光柵傳感器在位移自動測量系統中的應用
摘要：介紹一種以單片機為核心的位移自動測量系統，該系統采用光柵傳感器把被測位移量轉變為電信號，經前置放大和電路處理后，送入8031單片機進行綜合運算處理后輸出，并通過LED顯示。文中介紹了整體電路的設計和單片機系統的硬件及軟件流程。
關鍵詞：光柵 位移 單片機
1 引言
目前在精密機加工和數控機庫中采用的精密位稱數控系統框圖如圖1所示。
隨著電子技術和單片機技術的發展，光柵傳感器在位移測量系統得到廣泛應用，并逐步向智能化方向轉化。
圖2是利用光柵傳感器構成的位移量自動測量系統原理示意圖。該系統采用光柵移動產生的莫爾條紋與電子電路以及單片機相結合來完成對位移量的自動測量，它具有判別光柵移動方向、預置初值、實現自動定位控制及過限報警、自檢和掉電保護以及溫度誤差修正等功能。下面對該系統的工作原理及設計思想作以介紹。
2 電子細分與判向電路
光柵測量位移的實質是以光柵柵距為一把標準尺子對位稱量進行測量。目前高分辯率的光柵尺一般造價較貴，且制造困難。為了提高系統分辯率，需要對莫爾條紋進行細分，本系統采用了電子細分方法。當兩塊光柵以微小傾角重疊時，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產生莫爾條紋，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換為對莫爾條紋個數的測量，同量莫爾條紋又具有光學放大作用，其放大倍數為
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(1)
式中：W為莫爾條紋寬度；d為光柵柵距（節距）；θ為兩塊光柵的夾角，rad
在一個莫爾條紋寬度內，按照一定間隔放置4個光電器件就能實現電子細分與羊向功能。本系統采用的光柵尺柵線為50線對/mm，其光柵柵距為0.02mm，若采用四細分后便可得到分辯率為5μm的計數脈沖，這在一般工業測控中已達到了很高精度。由于位移是一個矢量，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，我們采用了由低漂移運放構成的差分放大器。由4個滏電器件獲得的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π/2，為得到判向和計數脈沖，需對這兩路信號進行整形，首先把它們整形為占空比為1：1的方波，經由兩個與或非門74LS54芯片組成的四細分判向電路輸入可逆計數器，最后送入由8031組成的單片機系統中進行處理。
3 單片機與接口電路
為實現可逆計數和提高測量速度，系統采用了193可逆計數器。假設工作平臺運行速度為v，光柵傳感器柵距為d，細分數為N，則計數脈沖的頻率為
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(2)
若v=1m/s,d=20μm,N=20，則f=1MHz，對應計數時間間隔為1，顯然對于8031單片機系統的響應為2μs是不能勝任的。經可逆計數器分頻后，可大大地提高測量速度。
由于193是4位二進制輸出，為與單片機接口，把兩片193采用了級聯的方式，這樣最多可計255個脈沖，若再來脈沖，進位端或借位端將輸出一個脈沖送到單片機T0、T1端計數，保證送到8031的信號不丟失。
本系統長度最大可測幾米（由光柵實際長度決定），最小分辯率為μm級，需要7個顯示數據。正向運行時不顯示符號，反向運行時需顯示"-"號，所以連同符號位，共需8個顯示塊。為了符全人們應用習慣，顯示塊選用共陰極LED。
