光電課程設(shè)計(jì)

1、激光干涉法測(cè)量微位移的設(shè)計(jì)電科1104班 劉海濤 學(xué)號(hào):201011911422 位移的量值范圍差異很大（在制造工業(yè)中nm-m-mm 直至數(shù)十米；秒分度以下或幾度至幾十度），檢測(cè)可以是接觸式或非接觸式，加之對(duì)檢測(cè)準(zhǔn)確度、分辨力、使用條件等要求不同，因此有多種多樣的檢測(cè)方法。 隨著光學(xué)檢測(cè)元件和精密制造工藝的提高以及電子元器件的發(fā)展，伴隨計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代和工業(yè)自動(dòng)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，利用光電結(jié)合的方法是解決問題的有效途徑，如光柵碼盤、激光干涉法、三角法、光斑散射法，其測(cè)量精度高、反應(yīng)速度快、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量。在光學(xué)干涉測(cè)量法中，激光多普勒效應(yīng)測(cè)量方法具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、線性度好

2、、測(cè)量范圍大、精度高等許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，得到了更加廣泛的應(yīng)用，有很好的發(fā)展前景。為了滿足微位移測(cè)量的非接觸、高精度等要求本文設(shè)計(jì)、制作了一種基于激光多普勒效應(yīng)的測(cè)微位移系統(tǒng)，和傳統(tǒng)的微位移測(cè)量儀器相比，其精度、誤差、靈敏度及穩(wěn)定度都有較大提高，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)微位移的自動(dòng)非接觸測(cè)量。干涉測(cè)量法是基于光波的干涉原理測(cè)位移的方法。激光的出現(xiàn)使干涉測(cè)量位移的應(yīng)用范圍更加廣泛。其測(cè)量的基本原理是:由激光器發(fā)出的光經(jīng)分光鏡分為兩束，一束射向干涉儀的固定參考臂，經(jīng)參考反射鏡返回后形成參考光束；另一束射向干涉儀的測(cè)量臂，測(cè)量臂中的反射鏡隨被測(cè)物體表面的位移變化而移動(dòng)，這束光從測(cè)量反射鏡后形成測(cè)量光束。測(cè)量光束和參考

3、光束的相互疊加干涉形成干涉信號(hào)。干涉信號(hào)的明暗變化密度與被測(cè)測(cè)位移成反比。因此，由光接收器件光電顯微鏡得到的明暗變化密度可以得出被測(cè)位移的值1。 干涉法原理簡單、構(gòu)造容易，測(cè)量精度高，測(cè)量范圍大，適用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量而被廣泛應(yīng)用于位移測(cè)量。目前干涉測(cè)量按測(cè)量對(duì)象不同大致可分為全息干涉測(cè)量、散斑干涉測(cè)量和光柵位移激光多普勒測(cè)量。隨著科技的進(jìn)步，對(duì)測(cè)量精度的要求越來越高，激光多普勒技術(shù)的非接觸、高精度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)使它得到蓬勃發(fā)展。激光多普勒測(cè)量有空間分辨率高、測(cè)量精度高、多普勒頻移與位移成線性關(guān)系、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，信號(hào)用光來傳遞，慣性極小，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量、激光多普勒測(cè)量是非接觸式測(cè)量，激光會(huì)聚

4、的干涉體積小，即是測(cè)量探頭在通常情況下對(duì)被測(cè)的流場(chǎng)和物體等沒有干擾等優(yōu)點(diǎn)。通過比較，確定以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)的激光干涉測(cè)量法為系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。光路部分任何形式的波傳播，由于波源、接收器、傳播介質(zhì)或中間反射器或散射體的運(yùn)動(dòng)，將使頻率發(fā)生變化，這種頻率變化稱作多普勒頻移。由被測(cè)物運(yùn)動(dòng)所散射的光的頻移應(yīng)當(dāng)作為一個(gè)雙重多普勒頻移來考慮。光源發(fā)射一束光入射到運(yùn)動(dòng)物體表面(如圖1所示)，運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于光源來說，相當(dāng)于接收器，從光的多普勒效應(yīng)考慮15，接收到的頻率將隨運(yùn)動(dòng)體的速度增加：fm=f0(1+ucos1C) (1)式中f0為光源輻射頻率，u為運(yùn)動(dòng)物體表面速度，1為入射光和運(yùn)動(dòng)方向夾角，c為真空中光速；運(yùn)

