵一般固定在機(jī)床活動部件上，光柵讀數(shù)頭裝在機(jī)床固定部件上，指示光柵裝在光柵讀數(shù)頭中。右圖所示的就是光柵尺位移傳感器的結(jié)構(gòu)。光柵檢測裝置結(jié)構(gòu)：光柵檢測裝置的關(guān)鍵部分是光柵讀數(shù)頭，它由光源、會聚透鏡、指示光柵、光電元件及調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成。光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)

4、形式很多，根據(jù)讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用場合分為直接接收式讀數(shù)頭(或稱硅光電池讀數(shù)頭、鏡像式讀數(shù)頭、分光鏡式讀數(shù)頭、金屬光柵反射式讀數(shù)頭）。常見光柵的工作原理都是根據(jù)物理上莫爾條紋的形成原理進(jìn)行工作的。當(dāng)使指示光柵上的線紋與標(biāo)尺光柵上的線紋成一角度來放置兩光柵尺時(shí)，必然會造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點(diǎn)近旁的小區(qū)域內(nèi)由于黑色線紋重疊，因而遮光面積最小，擋光效應(yīng)最弱，光的累積作用使得這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域，因兩光柵尺不透明的黑色線紋的重疊部分變得越來越少，不透明區(qū)域面積逐漸變大，即遮光面積逐漸變大，使得擋光效應(yīng)變強(qiáng)，只有較少的光線能通過這個(gè)區(qū)域透過光柵，使這個(gè)區(qū)

5、域出現(xiàn)暗帶，從而便形成了我們所見到的莫爾條紋。2.2 莫爾條紋2.2.1 莫爾條紋莫爾條紋是18世紀(jì)法國研究人員莫爾先生首先發(fā)現(xiàn)的一種光學(xué)現(xiàn)象。從技術(shù)角度上講，莫爾條紋是兩條線或兩個(gè)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(dāng)人眼無法分辨這兩條線或兩個(gè)物體時(shí)，只能看到干涉的花紋，這種光學(xué)現(xiàn)象就是莫爾條紋。以透射光柵為例，當(dāng)指示光柵上的線紋和標(biāo)尺光柵上的線紋之間形成一個(gè)小角度，并且兩個(gè)光柵尺刻面相對平行放置時(shí)，在光源的照射下，位于幾乎垂直的柵紋上，形成明暗相間的條紋。這種條紋稱為“莫爾條紋” (圖4所示)。嚴(yán)格地說，莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。莫爾條紋中兩條亮紋或兩

6、條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的寬度，以W表示。 W= /2* sin（/2）= / 圖4 莫爾條紋2.2.2 莫爾條紋的性質(zhì)莫爾條紋的性質(zhì)（1）方向性：垂直于角平分線，當(dāng)夾角很小時(shí) 與光柵移動方向垂直（2）莫爾條紋的變化規(guī)律兩片光柵相對移過一個(gè)柵距，莫爾條紋移過一個(gè)條紋距離。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律近似正(余)弦函數(shù)，變化周期數(shù)與光柵相對位移的柵距數(shù)同步。（3）放大作用W表示柵距，B莫爾條紋的紋距（寬度），表示光柵條紋的夾角。則：B=（4）可調(diào)性：夾角 條紋間距B 靈活（5）均化誤差作用莫爾條紋是由若干光柵條紋共用形成，例如每毫米100線的光柵，10mm寬度的莫爾條紋就有10

7、00條線紋，這樣?xùn)啪嘀g的相鄰誤差就被平均化了，消除了由于柵距不均勻、斷裂等造成的誤差。2.2.3檢測與數(shù)據(jù)處理光柵測量位移的實(shí)質(zhì)是以光柵柵距為一把標(biāo)準(zhǔn)尺子對位稱量進(jìn)行測量。高分辨率的光柵尺一般造價(jià)較貴，且制造困難。為了提高系統(tǒng)分辨率，需要對莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分，目前（2006年）光柵尺位移傳感器系統(tǒng)多采用電子細(xì)分方法。當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時(shí)，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋，隨著光柵的移動，莫爾條紋也隨之上下移動。這樣就把對光柵柵距的測量轉(zhuǎn)換為對莫爾條紋個(gè)數(shù)的測量。 在一個(gè)莫爾條紋寬度內(nèi)，按照一定間隔放置4個(gè)光電器件就能實(shí)現(xiàn)電子細(xì)分與判向功能。例如，柵線為50線對/mm的光柵尺，

8、其光柵柵距為0.02mm，若采用四細(xì)分后便可得到分辨率為5m的計(jì)數(shù)脈沖，這在工業(yè)普通測控中已達(dá)到了很高精度。由于位移是一個(gè)矢量，即要檢測其大小，又要檢測其方向，因此至少需要兩路相位不同的光電信號。為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波，通常采用由低漂移運(yùn)放構(gòu)成的差分放大器。由4個(gè)光敏器件獲得的4路光電信號分別送到2只差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的兩路信號其相位差為/2，為得到判向和計(jì)數(shù)脈沖，需對這兩路信號進(jìn)行整形，首先把它們整形為占空比為1:1的方波。然后，通過對方波的相位進(jìn)行判別比較，就可以得到光柵尺的移動方向。通過對方波脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以得到光柵尺的位移和速度。2.2.4 辨向原理在實(shí)

