光栅式位移传感器构成的测控系统硬件电路设计

1、光栅式位移传感器构成的测控系统硬件电路设计 光栅式位移传感器构成的测控系统硬件电路设计 栅式位移传感器构成的测控系统的硬件电路设计 光栅作为精密测量的一种工具，由于他本身具有的优点，已在精密仪器、坐 标测量光栅作为精密测量的一种工具，由于他本身具有的优点，已在精密仪器、 坐标测量、精确定位、高精度精密加工等领域得到了广泛的应用。目前，广泛地 将光栅位移传感器与微电子技术相结合，进行微小位移量的测量，以实现较高的 测量精度。本设计以全自动金属带锯床为例介绍了光栅式位移传感器在机电一体 化产品中的应用实例，以AT89C51 为核心，以光栅式位移传感器为检测元件， 以电磁阀、电动机为驱动部件，由控制

2、软件作支持的智能光栅测控系统，对机电 一体化设备的运动部件进行定位控制。该系统性能可靠，操作方便，通用性强， 具有一定的工程实用价值。 本文设计了一种基于 AT89C51 单片机开发的光栅位移传感器对微小位移 进行测量的系统。其硬件设计主要包括键盘输入与显示、传感器信号处理和输出 驱动。把读数头输出的信号（脉冲电信号），经过硬件电路辨向，送入计数器计 数，利用 AT89C51 单片机进行信号处理，最终转换成实际的位移值显示出来。 与其他系统相比，他的硬件电路简单，并能实现较高的位移测量精度。 关键字： 单片机 AT89C51 ； 光栅传感器 ； 位移检测 光栅式位移传感器构成的测控系统硬件电路

3、设计 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 光栅式位移传感器构成的测控系统硬件电路设计 目 录 1 绪论.1 1.1 课题背景及目的.1 1.2 国内外研究状况.2 1.3 课题研究方法.2 1.4 论文构成及研究内容.3 2 系统整体硬件设计.4 2.1 系统功能与总体设计方案.4 系统功能分析.

9、5 键盘显示与管理.5 2.2 系统总体设计研究任务.5 2.3 光栅式位移传感器原理介绍.6 莫尔条纹的概念.6 位移传感器的分类与选择.7 光栅式位移传感器的检测原理.8 3 各部分硬件设计.10 3.1 系统的硬件结构.10 AT89C2051 简介.10 控制系统AT89C2051 引脚功能说明.11 3.2 电源电路.12 3.3 键盘输入与显示电路.12 3.4 传感器信号处理电路.15 光栅式位移传感器的选择.17 3.5 输出驱动电路.18 3.6 系统时钟电路设计.18 3.7 系统复位电路设计.19 3.8 系统的抗干扰措施.20 3.9 元器件的选择.21 光栅式位移传感

10、器构成的测控系统硬件电路设计 4 系统软件设计概述.22 4.1 系统软件功能分析.22 4.2 系统初始化及主程序设计.22 5 结论.25 参考文献.26 致谢.27 附录 总体系统电路图.28 光栅式位移传感器构成的测控系统硬件电路设计 1 绪论 1.1 课题背景及目的 光栅式位移传感器是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，经常用于机 床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的检测。其 测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。 例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误 差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作

11、用。 光栅式位移传感器在现代工业中的作用是十分巨大的，不仅进一步完善了代 加工工业的精度，同时也提高了其工作效率。随着国内加工业、制造业等工业越 来越成熟，对加工的精度要求也日益提高。因此，越来越多的企业选择在各种机 床上安装光栅式位移传感器，例如：铣床、磨床、车床、线切割、电火花等。其 工作环境相对来说并不很苛刻，操作也很简单。 机床用的光栅测量系统是现代高档数控机床的关键功能部件。随着机床的加 工精度、进给速度和加工效率的迅速提高，由机床不恒定的弹性变形、热变形引 起的机床误差，用传统补偿几何误差的方法将难以消除。因此，采用全闭环的机 床光栅位移传感器的位置控制是必须的。光栅位移传感器分为

