基于光柵莫爾條紋的精確控制系統設計

劉世華

(貴州師范學院物理與電子科學學院，貴州貴陽 550018)

基于光柵莫爾條紋的精確控制系統設計

劉世華

(貴州師范學院物理與電子科學學院，貴州貴陽 550018)

隨著科技的飛速發展，工業控制要求越來越精確，根據莫爾條紋的特性和工業控制的要求，提出了一種精確控制系統的設計。該設計在硬件方面使用單片機控制X-Y運動平臺，同時利用光柵莫爾條紋的特性來監測X-Y運動平臺實際運動步數并在數碼管中顯示，實現一個控制系統的閉環反饋，使系統控制能達到更加精確的效果，在軟件方面通過外圍板設計了一個人機交互界面實現X-Y運動平臺數據的讀取和加工，最后通過實驗結果來展示該設計是基本可以達到預期的控制效果。

莫爾條紋;單片機;X-Y運動平臺

引言

光柵莫爾條紋技術是一種在當今應用非常廣泛的測量技術。在十九世紀末期人們已經對莫爾條紋進行研究，而在二十世紀五十年代莫爾條紋已經開始應用于實際測量，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一樣的透射光柵以小角度進行疊加產生放大的光柵，在現實生活中所有光柵測量系統的理論基礎研究都是深入研究光柵莫爾條紋形成機理，分析討論光柵的結構及形成莫爾條紋的光強分布規律［1］，這對于研究光電位移傳感器的結構設計、改善莫爾條紋光電信號質量等都具有非常重要的意義。

線性位移光柵尺在直線移動導軌機構中得到廣泛應用，主要體現在對于微小位移的精確測量、顯示以及自動控制的實現。在現代工業的自動控制系統中，光柵傳感器已經廣泛的應用于解決軸的線性位移和工業上檢測和控制問題，加工設備的車床、測量儀器影像測量儀的線性位移都用到了光柵傳感器，光柵傳感器還可以實現數控機床的數顯改造，并可檢測數控機床刀具和工件的坐標，補償刀具運動誤差［2］。隨著對光柵莫爾條紋的深入研究，光柵傳感器的測量精度已經達到納米級，這使工業控制可以達到更加精確的效果，正因如此莫爾條紋技術在現代化的工業控制系統中應用已經越來越廣泛了。

1 系統總體硬件設計

圖1 系統總體硬件設計

在上圖1所示，本系統硬件設計主要由單片機模塊、X-Y運動平臺模塊、檢測電路模塊、數碼管驅動及顯示模塊組成。該系統采用了兩路監測電路分別監測X-Y運動平臺的X軸和Y軸的實際位移量，而每一路監測電路又由兩塊莫爾條紋光柵構成，將兩塊參數相同的透視光柵以一個小角度重疊放置，其中一塊光柵固定不動，另一塊光柵隨X-Y運動平臺的運動而運動。根據莫爾條紋形成的原理，當兩塊參數相同的光柵發生相對移動時，隨之就會產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莫爾條紋的明條紋并轉變成電信號，再由電路當中的電壓比較器進行計數，根據計數總量可以確定X-Y運動的實際步數并將實際步數在數碼管中顯示，這樣就可以根據X-Y運動的實際步數來來反饋控制它直至達之前所預定位置。下面就各個模塊的情況來作詳細的介紹。

1．1 基于STC89C516RD+的單片機模塊

單片機模塊的原理圖如圖2所示:

圖2 TC89C516RD+單片機模塊原理圖

此單片機模塊包含了一款高速低功耗、抗干擾能力強、可在線系統編程的STC89C516RD+芯片，復位電路，時鐘電路，和一個用戶 LED。STC89C516RD+芯片的工作電壓為 3．4V～ 5．5V;頻率為0～80MHz，實際工作頻率可達到40MHz;有一片64K字節的Flash存儲器，1280K字節的RAM存儲器;36個I/O口;3個16位的定時器/計數器，還具有看門狗功能。該模塊采用的是一種很常見的時鐘電路和復位電路，如圖2所示。

1．2 X-Y運動平臺模塊

該X-Y運動平臺模塊所采用導軌行程是150mm，導軌螺距是4mm的兩個數字伺服馬達驅動，該數字用來伺服馬達自帶17位增量碼盤，由此X-Y運動平臺的運動靈敏度可達到4mm/217 ≈30．5nm，此敏感度具有納米量級靈敏度，配備莫爾條紋光柵后可以組成一個閉環控制系統，可實現亞微米級重復定位精度，完全可以滿足工業上控制精度的需求［3］。為了做到反饋監測，在控制X-Y運動平臺運動的過程中，該系統將運用測量光柵莫爾條紋的方法來對X-Y運動平臺移動的步數進行精確的計數。

