光電課程設(shè)計(jì)--激光干涉法測(cè)量微位移的設(shè)計(jì)

1、<p>　　激光干涉法測(cè)量微位移的設(shè)計(jì)</p><p>　　位移的量值范圍差異很大（在制造工業(yè)中nm-μm-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。 </p><p>　　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)

2、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(wèn)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、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?jī)x器相比，其精度、誤差、靈敏度

3、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。</p><p>　　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)量光束和參考光束的相互疊加

4、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]。 </p><p>　　干涉法原理簡(jiǎn)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。</p><p>　　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

5、精度的要求越來(lái)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(lái)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(méi)有干擾等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)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。</p><p><b>

6、　　光路部分</b></p><p>　　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(lái)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(lái)說(shuō)，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：</p><

7、p><b>　　(1)</b></p><p>　　式中 為光源輻射頻率，u為運(yùn)動(dòng)物體表面速度， 為入射光和運(yùn)動(dòng)方向夾角，c為真空中光速；運(yùn)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</p><p>　　發(fā)射出來(lái)，在 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:</p><p><b>　　(2)</b>

8、</p><p><b>　　式（2）中</b></p><p>　　因?yàn)樵陉P(guān)心的速度范圍內(nèi) ,對(duì)上面的展開式取一級(jí)近似</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　把式（3）帶入（2）中得</p><p>　　忽略式中的高次項(xiàng)，得</p>

9、<p><b>　?。?）</b></p><p>　　所以速度為u的運(yùn)動(dòng)體產(chǎn)生的多普勒頻移為</p><p><b>　　(5)</b></p><p><b>　　用同樣方式可得到</b></p><p>　　(6） </p>

10、<p>　　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(zhǎng)減小。當(dāng)光線垂直入射并接受回波信號(hào)時(shí)，即 = =θ=0，則</p><p><b>　　(7)</b></p><p>　　對(duì)式(7)兩端時(shí)間積分得:</p><p><b>　　(8)</b></p

11、><p>　　式中 為被測(cè)物體位移量， 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)物體的位移量。</p><p><b>　　光信號(hào)檢測(cè)部分</b></p><p><b>　　1 混頻技術(shù)</b></p><p>　　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

12、表達(dá)式為 另一列波表達(dá)式為 ，則合成波的振幅為</p><p><b>　　（9）</b></p><p>　　式(9)中，E1，E2是兩入射波的振幅， 是兩入射波的角頻率， 是兩入射波的初相位。當(dāng)相差 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

13、響應(yīng)。根據(jù)式(9)有</p><p><b>　　(10)</b></p><p>　　式(10)所示的信號(hào)經(jīng)過(guò)具有高頻截止功能的光電檢測(cè)器后，頻率高于 的信號(hào)都不能通過(guò)，式(10)中的前三項(xiàng)只能輸出其平均值。 的平均值是1/2 ， 的平均值是0，因此式(10)最終成為</p><p><b>　　(11)</b>&l

14、t;/p><p>　　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。</p><p>　　2 PIN光電二極管</p><p>　　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 ，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

15、給光電二極管加反向偏置電壓，存在暗電流 ，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]。</p><p>　　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(wú)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 很小，光電流 較大。</p><p>　

16、　光照下PIN光電二極管PN結(jié)的伏安特性為:</p><p><b>　　(12)</b></p><p>　　式中， 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 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 ，暗電流 ，結(jié)電阻 ，結(jié)電容 的并聯(lián)。其中

17、暗電流對(duì)應(yīng)于工作電壓下沒(méi)有光照時(shí)的輸出電流， 為串聯(lián)電阻，其值遠(yuǎn)小于負(fù)載電阻 ，通?？梢院雎?。</p><p>　　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 >> >> ，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 成正比，并且不受工作溫度的影響。</p><p>　　3 利用PIN光電二極管檢查光信號(hào)</p><p

18、>　　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]。</p><p>　?。?）提高響應(yīng)度與輸出的線性</p><p>　　PIN 光電二極管沒(méi)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。