12、光栅尺和圆光栅编 码器。光栅尺用于长度测量；圆光栅编码器又分为旋转编码器和角度编码器，用 于旋转运动和角度测量。 目前线位移和角位移传感器构成的测量系统从增量式测量方法逐步发展为 绝对式测量方法。安装有绝对式光栅位移传感器的机床或生产线在重新开机后不 需要找寻零位，即能立刻重新获得各个轴的绝对位置以及刀具的空间指向，因此 可以立刻从中断处继续原来的加工程序，大大提高了数控机床的有效加工时间。 在这里需要说明的是，光栅式位移传感器只是一个反应装置，它可以将位移 量和位移方向通过信号输出的方式反馈出来，但它不能直接显示出来，它还需要 一个显示装置，我们简称它为数显显示箱，也称数显表。只有当光栅式位

13、移传感 器和数显表连接在一起的时候，才能正常地将数值反应给每一位操作者。 第 1 页 共 29 页 光栅式位移传感器构成的测控系统硬件电路设计 1.2 国内外研究状况 我国光栅数显技术的发展从上世纪 80 年代以数显技术改造传统的机床行业 为起点。光栅位移传感器销售量从2000 年起，每年以30%到50%的速度递增， 2008 年光栅尺的销售量达到40 万坐标，销售额达到3 亿元；圆光栅编码器销售 量达到90 万个，销售额达到2 亿元。 国内封闭式玻璃光栅尺的最大测量长度为3m，准确度有±15 m 、±10 m 、 ±5 m 和±3 m ，分辨力有5 m

14、 、1 m ，速度为60m/min，主要应 用于手动数显机床。中、高档光栅尺的标准为：精度等级为±2 m 、±3 m 、 ±5 m ，速度要达到到120m/min，加速度 要达到5g；玻璃光栅尺的最大测量长度为3m，钢带光栅尺要超过30m ；要有绝 对式光栅尺和信号双向传输接口。 我国现在的光栅产品只能用于静态测量，主要是手动数显机床，我国年产60 万台机床中有30%安装了国产光栅测量系统。 1.3 课题研究方法 位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及 的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、 霍尔传感器来

15、检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来 测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到 纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在 机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。 本篇设计是基于 AT89C51 单片机开发的光栅位移传感器对微小位移进行测 量的系统，其硬件设计包括数据采集、键盘操作、数据处理和数据显示。把读数 头输出的信号（脉冲电信号），经过硬件电路辨向，送入计数器计数，利用89C2051 单片机进行信号处理，最终转换成实际的位移值显示出来。 光栅尺将位移转换成脉冲，光栅尺输出的脉冲经过光耦合器、GAL16

16、V8 后， 被识别是前进还是后退的脉冲，分别经过 T0、T1 计数，由扩展 8155、8279、 GAL16V8 等逻辑芯片后的单片机系统处理。系统选用可编程键盘及显示器管理 芯片8279，经译码器输出经三极管放大后驱动八支LED 数码管。单片机的I/O 口和8155 的C 口输出经缓冲、隔离放大，驱动相应电磁阀或电动机。 第 2 页 共 29 页 光栅式位移传感器构成的测控系统硬件电路设计 1.4 论文构成及研究内容 光栅式位移传感器被广泛应用于机电一体化设备中。全自动金属带锯床是集 机械、电子、液压技术于一体的典型机电一体化设备，在单片机系统控制下，完 成被锯毛坯材料的输送，夹具的夹紧/放

17、松、锯切长度的测量、定位和切断等工 作。操作人员只要按要求输入所需材料的尺寸和根数，锯床就能自动完成预定的 工作。由于使用光栅式位移传感器，锯床的测量和定位总误差小于0.1mm 。 金属带锯床由床身、头架、送料装置等部分组成。头架是锯条的支撑结构， 环形锯条由两个轮盘张紧并固定在头架上。在液压油缸的作用下头架可以上下移 动，完成锯切进给和快速进给动作。送料装置由捣鬼、动虎钳、定虎钳和安装在 床身与动虎钳之间的直线光栅式位移传感器（光栅尺寸）组成。 动虎钳在液压油缸的作用下可在导轨上移动，光栅尺将移动距离转换成对应 的脉冲数。送料时定虎钳夹紧，动虎钳松开并后退，退到一定长度后停止，这时 动虎钳夹