5、動(dòng)物體又相當(dāng)于一個(gè)發(fā)射天線，把接收到的輻射波光源接收器21運(yùn)動(dòng)體發(fā)射出來，在2方向的接收器也因多普勒效應(yīng)，收到頻率增高的光波信號(hào)為: f=fm1-ucos2c=f01+ucos1c1-ucos2c (2)式（2）中 1-ucos2C-1=1+ucos2C+（ucos2C）2+（ucos2C）3+因?yàn)樵陉P(guān)心的速度范圍內(nèi)uc1,對(duì)上面的展開式取一級(jí)近似 1-ucos2C-1=1+ucos2C （3）把式（3）帶入（2）中得 f=fm1-ucos2c=f01+ucos1c1-ucos2c=f01+ucos1C1+ucos2C= f0(1+ucos1C+ucos2C+ucos1Cucos2C)忽略式中

6、的高次項(xiàng)，得 f=f01+uccos1+cos2 （4）所以速度為u的運(yùn)動(dòng)體產(chǎn)生的多普勒頻移為 df=f-f0=ucf0cos1+cos2=u0cos1+cos2 (5)用同樣方式可得到 df=uf0cos1+cos2 (6） 即當(dāng)光源和接收器都在運(yùn)動(dòng)方向一側(cè)，并且運(yùn)動(dòng)物體與接收器做相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，按收器接收的光頻率增加，波長減小。當(dāng)光線垂直入射并接受回波信號(hào)時(shí)，即1=2=0，則 df=u0cos1+cos2=2u0 (7) d=uf0cos1+cos2=2uf0 對(duì)式(7)兩端時(shí)間積分得:St=Ft2 (8)式中St為被測(cè)物體位移量，F(xiàn)t為干涉條紋移動(dòng)數(shù),系統(tǒng)只要檢測(cè)出條紋移動(dòng)數(shù)就可以得出被測(cè)物

7、體的位移量。光信號(hào)檢測(cè)部分1 混頻技術(shù)光混頻技術(shù)即相干檢測(cè)技術(shù)，或稱為頻率調(diào)制技術(shù)。假設(shè)有兩列波，其中一列波表達(dá)式為E=E1cos1t+1另一列波表達(dá)式為E=E2cos2t+2，則合成波的振幅為 E=E1cos1t+1+E2cos2t+2 （9）式(9)中，E1，E2是兩入射波的振幅，1，1是兩入射波的角頻率，1，2是兩入射波的初相位。當(dāng)相差1，2不是很大時(shí)，兩列波疊加后表現(xiàn)為駐波列，駐波的頻率是兩列入射波的頻率之差，相當(dāng)于在載波上施加了一個(gè)調(diào)制信號(hào)。當(dāng)這一疊加波輸入到平方律檢測(cè)器時(shí)，檢測(cè)器只能對(duì)合成波的強(qiáng)度起響應(yīng)。根據(jù)式(9)有 E2=E1cos1t+1+E2cos2t+22 =E12cos

8、1t+12+E12cos1t+12+2E1E2cos1t+1cos2t+2 =E12cos1t+12+E12cos1t+12+E1E2cos1t+1t+1+2+E1E2cos1t-1t+1-2 (10)式(10)所示的信號(hào)經(jīng)過具有高頻截止功能的光電檢測(cè)器后，頻率高于1-2的信號(hào)都不能通過，式(10)中的前三項(xiàng)只能輸出其平均值。cost2的平均值是1/2 ， cos1-2t 的平均值是0，因此式(10)最終成為 E=E12+E222+E1E2cos1-2t+1-2 (11)放在光合成路徑中的光電檢測(cè)器，將產(chǎn)生調(diào)制在差拍頻率上的電信號(hào)。下圖給出了理論上光電檢測(cè)器輸出的信號(hào)波形圖。2 PIN光電二極

