李成龍

(安徽理工大學(xué)，安徽淮南 230001)

分光計(jì)能精確測(cè)量光線偏轉(zhuǎn)角度，是一種基本的精密光學(xué)儀器［1］，分光計(jì)的使用也是各大高校的光學(xué)實(shí)驗(yàn)必修的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。如折射率的測(cè)定、測(cè)定光柵常量等等。傳統(tǒng)儀器用的是機(jī)械式角度測(cè)讀裝置，其游標(biāo)讀數(shù)盤(pán)精密鑄造的造價(jià)高、體積大而笨重，在較暗的光學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，讀數(shù)費(fèi)力，容易讀錯(cuò)。本設(shè)計(jì)采用STC89C52系列單片機(jī)與YGN320型增量式編碼器相結(jié)合，廢棄了游標(biāo)盤(pán)，充分利用現(xiàn)代的傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了較高精度的角度測(cè)量。所用的測(cè)量系統(tǒng)體積小、精度高、純數(shù)字化顯示，無(wú)論是測(cè)量方式、測(cè)量手段還是儀器的構(gòu)造都有很大程度的革新。在國(guó)內(nèi)高教儀器市場(chǎng)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(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位［2］。

通常將A、B脈沖接采用單片機(jī)中斷接口，用中斷方式采集脈沖數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)是中斷程序有一定的執(zhí)行時(shí)間，編碼器轉(zhuǎn)速太快會(huì)單片機(jī)會(huì)反應(yīng)不過(guò)來(lái)，出現(xiàn)丟失脈沖數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，因而計(jì)數(shù)不可靠。

圖1 增量式編碼器輸出信號(hào)

本設(shè)計(jì)采用HCTL-2032，它具有四細(xì)分和辨向功能，可接收兩路正交脈沖信號(hào)，同時(shí)還具有抗干擾設(shè)計(jì)，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器和數(shù)字濾波器的預(yù)處理［2］;HCTL-2032將可逆計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)在芯片內(nèi)，芯片集成度高，大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì);時(shí)鐘周期達(dá)到33 MHz，極大的提高了測(cè)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(jì)數(shù)安全可靠。內(nèi)部計(jì)數(shù)器為16位，因此為了能夠與單片機(jī)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(guò)多路切換器轉(zhuǎn)換為高、低兩個(gè)8位字節(jié)，由SEL端控制其分時(shí)輸出，切換器還具有三態(tài)輸出緩沖機(jī)構(gòu)，可以直接掛接在外部數(shù)據(jù)總線上，由單片機(jī)控制數(shù)據(jù)的讀取。本脈沖計(jì)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(jì)數(shù)器的分時(shí)輸出端D0～D7，接單片機(jī)的P1．0～P1．7口。其控制線接單片機(jī)的P3口。最終的角度數(shù)據(jù)由單片機(jī) P2．0、P2．1、P2．2 口驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，該數(shù)碼管由74HC595芯片驅(qū)動(dòng)兩塊級(jí)聯(lián)的4位共陽(yáng)數(shù)碼管模擬顯示。

2 分光計(jì)的設(shè)計(jì)

分光計(jì)主要由4部分組成:平行光管、望遠(yuǎn)鏡、載物臺(tái)、讀數(shù)盤(pán)［1］。讀數(shù)盤(pán)分刻度盤(pán)和游標(biāo)盤(pán)，刻度盤(pán)上一般有720條等分線，游標(biāo)上有30條等分線，測(cè)量精度可達(dá)1'。測(cè)量時(shí)游標(biāo)盤(pán)鎖緊不動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡時(shí)帶動(dòng)刻度盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)刻度盤(pán)和游標(biāo)盤(pán)之間有相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)位移，從游標(biāo)讀取轉(zhuǎn)動(dòng)前后的數(shù)據(jù)，其差值即為轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。

圖3 帶編碼器的分光計(jì)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的編碼器用來(lái)監(jiān)測(cè)分光計(jì)刻度盤(pán)相對(duì)與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，測(cè)量時(shí)無(wú)需考慮游標(biāo)盤(pán)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(pán)的摩擦而轉(zhuǎn)動(dòng)。編碼器轉(zhuǎn)軸與刻度盤(pán)的直徑比為1 20，刻度盤(pán)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(gè)脈沖，即刻度盤(pán)旋轉(zhuǎn)一圈，編碼器可輸出40 960個(gè)A、B脈沖。則角度的測(cè)量精度為360°÷40 960=0．53'/，脈沖即測(cè)量精度可達(dá) 0．53'。如果啟用HCTL-2032的四細(xì)分功能，刻度盤(pán)每旋轉(zhuǎn)一周可以得到4倍的脈沖信號(hào):n=20×2048×4=163840個(gè)，則本分光計(jì)角度的測(cè)量精度將提高為360°÷163 840=0．13'/，脈沖即測(cè)量精度可提高到0．13'，幾乎能將精度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)主程序采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

設(shè)計(jì)樣機(jī)主程序未采用HCTL-2032的四細(xì)分功能，因此程序的角度測(cè)量精度為360°÷40 960=0．53'/脈沖 ，即測(cè)量精度可達(dá) 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(duì)比，得出計(jì)數(shù)脈沖的變化量，再進(jìn)行計(jì)算得出的。40 960個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)角度為360度，則1度對(duì)應(yīng)113．777 78個(gè)脈沖，1'對(duì)應(yīng)為1．896 23個(gè)脈沖，1″對(duì)應(yīng)0．031 6個(gè)脈沖。假設(shè)程序讀取到HCTL-2032的計(jì)數(shù)有180個(gè)脈沖變化量，則所測(cè)角度的變化約為1°34'55″。另外儀器設(shè)置角度歸零按鈕，可對(duì)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行零位設(shè)置，方便讀數(shù)，可直接讀取儀器轉(zhuǎn)過(guò)的角度。

圖4 主程序流程圖

4 測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)論

用樣機(jī)與傳統(tǒng)儀器同時(shí)測(cè)試?yán)忡R的折射率，數(shù)據(jù)如下:

表1 儀器測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 基于光電編碼器的樣機(jī)測(cè)試結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，兩種儀器測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確且相近?；诠怆娋幋a器的樣機(jī)測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，測(cè)量重復(fù)性好。設(shè)計(jì)的儀器也有不足，如采用對(duì)稱(chēng)的雙編碼器設(shè)計(jì)，可以同時(shí)測(cè)兩組數(shù)據(jù)，從而避免分光計(jì)儀器的偏心差;為防止編碼器打滑，刻度盤(pán)外緣需打磨處理，如果廠家批量生產(chǎn)，可將刻度盤(pán)設(shè)計(jì)為齒輪盤(pán)，從根本上杜絕打滑。

該設(shè)計(jì)的推廣使用，將對(duì)分光計(jì)的整個(gè)構(gòu)造帶來(lái)革新，現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的采用也將提升傳統(tǒng)分光計(jì)的測(cè)量精度，其方便操作，且能減少操作者的讀數(shù)錯(cuò)誤，因而市場(chǎng)應(yīng)用上將有廣闊前景。

［1］ 沈元華，陸申龍．基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)［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(jī)的旋轉(zhuǎn)編碼器鑒相方法研究［J］．微型機(jī)與應(yīng)用，2010(13):20-22．

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