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摘 要：介紹一種以單片機為核心的位移自動測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用光柵傳感器把被測位移量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)前置放大和電路處理后，送入8031單片機進行綜合運算處理后輸出，并通過LED顯示。文中介紹了整體電路的設(shè)計和單片機系統(tǒng)的硬件及軟件流程。
關(guān)鍵詞：光柵;位移;單片機
一、引言
目前在精密機加工和數(shù)控機庫中采用的精密位稱數(shù)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。
隨著電子技術(shù)和單片機技術(shù)的發(fā)展，光柵傳感器在位移測量系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，并逐步向智能化方向轉(zhuǎn)化。
圖2是利用光柵傳感器構(gòu)成的位移量自動測量系統(tǒng)原理示意圖。該系統(tǒng)采用光柵移動產(chǎn)生的莫爾條紋與電子電路以及單片機相結(jié)合來完成對位移量的自動測量，它具有判別光柵移動方向、預(yù)置初值、實現(xiàn)自動定位控制及過限報警、自檢和掉電保護以及溫度誤差修正等功能。下面對該系統(tǒng)的工作原理及設(shè)計思想作以介紹。
二、電子細分與判向電路
光柵測量位移的實質(zhì)是以光柵柵距為一把標準尺子對位稱量進行測量。目前高分辯率的光柵尺一般造價較貴，且制造困難。為了提高系統(tǒng)分辯率，需要對莫爾條紋進行細分，本系統(tǒng)采用了電子細分方法。當兩塊光柵以微小傾角重疊時，在與光柵刻線大致垂直的方向上就會產(chǎn)生莫爾條紋，隨著光柵的移動，莫爾條紋也隨之上下移動。這樣就把對光柵柵距的測量轉(zhuǎn)換為對莫爾條紋個數(shù)的測量，同量莫爾條紋又具有光學(xué)放大作用，其放大倍數(shù)為 ：
(1)
式中：W為莫爾條紋寬度;d為光柵柵距(節(jié)距);θ為兩塊光柵的夾角，rad
在一個莫爾條紋寬度內(nèi)，按照一定間隔放置4個光電器件就能實現(xiàn)電子細分與羊向功能。本系統(tǒng)采用的光柵尺柵線為50線對/mm，其光柵柵距為0.02mm，若采用四細分后便可得到分辯率為5μm的計數(shù)脈沖，這在一般工業(yè)測控中已達到了很高精度。由于位移是一個矢量，即要檢測其大小，又要檢測其方向，因此至少需要兩路相位不同的光電信號。為了消除共模干擾、直流分量和偶次諧波，我們采用了由低漂移運放構(gòu)成的差分放大器。由4個滏電器件獲得的4路光電信號分別送到2只差分放大器輸入端，從差分放大器輸出的兩路信號其相位差為π/2，為得到判向和計數(shù)脈沖，需對這兩路信號進行整形，首先把它們整形為占空比為1：1的方波，經(jīng)由兩個與或非門74LS54芯片組成的四細分判向電路輸入可逆計數(shù)器，*后送入由8031組成的單片機系統(tǒng)中進行處理。
三、單片機與接口電路
為實現(xiàn)可逆計數(shù)和提高測量速度，系統(tǒng)采用了193可逆計數(shù)器。假設(shè)工作平臺運行速度為v，光柵傳感器柵距為d，細分數(shù)為N，則計數(shù)脈沖的頻率為：
(2)
若v=1m/s,d=20μm,N=20，則f=1MHz，對應(yīng)計數(shù)時間間隔為1，顯然對于8031單片機系統(tǒng)的響應(yīng)為2μs是不能勝任的。經(jīng)可逆計數(shù)器分頻后，可大大地提高測量速度。
由于193是4位二進制輸出，為與單片機接口，把兩片193采用了級聯(lián)的方式，這樣*多可計255個脈沖，若再來脈沖，進位端或借位端將輸出一個脈沖送到單片機T0、T1端計數(shù)，保證送到8031的信號不丟失。
本系統(tǒng)長度*大可測幾米(由光柵實際長度決定)，*小分辯率為μm級，需要7個顯示數(shù)據(jù)。正向運行時不顯示符號，反向運行時需顯示"-"號，所以連同符號位，共需8個顯示塊。為了符全人們應(yīng)用習(xí)慣，顯示塊選用共陰極LED。