19、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(zhǎng),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) 或更高的增益；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:</p><p><b>　　

20、(13)</b></p><p>　　式中 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， Ω。 是開環(huán)放大倍數(shù), 一般 大于106 ，將這些值代入式（13）可知 的值很小，接近于0 Ω（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 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</p><p><b>　　(

21、14)</b></p><p>　　其中 是光電二極管的短路輸出電流,其值與輻照光功率成正比,由此可見(jiàn)該電路的輸出電壓與入射光功率成良好線性關(guān)系。</p><p><b>　?。?）降低噪聲</b></p><p>　　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

22、而影響系統(tǒng)的分辨率。反饋電阻 在輸出端造成的噪聲分量為:</p><p><b>　　(15) </b></p><p>　　帶寬 可見(jiàn)，采用 較大的光電二極管，反饋電阻 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， 的作用開始表現(xiàn)出來(lái)， 信號(hào)電流的放大倍數(shù)開始下降，轉(zhuǎn)折頻率為 。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

23、數(shù)為</p><p>　　隨著頻率的增加，噪聲增益曲線首先由于 的作用開始升高，直至由于電容 的作用而停止。在高頻段，噪聲增益被限定在 。由此可見(jiàn) 越大， 越小，噪聲的影響越小。加入 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)

24、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 值大的光電二極管并盡量控制溫度變化范圍。</p><p>　?。?）放大電路頻帶寬度與響應(yīng)速度的提高</p><p>　　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)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

25、。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。</p><p><b>　　系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　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

26、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。</p><p><b>　　1光源的選擇</b></p><p>　　和一般光源相比，激光有以下四個(gè)特點(diǎn)：</p><p><b>　　(1)亮度高</b></p><p>　　由于激光的發(fā)射能力強(qiáng)和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高億萬(wàn)倍，

27、比太陽(yáng)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(guò)會(huì)聚，可在焦點(diǎn)處產(chǎn)生幾千到幾萬(wàn)度的高溫。 </p><p><b>　　(2)方向性性好</b></p><p>　　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(wàn)公里的月球上，其光斑直徑還不到2公里。 </p><p>

28、;<b>　　(3)單色性好</b></p><p>　　光的顏色由光的波長(zhǎng)決定，不同的顏色，是不同波長(zhǎng)的光作用于人的視覺(jué)而反映出來(lái)的。激光的波長(zhǎng)基本一致，譜線寬度很窄，顏色很純，單色性很好。</p><p><b>　　(4)相干性好</b></p><p>　　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

29、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。激光不同于普通光源，它是受激輻射，具有極強(qiáng)的相干性。</p><p>　　氦氖氣體激光器的激光波長(zhǎng)為0.632um，很接近光電二極管的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)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(jiǎn)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]。</p><p>

30、;<b>　　系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)示意圖</b></p><p><b>　　2 光信號(hào)檢測(cè)電路</b></p><p>　　光電檢測(cè)前置放大電路</p><p>　　在直流情況下，該反饋由 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 比值有減小噪聲帶寬的功效。圖中 是為了補(bǔ)償 過(guò)大造成的直流誤差。 上的 是

31、為了去除它上面的雜散噪聲。 的確定要根據(jù)截至頻率 來(lái)計(jì)算。運(yùn)算放大器選用了高輸入阻抗的OPA627。</p><p><b>　　3信號(hào)調(diào)理電路</b></p><p>　　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(guò)程簡(jiǎn)便，阻帶衰減速度比無(wú)源濾波器快

32、，因而有源高通濾波器更適合該系統(tǒng)低頻濾波如圖。</p><p><b>　　系統(tǒng)高通濾波電路</b></p><p>　　選擇 = = = =20pf。</p><p>　　取 =5k , =15k , =51k , =4.7k 。</p><p>　　截至頻率 = * = * =0.92M</p><

33、;p>　　考慮信號(hào)帶寬要求設(shè)置增益為A=（-60/40）×（-60/40）=9/4</p><p>　　推動(dòng)放大電路設(shè)計(jì)成反相放大，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)

