专利名称：智能型光电位移传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种新型的光电传感器，特别是智能型光电位移传感器。适用于印染行业对被加工织物上机时的边沿对准伺服控制系统，作边沿位移量无接触测量传感之用。
以往的光电传感器因为各种被测介质对光反射率不同而只能用域值法分界限，作开关量输出。不能反应出偏差量值，限制了在精确伺服控制中的应用。
本实用新型的目的是提供一种智能型光电位移传感器，它能对软质物体边沿位移量作无接触快速测量之用，它能输出0到10V的模似量对应边沿位移量，为伺服控制系统提供快速的反馈信号。
本实用新型由单片机UO，光脉冲发射电路，光接收放大电路，数控增益放大电路，采样电路，数模转换输出电路，输出电平扩展电路，指示显示电路，电源电路组成，数控增益放大电路接单片机UO、光脉冲发射电路和采样电路，数模转换输出电路接单片机UO、光接收放大电路和输出电平保护电路，光脉冲发射电路接光接收放大电路，指示显示电路接单片机UO，电源电路提供电源。
以下结合附图
对本实用新型作进一步的叙述。
附图为本实用新型的电原理图。
本实用新型的核心器件UO采用PHILIPS公司最新开发的高性能8位单片机P87LPC767。内部由以下主要部份组成，控制器(CPU)，专用寄存器组，通用寄存组，程序存贮器(ROM)，数据存贮器(RAM)，输入输出口(I/O)，四通道模数转换器(A/D)，二个双8位计数定时器，内部时钟振荡器，内部复位电路，看门狗，用户控制字存贮区域等许多附属电路组成的单片微电脑。并在(ROM)中写入了整个电路工作所需的一系列指令程序软件。
光脉冲发射电路由二极管V4、三极管V6、红外线发射管V7、V8和电阻R11、R13组成，单片机UO的10脚(P12)接二极管V4负极，V4正极接电阻R11,R11另一端接三极管V6基极，三极管V6发射极接+12V电源，集电极接电阻R13，电阻R13另一端经接插件X3连接到红外线发射管V7正极，发射管V7、V8串联后负极经接插件X4接电源地。其工作原理是由单片机UO计时器产生125uS的定时信号来触发I/O口P1.2，使P1.2输出4KHZ的方波信号，通过保护二极管V4及限流电阻R11加到驱动管V6基极，经V6电流放大并经R13限流后给发射管V7、V8一个恒定脉冲电流，使发射管发出一束恒定时间及亮度的红外光束脉冲。
光接收放大电路由红外接收管V5、运放U3B、电阻R5、R8、R10、R12、电位器R6和电容C1组成，红外线接收管V5正极经接插件X1接0电平点，负极经接插件X2串联电阻R12接+5V电源和藕合电容C1一端，C1另一端接电阻R10,R10另一端接运放U3B负输入端6脚和反馈电阻R8,U3B正输入端5脚接参考0电平点，输出端7脚接增益调节电位器R6和输出电阻R5，电位器R6另一端接参考0电平，可调端接反馈电阻R8的另一端，组成一个交流反相闭环可调增益放大器。其工作原理是由被测介质漫反射出来的红外线光，通过光学透镜会聚到接收管V5上，V5产生随亮度变化的光脉冲电流，在R12电阻上产生对应幅度的脉冲电压，再通过隔直电容C1和电阻R10加到运放U3B负输入端。运放增益由可调电位器R6调节，使其输出幅值在高反射介质时刚好为满幅值。输出通过电阻R5送往数控增益放大器输入端，即D/A转换器U1的9脚。移交数控增益放大器去调节采样电平幅值。运放U3采用LM258。
