光電課程設(shè)計--激光干涉法測量微位移的設(shè)計

1、<p>　　激光干涉法測量微位移的設(shè)計</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），檢測可以是接觸式或非接觸式，加之對檢測準(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方法。 </p><p>　　隨著光學(xué)檢測元件和精密制造工藝的提高以及電子元器件的發(fā)展，伴隨計算機的更新?lián)Q代和工業(yè)

2、自動控制技術(shù)的不斷進步，利用光電結(jié)合的方法是解決問題的有效途徑，如光柵碼盤、激光干涉法、三角法、光斑散射法，其測量精度高、反應(yīng)速度快、易于實現(xiàn)數(shù)字化測量。在光學(xué)干涉測量法中，激光多普勒效應(yīng)測量方法具有動態(tài)響應(yīng)快、線性度好、測量范圍大、精度高等許多獨特的優(yōu)點，得到了更加廣泛的應(yīng)用，有很好的發(fā)展前景。為了滿足微位移測量的非接觸、高精度等要求本文設(shè)計、制作了一種基于激光多普勒效應(yīng)的測微位移系統(tǒng)，和傳統(tǒng)的微位移測量儀器相比，其精度、誤差、靈敏度

3、及穩(wěn)定度都有較大提高，并實現(xiàn)了對微位移的自動非接觸測量。</p><p>　　干涉測量法是基于光波的干涉原理測位移的方法。激光的出現(xiàn)使干涉測量位移的應(yīng)用范圍更加廣泛。其測量的基本原理是: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量臂，測量臂中的反射鏡隨被測物體表面的位移變化而移動，這束光從測量反射鏡后形成測量光束。測量光束和參考光束的相互疊加

4、干涉形成干涉信號。干涉信號的明暗變化密度與被測測位移成反比。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位移的值[1]。 </p><p>　　干涉法原理簡單、構(gòu)造容易，測量精度高，測量范圍大，適用于實時動態(tài)測量而被廣泛應(yīng)用于位移測量。</p><p>　　目前干涉測量按測量對象不同大致可分為全息干涉測量、散斑干涉測量和光柵位移激光多普勒測量。隨著科技的進步，對測量

5、精度的要求越來越高，激光多普勒技術(shù)的非接觸、高精度測量的優(yōu)點使它得到蓬勃發(fā)展。激光多普勒測量有空間分辨率高、測量精度高、多普勒頻移與位移成線性關(guān)系、動態(tài)響應(yīng)快，信號用光來傳遞，慣性極小，可以進行實時測量、激光多普勒測量是非接觸式測量，激光會聚的干涉體積小，即是測量探頭在通常情況下對被測的流場和物體等沒有干擾等優(yōu)點。通過比較，確定以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)的激光干涉測量法為系統(tǒng)設(shè)計方案。</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動，將使頻率發(fā)生變化，這種頻率變化稱作多普勒頻移。由被測物運動所散射的光的頻移應(yīng)當(dāng)作為一個雙重多普勒頻移來考慮。光源發(fā)射一束光入射到運動物體表面(如圖1所示)，運動物體相對于光源來說，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動體的速度增加：</p><

7、p><b>　　(1)</b></p><p>　　式中 為光源輻射頻率，u為運動物體表面速度， 為入射光和運動方向夾角，c為真空中光速；運動物體又相當(dāng)于一個發(fā)射天線，把接收到的輻射波</p><p>　　發(fā)射出來，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為:</p><p><b>　　(2)</b>

8、</p><p><b>　　式（2）中</b></p><p>　　因為在關(guān)心的速度范圍內(nèi) ,對上面的展開式取一級近似</p><p><b>　　（3）</b></p><p>　　把式（3）帶入（2）中得</p><p>　　忽略式中的高次項，得</p>

9、<p><b>　?。?）</b></p><p>　　所以速度為u的運動體產(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動方向一側(cè)，并且運動物體與接收器做相向運動時，按收器接收的光頻率增加，波長減小。當(dāng)光線垂直入射并接受回波信號時，即 = =θ=0，則</p><p><b>　　(7)</b></p><p>　　對式(7)兩端時間積分得:</p><p><b>　　(8)</b></p

11、><p>　　式中 為被測物體位移量， 為干涉條紋移動數(shù),系統(tǒng)只要檢測出條紋移動數(shù)就可以得出被測物體的位移量。</p><p><b>　　光信號檢測部分</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、表達式為 另一列波表達式為 ，則合成波的振幅為</p><p><b>　?。?）</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，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調(diào)制信號。當(dāng)這一疊加波輸入到平方律檢測器時，檢測器只能對合成波的強度起