為實現測量系統的智能化，設置了一個2×8方式鍵盤矩陣，其中包括0～9共10個數字鍵和6個功能鍵：L/A長度/角度轉稱功能鍵；+/-符號轉換功能鍵；ΔT溫度誤差修正功能鍵；EXE執行鍵；ENT預置鍵CE（清零鍵）。鍵盤、顯示器與單片機之間通過一個接口芯片8155來連接。其中，8155的PA口設置轔基本輸出方式，作為8位LED顯示的段碼線；PB口設為輸出方式，作為8位LED的位選線；PC口設為輸入方式，作為鍵盤的行掃描線。PB口俠選線每次選通1位顯示，每次顯示1ms，由于人眼視覺惰性，可產生8位顯示塊同時顯示現象。
由于從前置電路74LS54出來的脈沖經過2片193分頻后，直接進入8031的僅為大于255的"大"數，而小于255的"小"數是由兩片193輸出通過I/O接口輸入到8031內部處理，這個I/O接口芯片是通過擴展一片8255實現的。其中，8255PB口設為基本輸入方式，PB0-PB3作為1#193輸入，PB4～PB7作為2#193輸入。PA口、PC口的低位設為輸出，作為系統并行BCD碼輸出。由于8031單片機無內ROM，應外擴展一片2732（4k EPROM）。只用PSEN片選，不必增加地址譯碼。為鎖存8031P0口輸入的地址信號，在8031和2732之間需加一片74LS373地址鎖存器。
4 軟件設計
根據硬件電路和系統功能要求，我們設計了軟件程序，由于采用了溫度誤差修正子程序，可使檢測的精度得到大大提高。光柵傳感器是光機電一體化結構，光柵尺是由玻璃制做，外殼是由型鋁材料。當環境溫度變化時，必然會引起結構尺寸改變導致光柵柵距的變化，帶來檢測誤差。設定環境溫度為20℃時為檢測標準值，與標準值比較測出溫度變化時帶來的位移誤差值，即時測出位移誤差一溫度特殊性性曲線，由特性曲線擬合出誤差一溫度方程式，作為軟件溫度誤差修正的基礎。
本系統軟件采用模塊化結構，軟件編制簡潔，緊湊合理。
5 結論
根據上述硬件電路和軟件設計，經實驗測試，系統的測精度可優于±5μm，目前，我們研制的利用光柵傳感器進行長度、角度自動測量的智能儀表已形成系列產品，分辯率可從20μm到1μm，具有性能穩定、抗干擾能力強、體積小、結構緊湊、成本低等優點，已成功地應用于機庫改造和相關的光電尺寸與位置檢測系統中。
關鍵詞：光柵 位移 單片機
1 引言
目前在精密機加工和數控機庫中采用的精密位稱數控系統框圖如圖1所示。
隨著電子技術和單片機技術的發展，光柵傳感器在位移測量系統得到廣泛應用，并逐步向智能化方向轉化。
圖2是利用光柵傳感器構成的位移量自動測量系統原理示意圖。該系統采用光柵移動產生的莫爾條紋與電子電路以及單片機相結合來完成對位移量的自動測量，它具有判別光柵移動方向、預置初值、實現自動定位控制及過限報警、自檢和掉電保護以及溫度誤差修正等功能。下面對該系統的工作原理及設計思想作以介紹。
2 電子細分與判向電路
光柵測量位移的實質是以光柵柵距為一把標準尺子對位稱量進行測量。目前高分辯率的光柵尺一般造價較貴，且制造困難。為了提高系統分辯率，需要對莫爾條紋進行細分，本系統采用了電子細分方法。當兩塊光柵以微小傾角重疊時，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產生莫爾條紋，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換為對莫爾條紋個數的測量，同量莫爾條紋又具有光學放大作用，其放大倍數為
點擊圖片，可能獲得更佳效果,：
(1)
式中：W為莫爾條紋寬度；d為光柵柵距（節距）；θ為兩塊光柵的夾角，rad
在一個莫爾條紋寬度內，按照一定間隔放置4個光電器件就能實現電子細分與羊向功能。本系統采用的光柵尺柵線為50線對/mm，其光柵柵距為0.02mm，若采用四細分后便可得到分辯率為5μm的計數脈沖，這在一般工業測控中已達到了很高精度。由于位移是一個矢量，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，我們采用了由低漂移運放構成的差分放大器。由4個滏電器件獲得的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π/2，為得到判向和計數脈沖，需對這兩路信號進行整形，首先把它們整形為占空比為1：1的方波，經由兩個與或非門74LS54芯片組成的四細分判向電路輸入可逆計數器，最后送入由8031組成的單片機系統中進行處理。
