基于光柵莫爾條紋的精確控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉世華

(貴州師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550018)

基于光柵莫爾條紋的精確控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉世華

(貴州師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽(yáng) 550018)

隨著科技的飛速發(fā)展，工業(yè)控制要求越來越精確，根據(jù)莫爾條紋的特性和工業(yè)控制的要求，提出了一種精確控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)在硬件方面使用單片機(jī)控制X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，同時(shí)利用光柵莫爾條紋的特性來監(jiān)測(cè)X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)際運(yùn)動(dòng)步數(shù)并在數(shù)碼管中顯示，實(shí)現(xiàn)一個(gè)控制系統(tǒng)的閉環(huán)反饋，使系統(tǒng)控制能達(dá)到更加精確的效果，在軟件方面通過外圍板設(shè)計(jì)了一個(gè)人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)數(shù)據(jù)的讀取和加工，最后通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果來展示該設(shè)計(jì)是基本可以達(dá)到預(yù)期的控制效果。

莫爾條紋;單片機(jī);X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

引言

光柵莫爾條紋技術(shù)是一種在當(dāng)今應(yīng)用非常廣泛的測(cè)量技術(shù)。在十九世紀(jì)末期人們已經(jīng)對(duì)莫爾條紋進(jìn)行研究，而在二十世紀(jì)五十年代莫爾條紋已經(jīng)開始應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量，到如今已形成了三種主要的莫爾條紋理論:基于陰影成像原理、基于衍射干涉原理和基于傅立葉變換原理。莫爾條紋的現(xiàn)象基本上都可以由這三種主要的理論來解釋。莫爾條紋形成原理是將兩塊參數(shù)一樣的透射光柵以小角度進(jìn)行疊加產(chǎn)生放大的光柵，在現(xiàn)實(shí)生活中所有光柵測(cè)量系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)研究都是深入研究光柵莫爾條紋形成機(jī)理，分析討論光柵的結(jié)構(gòu)及形成莫爾條紋的光強(qiáng)分布規(guī)律［1］，這對(duì)于研究光電位移傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改善莫爾條紋光電信號(hào)質(zhì)量等都具有非常重要的意義。

線性位移光柵尺在直線移動(dòng)導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用，主要體現(xiàn)在對(duì)于微小位移的精確測(cè)量、顯示以及自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，光柵傳感器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于解決軸的線性位移和工業(yè)上檢測(cè)和控制問題，加工設(shè)備的車床、測(cè)量?jī)x器影像測(cè)量?jī)x的線性位移都用到了光柵傳感器，光柵傳感器還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的數(shù)顯改造，并可檢測(cè)數(shù)控機(jī)床刀具和工件的坐標(biāo)，補(bǔ)償?shù)毒哌\(yùn)動(dòng)誤差［2］。隨著對(duì)光柵莫爾條紋的深入研究，光柵傳感器的測(cè)量精度已經(jīng)達(dá)到納米級(jí)，這使工業(yè)控制可以達(dá)到更加精確的效果，正因如此莫爾條紋技術(shù)在現(xiàn)代化的工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛了。

1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)

在上圖1所示，本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)模塊、X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊、檢測(cè)電路模塊、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及顯示模塊組成。該系統(tǒng)采用了兩路監(jiān)測(cè)電路分別監(jiān)測(cè)X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的X軸和Y軸的實(shí)際位移量，而每一路監(jiān)測(cè)電路又由兩塊莫爾條紋光柵構(gòu)成，將兩塊參數(shù)相同的透視光柵以一個(gè)小角度重疊放置，其中一塊光柵固定不動(dòng)，另一塊光柵隨X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。根據(jù)莫爾條紋形成的原理，當(dāng)兩塊參數(shù)相同的光柵發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，隨之就會(huì)產(chǎn)生周期性變化的明暗相間平行的莫爾條紋，然后再使用光電二極管檢測(cè)莫爾條紋的明條紋并轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，再由電路當(dāng)中的電壓比較器進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)計(jì)數(shù)總量可以確定X-Y運(yùn)動(dòng)的實(shí)際步數(shù)并將實(shí)際步數(shù)在數(shù)碼管中顯示，這樣就可以根據(jù)X-Y運(yùn)動(dòng)的實(shí)際步數(shù)來來反饋控制它直至達(dá)之前所預(yù)定位置。下面就各個(gè)模塊的情況來作詳細(xì)的介紹。