18、紧，定虎钳松开。动虎钳夹着被锯毛坯材料向前移动，移动距离达到规 定尺寸后停止，完成一次送料动作。头架以工作进给速度下降，锯条开始移动， 进入锯切工作过程。毛坯材料被锯断后头架触动另一个行程开关，头架升起，完 成一次锯切工作。 本文设计了一种基于 AT89C51 单片机开发的光栅位移传感器对微小位移 进行测量的系统。其硬件设计主要包括键盘输入与显示、传感器信号处理和输出 驱动。把读数头输出的信号（脉冲电信号），经过硬件电路辨向，送入计数器计 数，利用 AT89C51 单片机进行信号处理，最终转换成实际的位移值显示出来。 与其他系统相比，他的硬件电路简单，并能实现较高的位移测量精度。 第 3 页

19、共 29 页 光栅式位移传感器构成的测控系统硬件电路设计 2 系统整体硬件设计 金属带锯床主要用于锯割碳素结构钢、低合金钢、高合金刚、特殊合金钢和 不锈钢、耐酸钢等各种金属材料。根据结构分为卧式金属带锯床、立式金属带锯 床、卧式又分为剪刀式、双立柱、单立柱式带锯床；根据使用情况分为手动型（经 济型手动送料手动切割物料）、自动型；根据使用控制器的自动化程序可分为手 动型（半自动手动送料）全自动型（自动送料自动切割）；根据切割角度要求分 为角度锯床（能锯切角度90 度45 度）无角度即90 度垂直切割。 目前国内最先进的带锯床，要属液压双立柱型带锯床。它以速度快，效率高 受到国内外加工厂的欢迎。其

20、主要功能特点有：切削速度液压控制，无级调速； 导向块结构科学合理，延长锯条的使用寿命；双立柱结构，操作平稳；锯切稳定， 精度高；工作夹紧采用液压夹紧，操作方便；可定制三向液压夹紧装置。 2.1 系统功能与总体设计方案 本文采用光栅作为传感元件，经接收元件后变为周期性变化的电信号（近似 正弦信号），采用逻辑辨向电路区别位移的正反向，利用单片机进行数据处理并 显示结果。数据采集通过光栅尺完成对物体的检测，并以电信号脉冲的形式送入 单片机的中断源，单片机对送来的信号进行分析、处理，采集的信息再经过转换， 通过LED 显示出来。硬件电路由键盘输入与显示电路、传感器信号处理电路、 输出驱动电路三部分组成

21、。 第 4 页 共 29 页 光栅式位移传感器构成的测控系统硬件电路设计 传感器信号 显示 单 蜂鸣报警 片 键盘 机 输出 系统功能分析 根据AT89C51 单片机系统设计要求分析，所设计的系统主要功能有： 1、系统可以对一定移动距离范围内的物体进行精密测量，误差较小； 2 、系统具有键盘输入与显示功能，八支 LED 数码管以显示输入信息，电 路简单，方便操作； 3、系统驱动相应的电磁阀或电动机，为使操作者了解锯床工作状态，电磁 阀和电动机的工作状态分别由发光二极管在面板上指示。 4. 系统工作异常时，会有声音提示。 要实现以上系统功能，本设计中，光栅尺将位移转换成脉冲，光栅尺输出的 脉冲经

22、过光耦合器、GAL16V8 后，被识别是前进还是后退的脉冲，分别经过 T0、T1 计数，由扩展8155、8279、GAL16V8 等逻辑芯片后的单片机系统处理。 系统选用可编程键盘及显示器管理芯片 8279，经译码器输出经三极管放大后驱 动八支LED 数码管。单片机的I/O 口和8155 的C 口输出经缓冲、隔离放大， 驱动相应电磁阀或电动机。 键盘显示与管理 这次设计的键盘显示和管理采用通用可编程键盘和显示器的接口电路芯片 8279。8279 可以实现对键盘和显示器的自动扫描，识别闭合键的键号，完成显 示器动态显示，可以节省 CPU 处理键盘和显示器的时间，提高 CPU 的工作效 率。因此用