13、響應(yīng)。根據(jù)式(9)有</p><p><b>　　(10)</b></p><p>　　式(10)所示的信號經(jīng)過具有高頻截止功能的光電檢測器后，頻率高于 的信號都不能通過，式(10)中的前三項只能輸出其平均值。 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器，將產(chǎn)生調(diào)制在差拍頻率上的電信號。下圖給出了理論上光電檢測器輸出的信號波形圖。</p><p>　　2 PIN光電二極管</p><p>　　光電二極管的光探測方式有兩種結(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 ，由此會產(chǎn)生較大的噪聲電流，有非線性，通常應(yīng)用在高速場合[17]。</p><p>　　光電二極管的特點：(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關(guān)；(2)在入射光照一定時，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際結(jié)電壓；K為玻爾茲曼常數(shù)，T為探測器的工作溫度。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、暗電流對應(yīng)于工作電壓下沒有光照時的輸出電流， 為串聯(lián)電阻，其值遠小于負(fù)載電阻 ，通?？梢院雎?。</p><p>　　在應(yīng)用時，要求光伏探測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</p><p

18、>　　光電二極管的輸出電流信號很小(在微安級)、信號頻率范圍大( 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變換為電壓信號，然后再進一步放大。為獲得最佳的效果，在電路設(shè)計時必須考慮高增益、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 光電二極管沒有內(nèi)部增益(即只有單位增益)，因此他對光的響應(yīng)度是不高的。

19、在單位增益中一個入射光子只產(chǎn)生一個電子的光電流。根據(jù)波長,其最高量子效率(轉(zhuǎn)換效率) 為92%。因此在使用時必須把光電二極管輸出的電信號放大。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,可探測微弱的光，另外運算放大器可以獲得高達 或更高的增益；因此，圖2.7可有效提高光響應(yīng)度。實際上,這也是一個I-V 變換器,由于負(fù)反饋的原因,運算放大器的等效輸入阻抗為:</p><p><b>　　

20、(13)</b></p><p>　　式中 是運算放大器的開環(huán)輸入阻抗，對場效應(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（此時光電流與輻照光功率成良好的線性關(guān)系）。又由于運算放大器的開環(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的同時將噪聲也放大了，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，采用 較大的光電二極管，反饋電阻 較小的運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， 信號電流的放大倍數(shù)開始下降，轉(zhuǎn)折頻率為 。而噪聲電壓與信號電流的幅頻特性完全不同。在直流段和較低頻率時噪聲電壓的放大倍

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 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)整時能加以補償，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算放大器，同時選用 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>　　光電檢測電路的響應(yīng)速度與光電二極管、運算放大器及應(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，光信號檢測部分，信號調(diào)理部分，計數(shù)處理及辯向部分，信號處理部分，顯

26、示部分組成。下圖給出了整個系統(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，激光有以下四個特點：</p><p><b>　　(1)亮度高</b></p><p>　　由于激光的發(fā)射能力強和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高億萬倍，

27、比太陽表面的亮度高幾百億倍。亮度是衡量一個光源質(zhì)量的重要指標(biāo)，若將中等強度的激光束經(jīng)過會聚，可在焦點處產(chǎn)生幾千到幾萬度的高溫。 </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決定，不同的顏色，是不同波長的光作用于人的視覺而反映出來的。激光的波長基本一致，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，具有極強的相干性。</p><p>　　氦氖氣體激光器的激光波長為0.632um，很接近光電二極管的峰值響應(yīng)波長的光譜靈敏度。與其他激光器相比，用相同功率光束照明時，將得到較大的輸出信號。而且該激光器的制造技術(shù)比較成熟，結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格便宜，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 光信號檢測電路</b></p><p>　　光電檢測前置放大電路</p><p>　　在直流情況下，該反饋由 斷開，此時放大器的開環(huán)增益是兩個放大器開環(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 是為了補償 過大造成的直流誤差。 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 來計算。運算放大器選用了高輸入阻抗的OPA627。</p><p><b>　　3信號調(diào)理電路</b></p><p>　　由于信號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)計和調(diào)整過程簡便，阻帶衰減速度比無源濾波器快

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>　　考慮信號帶寬要求設(shè)置增益為A=（-60/40）×（-60/40）=9/4</p><p>　　推動放大電路設(shè)計成反相放大，主要由集成運放及外圍元件組成[4]。主放電路的設(shè)計要考慮帶寬、功耗、噪聲、響應(yīng)速率等各方面因素, 本設(shè)計里選用了一款超低失真、低噪聲、高壓擺率的運算放大器。它是一種較理想的應(yīng)用于寬動態(tài)范圍、高精度、高速環(huán)境下的運算放大器。由前置放大輸出的電信號約為幾十毫伏。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波紋的退耦電容。</p><p><b>　　主運放電路</b></p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)測位移的原理知道，需將濾波放大輸出信號整形為方波以便后續(xù)計數(shù)器進行計數(shù)再送入單片機處理。整形的實現(xiàn)是通過門限比較

