基于增量式光電編碼器位移傳感器研究
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位移傳感器正常工作時，外部線形位移通過光柵信號編碼器轉化為數字脈沖信號，傳感器調整電路將接收此脈沖信號，經過阻抗匹配和信號驅動放大，然后送往信息處理電路，通過計算脈沖個數將外部線形位移換算成對應的數字量保存在動態(tài)RAM中，最后信息處理電路將驅動液晶顯示屏將RAM中的數據顯示在屏中。
3．1 光柵信號編碼器
光電式拉線位移傳感器的結構主要由調制盤、紅外線發(fā)光二極管(SFH485，發(fā)散角為40°)和紅外接收二極管組成。儀器通過一鋼絲拉線與待測位移物體相連，拉線采用線膨脹系數小、化學性能穩(wěn)定的銦鋼絲。當待測物體相對于光柵信號編碼器的固定軸發(fā)生位置變化時，則位移量由拉線傳動到光柵信號編碼器上，調制盤的邊緣均勻分布著透光孔，紅外線發(fā)光二極管和接收管分別安置在調制盤的上下兩邊。用恒壓源給紅外線發(fā)光二極管供電，當調制盤轉動時，發(fā)光二極管發(fā)出的光線將周期性的被遮擋，接收二極管上將出現周期的脈沖電壓信號，每一個電壓峰值即表示一個透光孔掃過接收二極管。將信號濾波、放大與整形后輸出。
設機械放大倍數為n，物體運動的位移量為△x，兩相鄰透光孔中心相距的弧長為L，則信號輸出端的脈沖個數N可由下式表出：N=△x·n ／L，記下脈沖的個數即可計算出位移變化量了。
為了提高光柵信號傳感器的抗干擾能力，光柵傳感器采用24 V直流電源供電，經過后續(xù)電路將信號處理為幅值為5 V的脈沖信號。供信號處理電路采集處理。
3．2 調理電路
調理電路將光柵信號編碼器裝置輸出的信號進行濾波、放大與整形輸出。調理電路將對傳感器輸出的信號進行以下處理：
1)阻抗匹配：提高信號的輸出阻抗，有效地減少信號在傳輸過程中的反射；
2)提高信號的驅動負載能力：由于傳感器輸出信號的驅動能力很弱，連接負載時信號容易畸變。
3．3 信息處理電路
信息處理電路首先將光柵信號編碼器輸出的數據進行采集，然后將數據進行運算處理，最后驅動液晶顯示屏，將需要的數據顯示。
為了提高測長裝置的抗干擾能力，尤其是光柵編碼器輸出脈沖的抖動，信息處理電路的接口與光柵編碼器輸出之間采用隔離耦合的方式通信。通過隔離耦合使信息處理電路接收信號不受光柵編碼器輸出抖動的影響。
信息采集電路接收到從紅外接收管輸出的電壓信號經濾波后由運放進行放大，使其峰值達到TTL電平，然后由施密特觸發(fā)器進行整形，將信號變成一定脈寬的方波，如圖3所示，然后單片機記下脈沖數。本文引用地址：http://www.biyoush.com/article/160457.htm
同時信息采集電路接收到外部計算機的指令后，可以控制其運行狀態(tài)，具有遠程控制的特點。
3．4 液晶顯示模塊
本設計中采用JHD161A液晶顯示屏。JHD161A具有微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統中得到廣泛的應用。
JHD161A是一種用5x7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，是武漢博控科技有限公司生產的1行16個字符的LCD顯示模塊，控制芯片為三星電子公司生產KS0066驅動芯片。它采用16腳單排接口。
液晶顯示模塊與信息處理電路通過扁平電纜連接，信息處理電路根據顯示的需要，首先模擬液晶顯示屏的讀寫時序，將數據寫入液晶顯示屏的控制芯片RAM中，然后控制顯示屏的顯示與清屏，從而達到顯示屏數據的刷新和與外部線性位移的同步顯示。
4 傳感器的辨向識別設計
光柵信號編碼器是通過驅動裝置驅動柵輪轉動。柵輪輪沿為格柵狀。緊靠柵輪格柵兩側為發(fā)光管和接收管，一側是一紅外發(fā)光管，另一側是紅外接收組件。紅外接收組件為一三端器件，其中包含甲乙兩個紅外接收管。柵輪轉動時，柵輪的輪齒周期性遮擋紅外發(fā)光管發(fā)出的紅外線照射到接收組件中的甲管和乙管，從而甲和乙輸出端輸出同周期的數字脈沖信號。柵輪輪齒夾在紅外發(fā)射與接收中間的部分的移動方向為上下方向，由于紅外接收組件中甲乙兩管與紅外發(fā)射管的夾角不為零，于是甲乙管輸出的數字信號有一個相位差。
信息處理板上單片機通過此脈沖相位差判知柵輪的轉動方向，同時計算出柵輪的轉動速度和牽引繩的移動位移。
為了提高傳感器的可靠性，本設計中借鑒了差分式增量編碼器的設計特點，即設計中引用了A相非信號，極大地提高了傳感器辭向的可靠性。同時通過信息處理板上單片機對采集信號的處理，有效地提高了傳感器的穩(wěn)定性。由于單片機相應中斷信號具有一定的優(yōu)先級，將兩路外部中斷通過同一路信號源通過一定的處理控制，從而確保中斷響應的正確可靠，中斷程序中對另一路信號的特征進行判斷，從而實現傳感器的辨向識別。
5 無誤差測量的原理及其實現
5．1 無誤差測量的原理
檢測A相一個周期中的同一個邊沿位置，如果在此邊沿位置檢測到一個上升沿，則對應編碼器的一個旋轉方向；如果在此邊沿泣置檢測到一個下降沿，則對應編碼器的另一個旋轉方向。B相為高電平時，若檢測到A相為上升沿，則可判斷出編碼器輸出波形的運動方向為從左向右，即編碼器為逆時針方向旋轉；若檢測到A相為下降沿，則可判斷出編碼器輸出波形的運動方向為從右向左，即編碼器為順時針方向旋轉；B相為低電平的情況可類推。
5．2 無誤差測量的軟件實現
無誤差測量的軟件實現原理：當A相出現一個上升沿(即A非相出現一個下降沿)，若檢測到B為高電平，則用軟件令計數器加1；當A相出現一個下降沿，若檢測到B為高電平，則用軟件令計數器減1。這樣，兩個計數器之差，則對應了編碼器實際的角位移，而其正負對應了旋轉方向。設置單片機外部中斷的觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)，當INT0產生中斷，判斷B為高電平，則令計數器減1；當INT1產生中斷，判斷B為高電平，則令計數器加1。
這種方法的優(yōu)點是：其硬件簡潔，程序簡單，測量精確；其缺點是：其旋轉速度要受到單片機響應速度的限制。其對計數器的加減都是通過運行指令實現的，這也要花費一定的時間，使得其響應頻率降低，其響應條件為編碼器的輸出脈沖周期要大于單片機的中斷響應時間與中斷服務時間之和，而輸出脈沖周期又與編碼器的旋轉速度有關，旋轉越快，輸出脈沖周期就越小。
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