為實現(xiàn)測量系統(tǒng)的智能化，設(shè)置了一個2×8方式鍵盤矩陣，其中包括0～9共10個數(shù)字鍵和6個功能鍵：L/A長度/角度轉(zhuǎn)稱功能鍵;+/-符號轉(zhuǎn)換功能鍵;ΔT溫度誤差修正功能鍵;EXE執(zhí)行鍵;ENT預(yù)置鍵CE(清零鍵)。鍵盤、顯示器與單片機之間通過一個接口芯片8155來連接。其中，8155的PA口設(shè)置轔基本輸出方式，作為8位LED顯示的段碼線;PB口設(shè)為輸出方式，作為8位LED的位選線;PC口設(shè)為輸入方式，作為鍵盤的行掃描線。PB口俠選線每次選通1位顯示，每次顯示1ms，由于人眼視覺惰性，可產(chǎn)生8位顯示塊同時顯示現(xiàn)象。
由于從前置電路74LS54出來的脈沖經(jīng)過2片193分頻后，直接進入8031的僅為大于255的"大"數(shù)，而小于255的"小"數(shù)是由兩片193輸出通過I/O接口輸入到8031內(nèi)部處理，這個I/O接口芯片是通過擴展一片8255實現(xiàn)的。其中，8255PB口設(shè)為基本輸入方式，PB0-PB3作為1#193輸入，PB4～PB7作為2#193輸入。PA口、PC口的低位設(shè)為輸出，作為系統(tǒng)并行BCD碼輸出。由于8031單片機無內(nèi)ROM，應(yīng)外擴展一片2732(4k EPROM)。只用PSEN片選，不必增加地址譯碼。為鎖存8031P0口輸入的地址信號，在8031和2732之間需加一片74LS373地址鎖存器。
四、軟件設(shè)計
根據(jù)硬件電路和系統(tǒng)功能要求，我們設(shè)計了軟件程序，由于采用了溫度誤差修正子程序，可使檢測的精度得到大大提高。光柵傳感器是光機電一體化結(jié)構(gòu)，光柵尺是由玻璃制做，外殼是由型鋁材料。當環(huán)境溫度變化時，必然會引起結(jié)構(gòu)尺寸改變導(dǎo)致光柵柵距的變化，帶來檢測誤差。設(shè)定環(huán)境溫度為20℃時為檢測標準值，與標準值比較測出溫度變化時帶來的位移誤差值，即時測出位移誤差一溫度特殊性性曲線，由特性曲線擬合出誤差一溫度方程式，作為軟件溫度誤差修正的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，軟件編制簡潔，緊湊合理。
五、結(jié)論
根據(jù)上述硬件電路和軟件設(shè)計，經(jīng)實驗測試，系統(tǒng)的測精度可優(yōu)于±5μm，目前，我們研制的利用光柵傳感器進行長度、角度自動測量的智能儀表已形成系列產(chǎn)品，分辯率可從20μm到1μm，具有性能穩(wěn)定、抗干擾能力強、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低等優(yōu)點，已成功地應(yīng)用于機庫改造和相關(guān)的光電尺寸與位置檢測系統(tǒng)中。
土壤濕度，即表示一定深度土層的土壤干濕度程度的物理量，又稱土壤水分含量。土壤濕度的高低受農(nóng)田水分平衡各個分量的制約。
土壤濕度傳感器
土壤濕度傳感器又名土壤水分傳感器，土壤含水量傳感器。土壤水分傳感器由不銹鋼探針和防水探頭構(gòu)成，可長期埋設(shè)于土壤和堤壩內(nèi)使用，對表層和深層土壤進行墑情的定點監(jiān)測和在線測量。
與數(shù)據(jù)采集器配合使用，可作為水分定點監(jiān)測或移動測量的工具測量土壤容積含水量，主要用于土壤墑情檢測以及農(nóng)業(yè)灌溉和林業(yè)防護。
土壤濕度表示方法
土壤濕度，即土壤的實際含水量，可用土壤含水量占烘干土重的百分數(shù)表示：土壤含水量=水分重/烘干土重×100％。也可以相當于土壤含水量與田間持水量的百分比，或相對于飽和水量的百分比等相對含水量表示。
根據(jù)土壤的相對濕度可以知道，土壤含水的程度，還能保持多少水量，在灌溉上有參考價值。土壤濕度大小影響田間氣候，土壤通氣性和養(yǎng)分分解，是土壤微生物活動和農(nóng)作物生長發(fā)育的重要條件之一。
土壤濕度受大氣、土質(zhì)、植被等條件的影響。在野外判斷土壤濕度通常用手來鑒別，一般分為四級：
（1）濕，用手擠壓時水能從土壤中流出；