23、户只需进行读入键盘数据（在中断处理中读入）和显示数据。另外， 8279 与单片机的接口简单，显示稳定，工作可靠。因此使用 8279 的通用键盘 显示电路可使系统设计简单化。此外在本系统设计中 8279 与 C8051 许多信号 第 5 页 共 29 页 光栅式位移传感器构成的测控系统硬件电路设计 是兼容的，可直接连接，非常方便。 2.2 系统总体设计研究任务 光栅式位移传感器被广泛应用于机电一体化设备中。全自动金属带锯床是集 机械、电子、液压技术于一体的典型机电一体化设备，在单片机系统控制下，完 成被锯毛坯材料的输送，夹具的夹紧/放松、锯切长度的测量、定位和切断等工 作。操作人员只要按要求输入

24、所需材料的尺寸和根数，锯床就能自动完成预定的 工作。由于使用光栅式位移传感器，锯床的测量和定位总误差小于0.1mm 。 金属带锯床由床身、头架、送料装置等部分组成。头架是锯条的支撑结构， 环形锯条由两个轮盘张紧并固定在头架上。在液压油缸的作用下头架可以上下移 动，完成锯切进给和快速进给动作。送料装置由捣鬼、动虎钳、定虎钳和安装在 床身与动虎钳之间的直线光栅式位移传感器（光栅尺寸）组成。 动虎钳在液压油缸的作用下可在导轨上移动，光栅尺将移动距离转换成对应 的脉冲数。送料时定虎钳夹紧，动虎钳松开并后退，退到一定长度后停止，这时 动虎钳夹紧，定虎钳松开。动虎钳夹着被锯毛坯材料向前移动，移动距离达到规

25、 定尺寸后停止，完成一次送料动作。头架以工作进给速度下降，锯条开始移动， 进入锯切工作过程。毛坯材料被锯断后头架触动另一个行程开关，头架升起，完 成一次锯切工作。 2.3 光栅式位移传感器原理介绍 莫尔条纹的概念 莫尔条纹 是 18 世纪法国研究人员莫尔先生首先发现的一种光学现象。从 技术角度上讲，莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉 的视觉结果，当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹，这 种光学现象就是莫尔条纹。 莫尔条纹具有如下特点： 1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过一个栅距W ，莫尔条 纹就移动过一个条纹间距B 2.莫尔条纹具有位移放

26、大作用。莫尔条纹的间距 B 与两光栅条纹夹角之间 关系为 第 6 页 共 29 页 光栅式位移传感器构成的测控系统硬件电路设计 w w ? ? ? 2 sin 2 3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信 号，如图所示。 莫尔条纹移动产生的电压信号 其电压为： 2?x U U0 ?Ums i n W 将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，再经辨向电 路和可逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘 积。测量分辨率等于栅距。 位移传感器的分类与选择 位移传感器又称为线性传感器，把位移转换为电量

27、的传感器。位移传感器是 一种属于金属感应的线性器件，传感器的作用是把各种被测物理量转换为电量它 分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移 传感器，霍尔式位移传感器。 第 7 页 共 29 页 光栅式位移传感器构成的测控系统硬件电路设计 在这种转换过程中有许多物理量 例如压力、流量、加速度等 常常需要先变 换为位移，然后再将位移变换成电量。因此位移传感器是一类重要的基本传感器。 在生产过程中，位移的测量一般分为测量实物尺寸和机械位移两种。机械位移包 括线位移和角位移。按被测变量变换的形式不同，位移传感器可分为模拟式和数 字式两种。模拟式又可分为物性型（如自发电式）和

28、结构型两种。常用位移传感 器以模拟式结构型居多，包括电位器式位移传感器、电感式位移传感器（见电感 式传感器）、自整角机、电容式位移传感器（见电容式传感器）、电涡流式位移传 感器（见电涡流式传感器）、霍尔式位移传感器等。数字式位移传感器的一个重 要优点是便于将信号直接送入计算机系统（见数字式传感器）。这种传感器发展 迅速，应用日益广泛 见感应同步器、码盘、光栅式传感器、磁栅式传感器 。 从测控系统中常用位移传感器的工作原理和性能特点可以看出，不同的传感 器具有不同的应用场合，由于在位移测控系统中，传感器是前向通道的关键部件， 因此选择合适的传感器是非常重要的。选择的原则应主要考虑位移范围、控制精