数控增益放大器由D/A转换器U1，运放U3A组成。受单片机U0的控制。运放U3A正输入端3脚接D/A转换器U1的正电流输出端12脚，负输入端2脚接U1的负电流输出端11脚，输出端1脚接U1的参考电压端8脚，并再接到稳压管V3正端送往单片机采样端，D/A转换器U1片选端1脚接单片机U0的(P1.0)12脚，写控制端2脚接U0的(P1.4)8脚，8位数据端口接U0的P0口，控制端口17、18脚与电源地端10脚接+5V地即参考电平0V点，锁存选通端19脚和电源端20脚接+5V电源。本电路的增益受8位2进制数字量的控制，其增益值K=256/写入的数字值。其工作原理是D/A转换器U1为DAC0832，是一个8位R-2R梯形网络和数字控制电流开关构成的电流乘法型D/A转换器，并具有双极性参考电压性能，其梯形网络接在运放的反馈回路，成为反馈变量电阻。输入接在U1的原反馈电阻端9脚，9脚与11脚内部有一个固定电阻联接于运放的反相输入端，成为反馈比值电阻。这时运放U3A的输出幅值根输入模似信号幅值与输入数字量成反比。所以，在8位2进制数时，其增益范围能从1-255之间受数字量控制，成为数控增益放大器。从放大器送来的信号经数控增益后，运放U3A的输出端1脚基本能在满量程时即被测介质全在光束中时输出满幅值。并通过稳压管V3电平匹配后送往单片机采样端进行采样和D/A转换，变换成单片机可以运算的2进制数据。
采样电路由单片机样值电平输入端18脚(P0.3口复用)，联接到样值输入电阻R3的一端，R3另一端接于上拉电阻R7，和电平匹配稳压管V3负端，R7再一端接于正5V高电平，当运放U3A的输出端1脚在最大负幅值输出时，联接于稳压管V3的正端接近电源地电平，即对0电平为-5.3V，，稳压管V3的稳压值为5.4V，则V3的负端为0.1V，接近参考0电平，这个电平径电阻R3送往单片机U0的取样端18脚，单片机在脉冲低电平的中间时刻从P0.3端口取样，并经内部A/D转换成8位2进制数存于RAM中，提供软件处理后送到输出口输出。这时的值接近于0。即满量程时的最小样值。当无信号时运放U3A输出接近参考0电平，采样电平由R7上拉到正5V，采样值接近256。即无反射光时最大样值。在整个信号变化范围内采样值以10进制数表示为0-256之间。这个值由内部软件处理及线性修正后送往输出D/A转换器输出。
数模转换输出电路由D/A转换电路U2、运放U4A组成。U2的正电流输出端接于运放U4的正输入端3脚，负电流输出端接于运放负输入端2脚，运放输出端1脚接于U2反馈电阻端9脚，D/A转换器U2的片选端1脚接单片机U0的(P1.1)1脚，写信号端2脚接于U0的(P1.4)8脚，控制端17、18脚接参考0电平，数据输入端口接U0的P0口，参考电平端8脚接电源地电平，锁存控制端19脚和电源端脚接+5V电源，地端脚接+5V电源的参考0电平。电路工作由单片机U0控制，由单片机U0在每个脉冲高电平中间，向I/O口P1.1先输出低电平选中U2，再在P0口输出数据送U2，然后在P1.4口输出写脉冲，完成一次写操作。U2接收数据后锁存，并在电流输出端输出对应的电流送往运放U4A,U4A输出反馈到反馈电阻端U2的9脚，使电流转换成电压输出。其输出范围由参考电压决定。本电路为-5.5V。则其输出范围以参考0V为基准，输出接近0-(+5.5V)。再经输出电平扩展电路扩展后输出。运放U4为LM258,D/A转换器为DAC0832。
输出电平扩展电路由运放U4B，电阻R4,R9组成。运放正输入端U4B的5脚接D/A转换器输出运放U4A的输出端1脚，负输入端6脚接R4和R9的各一个端，R4的另一端接VCC正电平，R9的另一端接运放U4B输出端7脚，运放U4B输出端7脚为本传感器的输出端。电路的工作原理是运放接成同相直流固定增益放大器，取电阻R4、R9阻值相等，则增益值为2倍。参考电平+12V经R4接于运放负输入端，输出电平经R9反馈到运放负输入端，当D/A转换器运放U4A的输出端1脚输出最高电平对电源地接近为11V电压输入到运放U4B的正输入端5脚时，根据运放特性，U4B的输出通过反馈电阻R9要把负输入端6脚电位拉到接近5脚的输入电平，所以U4B输出端7脚接近+10V，同理，当D/A输出最低电平即参考0电平时(相当于对电源地的5.5V)，运放U4B输出接近于地电平。基本达到0-10V的标准电压输出范围。