9、際應(yīng)用中，位移具有兩個(gè)方向，即選定一個(gè)方向后，位移有正負(fù)之分，因此用一個(gè)位移傳感器光電元件測定莫爾條紋信號確定不了位移方向，為了辨別，需要有/2相位差的兩個(gè)莫爾條紋信號。計(jì)量光柵辨向原理電路圖如圖5所示，在相距B/4位置設(shè)置兩個(gè)光電元件1和2，得到兩個(gè)相位差/2的莫爾條紋正弦電壓信號u1和u2，然后送到辨向電路中去處理。正向移動如圖（a）所示的箭頭指向A時(shí)，經(jīng)過整形后輸出方波信號u1，再經(jīng)Y1輸出脈沖信號u1w，計(jì)數(shù)器作加法計(jì)數(shù)；反向移動圖(a)所示的箭頭指向A時(shí)，經(jīng)過整形方波信號u2，再經(jīng)Y2輸出脈沖信號u2w，計(jì)數(shù)器作減法計(jì)數(shù)。光柵正向移動時(shí)u1超前u2為90，反向移動時(shí)u2超前u1為90

10、，故通過電路變相可確定光柵運(yùn)動方向，進(jìn)行位移的正確測量。 圖5 光柵辨向原理具體辨向過程：在光柵沿A方向移動時(shí)，u1經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖正好發(fā)生在u2的“1”電平時(shí)刻，從而經(jīng)與門Y1輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。而u1經(jīng)反相微分后產(chǎn)生的脈沖則與u2的“0”電平相遇，此時(shí)Y2被阻塞，無脈沖輸出。在光柵作A方向移動時(shí)，u1的微分脈沖發(fā)生在u2的“0”電平處，此時(shí)因與門Y1被阻塞而無脈沖輸出；而u1反向微分后產(chǎn)生的脈沖則出現(xiàn)在u2的“1”電平處，故與門Y2輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖?？梢?，辨向電路的兩路輸出分別對應(yīng)著光柵兩個(gè)不同的移動方向。將Y1，Y2的輸出信號分別送入可逆計(jì)數(shù)器。設(shè)光柵作A方向移動時(shí)，計(jì)數(shù)器作加計(jì)數(shù)，

11、反之則作減計(jì)數(shù)。若某時(shí)刻計(jì)數(shù)器的輸出為N，那么NW就是此時(shí)光柵的移動位移。3 電路及其程序3.1 電路的介紹3.1.1 單片機(jī)的選擇及其電路圖單片機(jī)：AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes 的的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器，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(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中。AT89S51單片機(jī)的主要性能參數(shù)如圖7所示： 圖7 AT89S51單片機(jī)主要性能參數(shù)功能特性概述AT89S51提供以下標(biāo)

12、準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，看門狗（WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作一直到下一個(gè)硬件復(fù)位。電路圖如下所示：圖7 整體電路圖3.1.2 電源電路圖 圖8 電源電路圖如圖8所示，穩(wěn)壓電路將生活用電（220v的交流電）經(jīng)過降壓變壓器降低電

13、壓，得到低壓交流電，經(jīng)過整流電路整流，得到直流電，經(jīng)過濾波電路得到脈動較小的直流電，再經(jīng)穩(wěn)壓電路得到穩(wěn)定的直流電。3.1.3 復(fù)位電路 圖9 復(fù)位電路整個(gè)電路初始啟動時(shí)，5V電壓向電容充電，則5V電壓和地組成的回路中有電流流通，10K電阻上的電壓約為5V，即高電平，使單片機(jī)復(fù)位；單片機(jī)工作過程中，如還需使單片機(jī)復(fù)位，則按一下開關(guān)S1即可。（S1接通時(shí)，前面電源提供5V電壓，使10K電阻電壓仍為5V左右，即可滿足單片機(jī)的高電平復(fù)位的條件）【注】：電阻R2（1K）起限流的作用，放置電流過大影響單片機(jī)正常工作。S1自然狀態(tài)下為斷開狀態(tài)。3.1.4 發(fā)光接收及放大電路 圖10 發(fā)光接收及放大電路接通電

14、源后，發(fā)光二極管便發(fā)出紅外光，其中R=1K是保護(hù)電阻，防止發(fā)光二極管因電流過大而燒壞。當(dāng)經(jīng)過明條紋時(shí)，光電接收管受到紅外光的照射而導(dǎo)通，光電接收管在導(dǎo)通狀態(tài)下壓降為0，所以兩個(gè)10K電阻分壓，輸出電壓2.5v；當(dāng)經(jīng)過暗條紋時(shí)，光電接收管接收不到二極管發(fā)出的紅外光而截止，回路中沒有電流通過，輸出電壓為0。3.1.5 計(jì)數(shù)顯示電路圖11 計(jì)數(shù)顯示電路3.2 程序設(shè)計(jì)3.2.1 系統(tǒng)流程圖 圖6 系統(tǒng)流程圖3.2.2 程序#includesm1=0 x3F,0 x06,0 x5B,0 x4F,0 x66,0 x6C,0 x7C,0 x07,0 x7F,0 x67;/0-9sm2=0 xBF,0 x8

15、6,0 xDB,0 xCF,0 xE6,0 xEC,0 xFC,0 x87,0 xFF,0 xE7;/0.-9.void delay0(int i) /延時(shí) for(i;i0;i-) ; void main(void) unsigned int cnt,SS,ys,i,j,k,newin; TMOD=0 x04; /計(jì)數(shù)器0工作 TH0=0 x00; /計(jì)數(shù)器高位0 TL0=0 x00; /低位設(shè)為0 TR0=1; /啟動計(jì)數(shù)器 SS=TL0; cnt=T0; P2=0 xdf; /選通數(shù)碼管 P0=sm10; /數(shù)碼管初始值為000 P2=0 xbf; P0=sm10; P2=0 x7f; P0=sm10; /000 while(1) if(SS=TL0) cnt=T0; i=cnt/100; ys=cnt-i*100; j=ys/10; k=ys%10; P2=0 xdf; /選通百位 P0=