基于PSD的微小位移測量系統的設計

摘要：隨著科技的發展，許多的控制系統中需要自動識別微小位移。本文就是以光電位置敏感傳感器PSD(Posnion Sensnive Detector)為核心來實現微小位移測量的。PSD傳感器是一種對其感光面上入射光斑重心位置敏感的光電器件。即當入射光斑落在器件感光面的不同位置時，PSD將對應輸出不同的電信號。發射紅外光到被測點，遇測量表面反射的光由PSD接收，再經過濾波、放大及AVR系列單片機ATMEGAl 6微控制單元處理，最后顯示出測量的結果。

關鍵詞：微小位移測量 光電位置敏感傳感器 微控制單元

高新技術產業逐漸向技術密集型發展，測量技術所面臨的問題也越來越復雜。這就使原有靜態、接觸式測量的方法受到了較大的限制。對于測量過程我們需要向動態、非接觸式測量的方向發展。這樣不但提高了系統的測量精度，并且使測量更加的方便，同時能夠不破損元器件，能夠測量一些有毒或者不能進行接觸的元器件，大大提高了測量范圍。

近些年來，隨著半導體技術的高速發展，制造出來的PSD性能得到了較大的提高，分辨率大大提高，同時PSD的有限性度和穩定度也有很大的改善。PSD在國內的研究發展也很快，相關資料也已經比較安全。PSD在工業檢測中主要用于被測器件的位移測量、尺寸測量和表面形狀測量等。

整體電路設計如下圖所示：

按鍵和PSD的信息輸入單片機內，由單片機處理后再由顯示器輸出。

1、PSD和發光管及其放大電路

紅外線發射光，照射在測量面上，所反射的光被PSD接收。PSD依據入射光在接收面的重心不同，即由平面的高度不同而引起入射光在接收面的重心不同，每次兩個引腳輸出的電流也不同，我們稱它為11和12。

PSD兩極輸出的只是光電流11和12，要想得到位置輸出信號必須要有相應的信號處理電路的支持。下面介紹PSD傳感器信號處理電路原理。低通濾波放大電路，濾波電路的功能是讓指定頻段的信號通過，而將其余頻段上的信號加以抑制或使其急劇衰減。運算放大器和RC網絡組成的有源濾波器與無源濾波器件相比具有體積小，重量輕，線性特性好的優點。其次，由于運算放大器的增益和輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，所以有源濾波器還能提供一定的信號增益和緩沖作用。

輸入的光電流型號11和12通過濾波器轉換成放大的電壓信號。由于加在PSD上的光信號是由一定頻率的方波驅動的，因此PSD兩個引腳輸出的11和12也是交流信號。電容在電路中起到隔直通交的作用。

2、按鍵電路

按鍵電路的KEYl，KEY2，KEY3，KEY4端分別接單片機的四個PD口，設PD口為輸入端口。按鍵電路即是通過按鍵來改變KEY端的電平高低，依據輸入單片機的電平高低不同來啟動不同的顯示程序。當按鍵沒有被按下時，電路為開路，KEY端的電壓等于VCC減去電阻的電壓，KEY為高電平，于是輸入單片機的電位為高電平；當按鍵被按下時，KEY端與地連通電壓為0，輸入單片機的電位為低電平。電容為隔直通交的功能，在這里起到保障輸入單片機的電壓穩定的作用，保護單片機。

3、單片機電路

此電路分為三部分，下面來依次介紹這三部分在本系統中的作用以及工作原理。第一分為單片機主體，本系統用的是ATMEGAl6，把單片機的四個電源正端分別接以＋5V，四個接地端分別接地。單片機選用外部時鐘，晶振用8MHz。PA的兩個端口設置為輸入，是連接到PSD兩個輸出處理所得的信號。作為單片機的輸入信號進行處理，以得到所測距離顯示。PB端口設置為輸出，其中四個端口分別接顯示器的四個位選端，還有一個PB端口接發光二極管的共陰控制端。PC端口設置為輸出，它的八個端口分別接數碼管的八個段選控制位，其中六個端口還兼要控制六個發光二極管的陽極。PD端口設置為輸入，其中四個端口接四個按鍵的一側，通過按鍵按下與否的狀態給單片機輸入不同的高低電平，以啟動不同的程序，通過數碼管顯示不同的內容。第二部分為CON6，是六線的插座，其與單片機相連，插座與燒錄器相連，用來把在軟件里編好的程序通過燒錄器寫入到單片機內。第三部分是二極管和電容組成的電路，它們是用來保護單片機的，單片機需要保證輸入信號的穩定，以免損壞單片機。

4、顯示電路

顯示電路用的是4位共陰極數碼管。顯示電路的工作原理，數碼管的每段都是一個發光二極管，數碼管動態顯示是單片機應用最為廣泛的一種顯示方式之一，其輸入電平有單片機控制。動態驅動是將所有數碼管的8個顯示筆畫“a、b、c、d、e、f、gdp”的陰極連在一起，另外為每個數碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I／O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是哪個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數碼管的COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示。

5、PSD信號處理流程

設計思路：從硬件濾波放大輸送出來的信號，與所測距離存在一定的函數關系，而不是實際所測距離，于是要通過軟件做處理。首先模擬信號要轉化為數字信號，之后將數字信號進行平均值濾波。根據輸入信號和距離的函數關系，對兩組轉化后的數據做和差運算，對和差值做除法運算求出兩個的比值。最后將比值乘上個數即可得距離值。