9、管光電二極管的光探測(cè)方式有兩種結(jié)構(gòu): 一是光伏模式,在這種模式下,光電二極管處于零偏狀態(tài),不存在暗電流Id ，有較低的噪聲，線性好，適合于比較精確的測(cè)量；二是光導(dǎo)模式，在這種模式下，需給光電二極管加反向偏置電壓，存在暗電流Id，由此會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲電流，有非線性，通常應(yīng)用在高速場(chǎng)合17。光電二極管的特點(diǎn)：(1)反向電流隨入射光照度的增加而變大,在一定反向電壓范圍內(nèi)，反向電流的大小幾乎與反向電壓無關(guān)；(2)在入射光照一定時(shí)，光電二極管相當(dāng)于恒流源，其輸出電壓隨負(fù)載電阻增大而升高；(3)光電二極管的暗電流Id 很小，光電流IL 較大。光照下PIN光電二極管PN結(jié)的伏安特性為: I=I0eqvkT-

10、1-IL (12)式中，I0為PN結(jié)的反向飽和電流，V為包括外電壓和光電壓的實(shí)際結(jié)電壓；K為玻爾茲曼常數(shù)，T為探測(cè)器的工作溫度。由式子可以得出以IL為參量的伏安特性曲線，從圖中可以看出光電二極管的反向輸出電流與照強(qiáng)度成正比。它包括光電流IP，暗電流Id，結(jié)電阻Rd，結(jié)電容Cd的并聯(lián)。其中暗電流對(duì)應(yīng)于工作電壓下沒有光照時(shí)的輸出電流，RS為串聯(lián)電阻，其值遠(yuǎn)小于負(fù)載電阻RL，通常可以忽略。在應(yīng)用時(shí)，要求光伏探測(cè)器工作在線性范圍內(nèi)，因此必須保證Rd>>RL>>RS，器件近似以短路方式工作。短路電流I與入射到探測(cè)器上的光功率P0成正比，并且不受工作溫度的影響。3 利用PIN光電二

11、極管檢查光信號(hào)光電二極管的輸出電流信號(hào)很小(在微安級(jí))、信號(hào)頻率范圍大( 從直流到1 MHz方波)。為了提取有用信息，必須先將該電流信號(hào)變換為電壓信號(hào)，然后再進(jìn)一步放大。為獲得最佳的效果，在電路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮高增益、低噪聲及寬頻帶的要求2。（1）提高響應(yīng)度與輸出的線性PIN 光電二極管沒有內(nèi)部增益(即只有單位增益)，因此他對(duì)光的響應(yīng)度是不高的。在單位增益中一個(gè)入射光子只產(chǎn)生一個(gè)電子的光電流。根據(jù)波長,其最高量子效率(轉(zhuǎn)換效率) 為92%。因此在使用時(shí)必須把光電二極管輸出的電信號(hào)放大。典型的光電轉(zhuǎn)換電路如上圖所示。電路中光電二極管工作于光導(dǎo)模式,可探測(cè)微弱的光，另外運(yùn)算放大器可以獲得高達(dá)107或

12、更高的增益；因此，圖2.7可有效提高光響應(yīng)度。實(shí)際上,這也是一個(gè)I-V 變換器,由于負(fù)反饋的原因,運(yùn)算放大器的等效輸入阻抗為: Rin=Rf1+AVORidRf1+AVO (13)式中Rid是運(yùn)算放大器的開環(huán)輸入阻抗，對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管輸入的情形， Rid>1010。AVO是開環(huán)放大倍數(shù), 一般AVO 大于106 ，將這些值代入式（13）可知Rin 的值很小，接近于0 （此時(shí)光電流與輻照光功率成良好的線性關(guān)系）。又由于運(yùn)算放大器的開環(huán)輸入阻抗Rid很大(虛斷) ,光電二極管的電流都流入了反饋電阻,故運(yùn)放的輸出電壓為 Vout=RfIs (14)其中Is是光電二極管的短路輸出電流,其值與輻照光功率