29、 度、应用场合和价格等因素。 位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及 的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、 霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来 测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到 纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在 机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。 总之，位移传感器的选择要与测控系统的要求相适应，除此之外再考虑成本。 在满足要求的前提下，尽可能选择成本较低的传感器。从而，本系统中使用了光 栅式位移传感器。 光栅式

30、位移传感器的检测原理 光栅是一种新型的位移检测元件，有圆光栅和直线光栅两种。它的特点是测 量精确高（可达±1um）、响应速度快和量程范围大（一般为 12m ，连接使用 可达到10m）等。 光栅由标尺光栅和指示光栅组成，两者的光刻密度相同，但体长相差很多， 其结 所示。 第 8 页 共 29 页 光栅式位移传感器构成的测控系统硬件电路设计 光栅条纹密度一般为每毫米25 ，50，100，250 条等。把指示光栅平行地放 在标尺光栅上面，并且使它们的刻线相互倾斜一个很小的角度 ，这时在指示 光栅上就出现几条较粗的明暗条纹，称为莫尔条纹。它们是沿着与光栅条纹几乎 成垂直的方向排列， 所示。

31、光栅测量原理 莫尔条纹示意 光栅莫尔条纹的特点是起放大作用，用 W 表示条纹宽度，P 表示栅距， 表示光栅条纹间的夹角，则有 p w ? ? 若P 0.01mm，把莫尔条纹的宽度调成l0mm，则放大倍数相当于1000 倍， 即利用光的干涉现象把光栅间距放大 1 000 倍，因而大大减轻了电子线路的负 担。 光栅可分透射和反射光栅两种。透射光栅的线条刻制在透明的光学玻璃上， 反射光栅的线条刻制在具有强反射能力的金属板上，一般用不锈钢。光栅位移传 感器的工作原理，是由一对光栅副中的主光栅（即标尺光栅）和副光栅（即指示 光栅）进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间（或明暗相 间）的规

32、则条纹图形，称之为莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白（或明暗）相 同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得 到两路相差为90o 的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示。 第 9 页 共 29 页 光栅式位移传感器构成的测控系统硬件电路设计 3 各部分硬件设计 硬件设计是指应用系统的电路设计，一般来讲这部分可分为两大部分内容： 一是数字电路部分，二是模拟电路部分。数字电路设计即单片机系统的扩展，它 包括与单片机直接接口的数字电路，如存储器和接口的扩展。存储器的扩展指 EPROM 和RAM 等的扩展。接口扩展是指串、并行接口（如8255、8155、8279、 7219

33、等）及其他功能器件的扩展。这部分设计一般都能找到相关的参考资料， 因此相对来讲较容易一些。与模拟电路相关的电路设计包括信号放大、整形、变 换、隔离、驱动和传感器的选择。这部分电路的设计相对较难把握，一旦设计有 误，对整个系统的性能将产生严重影响。 3.1 系统的硬件结构 该系统以AT89C51 单片机为核心，扩展8155、8279、GAL16V8 等逻辑芯 片组成单片机系统。为了增加系统的抗干扰能力，使其能在操作现场恶劣的电气 环境下工作，该系统采用了光耦合器、电源净化等必要措施。由于采用GAL16V8 芯片，使系统的逻辑电路大为简化，进一步提高了系统的可靠性。 AT89C2051 简介 AT

34、89C2051 是一个低电压，高性能CMOS 工艺的8 位单片机，片内含2k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM ）和128 bytes 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 存储单元，功 能强大 AT89C2051 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。 AT89C2051 是一个功能强大的单片机，但它只有 20 个引脚， 15 个双向输入/输出（I/O ） 端口，其中P1 是一个完整的8 位双向I/O 口，两个外中断口，两个16 位可编 第 10 页 共 29 页 光栅式位移传感器构成的测控系统硬件电路设计 程定时计数器,两个全双工串行通信口，一个模拟比较放大器。同时AT89C2051 的时钟频率可以为零，即具备