本文介绍一种以单片机为核心的位移主动测量体系，该体系采取光栅传感器把被测位移量改变为电旌旗灯号，经前置放大年夜和电路处理后，送入8031单片机进行综合运算处理后输出，并经由过程LED显示。文中介绍了整体电路的设计和单片机体系的硬件及软件流程。
1 引言

5 结论
今朝在周详机加工和数控机库中采取的周详位称数控体系框图如图1所示。

图1 周详位移数控体系框图

跟着电子技巧和单片机技巧的成长，光栅传感器在位移测量体系获得广泛应用，并慢慢向智能化偏向转化。

图2 光栅传感器位移测量体系道理示意图

2 电子细分与判向电路

(1)

式中：W为莫尔条纹宽度；d为光栅栅距（节距）；θ为两块光栅的夹角，rad

在一个莫尔条纹宽度内，按照必定距离放置4个光电器件就能实现电子细分与羊向功能。本体系采取的光栅尺栅线为50线对/mm，其光栅栅距为0.02mm，若采取四细分后便可获得分辨率为5μm的计数脉冲，这在一般工业测控中已达到了很高精度。因为位移是一个矢量，即要检测其大年夜小，又要检测其偏向，是以至少须要两路相位不合的光电旌旗灯号。为了清除共模干扰、直流分量和偶次谐波，我们采取了由低漂移运放构成的差分放大年夜器。由4个滏电器件获得的4路光电旌旗灯号分别送到2只差分放大年夜器输入端，大年夜差分放大年夜器输出的两路旌旗灯号其相位差为π/2，为获得判向和计数脉冲，需对这两路旌旗灯号进行整形，起首把它们整形为占空比为1：1的方波，经由两个与或非门74LS54芯片构成的四细分判向电路输入可逆计数器，最后送入由8031构成的单片机体系中进行处理。

3 单片机与接口电路


为实现可逆计数和进步测量速度，体系采取了193可逆计数器。假设工作平台运行速度为v，光栅传感器栅距为d，细分数为N，则计数脉冲的频率为

(2)

若v=1m/s,d=20μm,N=20，则f=1MHz，对应计数时光距离为1，显然对于8031单片机体系的响应为2μs是不克不及胜任的。经可逆计数器分频后，可大年夜大年夜地进步测量速度。

因为193是4位二进制输出，为与单片机接口，把两片193采取了级联的方法，如许最多可计255个脉冲，若再来脉冲，进位端或借位端将输出一个脉冲送到单片机T0、T1端计数，包管送到8031的旌旗灯号不损掉。

本体系长度最大年夜可测几米（由光栅实际长度决定），最小分辨率为μm级，须要7个显示数据。正向运行时不显示符号，反向运行时需显示“-”号，所以连同符号位，共需8个显示块。为了符全人们应用习惯，显示块选用共阴极LED。
图2是应用光栅传感器构成的位移量主动测量体系道理示意图。该体系采取光栅移动产生的莫尔条纹与电子电路以及单片机相结合来完查对位移量的主动测量，它具有判别光栅移动偏向、预置初值、实现主动定位控制及过限报警、自检和掉落电保护以及温度误差修改等功能。下面对该体系的工作道理及设计思惟作以介绍。

为实现测量体系的智能化，设置了一个2×8方法键盘矩阵，个中包含0～9共10个数字键和6个功能键：L/A长度/角度转称功能键；+/-符号转换功能键；ΔT温度误差修改功能键；EXE履行键；ENT预置键CE（清零键）。键盘、显示器与单片机之间经由过程一个接口芯片8155来连接。个中，8155的PA口设置辚根本输出方法，作为8位LED显示的段码线；PB口设为输出方法，作为8位LED的位选线；PC口设为输入方法，作为键盘的行扫描线。PB口侠选线每次选通1位显示，每次显示1ms，因为人眼视觉惰性，可产生8位显示块同时显示现象。

因为早年置电路74LS54出来的脉冲经由2片193分频后，直接进入8031的仅为大年夜于255的“大年夜”数，而小于255的“小”数是由两片193输出经由过程I/O接口输入到8031内部处理，这个I/O接口芯片是经由过程扩大一片8255实现的。个中，8255PB口设为根本输入方法，PB0-PB3作为1#193输入，PB4～PB7英国沃森作为2#193输入。PA口、PC口的低位设为输出，作为体系并行BCD码输出。因为8031单片机无内ROM，应外扩大一片2732（4k EPROM）。只用PSEN片选，不必增长地址译码。为锁存8031P0口输入的地址旌旗灯号，在8031和2732之间需加一片74LS373地址锁存器。

4 软件设计

根据硬件电路和体系功能请求，我们设计了软件法度榜样，因为采取了温度误差修改子法度榜样，可使检测的精度获得大年夜大年夜进步。光栅传感器是光机电一体化构造，光栅尺是由玻璃制做，外壳是由型铝材料。当情况温度变更时，必定会引起构造尺寸改变导致光栅栅距的变更，带来检测误差。设定情况温度为20℃时为检测标准值，与标准值比较测出温度变更时带来的位移误差值，即时测出位移误差一温度特别性性曲线，由特点曲线拟合出误差一温度方程式，作闻敉件温度误差修改的基本。

本体系软件采取模块化构造，软件编制简洁，紧凑合理。

光栅测量位移的本质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。今朝高分辨率的光栅尺一般造价较贵，且制造艰苦。为了进步体系分辨率，须要对莫尔条纹进行细分，本体系采取了电子细分办法。当两块光栅以渺小倾角重叠时，在与光栅刻线大年夜致垂直的偏向上就会产生莫尔条纹，跟着光栅的移动，莫尔条纹也随之高低移动。如许就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量，同量莫尔条纹又具有光学放大年夜感化，其放大年夜倍数为

根据上述硬件电路和软件设计，经实验测试，体系的测精度可优于±5μm，今朝，我们研制的应用光栅传感器进行长度、角度主动测量的智能仪表已形成系列产品，分辨率可大年夜20μm到1μm，具有机能稳定、抗干扰才能强、体积小、构造紧凑、成本低等长处，已成功地应用于机库改革和相干的光电尺寸与地位检测体系中。(end)