13、成正比,由此可見該電路的輸出電壓與入射光功率成良好線性關(guān)系。（2）降低噪聲光電二極管、電阻及運(yùn)算放大器等器件都存在散粒噪聲、熱噪聲等。放大器在放大光電二極管輸出信號(hào)的同時(shí)將噪聲也放大了，從而影響系統(tǒng)的分辨率。反饋電阻Rf在輸出端造成的噪聲分量為: VnRf=RfRdKCf (15) 帶寬f=2fc=1/4RfCf可見，采用Rd較大的光電二極管，反饋電阻Rf 較小的運(yùn)算放大電路將使輸出噪聲減小。隨著頻率的增加， Cf的作用開始表現(xiàn)出來， 信號(hào)電流的放大倍數(shù)開始下降，轉(zhuǎn)折頻率為1/2RfCf。而噪聲電壓與信號(hào)電流的幅頻特性完全不同。在直流段和較低頻率時(shí)噪聲電壓的放大倍數(shù)為 1+Rf/Rd隨著頻率的

14、增加，噪聲增益曲線首先由于Cj的作用開始升高，直至由于電容Cf 的作用而停止。在高頻段，噪聲增益被限定在1+Cj/Cf 。由此可見 Rd 越大， Cj 越小，噪聲的影響越小。加入Cf可限制高頻段的噪聲增益。另外由于運(yùn)算放大器存在著失調(diào)電壓和失調(diào)電流，且隨溫度的變化而變化。雖然失調(diào)電壓和失調(diào)電流在電路調(diào)整時(shí)能加以補(bǔ)償，但是溫度漂移的影響將在電路的輸出端形成噪聲。為降低放大電路的輸出噪聲，需要選用輸入失調(diào)電壓溫漂及輸入失調(diào)電流溫漂都較小的運(yùn)算放大器，同時(shí)選用Rd值大的光電二極管并盡量控制溫度變化范圍。（3）放大電路頻帶寬度與響應(yīng)速度的提高光電檢測(cè)電路的響應(yīng)速度與光電二極管、運(yùn)算放大器及應(yīng)用狀況有關(guān)

15、系: 光電二極管的響應(yīng)速度與他的有效工作區(qū)有關(guān)。有效工作區(qū)小的器件響應(yīng)速度快。不同的運(yùn)算放大器響應(yīng)速度不同，要提高電路的響應(yīng)速度，需要選擇合適的運(yùn)算放大器。在應(yīng)用電路方面，光導(dǎo)模式的響應(yīng)速度比光伏模式快。另外負(fù)載的大小與性質(zhì)對(duì)響應(yīng)速度也有影響。負(fù)載電阻越大，響應(yīng)速度越慢。因此為提高電路的響應(yīng)速度及帶寬，除了選擇合適的元器件外，還應(yīng)在電路設(shè)計(jì)方面采取相關(guān)措施。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件主要由光路部分，光信號(hào)檢測(cè)部分，信號(hào)調(diào)理部分，計(jì)數(shù)處理及辯向部分，信號(hào)處理部分，顯示部分組成。下圖給出了整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。1光源的選擇和一般光源相比，激光有以下四個(gè)特點(diǎn)：(1)亮度高由于激光的發(fā)射能力強(qiáng)和能量的高