（2）潮，放在手上留下濕的痕跡可搓成土球或條，但無水流出；
（3）潤，放在手上有涼潤感覺，用手壓稍留下印痕；
（4）干，放在手上無涼快感覺，粘土成為硬塊。
農(nóng)業(yè)氣象上土壤濕度常采用下列方法與單位表示：
①重量百分數(shù)。即土壤水的重量占其干土重的百分數(shù)(％)。此法應(yīng)用普遍，但土壤類型不同，相同的土壤濕度其土壤水分的有效性不同，不便于在不同土壤間進行比較。
②田間持水量百分數(shù)。即土壤濕度占該類土壤田間持水量的百分數(shù)(％)。利于在不同土壤間進行比較，但不能給出具體水量的概念。
③土壤水分貯存量。指一定深度的土層中含水的絕對數(shù)量，通常以毫米為單位，便于與降水量、蒸發(fā)量比較。土壤水分貯存量W（毫米）的計算公式為:W＝0.1·h·d·w。式中h是土層厚度，d為土壤容重（克／厘米3）,0.1是單位換算系數(shù)，w為土壤濕度（重量百分數(shù)）。
④土壤水勢或水分勢是用能量表示的土壤水分含量。其單位為大氣壓或焦／克。為了方便使用，可取數(shù)值的普通對數(shù)，縮寫符號為pF，稱為土壤水的pF值。
土壤濕度測量方法
土壤既是一種非均質(zhì)的、多相的、分散的、顆粒化的多孔系統(tǒng)，又是一個由惰性固體、活性固體、溶質(zhì)、氣體以及水組成的多元復(fù)合系統(tǒng)，其物理特性非常復(fù)雜，并且空間變異性非常大，這就造成了土壤水分測量的難度。
土壤水分測量方法的深入研究，需要一系列與其相關(guān)的基礎(chǔ)理論支持，尤其是土壤作為一種非均一性多孔吸水介質(zhì)對其含水量測量方法的研究涉及到應(yīng)用數(shù)學(xué)、土壤物理、介質(zhì)物理、電磁場理論和微波技術(shù)等多種學(xué)科的并行交叉。而要實現(xiàn)土壤水分的快速測量又要考慮到實時性要求，這更增加了其技術(shù)難度。
土壤的特性決定了在測量土壤含水量時，必須充分考慮到土壤容重、土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤化學(xué)組成、土壤含鹽量等基本物理化學(xué)特性及變化規(guī)律。
①重量法。取土樣烘干，稱量其干土重和含水重加以計算。
②電阻法。使用電阻式土壤濕度測定儀測定。根據(jù)土壤溶液的電導(dǎo)性與土壤水分含量的關(guān)系測定土壤濕度。
③負壓計法。使用負壓計測定。當未飽和土壤吸水力與器內(nèi)的負壓力平衡時，壓力表所示的負壓力即為土壤吸水力，再據(jù)以求算土壤含水量。
④中子法。使用中子探測器加以測定。中子源放出的快中子在土壤中的慢化能力與土壤含水量有關(guān)，借助事先標定，便可求出土壤含水量。
⑤遙感法。通過對低空或衛(wèi)星紅外遙感圖象的判讀，確定較大范圍內(nèi)地表的土壤濕度。
可校準多種類型的振動傳感器，如壓電式加速度傳感器、磁電式速度傳感器及電渦流式傳感器。
可對由上述傳感器所組成的各種振動測試儀表、振動監(jiān)視系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器及振動狀態(tài)分析系統(tǒng)進行校準。
校準儀內(nèi)部可產(chǎn)生10、20、40、80、160、320、640及1280Hz等八種頻率的正弦信號。
所輸出的加速度、速度及位移三種振動信號的幅值可通過電位器改變，并有數(shù)字顯示。
可垂直、水平兩個方向使用，以校準垂直、水平傳感器。
振動傳感器校準儀集正弦信號發(fā)生器、功率放大器、標準傳感器和振動態(tài)于一身，具有體積小、精度高、操作簡單、使用方便等特點，可在現(xiàn)場和實驗室使用。
技術(shù)指標
輸出振動信號誤差：10、20、40、80、160、320、640、1280Hz±0.3dB±一個字
輸出頻率精度：10、20、40、80、160、320、640、1280Hz±0.01%
輸出振動幅值范圍：
最大加速度：100m/s2（峰值）
最大速度：170mm/s（有效值）
最大位移：2mm（峰峰值）
最大負荷：650g
外形尺寸：280mm×180mm×250mm
重 量：7kg
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