3 單片機與接口電路
為實現可逆計數和提高測量速度，系統采用了193可逆計數器。假設工作平臺運行速度為v，光柵傳感器柵距為d，細分數為N，則計數脈沖的頻率為
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(2)
若v=1m/s,d=20μm,N=20，則f=1MHz，對應計數時間間隔為1，顯然對于8031單片機系統的響應為2μs是不能勝任的。經可逆計數器分頻后，可大大地提高測量速度。
由于193是4位二進制輸出，為與單片機接口，把兩片193采用了級聯的方式，這樣最多可計255個脈沖，若再來脈沖，進位端或借位端將輸出一個脈沖送到單片機T0、T1端計數，保證送到8031的信號不丟失。
本系統長度最大可測幾米（由光柵實際長度決定），最小分辯率為μm級，需要7個顯示數據。正向運行時不顯示符號，反向運行時需顯示"-"號，所以連同符號位，共需8個顯示塊。為了符全人們應用習慣，顯示塊選用共陰極LED。
為實現測量系統的智能化，設置了一個2×8方式鍵盤矩陣，其中包括0～9共10個數字鍵和6個功能鍵：L/A長度/角度轉稱功能鍵；+/-符號轉換功能鍵；ΔT溫度誤差修正功能鍵；EXE執行鍵；ENT預置鍵CE（清零鍵）。鍵盤、顯示器與單片機之間通過一個接口芯片8155來連接。其中，8155的PA口設置轔基本輸出方式，作為8位LED顯示的段碼線；PB口設為輸出方式，作為8位LED的位選線；PC口設為輸入方式，作為鍵盤的行掃描線。PB口俠選線每次選通1位顯示，每次顯示1ms，由于人眼視覺惰性，可產生8位顯示塊同時顯示現象。
由于從前置電路74LS54出來的脈沖經過2片193分頻后，直接進入8031的僅為大于255的"大"數，而小于255的"小"數是由兩片193輸出通過I/O接口輸入到8031內部處理，這個I/O接口芯片是通過擴展一片8255實現的。其中，8255PB口設為基本輸入方式，PB0-PB3作為1#193輸入，PB4～PB7作為2#193輸入。PA口、PC口的低位設為輸出，作為系統并行BCD碼輸出。由于8031單片機無內ROM，應外擴展一片2732（4k EPROM）。只用PSEN片選，不必增加地址譯碼。為鎖存8031P0口輸入的地址信號，在8031和2732之間需加一片74LS373地址鎖存器。
4 軟件設計
根據硬件電路和系統功能要求，我們設計了軟件程序，由于采用了溫度誤差修正子程序，可使檢測的精度得到大大提高。光柵傳感器是光機電一體化結構，光柵尺是由玻璃制做，外殼是由型鋁材料。當環境溫度變化時，必然會引起結構尺寸改變導致光柵柵距的變化，帶來檢測誤差。設定環境溫度為20℃時為檢測標準值，與標準值比較測出溫度變化時帶來的位移誤差值，即時測出位移誤差一溫度特殊性性曲線，由特性曲線擬合出誤差一溫度方程式，作為軟件溫度誤差修正的基礎。
本系統軟件采用模塊化結構，軟件編制簡潔，緊湊合理。
5 結論
根據上述硬件電路和軟件設計，經實驗測試，系統的測精度可優于±5μm，目前，我們研制的利用光柵傳感器進行長度、角度自動測量的智能儀表已形成系列產品，分辯率可從20μm到1μm，具有性能穩定、抗干擾能力強、體積小、結構緊湊、成本低等優點，已成功地應用于機庫改造和相關的光電尺寸與位置檢測系統中。
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