光栅式位移测量仪的设计

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1、一、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0,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吋莫尔条纹也移动，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。（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

2、框图如图2所示：光栅传感器㈡放大整形电路倍频细分辨向片机计数运算L显图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TO口进行计数，通过程序运算，再由LCD屏显示出运算结果。二、系统硬件设计2.1放大电路设计采用同向比例放大电路，如图3：图3同向比例放大电路输出1输入1输入2输出2管脚连接图vccE图4LM324引脚图同相比例放大电路

3、结构简单，比较常用，放大倍数易于调整。采用LM324系列运算放大器(引脚图如图4),是价格便宜的差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32VoLM324的特点：1.短跑保护输出2.真差动输入级3•可单电源工作:3V-32V4•低偏置电流:最大100nA(LM324A)5.每封装含四个运算放大器。6.具冇内部补偿的功能。7.共模范围扩展到负电源8.行业标准的引脚排列9•输入端具有静电保护功能2.2整形电路设计图5可以把幅值为0.7v〜15v的止弦波转换为方波。NE5532为一个滞冋比较器，把正弦波

4、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，他们可以駆动继电器，开关电压高达50V,电流高达50mAo+12

5、V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廿和判断光栅的移动率等，光屯转换器件采用4极硅光电池來接收莫尔条纹信号。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个硅光电池來接收莫尔条纹信号，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

6、个硅光屯池输出的2路信号：UaW+U邮（譽兀）Ub=U°+响N(竽"90。)=uo+umcos(^x)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冋和大小。2.4单片机及其附属电路系统小的单片机采用AT89C52系列，AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes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

7、储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复朵系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚（引脚图如图7）,32个外部双向输入/输岀（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储器可有效地降低开发成本。1234567831.76.2.34.5.6,711<1♦PPPPPPPPP3・3(INT1)P3.2(INT0)P3.5(

8、T1)P3・4(T0)EA/VPP>XTAL1XTAL2RSTP3.7(RD)P3.6(WR)(ADO)P()・O(ADl)PO.I(AD2)P0.2(AD3)P()・3(AD4)P0.4(AD5)P0.5(AD6)P0.6(AD7)P0.7(A8)P2.0(A9)P2.1(A10)P2.2(A11)P