16、度集中，所以亮度很高，它比普通光源高億萬倍，比太陽表面的亮度高幾百億倍。亮度是衡量一個(gè)光源質(zhì)量的重要指標(biāo)，若將中等強(qiáng)度的激光束經(jīng)過會(huì)聚，可在焦點(diǎn)處產(chǎn)生幾千到幾萬度的高溫。 (2)方向性性好激光發(fā)射后發(fā)散角非常小，激光射出20公里，光斑直徑只有20-30厘米，激光射到38萬公里的月球上，其光斑直徑還不到2公里。 (3)單色性好 光的顏色由光的波長決定，不同的顏色，是不同波長的光作用于人的視覺而反映出來的。激光的波長基本一致，譜線寬度很窄，顏色很純，單色性很好。(4)相干性好相干性是所有波的共性，但由于各種光波的品質(zhì)不同，導(dǎo)致它們的相干性也有好壞之分。普通光是自發(fā)輻射，不會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。激光不同于

17、普通光源，它是受激輻射，具有極強(qiáng)的相干性。氦氖氣體激光器的激光波長為0.632um，很接近光電二極管的峰值響應(yīng)波長的光譜靈敏度。與其他激光器相比，用相同功率光束照明時(shí)，將得到較大的輸出信號(hào)。而且該激光器的制造技術(shù)比較成熟，結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格便宜，故選用氦氖氣體激光器作為光源3。系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)示意圖2 光信號(hào)檢測(cè)電路光電檢測(cè)前置放大電路在直流情況下，該反饋由C2斷開，此時(shí)放大器的開環(huán)增益是兩個(gè)放大器開環(huán)增益的乘積。合理的設(shè)置R4/R3比值有減小噪聲帶寬的功效。圖中R2是為了補(bǔ)償R1過大造成的直流誤差。R2上的Cp是為了去除它上面的雜散噪聲。C1的確定要根據(jù)截至頻率fc-3dB=1/2RC來計(jì)

18、算。運(yùn)算放大器選用了高輸入阻抗的OPA627。3信號(hào)調(diào)理電路由于信號(hào)中含有頻率成分較多噪聲的低頻成分，因此采用帶通濾波器濾除噪聲，提高信噪比。系統(tǒng)運(yùn)用有源高通濾波器，其中有源濾波器成本低，質(zhì)量可靠及寄生影響小，設(shè)計(jì)和調(diào)整過程簡便，阻帶衰減速度比無源濾波器快，因而有源高通濾波器更適合該系統(tǒng)低頻濾波如圖。系統(tǒng)高通濾波電路選擇C1=C2=C3=C4=20pf。取R1=5k, R2=15k, R3=51k, R5=4.7k。截至頻率Fc=1R1R2C1C2*12=1R3R5C3C4*12=0.92M考慮信號(hào)帶寬要求設(shè)置增益為A=（-60/40）×（-60/40）=9/4推動(dòng)放大電路設(shè)計(jì)成反相

19、放大，主要由集成運(yùn)放及外圍元件組成4。主放電路的設(shè)計(jì)要考慮帶寬、功耗、噪聲、響應(yīng)速率等各方面因素, 本設(shè)計(jì)里選用了一款超低失真、低噪聲、高壓擺率的運(yùn)算放大器。它是一種較理想的應(yīng)用于寬動(dòng)態(tài)范圍、高精度、高速環(huán)境下的運(yùn)算放大器。由前置放大輸出的電信號(hào)約為幾十毫伏。為滿足后續(xù)整形器的閥值電壓設(shè)置放大倍數(shù)為200倍，本電路選用AD8045集成運(yùn)放，管腳如圖其單位增益帶寬是1GHZ，在增益200的條件下帶寬完全滿足要求。C4、C5、C6、C7為了去除電源的抖動(dòng)波紋的退耦電容。主運(yùn)放電路根據(jù)系統(tǒng)測(cè)位移的原理知道，需將濾波放大輸出信號(hào)整形為方波以便后續(xù)計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)再送入單片機(jī)處理。整形的實(shí)現(xiàn)是通過門限比較