指示显示电路由发光管V1、V2、电阻R1、R2组成，并由单片机U0的I/O口P1.6和P1.7控制。发光管V1、V2负端接参考0V点，电阻R1、R2的一端接+5V电源，R1的另一端接发光管V1的正端，并联接于单片机U0的(P1.7)2脚，R2的另一端接发光管V2的正极，并联接单片机U0的(P1.6)3脚。当输出电压大于5.5V时，单片机由软件指令控制P1.6脚输出低电平，P1.7脚为高阻态，则发光管V1点亮，V2灭。当输出电压小于4.5V时，P1.7脚输出低电平，P1.6脚输出高阻态，则发光管V2点亮，V1灭。当输出在4.5V到5.5V之间，P1.6和P1.7匀为高阻态。V1、V2同时点亮。作为传感器的工作状态显示。
电源电路由三端稳压电路U5，及滤波电容C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、和电感L1，二极管V11、V12，电阻R14组成。其中C2、C3、C6具有高频特性，用以吸收高频干扰。C6、C7并联后负端接电源地，正端接电感L1,L1另一端接电容C8正端，C8负端接电源地，组成一个电感电容滤波器，去除电干扰。三端稳压电路U5的1脚接二极管V12负端，经二极管V12、V11串联后接C7正端VCC点，输入端2脚接电源地，输出端3脚接输出滤波电容C2、C4和C3、C5的各一端，并作为+5V电源的0V端，联接单片机U0及D/A转换器U1和U2的电源地端以及运放参考0电平点，三端稳压电路为LM79L05，电容C3、C5的负端接电源地，用作负电源滤波。电容C2、C4的正端接U5的1脚，用作正电源滤波。并联接单片机U0的电源脚15脚和D/A转换器U1、U2的电源脚20脚提供+5V稳定电压。二块运放的正电源脚8脚接VCC端为12V，负电源脚4脚接电源地，这样，运放对参考0电平点的正负电源为正电源6.5V，负电源为5.5V。二极管V11、V12的正向压降1.5V用来抵销运放的正向输出饱和压降。运放的负向输出饱和压降很低，可接近负电源，即电源地电平。电阻R14一端接电源地电平，另一端接电源VCC端，用来释放关电时虑波电容中的电荷。整个电路需由外部12V稳压电源供电。
本实用新型传感器的电路工作原理为以上所述，其整个工作过程需要一个智能型的软件指使单片机控制整个电路正确工作。下面简要说明一下本软件的程序结构。在上电时，单片机内部自动复位，进入各基本参数的初始化，时钟设为片内RC振荡，设定T0和A/D的中断矢量和等级，给数据寄存器组赋予初始值，设定计时器T0工作于模式2，即8位自动重装方式，并赋予定时值，定时到时自动触发P1.2端口，然后进入等待中断状态。当T0有中断时，测试P1.2端口，当P1.2口为0时，即光脉冲发射阶段，程序进入采样准备阶段，开放A/D中断和通道号，关闭P0口的数字量出入，并延时到定时周期的中间时刻(光脉冲峰值点)启动A/D转换，等转换完成后读取样值，并作过滤后送样值寄存器寄存，完成采样任务后再等待T0中断。当T0中断后测到P1.2口是1时，程序进入样值分析和数控增益调整及测定值输出阶段。程序从样值寄存器读入样值，进行比较分析，如果小于设定的最小值，说明数控增益过高，马上快速调低增益，因为其调节过程与采样值有闭环反馈作用，所以在满量程时其数控增益使采样值刚好达到满幅值，这时的增益值作为当前被测介质的增益值进行寄存和输出到数控增益放大器。