1．1 基于STC89C516RD+的單片機(jī)模塊

單片機(jī)模塊的原理圖如圖2所示:

圖2 TC89C516RD+單片機(jī)模塊原理圖

此單片機(jī)模塊包含了一款高速低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、可在線系統(tǒng)編程的STC89C516RD+芯片，復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，和一個(gè)用戶 LED。STC89C516RD+芯片的工作電壓為 3．4V～ 5．5V;頻率為0～80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)到40MHz;有一片64K字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器，1280K字節(jié)的RAM存儲(chǔ)器;36個(gè)I/O口;3個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，還具有看門狗功能。該模塊采用的是一種很常見的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，如圖2所示。

1．2 X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊

該X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模塊所采用導(dǎo)軌行程是150mm，導(dǎo)軌螺距是4mm的兩個(gè)數(shù)字伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，該數(shù)字用來伺服馬達(dá)自帶17位增量碼盤，由此X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)靈敏度可達(dá)到4mm/217 ≈30．5nm，此敏感度具有納米量級(jí)靈敏度，配備莫爾條紋光柵后可以組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)重復(fù)定位精度，完全可以滿足工業(yè)上控制精度的需求［3］。為了做到反饋監(jiān)測(cè)，在控制X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的過程中，該系統(tǒng)將運(yùn)用測(cè)量光柵莫爾條紋的方法來對(duì)X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)的步數(shù)進(jìn)行精確的計(jì)數(shù)。

1．3 光電監(jiān)測(cè)電路模塊

為了能夠精確的控制X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，本文在控制系統(tǒng)中增加了光電監(jiān)測(cè)電路模塊，這也是該系統(tǒng)最為核心的部分，根據(jù)莫爾條紋的原理，當(dāng)X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)莫爾光柵一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，利用光照射光電二極管，當(dāng)明條紋經(jīng)過的時(shí)候光電二極管會(huì)產(chǎn)生電流，當(dāng)有暗條紋經(jīng)過的時(shí)候光電管二極管不會(huì)產(chǎn)生電流，此時(shí)X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)步數(shù)可以通過電壓比較器輸出來來計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的反饋，從而達(dá)到對(duì)X -Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的精確控制。如圖3是監(jiān)測(cè)電路的原理圖:

圖3 監(jiān)測(cè)電路模塊

此光電監(jiān)測(cè)電路是單片機(jī)對(duì)X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)精確控制的一個(gè)反饋電路，在前面講到過當(dāng)光柵隨X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)與另一塊光柵發(fā)生相對(duì)位移時(shí)會(huì)產(chǎn)生明暗相間的莫爾條紋，當(dāng)有明條紋經(jīng)過時(shí)光電二極管會(huì)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電流，把電流流過光電二極管形成的電壓稱為Ui，再設(shè)置一個(gè)固定參考電壓為Ur，Ur的值可以通過滑動(dòng)變阻器R14來控制。電壓Ui和參考電壓Ur在通過電壓比較器LMV331后會(huì)輸出高低電平，當(dāng)Ui＜Ur時(shí)，電壓比較器輸出低電平，當(dāng)Ui＞Ur時(shí)，電壓比較器輸出高電平，最后單片機(jī)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)T1引腳上的高低電平進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后在數(shù)碼管中顯示。由于明條紋照射光電二極管后形成的電流較小，所以在此電路中選擇了一款低工作需求電流，低功耗的比較器芯片LMV331［4］。

1．4 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)模塊

在數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)模塊中選擇的是南京沁恒的CH451芯片［5］，它具有速度快功耗小支持動(dòng)態(tài)顯示掃描，而且LED的亮度狀況也可以用軟件設(shè)置來控制。CH451的串行接口另一個(gè)特點(diǎn)是，由于CH451的串行接口是由硬件實(shí)現(xiàn)的，所以不管單片機(jī)向串行接口發(fā)送數(shù)據(jù)多頻繁，CH451的工作效率也并不會(huì)受影響。CH451在驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管過程中譯碼也是由硬件完成的，因此本系統(tǒng)采用CH451是比較合理的。圖4是CH451與單片機(jī)連接的原理圖。