34、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。 為了去除電源的抖動(dòng)波紋的退耦電容。</p><p><b>　　主運(yùn)放電路</b></p><p>　　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(guò)門限比較

35、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。</p><p><b>　　4 計(jì)數(shù)處理電路</b></p><p>　　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(guò)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

36、。</p><p>　　5 信號(hào)處理部分及顯示</p><p>　　本部分由單片機(jī)AT89S52和16ⅹ2 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。</p><p><b>　　系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　單

37、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(yǔ)言源程序要變?yōu)镃PU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(guò)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(yǔ)言到逐漸使用高級(jí)語(yǔ)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。</p>

38、<p><b>　　1 系統(tǒng)程序流程圖</b></p><p>　　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)。</p><p><b>　　系統(tǒng)程序流程圖</b></p><p>　　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

39、率不等說(shuō)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)算得出位移值，最后通過(guò)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。</p><p><b>　　2 啟動(dòng)檢測(cè)程序</b></p><p>　　程序執(zhí)行過(guò)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

40、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(guò)P3.1對(duì)計(jì)數(shù)器清零，一段時(shí)間后通過(guò)P1、P0口讀取計(jì)數(shù)值，然后通過(guò)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0和定時(shí)器1。</p><p><b>　　………</b&

41、gt;</p><p>　　WS=0; 數(shù)據(jù)選擇參考信號(hào)</p><p><b>　　j0=P1;</b></p><p><b>　　k0=P0;</b></p><p><b>　　………</b></p>

42、<p>　　j1=P1; </p><p>　　k1=P0; 讀取P1、P0計(jì)數(shù)值</p><p>　　ee=cc; 讀取進(jìn)位值</p><p>　　q=k0+j0*256+dd*256*256; 計(jì)算參考信號(hào)10ms內(nèi)總的計(jì)數(shù)

43、值</p><p>　　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</p><p>　　if((r-q)<3) 判斷是否啟動(dòng)</p><p>　　bb=1; 定義相應(yīng)變量值</p><p&g

44、t;<b>　　else</b></p><p><b>　　bb=2;</b></p><p><b>　　3 位移測(cè)量程序</b></p><p>　　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

45、序診斷系統(tǒng)是否停止測(cè)量，如果沒(méi)有停止繼續(xù)跳回主程序執(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(guò)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。</p><p>　　while(bb==2) 查詢變量值判斷測(cè)量已啟動(dòng)；</p><p>　　{ gao=1;

46、 </p><p><b>　　di=1;</b></p><p>　　TMOD=0x01; 設(shè)置定時(shí)器0的工作模式為1；</p><p>　　TH0=(65536-50000)/256; 根據(jù)定時(shí)時(shí)間裝初值高八位；</p><p>　　TL0=(65536-50000)%25

47、6; 根據(jù)定時(shí)時(shí)間裝初值低八位；</p><p>　　EA=1; 開總中斷；</p><p>　　ET0=1; 開定時(shí)器0中斷；</p><p>　　TR0=1; 啟動(dòng)定時(shí)器0；</p><p>　　ET1=1;

48、 開定時(shí)器1中斷；</p><p>　　TR1=1; 啟動(dòng)定時(shí)器1；</p><p>　　gao=0; 鎖存數(shù)據(jù)；</p><p><b>　　di=0;</b></p><p><b>　　j=P1;<

49、;/b></p><p>　　k=P0; 讀取端口計(jì)數(shù)值；</p><p>　　write_com(0x80); 動(dòng)態(tài)顯示時(shí)須先清屏；</p><p>　　a=(j*256+k+cc*256*256-(ff*50)*q/2)*0.5*0.0006328;位移</p><p>&l

50、t;b>　　4 測(cè)量辯向程序</b></p><p>　　在微位移的實(shí)際測(cè)量過(guò)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(lái)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(guò)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。</

51、p><p><b>　　………</b></p><p>　　s=P1; 讀取中斷此時(shí)得數(shù)據(jù)高八位；</p><p>　　t=P0; 讀取低八位；</p><p>　　w=cc;