如果不小于最小值，则记录于RAM中，再经过查表修正线性后在P0口输出数据进行D/A转换并向外传送。又因为机械伺服系统联结本传感器一起作跟踪运动，传感器总是在测正负偏差值，其平均值应为中值，并与数控增益相关；所以，在RAM中的样值数据经一定时间进行统计运算，如果平均值大于中值，说明数控增益低，反之，则为过高，得到结论后再作微调数控增益值，使在运行过程中能自适应被测介质，达到自控目的。在完成一次样值分析和数控增益调整及测量值输出后，程序又回到等待T0中断状态。以此遁环工作。完成整个伺服系统的信号测量传递任务。
本实用新型以新型8位单片机U0为控制核心，由I/O口P1、2脚输出4kHZ方波脉冲经三极管V6放大驱动发射管V7、V8发出一束红外光束，照射到被测物边沿，一部分光投在被测物边沿外无反射，另一部分投在被测物边沿内经被测物反射后通过凸透镜聚焦投射到接收管V5上，产生一个正比于光面积的弱电脉冲信号，经运放U3B放大到适当幅值，再传输到U1、U3A组成的数控增益放大器放大，再送到单片机U0的I/O口P0.3 A/D采样脚进行采样数字转换，得到样值数据，由单片机内软件分析处理并作线性修正后从P0口输出到U2、U4A组成的D/A转换器转换成模似电压，再由U4B、电阻R4、R9组成的电平扩展电路扩展，输出0-10V的模似量电压信号。在这过程中，单片机能对不同介质根据采样值由内部软件分析后向数控增益放大器写入合适的数据，补偿介质反射率不同的差异，自动控制数控增益放大器在量程范围内输出0-5V的采样电平，用以保证采样精度。因此能自动适应不同介质测量，达到光电无接触位移量测量的目的。
权利要求1.一种智能型光电位移传感器，其特征在于由单片机UO，光脉冲发射电路，光接收放大电路，数控增益放大电路，采样电路，数模转换输出电路，输出电平扩展电路，指示显示电路，电源电路组成，数控增益放大电路接单片机UO、光脉冲发射电路和采样电路，数模转换输出电路接单片机UO、光接收放大电路和输出电平保护电路，光脉冲发射电路接光接收放大电路，指示显示电路接单片机UO，电源电路提供电源。
2.根据权利要求1所述的智能型光电位移传感器，其特征在于光脉冲发射电路由二极管V4、三极管V6、红外线发射管V7、V8和电阻R11、R13组成，单片机UO的10脚(P1.2)接二极管V4负极，V4正极接电阻R11,R11另一端接三极管V6基极，三极管V6发射极接+12V电源，集电极接电阻R13，电阻R13另一端经接插件X3连接到红外线发射管V7正极，发射管V7、V8串联后负极经接插件X4接电源地。
3.根据权利要求1所述的智能型光电位移传感器，其特征在于光接收放大电路由红外接收管V5、运放U3B、电阻R5、R8、R10、R12、电位器R6和电容C1组成，红外线接收管V5正极经接插件X1接0电平点，负极经接插件X2串联电阻R12接+5V电源和藕合电容C1一端，C1另一端接电阻R10,R10另一端接运放U3B负输入端6脚和反馈电阻R8,U3B正输入端5脚接参考0电平点，输出端7脚接增益调节电位器R6和输出电阻R5，电位器R6另一端接参考0电平，可调端接反馈电阻R8的另一端。
专利摘要一种智能型光电位移传感器,由单片机UO,光脉冲发射电路,光接收放大电路,数控增益放大电路,采样电路,数模转换输出电路,输出电平扩展电路,指示显示电路,电源电路组成。本实用新型具有能对软质物体边沿位移量作无接触快速测量之用,它能输出0到10V的模似量对应边沿位移量,为伺服控制系统提供快速的反馈信号。
文档编号G01B11/04GK2457567SQ0121711
公开日2001年10月31日 申请日期2001年1月10日 优先权日2001年1月10日
发明者朱振华 申请人:朱振华