35、器實現(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量信號和基準(zhǔn)信號的計數(shù)值鎖存到鎖存器以及通過反向器的進位信號產(chǎn)生中斷記錄進位數(shù)供單片機讀取從而進行數(shù)據(jù)處理

36、。</p><p>　　5 信號處理部分及顯示</p><p>　　本部分由單片機AT89S52和16ⅹ2 LCD液晶顯示器組成。核心是單片機AT89S52，數(shù)據(jù)的處理，控制計數(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完成。</p><p><b>　　系統(tǒng)軟件的設(shè)計</b></p><p>　　單

37、片機開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，編寫的匯編語言源程序要變?yōu)镃PU可以執(zhí)行的機器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C器碼，用于MCS-51單片機的匯編軟件有早期的A51，隨著單片機開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)單片機的開發(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AT89S52配合硬件電路完成數(shù)據(jù)的自動采集，計算處理，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)啟動首先執(zhí)行啟動檢測程序即檢測兩路信號（參考信號和測量信號）是否頻率相等。如果檢測到頻

39、率不等說明測量已啟動然后執(zhí)行位移測量程序，采集數(shù)據(jù)，計算得出位移值，最后通過LCD顯示程序顯示位移值。測量程序包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析計算，辯向測量等。系統(tǒng)軟件流程圖如上圖。</p><p><b>　　2 啟動檢測程序</b></p><p>　　程序執(zhí)行過程中首先進行系統(tǒng)初始化，包括對LCD的顯示模式、清屏，設(shè)定定時器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)程序進入判斷測量是否開始，即進入一個比較函數(shù)，該函數(shù)先通過P3.1對計數(shù)器清零，一段時間后通過P1、P0口讀取計數(shù)值，然后通過P3.0置高選擇另一路信號（即測量信號）同樣清零，相同時間后讀取計數(shù)值，將兩值想比較，如果相等表示測量未啟動，因為測量信號相對參考信號未發(fā)生頻移；如果不相等代表測量已經(jīng)開始執(zhí)行下一步，同時啟動定時器0和定時器1。</p><p><b>　　………</b&

41、gt;</p><p>　　WS=0; 數(shù)據(jù)選擇參考信號</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計數(shù)值</p><p>　　ee=cc; 讀取進位值</p><p>　　q=k0+j0*256+dd*256*256; 計算參考信號10ms內(nèi)總的計數(shù)

43、值</p><p>　　r=k1+j1*256+ee*256*256; 計算測量信號10ms內(nèi)總的計數(shù)值</p><p>　　if((r-q)<3) 判斷是否啟動</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 位移測量程序</b></p><p>　　定時器0是為了記錄從測量開始到實時的時間以便計算出△t時間內(nèi)測量信號與參考信號的計數(shù)差值即還原系統(tǒng)的位移值。定時器1是為了在設(shè)定的時間內(nèi)執(zhí)行比較程

45、序診斷系統(tǒng)是否停止測量，如果沒有停止繼續(xù)跳回主程序執(zhí)行測量，如果已停止，則跳出到循環(huán)檢測是否啟動程序以待下一次啟動繼續(xù)測量。外部中斷0是記錄測量過程中進位的次數(shù)，以便完整的處理計數(shù)值還原位移量。</p><p>　　while(bb==2) 查詢變量值判斷測量已啟動；</p><p>　　{ gao=1;

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

47、6; 根據(jù)定時時間裝初值低八位；</p><p>　　EA=1; 開總中斷；</p><p>　　ET0=1; 開定時器0中斷；</p><p>　　TR0=1; 啟動定時器0；</p><p>　　ET1=1;

48、 開定時器1中斷；</p><p>　　TR1=1; 啟動定時器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; 讀取端口計數(shù)值；</p><p>　　write_com(0x80); 動態(tài)顯示時須先清屏；</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 測量辯向程序</b></p><p>　　在微位移的實際測量過程中，由于需要或外界振動等干擾，可能會使被測物體產(chǎn)生正、反兩個方向的位移，在這種情況下若只采用單一的測量程序?qū)頊y量誤差。因此，必須對被測物體位移方向進行判斷并作出相應(yīng)數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)通過定時器1中斷判斷測量信號的頻率與參考信號的頻率大小。如果頻率低于參考信號表示被測物相反移動了，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2ms后再次讀取計數(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; 定義一個變量值返回；</p><p>　　通過系統(tǒng)軟件實現(xiàn)辯向測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>　　單片機采集數(shù)