20、器實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)采用常用有施密特觸發(fā)器的六反相器74LS14。4 計(jì)數(shù)處理電路本部分由4片4位可預(yù)置數(shù)同步計(jì)數(shù)器（異步清零）74LS161、數(shù)據(jù)鎖存器74HC573、反向器40106組成。這部分的作用是將測(cè)量信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)的計(jì)數(shù)值鎖存到鎖存器以及通過反向器的進(jìn)位信號(hào)產(chǎn)生中斷記錄進(jìn)位數(shù)供單片機(jī)讀取從而進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。5 信號(hào)處理部分及顯示本部分由單片機(jī)AT89S52和162 LCD液晶顯示器組成。核心是單片機(jī)AT89S52，數(shù)據(jù)的處理，控制計(jì)數(shù)器清零，數(shù)據(jù)選擇器，鎖存器鎖存及液晶顯示器顯示位移等都由單片機(jī)完成。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)單片機(jī)開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，編寫的匯編語言源程序要變?yōu)镃PU

21、可以執(zhí)行的機(jī)器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機(jī)器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機(jī)器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C(jī)器碼，用于MCS-51單片機(jī)的匯編軟件有早期的A51，隨著單片機(jī)開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級(jí)語言開發(fā)單片機(jī)的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機(jī)的軟件。1 系統(tǒng)程序流程圖系統(tǒng)單片機(jī)AT89S52配合硬件電路完成數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，計(jì)算處理，顯示位移的任務(wù)。系統(tǒng)程序流程圖系統(tǒng)啟動(dòng)首先執(zhí)行啟動(dòng)檢測(cè)程序即檢測(cè)兩路信號(hào)（參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)）是否頻率相等。如果檢測(cè)到頻率不等說明測(cè)量已啟動(dòng)然后執(zhí)行位移測(cè)量程序，采集數(shù)據(jù)，計(jì)

22、算得出位移值，最后通過LCD顯示程序顯示位移值。測(cè)量程序包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析計(jì)算，辯向測(cè)量等。系統(tǒng)軟件流程圖如上圖。2 啟動(dòng)檢測(cè)程序 程序執(zhí)行過程中首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括對(duì)LCD的顯示模式、清屏，設(shè)定定時(shí)器0的工作模式和裝初值以及開啟外部中斷0等等。當(dāng)初始化完畢之后，系統(tǒng)程序進(jìn)入判斷測(cè)量是否開始，即進(jìn)入一個(gè)比較函數(shù)，該函數(shù)先通過P3.1對(duì)計(jì)數(shù)器清零，一段時(shí)間后通過P1、P0口讀取計(jì)數(shù)值，然后通過P3.0置高選擇另一路信號(hào)（即測(cè)量信號(hào)）同樣清零，相同時(shí)間后讀取計(jì)數(shù)值，將兩值想比較，如果相等表示測(cè)量未啟動(dòng)，因?yàn)闇y(cè)量信號(hào)相對(duì)參考信號(hào)未發(fā)生頻移；如果不相等代表測(cè)量已經(jīng)開始執(zhí)行下一步，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器

23、0和定時(shí)器1。WS=0; 數(shù)據(jù)選擇參考信號(hào)j0=P1;k0=P0; j1=P1; k1=P0; 讀取P1、P0計(jì)數(shù)值 ee=cc; 讀取進(jìn)位值 q=k0+j0*256+dd*256*256; 計(jì)算參考信號(hào)10ms內(nèi)總的計(jì)數(shù)值 r=k1+j1*256+ee*256*256; 計(jì)算測(cè)量信號(hào)10ms內(nèi)總的計(jì)數(shù)值 if(r-q)<3) 判斷是否啟動(dòng) bb=1; 定義相應(yīng)變量值 else bb=2;3 位移測(cè)量程序定時(shí)器0是為了記錄從測(cè)量開始到實(shí)時(shí)的時(shí)間以便計(jì)算出t時(shí)間內(nèi)測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)的計(jì)數(shù)差值即還原系統(tǒng)的位移值。定時(shí)器1是為了在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行比較程序診斷系統(tǒng)是否停止測(cè)量，如果沒有停止繼續(xù)跳