52、 讀取進(jìn)位值；</p><p><b>　　gao=1;</b></p><p><b>　　di=1;</b></p><p><b>　　delay(2);</b></p><p><b>　　gao=0;</b></p&

53、gt;<p><b>　　di=0;</b></p><p>　　u=P1; 延時(shí)2ms后再次讀取計(jì)數(shù)值；</p><p><b>　　v=P0;</b></p><p>　　if(((u*256+v+cc*256*256-s*256-t-w*256*

54、256)-q)<0) 判斷是否反向；</p><p>　　bx=1; 定義一個(gè)變量值返回；</p><p>　　通過(guò)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。</p><p><b>　　5 LCD顯示程序</b></p><p>　　單片機(jī)采集數(shù)

55、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(guò)LCD顯示。單片機(jī)操作LCD時(shí)須根據(jù)一定的時(shí)序，圖為16ⅹ2LCD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)指針以及清屏等。</p><p>　　lcden=0; 開始使能置低；</p><p>　　write_com(0x38); 設(shè)置16X2顯

56、示，5X7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)接口；</p><p>　　write_com(0x0e); 開顯示，顯示光標(biāo)，光標(biāo)不閃爍；</p><p>　　write_com(0x06); 寫數(shù)據(jù)后地址自動(dòng)加一，整屏不移動(dòng)；</p><p>　　write_com(0x01); 清屏；</p>

57、<p>　　write_com(0x80); 設(shè)置地址指針為0；</p><p><b>　　LCD時(shí)序圖</b></p><p>　　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

58、10小于100時(shí)小數(shù)點(diǎn)在第三位顯示。</p><p>　　a=a*100000; a為位移值，將a值擴(kuò)大10萬(wàn)倍方便計(jì)數(shù)各數(shù)據(jù)位值</p><p>　　b=((long int)a)/100000; 確定個(gè)位值；</p><p>　　c=((long int)a)%100000/10000; 確定小數(shù)點(diǎn)后第一位值；&

59、lt;/p><p>　　d=((long int)a)%10000/1000; 確定小數(shù)點(diǎn)后第二位值；</p><p>　　e=((long int)a)%1000/100; 確定小數(shù)點(diǎn)后第三位值；</p><p>　　f=((long int)a)%100/10; 確定小數(shù)點(diǎn)后第四位值；</p>

60、<p>　　g=((long int)a)%10; 確定小數(shù)點(diǎn)后第五位值；</p><p>　　write_dataa(b+48); 顯示第一位；</p><p>　　write_data('.'); 顯示小數(shù)點(diǎn)；</p><p>　　

61、write_data(c+48); 顯示第三位；</p><p>　　write_data(d+48); 顯示第四位；</p><p>　　write_data(e+48); 顯示第五位；</p><p>　　write_data(f+48);

62、 顯示第六位；</p><p>　　write_data(g+48); 顯示第七位；</p><p>　　在顯示數(shù)據(jù)時(shí)，因?yàn)長(zhǎng)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。</p><p><b>　　仿真調(diào)試與分析&l

63、t;/b></p><p><b>　　1 前置放大調(diào)試</b></p><p>　　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(jiàn)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(guò)大。通過(guò)前置放大電路的放大和I-V轉(zhuǎn)換，輸出如圖電壓波形。</p><p>　　輸出的電壓峰峰值為

64、47.442mv，波形正常無(wú)失真。</p><p><b>　　前置放大輸出波形</b></p><p><b>　　2濾波電路調(diào)試</b></p><p>　　選擇C1=C2=C3=C4=20pf。取R1=5k ,R2=15k ,R3=51k ,R5=4.7k 。</p><p>　　理論截至頻率

65、Fc= * = * =0.92M</p><p>　　考慮后續(xù)放大整形設(shè)置增益為A=（60/40）×（60/40）=9/4</p><p>　　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：</p><p>　　Fc=