1．3 光電監測電路模塊

為了能夠精確的控制X-Y運動平臺的運動，本文在控制系統中增加了光電監測電路模塊，這也是該系統最為核心的部分，根據莫爾條紋的原理，當X-Y運動平臺帶動莫爾光柵一起運動時，利用光照射光電二極管，當明條紋經過的時候光電二極管會產生電流，當有暗條紋經過的時候光電管二極管不會產生電流，此時X-Y運動平臺的運動步數可以通過電壓比較器輸出來來計算，實現了X-Y運動平臺的反饋，從而達到對X -Y運動平臺的精確控制。如圖3是監測電路的原理圖:

圖3 監測電路模塊

此光電監測電路是單片機對X-Y運動平臺精確控制的一個反饋電路，在前面講到過當光柵隨X-Y運動平臺一起運動與另一塊光柵發生相對位移時會產生明暗相間的莫爾條紋，當有明條紋經過時光電二極管會將光信號轉換成電信號，這時就會產生電流，把電流流過光電二極管形成的電壓稱為Ui，再設置一個固定參考電壓為Ur，Ur的值可以通過滑動變阻器R14來控制。電壓Ui和參考電壓Ur在通過電壓比較器LMV331后會輸出高低電平，當Ui＜Ur時，電壓比較器輸出低電平，當Ui＞Ur時，電壓比較器輸出高電平，最后單片機會自動檢測T1引腳上的高低電平進行計數，然后在數碼管中顯示。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 數碼管驅動模塊

在數碼管驅動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態顯示掃描，而且LED的亮度狀況也可以用軟件設置來控制。CH451的串行接口另一個特點是，由于CH451的串行接口是由硬件實現的，所以不管單片機向串行接口發送數據多頻繁，CH451的工作效率也并不會受影響。CH451在驅動數碼管過程中譯碼也是由硬件完成的，因此本系統采用CH451是比較合理的。圖4是CH451與單片機連接的原理圖。

圖4 單片機與CH451連接原理圖

1．5 數碼管顯示模塊

在數碼管顯示部分是采用常見的四位一體共陰數碼管，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單片機傳過來的二進制BCD完成譯碼后驅動到數碼管上面，如圖5所示。

圖5 數碼管顯示電路

2 實驗結果展示

本文在軟件方面通過外圍板設計了一個人機交互界面，方便對X-Y運動平臺運動坐標的輸入。在光電監測電路模塊中，通過光電二極管來檢測莫爾條紋的明條紋產生電流，然后通過電壓比較器輸出高低電平來計數，X-Y運動平臺實際運動的步數L=nq(q=w為量化單位，用來表示每條紋的間隔量，n表示移過的條紋個數)［6］。在實驗中，把X-Y運動平臺運動的每一步設置與光柵莫爾條紋的間隔量一致，在人機交互界面中給MOT1輸入1346，X-Y運動平臺選擇正轉，X-Y運動平臺帶動光柵移動后，數碼管當中的計數也為1346，驗證了對X-Y運動平臺的精密控制的效果，如圖6所示。

圖6 控制X-Y運動平臺實驗

3 結語

本文設計了基于光柵莫爾條紋的精確控制系統，使用單片機控制X-Y運動平臺，同時利用莫爾條紋的特性來做一個光電監測的反饋，使系統控制能達到更加精確的效果。由于實驗條件有限，在本文中只設計了一路光電監測電路監測X -Y運動平臺X軸的運動，數碼管也只有一個，只能顯示X軸的運動步數。如果在工業當中做到一個三維的控制，就需要更多的設備來支持，如何在工業應用到此光電監測實現的反饋，做到三維的精密控制，這也需要做進一步的探索和研究。

［1］呂孟軍．光柵莫爾條紋電子學細分技術［D］．南京:南京航空航天大學，2008．

［2］周波．莫爾條紋原理及其應用［D］．長春:東北師范大學，2014．

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

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

［5］CH451數據手冊［Z］．南京沁恒電子有限公司，2005．

［6］梁海鋒，嚴一心．基于光柵傳感器位移測量的軟、硬件設計［J］．現代電子技術，2003，166(23):88-89．

［責任編輯: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，貴州師范學院物理與電子科學學院講師，研究方向:嵌入式系統設計、無線通信。