基于單片機增量式編碼器的分光計設計

李成龍

(安徽理工大學，安徽淮南 230001)

分光計能精確測量光線偏轉(zhuǎn)角度，是一種基本的精密光學儀器［1］，分光計的使用也是各大高校的光學實驗必修的實驗項目。如折射率的測定、測定光柵常量等等。傳統(tǒng)儀器用的是機械式角度測讀裝置，其游標讀數(shù)盤精密鑄造的造價高、體積大而笨重，在較暗的光學實驗室內(nèi)，讀數(shù)費力，容易讀錯。本設計采用STC89C52系列單片機與YGN320型增量式編碼器相結(jié)合，廢棄了游標盤，充分利用現(xiàn)代的傳感器技術實現(xiàn)了較高精度的角度測量。所用的測量系統(tǒng)體積小、精度高、純數(shù)字化顯示，無論是測量方式、測量手段還是儀器的構(gòu)造都有很大程度的革新。在國內(nèi)高教儀器市場上前景非常廣闊。

1 增量式編碼器

增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相;A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準點定位［2］。

通常將A、B脈沖接采用單片機中斷接口，用中斷方式采集脈沖數(shù)據(jù)，缺點是中斷程序有一定的執(zhí)行時間，編碼器轉(zhuǎn)速太快會單片機會反應不過來，出現(xiàn)丟失脈沖數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，因而計數(shù)不可靠。

圖1 增量式編碼器輸出信號

本設計采用HCTL-2032，它具有四細分和辨向功能，可接收兩路正交脈沖信號，同時還具有抗干擾設計，輸入信號經(jīng)過施密特觸發(fā)器和數(shù)字濾波器的預處理［2］;HCTL-2032將可逆計數(shù)器設計在芯片內(nèi)，芯片集成度高，大大簡化了外圍電路的設計;時鐘周期達到33 MHz，極大的提高了測量精度與處理數(shù)據(jù)的速度，很少出現(xiàn)丟失脈沖數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，因而計數(shù)安全可靠。內(nèi)部計數(shù)器為16位，因此為了能夠與單片機常用的8位數(shù)據(jù)總線接口，16位鎖存數(shù)據(jù)又經(jīng)過多路切換器轉(zhuǎn)換為高、低兩個8位字節(jié)，由SEL端控制其分時輸出，切換器還具有三態(tài)輸出緩沖機構(gòu)，可以直接掛接在外部數(shù)據(jù)總線上，由單片機控制數(shù)據(jù)的讀取。本脈沖計數(shù)系統(tǒng)硬件原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)原理圖

編碼器的A、B脈沖輸出接HCTL-2032的X軸輸入 CHAX、CHBX端，HCTL-2032的16位計數(shù)器的分時輸出端D0～D7，接單片機的P1．0～P1．7口。其控制線接單片機的P3口。最終的角度數(shù)據(jù)由單片機 P2．0、P2．1、P2．2 口驅(qū)動數(shù)碼管，該數(shù)碼管由74HC595芯片驅(qū)動兩塊級聯(lián)的4位共陽數(shù)碼管模擬顯示。

2 分光計的設計

分光計主要由4部分組成:平行光管、望遠鏡、載物臺、讀數(shù)盤［1］。讀數(shù)盤分刻度盤和游標盤，刻度盤上一般有720條等分線，游標上有30條等分線，測量精度可達1'。測量時游標盤鎖緊不動，轉(zhuǎn)動望遠鏡時帶動刻度盤一起轉(zhuǎn)動，這時刻度盤和游標盤之間有相對的轉(zhuǎn)動位移，從游標讀取轉(zhuǎn)動前后的數(shù)據(jù)，其差值即為轉(zhuǎn)動的角度。

圖3 帶編碼器的分光計設計

本設計中的編碼器用來監(jiān)測分光計刻度盤相對與主軸轉(zhuǎn)動的角度，測量時無需考慮游標盤的位置情況。如圖3所示，編碼器固定于平行光管支架處，轉(zhuǎn)軸隨刻度盤的摩擦而轉(zhuǎn)動。編碼器轉(zhuǎn)軸與刻度盤的直徑比為1 20，刻度盤旋轉(zhuǎn)一圈，編碼器將旋轉(zhuǎn)20圈。YGN320型編碼器的光柵整周刻線數(shù)為2048，即:n=20×2 048=40 960個脈沖，即刻度盤旋轉(zhuǎn)一圈，編碼器可輸出40 960個A、B脈沖。則角度的測量精度為360°÷40 960=0．53'/，脈沖即測量精度可達 0．53'。如果啟用HCTL-2032的四細分功能，刻度盤每旋轉(zhuǎn)一周可以得到4倍的脈沖信號:n=20×2048×4=163840個，則本分光計角度的測量精度將提高為360°÷163 840=0．13'/，脈沖即測量精度可提高到0．13'，幾乎能將精度提高一個數(shù)量級。

3 軟件設計

單片機主程序采用C語言設計，軟件設計流程圖如圖4所示。

設計樣機主程序未采用HCTL-2032的四細分功能，因此程序的角度測量精度為360°÷40 960=0．53'/脈沖 ，即測量精度可達 0．53'。儀器顯示的角度是根據(jù)程序讀取的HCTL-2032數(shù)值與之前讀取的HCTL-2032的數(shù)值相對比，得出計數(shù)脈沖的變化量，再進行計算得出的。40 960個脈沖對應角度為360度，則1度對應113．777 78個脈沖，1'對應為1．896 23個脈沖，1″對應0．031 6個脈沖。假設程序讀取到HCTL-2032的計數(shù)有180個脈沖變化量，則所測角度的變化約為1°34'55″。另外儀器設置角度歸零按鈕，可對角度數(shù)據(jù)進行零位設置，方便讀數(shù)，可直接讀取儀器轉(zhuǎn)過的角度。

圖4 主程序流程圖

4 測試數(shù)據(jù)與結(jié)論

用樣機與傳統(tǒng)儀器同時測試棱鏡的折射率，數(shù)據(jù)如下:

表1 儀器測量數(shù)據(jù)對比

表2 基于光電編碼器的樣機測試結(jié)果

由實驗數(shù)據(jù)可見，兩種儀器測量結(jié)果準確且相近?；诠怆娋幋a器的樣機測試過程簡單，數(shù)據(jù)準確，測量重復性好。設計的儀器也有不足，如采用對稱的雙編碼器設計，可以同時測兩組數(shù)據(jù)，從而避免分光計儀器的偏心差;為防止編碼器打滑，刻度盤外緣需打磨處理，如果廠家批量生產(chǎn)，可將刻度盤設計為齒輪盤，從根本上杜絕打滑。

該設計的推廣使用，將對分光計的整個構(gòu)造帶來革新，現(xiàn)代測量技術的采用也將提升傳統(tǒng)分光計的測量精度，其方便操作，且能減少操作者的讀數(shù)錯誤，因而市場應用上將有廣闊前景。

［1］ 沈元華，陸申龍．基礎物理實驗［M］．北京:高等教育出版社，2003(12):234-240．

［2］ 徐海，胡榮貴，張東．基于單片機的旋轉(zhuǎn)編碼器鑒相方法研究［J］．微型機與應用，2010(13):20-22．

［3］ 唐中燕，楊曉紅，楊靜．基于單片機的智能型光電編碼器計數(shù)器［J］．儀器儀表用戶，2001(5):11-13．