24、回主程序執(zhí)行測(cè)量，如果已停止，則跳出到循環(huán)檢測(cè)是否啟動(dòng)程序以待下一次啟動(dòng)繼續(xù)測(cè)量。外部中斷0是記錄測(cè)量過程中進(jìn)位的次數(shù)，以便完整的處理計(jì)數(shù)值還原位移量。while(bb=2) 查詢變量值判斷測(cè)量已啟動(dòng)； gao=1; di=1; TMOD=0x01; 設(shè)置定時(shí)器0的工作模式為1； TH0=(65536-50000)/256; 根據(jù)定時(shí)時(shí)間裝初值高八位； TL0=(65536-50000)%256; 根據(jù)定時(shí)時(shí)間裝初值低八位； EA=1; 開總中斷； ET0=1; 開定時(shí)器0中斷； TR0=1; 啟動(dòng)定時(shí)器0； ET1=1; 開定時(shí)器1中斷； TR1=1; 啟動(dòng)定時(shí)器1； gao=0; 鎖存數(shù)據(jù)

25、； di=0; j=P1; k=P0; 讀取端口計(jì)數(shù)值； write_com(0x80); 動(dòng)態(tài)顯示時(shí)須先清屏； a=(j*256+k+cc*256*256-(ff*50)*q/2)*0.5*0.0006328;位移4 測(cè)量辯向程序在微位移的實(shí)際測(cè)量過程中，由于需要或外界振動(dòng)等干擾，可能會(huì)使被測(cè)物體產(chǎn)生正、反兩個(gè)方向的位移，在這種情況下若只采用單一的測(cè)量程序?qū)?huì)帶來測(cè)量誤差。因此，必須對(duì)被測(cè)物體位移方向進(jìn)行判斷并作出相應(yīng)數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)通過定時(shí)器1中斷判斷測(cè)量信號(hào)的頻率與參考信號(hào)的頻率大小。如果頻率低于參考信號(hào)表示被測(cè)物相反移動(dòng)了，則系統(tǒng)應(yīng)相應(yīng)作出數(shù)據(jù)處理。 s=P1; 讀取中斷此時(shí)得數(shù)據(jù)高八位

26、； t=P0; 讀取低八位； w=cc; 讀取進(jìn)位值； gao=1; di=1; delay(2); gao=0; di=0; u=P1; 延時(shí)2ms后再次讀取計(jì)數(shù)值； v=P0; if(u*256+v+cc*256*256-s*256-t-w*256*256)-q)<0) 判斷是否反向； bx=1; 定義一個(gè)變量值返回；通過系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)辯向測(cè)量大大減小了硬件電路的復(fù)雜性。5 LCD顯示程序單片機(jī)采集數(shù)據(jù)處理將計(jì)數(shù)值還原為位移量之后須將位移值通過LCD顯示。單片機(jī)操作LCD時(shí)須根據(jù)一定的時(shí)序，圖為162LCD寫操作時(shí)序圖。在顯示數(shù)據(jù)之前，須初始化設(shè)置LCD的工作模式，顯示光標(biāo)，數(shù)據(jù)指針以

27、及清屏等。lcden=0; 開始使能置低；write_com(0x38); 設(shè)置16X2顯示，5X7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)接口；write_com(0x0e); 開顯示，顯示光標(biāo)，光標(biāo)不閃爍；write_com(0x06); 寫數(shù)據(jù)后地址自動(dòng)加一，整屏不移動(dòng)；write_com(0x01); 清屏；write_com(0x80); 設(shè)置地址指針為0；LCD時(shí)序圖在顯示數(shù)據(jù)時(shí)，因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)定精確度為10um ，須保留小數(shù)點(diǎn)后5位，暫定系統(tǒng)的測(cè)量范圍小于100m，則顯示時(shí)須根據(jù)不同數(shù)據(jù)范圍控制小數(shù)點(diǎn)的顯示位置。即當(dāng)數(shù)據(jù)小于10時(shí)，小數(shù)點(diǎn)在第二位顯示；當(dāng)數(shù)據(jù)大于10小于100時(shí)小數(shù)點(diǎn)在第三位顯示。a=a*10

