基于单片机增量式编码器的分光计设计

李成龙

(安徽理工大学，安徽淮南 230001)

分光计能精确测量光线偏转角度，是一种基本的精密光学仪器［1］，分光计的使用也是各大高校的光学实验必修的实验项目。如折射率的测定、测定光栅常量等等。传统仪器用的是机械式角度测读装置，其游标读数盘精密铸造的造价高、体积大而笨重，在较暗的光学实验室内，读数费力，容易读错。本设计采用STC89C52系列单片机与YGN320型增量式编码器相结合，废弃了游标盘，充分利用现代的传感器技术实现了较高精度的角度测量。所用的测量系统体积小、精度高、纯数字化显示，无论是测量方式、测量手段还是仪器的构造都有很大程度的革新。在国内高教仪器市场上前景非常广阔。

1 增量式编码器

增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相;A、B两组脉冲相位差90°，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位［2］。

通常将A、B脉冲接采用单片机中断接口，用中断方式采集脉冲数据，缺点是中断程序有一定的执行时间，编码器转速太快会单片机会反应不过来，出现丢失脉冲数据的现象，因而计数不可靠。

图1 增量式编码器输出信号

本设计采用HCTL-2032，它具有四细分和辨向功能，可接收两路正交脉冲信号，同时还具有抗干扰设计，输入信号经过施密特触发器和数字滤波器的预处理［2］;HCTL-2032将可逆计数器设计在芯片内，芯片集成度高，大大简化了外围电路的设计;时钟周期达到33 MHz，极大的提高了测量精度与处理数据的速度，很少出现丢失脉冲数据的现象，因而计数安全可靠。内部计数器为16位，因此为了能够与单片机常用的8位数据总线接口，16位锁存数据又经过多路切换器转换为高、低两个8位字节，由SEL端控制其分时输出，切换器还具有三态输出缓冲机构，可以直接挂接在外部数据总线上，由单片机控制数据的读取。本脉冲计数系统硬件原理图如图2所示。

图2 系统原理图

编码器的A、B脉冲输出接HCTL-2032的X轴输入 CHAX、CHBX端，HCTL-2032的16位计数器的分时输出端D0～D7，接单片机的P1．0～P1．7口。其控制线接单片机的P3口。最终的角度数据由单片机 P2．0、P2．1、P2．2 口驱动数码管，该数码管由74HC595芯片驱动两块级联的4位共阳数码管模拟显示。

2 分光计的设计

分光计主要由4部分组成:平行光管、望远镜、载物台、读数盘［1］。读数盘分刻度盘和游标盘，刻度盘上一般有720条等分线，游标上有30条等分线，测量精度可达1'。测量时游标盘锁紧不动，转动望远镜时带动刻度盘一起转动，这时刻度盘和游标盘之间有相对的转动位移，从游标读取转动前后的数据，其差值即为转动的角度。

图3 带编码器的分光计设计

本设计中的编码器用来监测分光计刻度盘相对与主轴转动的角度，测量时无需考虑游标盘的位置情况。如图3所示，编码器固定于平行光管支架处，转轴随刻度盘的摩擦而转动。编码器转轴与刻度盘的直径比为1 20，刻度盘旋转一圈，编码器将旋转20圈。YGN320型编码器的光栅整周刻线数为2048，即:n=20×2 048=40 960个脉冲，即刻度盘旋转一圈，编码器可输出40 960个A、B脉冲。则角度的测量精度为360°÷40 960=0．53'/，脉冲即测量精度可达 0．53'。如果启用HCTL-2032的四细分功能，刻度盘每旋转一周可以得到4倍的脉冲信号:n=20×2048×4=163840个，则本分光计角度的测量精度将提高为360°÷163 840=0．13'/，脉冲即测量精度可提高到0．13'，几乎能将精度提高一个数量级。

3 软件设计

单片机主程序采用C语言设计，软件设计流程图如图4所示。

设计样机主程序未采用HCTL-2032的四细分功能，因此程序的角度测量精度为360°÷40 960=0．53'/脉冲 ，即测量精度可达 0．53'。仪器显示的角度是根据程序读取的HCTL-2032数值与之前读取的HCTL-2032的数值相对比，得出计数脉冲的变化量，再进行计算得出的。40 960个脉冲对应角度为360度，则1度对应113．777 78个脉冲，1'对应为1．896 23个脉冲，1″对应0．031 6个脉冲。假设程序读取到HCTL-2032的计数有180个脉冲变化量，则所测角度的变化约为1°34'55″。另外仪器设置角度归零按钮，可对角度数据进行零位设置，方便读数，可直接读取仪器转过的角度。

图4 主程序流程图

4 测试数据与结论

用样机与传统仪器同时测试棱镜的折射率，数据如下:

表1 仪器测量数据对比

表2 基于光电编码器的样机测试结果

由实验数据可见，两种仪器测量结果准确且相近。基于光电编码器的样机测试过程简单，数据准确，测量重复性好。设计的仪器也有不足，如采用对称的双编码器设计，可以同时测两组数据，从而避免分光计仪器的偏心差;为防止编码器打滑，刻度盘外缘需打磨处理，如果厂家批量生产，可将刻度盘设计为齿轮盘，从根本上杜绝打滑。

该设计的推广使用，将对分光计的整个构造带来革新，现代测量技术的采用也将提升传统分光计的测量精度，其方便操作，且能减少操作者的读数错误，因而市场应用上将有广阔前景。

［1］ 沈元华，陆申龙．基础物理实验［M］．北京:高等教育出版社，2003(12):234-240．

［2］ 徐海，胡荣贵，张东．基于单片机的旋转编码器鉴相方法研究［J］．微型机与应用，2010(13):20-22．

［3］ 唐中燕，杨晓红，杨静．基于单片机的智能型光电编码器计数器［J］．仪器仪表用户，2001(5):11-13．