55、據(jù)處理將計數(shù)值還原為位移量之后須將位移值通過LCD顯示。單片機操作LCD時須根據(jù)一定的時序，圖為16ⅹ2LCD寫操作時序圖。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)后地址自動加一，整屏不移動；</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時序圖</b></p><p>　　在顯示數(shù)據(jù)時，因為系統(tǒng)設(shè)定精確度為10um ，須保留小數(shù)點后5位，暫定系統(tǒng)的測量范圍小于100m，則顯示時須根據(jù)不同數(shù)據(jù)范圍控制小數(shù)點的顯示位置。即當(dāng)數(shù)據(jù)小于10時，小數(shù)點在第二位顯示；當(dāng)數(shù)據(jù)大于

58、10小于100時小數(shù)點在第三位顯示。</p><p>　　a=a*100000; a為位移值，將a值擴大10萬倍方便計數(shù)各數(shù)據(jù)位值</p><p>　　b=((long int)a)/100000; 確定個位值；</p><p>　　c=((long int)a)%100000/10000; 確定小數(shù)點后第一位值；&

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

60、<p>　　g=((long int)a)%10; 確定小數(shù)點后第五位值；</p><p>　　write_dataa(b+48); 顯示第一位；</p><p>　　write_data('.'); 顯示小數(shù)點；</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，因為LCD包括計算機信息交互都是以ASCII碼顯示的，查閱ASCII碼表實際數(shù)字和顯示數(shù)字之間相差48，所以寫數(shù)據(jù)時須在值上加上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)（詳見系統(tǒng)硬件前置放大部分）時須考慮到微弱信號的漂移和噪聲影響較大故前置放大不宜過大。通過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)試時取輸入波形電壓為30mv，下降3dB時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;　　因為整形74LS14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AD8045在信號通帶內(nèi)，放大輸出信號為7.008V滿足整形輸入。如圖5.4為信號整形前，圖5.5為信號整形后方波。</p><p><b>　　整形后波形</b></p><p>　　4 單片機AT89S52及LCD液晶顯示仿真調(diào)試</p><p>

68、　　Keil對系統(tǒng)編程，程序初始化設(shè)置LCD顯示光標(biāo)但不閃爍，顯示地址自動加一且整屏顯示不移動；測量未開始時LCD不顯示，測量開始時實時顯示測量位移，精確小數(shù)點后五位即分辨率為10um。Keil調(diào)試生成HEX文件， 將該文件調(diào)入proteus仿真單片機AT89S52中，并設(shè)置兩個相同同頻率輸入信號，顯示位移如圖。</p><p>　　測量未啟動時LCD顯示</p><p>　　調(diào)整參考信

69、號和測量信號頻率不同，設(shè)置頻率差為10khz，仿真顯示位移如圖。</p><p>　　測量啟動后LCD顯示</p><p>　　此時t=2.55s,顯示值為L=7.73787 m，根據(jù)式（2.9）計算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)行啟動判斷時，由于頻率差和切換數(shù)據(jù)選擇器的時間差導(dǎo)致判斷區(qū)域的不確定，導(dǎo)致讀取的計數(shù)值存在一個誤差最終導(dǎo)致位移值存在誤差。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計從原理分析、硬件軟件設(shè)計、仿真到最終實物調(diào)試，結(jié)果達到了激光干涉測量微位移的要求，自動測量精度達到了10

71、um。但由于作者能力時間有限，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，只對系統(tǒng)光電檢測器輸出信號以后進行了仿真制作調(diào)試。</p><p>　　作者在整個系統(tǒng)設(shè)計中，包括前期系統(tǒng)設(shè)計的原理分析，硬件電路設(shè)計，軟件程序流程設(shè)計，且在此基礎(chǔ)上應(yīng)用proteus、keil對系統(tǒng)進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物調(diào)試，通過不斷請教導(dǎo)師，查閱資料，網(wǎng)絡(luò)視頻學(xué)習(xí)等多種途徑進行學(xué)習(xí)思考。過程中遇到

72、各種各樣的難點和不解，有各個環(huán)節(jié)中的問題，也有部分與部分之間存在的問題。如為什么要設(shè)計前置放大電路，運放的選擇和設(shè)計，主運放的放大倍數(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。在實物電路板的焊制和調(diào)試中也遇到很多問題，如器件擺放不夠優(yōu)化，焊點大小不齊虛焊多。當(dāng)載入程序調(diào)試時LCD沒有反應(yīng)且一塊芯片段時間內(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>　　通過完整的設(shè)計和制作一個系統(tǒng)，作者看到再簡單的理論也要和實際運用相結(jié)合且要考慮到實際制作中遇到的一些問題加以改進，多動手，勤思考，多向老師同學(xué)交流才能促進進一步提高。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1]王英凱,安曉東.納米級位移測量技術(shù)研究.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程報,2005,(10).</p><p