66、0.776M滿足系統(tǒng)高通濾波要求。</p><p><b>　　高通濾波截至頻率</b></p><p><b>　　截至頻率時(shí)輸出波形</b></p><p>　　3主放大電路和整形電路調(diào)試</p><p><b>　　整形前波形</b></p><p&g

67、t;　　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。</p><p><b>　　整形后波形</b></p><p>　　4 單片機(jī)AT89S52及LCD液晶顯示仿真調(diào)試</p><p>

68、　　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。</p><p>　　測(cè)量未啟動(dòng)時(shí)LCD顯示</p><p>　　調(diào)整參考信

69、號(hào)和測(cè)量信號(hào)頻率不同，設(shè)置頻率差為10khz，仿真顯示位移如圖。</p><p>　　測(cè)量啟動(dòng)后LCD顯示</p><p>　　此時(shí)t=2.55s,顯示值為L(zhǎng)=7.73787 m，根據(jù)式（2.9）計(jì)算L’=△t*△v*λ*1/2=10k×2.55×632.8× ×0.5=7.9215 m;誤差=L’-L=7.9215-7.73787=0.18363

70、m。</p><p>　　分析誤差存在于程序執(zhí)行啟動(dòng)判斷時(shí)，由于頻率差和切換數(shù)據(jù)選擇器的時(shí)間差導(dǎo)致判斷區(qū)域的不確定，導(dǎo)致讀取的計(jì)數(shù)值存在一個(gè)誤差最終導(dǎo)致位移值存在誤差。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)從原理分析、硬件軟件設(shè)計(jì)、仿真到最終實(shí)物調(diào)試，結(jié)果達(dá)到了激光干涉測(cè)量微位移的要求，自動(dòng)測(cè)量精度達(dá)到了10

71、um。但由于作者能力時(shí)間有限，光路系統(tǒng)安裝要求較高和光學(xué)器件昂貴難配置等原因，只對(duì)系統(tǒng)光電檢測(cè)器輸出信號(hào)以后進(jìn)行了仿真制作調(diào)試。</p><p>　　作者在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，包括前期系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理分析，硬件電路設(shè)計(jì)，軟件程序流程設(shè)計(jì)，且在此基礎(chǔ)上應(yīng)用proteus、keil對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件仿真和軟件開發(fā)調(diào)試，以及到后期電路板的焊制以及實(shí)物調(diào)試，通過(guò)不斷請(qǐng)教導(dǎo)師，查閱資料，網(wǎng)絡(luò)視頻學(xué)習(xí)等多種途徑進(jìn)行學(xué)習(xí)思考。過(guò)程中遇到

72、各種各樣的難點(diǎn)和不解，有各個(gè)環(huán)節(jié)中的問(wèn)題，也有部分與部分之間存在的問(wèn)題。如為什么要設(shè)計(jì)前置放大電路，運(yùn)放的選擇和設(shè)計(jì)，主運(yùn)放的放大倍數(shù)確定要考慮前置放大的輸出電壓和后序整形74LS14的閥值電壓等等。在實(shí)物電路板的焊制和調(diào)試中也遇到很多問(wèn)題，如器件擺放不夠優(yōu)化，焊點(diǎn)大小不齊虛焊多。當(dāng)載入程序調(diào)試時(shí)LCD沒(méi)有反應(yīng)且一塊芯片段時(shí)間內(nèi)發(fā)燙，后參照電路圖逐步檢查發(fā)現(xiàn)LCD的背光接地線接到正極，發(fā)燙芯片引腳短路等等。</p><

73、;p>　　通過(guò)完整的設(shè)計(jì)和制作一個(gè)系統(tǒng)，作者看到再簡(jiǎn)單的理論也要和實(shí)際運(yùn)用相結(jié)合且要考慮到實(shí)際制作中遇到的一些問(wèn)題加以改進(jìn)，多動(dòng)手，勤思考，多向老師同學(xué)交流才能促進(jìn)進(jìn)一步提高。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1]王英凱,安曉東.納米級(jí)位移測(cè)量技術(shù)研究.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程報(bào),2005,(10).</p><p