圖4 單片機(jī)與CH451連接原理圖

1．5 數(shù)碼管顯示模塊

在數(shù)碼管顯示部分是采用常見的四位一體共陰數(shù)碼管，由于南京沁恒的CH451是工作于BCD譯碼方式，譯碼可由硬件完成，所以電路中沒必要外加譯碼電路，可以直接將CH451單片機(jī)傳過來的二進(jìn)制BCD完成譯碼后驅(qū)動(dòng)到數(shù)碼管上面，如圖5所示。

圖5 數(shù)碼管顯示電路

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示

本文在軟件方面通過外圍板設(shè)計(jì)了一個(gè)人機(jī)交互界面，方便對(duì)X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的輸入。在光電監(jiān)測(cè)電路模塊中，通過光電二極管來檢測(cè)莫爾條紋的明條紋產(chǎn)生電流，然后通過電壓比較器輸出高低電平來計(jì)數(shù)，X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)際運(yùn)動(dòng)的步數(shù)L=nq(q=w為量化單位，用來表示每條紋的間隔量，n表示移過的條紋個(gè)數(shù))［6］。在實(shí)驗(yàn)中，把X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的每一步設(shè)置與光柵莫爾條紋的間隔量一致，在人機(jī)交互界面中給MOT1輸入1346，X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)選擇正轉(zhuǎn)，X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)光柵移動(dòng)后，數(shù)碼管當(dāng)中的計(jì)數(shù)也為1346，驗(yàn)證了對(duì)X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的精密控制的效果，如圖6所示。

圖6 控制X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于光柵莫爾條紋的精確控制系統(tǒng)，使用單片機(jī)控制X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，同時(shí)利用莫爾條紋的特性來做一個(gè)光電監(jiān)測(cè)的反饋，使系統(tǒng)控制能達(dá)到更加精確的效果。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，在本文中只設(shè)計(jì)了一路光電監(jiān)測(cè)電路監(jiān)測(cè)X -Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)X軸的運(yùn)動(dòng)，數(shù)碼管也只有一個(gè)，只能顯示X軸的運(yùn)動(dòng)步數(shù)。如果在工業(yè)當(dāng)中做到一個(gè)三維的控制，就需要更多的設(shè)備來支持，如何在工業(yè)應(yīng)用到此光電監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)的反饋，做到三維的精密控制，這也需要做進(jìn)一步的探索和研究。

［1］呂孟軍．光柵莫爾條紋電子學(xué)細(xì)分技術(shù)［D］．南京:南京航空航天大學(xué)，2008．

［2］周波．莫爾條紋原理及其應(yīng)用［D］．長(zhǎng)春:東北師范大學(xué)，2014．

［3］劉世華．基于ARM11的PCB板激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)研究［D］．武漢:華中師范大學(xué)，2012．

［4］周強(qiáng)，王曙光．幾種光電檢測(cè)電路的性能比較［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，183(16):87-89．

［5］CH451數(shù)據(jù)手冊(cè)［Z］．南京沁恒電子有限公司，2005．

［6］梁海鋒，嚴(yán)一心．基于光柵傳感器位移測(cè)量的軟、硬件設(shè)計(jì)［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，166(23):88-89．

［責(zé)任編輯:袁向芬］

The precise control system design based on grating moire fringe

LIU Shi-hua

(School of Physics and Electronic Sciences，Guizhou Education University，Guiyang，Guizhou，550018)

With the rapid development of science and technology，industrial control requirements become more and more accurate．According to the characteristics of moire fringe and the requirements of industrial control，this paper proposes a scheme of the precise control system．The design in the aspect of hardware used microcomputer control X-Y motion platform．the same time used moire fringe features monitor the actual movement of X-Y motion platform and in the digital tube display，achieving the feedback of control system to make system control can achieve more accurate results．In the aspect of software through the outer plate design a man-machine interface implementation X-Y motion platform of date reading and processing．Finally，the experimental results show that the design is able to achieve the desired control effect．

Moire fringe;Microcontrollers;X-Y motion platform

TP399

A

1674-7798(2016)09-0044-05

10.13391/j.cnki.issn.1674-7798.2016.09.009

2016-09-02

劉世華(1985-)，男，湖北武漢人，碩士，貴州師范學(xué)院物理與電子科學(xué)學(xué)院講師，研究方向:嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、無線通信。