28、0000; a為位移值，將a值擴(kuò)大10萬倍方便計(jì)數(shù)各數(shù)據(jù)位值b=(long int)a)/100000; 確定個(gè)位值；c=(long int)a)%100000/10000; 確定小數(shù)點(diǎn)后第一位值；d=(long int)a)%10000/1000; 確定小數(shù)點(diǎn)后第二位值；e=(long int)a)%1000/100; 確定小數(shù)點(diǎn)后第三位值；f=(long int)a)%100/10; 確定小數(shù)點(diǎn)后第四位值；g=(long int)a)%10; 確定小數(shù)點(diǎn)后第五位值；write_dataa(b+48); 顯示第一位；write_data('.'); 顯示小數(shù)點(diǎn)；write_d

29、ata(c+48); 顯示第三位；write_data(d+48); 顯示第四位；write_data(e+48); 顯示第五位；write_data(f+48); 顯示第六位；write_data(g+48); 顯示第七位；在顯示數(shù)據(jù)時(shí)，因?yàn)長CD包括計(jì)算機(jī)信息交互都是以ASCII碼顯示的，查閱ASCII碼表實(shí)際數(shù)字和顯示數(shù)字之間相差48，所以寫數(shù)據(jù)時(shí)須在值上加上48。仿真調(diào)試與分析1 前置放大調(diào)試仿真時(shí)用1.5MHZ，500uA電流代替PIN光電二極管輸出電流，設(shè)置參數(shù)（詳見系統(tǒng)硬件前置放大部分）時(shí)須考慮到微弱信號(hào)的漂移和噪聲影響較大故前置放大不宜過大。通過前置放大電路的放大和I-V轉(zhuǎn)換，

30、輸出如圖電壓波形。輸出的電壓峰峰值為47.442mv，波形正常無失真。前置放大輸出波形2濾波電路調(diào)試選擇C1=C2=C3=C4=20pf。取R1=5k,R2=15k,R3=51k,R5=4.7k。理論截至頻率Fc=1R1R2C1C2*12=1R3R5C3C4*12=0.92M考慮后續(xù)放大整形設(shè)置增益為A=（60/40）×（60/40）=9/4調(diào)試時(shí)取輸入波形電壓為30mv，下降3dB時(shí)的波形電壓峰峰值應(yīng)為30×2×9/4×0.707=95.445mv,調(diào)試輸入波形的頻率直到此電壓值得截至頻率為：Fc=0.776M滿足系統(tǒng)高通濾波要求。高通濾波截至頻率截至

31、頻率時(shí)輸出波形3主放大電路和整形電路調(diào)試整形前波形因?yàn)檎?4LS14的閥值電壓是1.6V，所以考慮主放大電路的增益設(shè)置為200倍，此時(shí)AD8045在信號(hào)通帶內(nèi)，放大輸出信號(hào)為7.008V滿足整形輸入。如圖5.4為信號(hào)整形前，圖5.5為信號(hào)整形后方波。整形后波形4 單片機(jī)AT89S52及LCD液晶顯示仿真調(diào)試Keil對(duì)系統(tǒng)編程，程序初始化設(shè)置LCD顯示光標(biāo)但不閃爍，顯示地址自動(dòng)加一且整屏顯示不移動(dòng)；測(cè)量未開始時(shí)LCD不顯示，測(cè)量開始時(shí)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量位移，精確小數(shù)點(diǎn)后五位即分辨率為10um。Keil調(diào)試生成HEX文件， 將該文件調(diào)入proteus仿真單片機(jī)AT89S52中，并設(shè)置兩個(gè)相同同頻率輸入信號(hào)，顯示位移如圖。測(cè)量未啟動(dòng)時(shí)LCD