復(fù)智能光電旋鈕的設(shè)計

引言

目前，在設(shè)計儀器的控制面板時，主要采用各種按鍵，通過檢測按鍵是否被按下產(chǎn)生控制信號。但是，在一些需要連續(xù)產(chǎn)生控制信號的場合，使用按鍵可能帶來操作上的不便。而且，長期高頻率使用的按鍵極易損壞。如果使用光電旋鈕，根據(jù)其旋轉(zhuǎn)速率和旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生控制信號，就能提高使用的靈活性和可靠性。市場上的此類產(chǎn)品很少，且價格昂貴。經(jīng)過多次試驗，筆者成功地設(shè)計出采用單片機作為控制核心的智能光電旋鈕。

智能光電旋鈕按硬件結(jié)構(gòu)可分為機械部分和硬件電路部分。

機械部分

機械部分的主要功能是完成機械旋轉(zhuǎn)到電信號的轉(zhuǎn)換。如圖1所示，機械部分由一個可任意旋轉(zhuǎn)的旋鈕、與旋鈕相連的遮光片及兩對光電收發(fā)器組成。遮光片的邊緣設(shè)計成如圖1所示的齒輪形，并定位于兩對光電收發(fā)器之間。當(dāng)遮光片旋轉(zhuǎn)時，其邊緣交替遮蔽兩對光電收發(fā)器，光電收發(fā)器就將間斷的光脈沖信號轉(zhuǎn)換為兩路電脈沖信號，供硬件電路部分處理。

硬件電路

硬件電路部分主要由脈沖整形電路和intel8031單片機為核心的單片機系統(tǒng)構(gòu)成（見圖2）。圖2中：整形電路將光電收發(fā)器產(chǎn)生的兩路脈沖信號整形后，送入intel8031單片機的P1.0、P1.1口。單片機通過內(nèi)部定時器中斷，對P1.0、P1.1 口輸入的脈沖信號進行采樣。采樣數(shù)據(jù)經(jīng)處理程序處理后，生成代表旋轉(zhuǎn)速率的脈沖信號和代表旋轉(zhuǎn)方向的方向信號，并由P1.2、P1.3口串行輸出。也可根據(jù)實際需要，將識別到的旋轉(zhuǎn)速率、旋轉(zhuǎn)方向等信息通過并行接口輸出到其它顯示、控制設(shè)備。

圖2中的整形電路由兩個如圖3所示的模塊構(gòu)成，分別對應(yīng)兩對光電收發(fā)器。555定時器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，對光電收發(fā)器發(fā)送的脈沖信號進行整形。當(dāng)光線照射時，光電收發(fā)器的收端處于導(dǎo)通狀態(tài)，則單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入引腳為一高電平。當(dāng)光線被遮住時，光電收發(fā)器的收端處于截止?fàn)顟B(tài)。此時，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入端被電阻R2下拉為低電平。適當(dāng)調(diào)節(jié)電阻R2，使高電平大于2/3 Vcc，低電平小于1/3 Vcc，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器就能對輸入脈沖信號進行整形，并將整形信號輸出至8031單片機系統(tǒng)。

8031單片機系統(tǒng)采用外置程序存儲器的典型應(yīng)用電路，這里不再贅述。

軟件設(shè)計

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智能光電旋鈕的軟件主要是設(shè)計 8031單片機系統(tǒng)的定時器中斷，判別遮光片的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速率。設(shè)計難點在于旋轉(zhuǎn)方向識別。

旋轉(zhuǎn)方向識別原理

將兩對光電收發(fā)器的接收部分近似為A、B兩個點，當(dāng)遮光片旋轉(zhuǎn)時，如圖4所示。

圖中，設(shè)A、B兩點間距為“e”，遮光片的遮光區(qū)長度為“d”。旋鈕制作時使遮光片的遮光區(qū)長度和非遮光區(qū)長度相等，且“d”大于“e”。遮光片旋轉(zhuǎn)時，其運動圖像可近似為周期性占空比為1：1的矩形脈沖（凸部代表遮光區(qū)，凹部代表透光區(qū)）。這樣，當(dāng)遮光片向箭頭方向移動時，必然循環(huán)處于：A、B被完全遮蔽；A 未遮蔽而B被遮蔽兩種狀態(tài)。當(dāng)遮光片反向移動時，則循環(huán)處于：A、B被完全遮蔽；B未遮蔽而A被遮蔽兩種狀態(tài)。

光電收發(fā)器收端處于遮蔽狀態(tài)時，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出高電平，反之，則輸出低電平。所以，單片機只需定時采集輸入的電平，將“檢測到A、B被完全遮蔽”作為判決起始點，然后根據(jù)是否緊接著出現(xiàn)“A 未遮蔽而B被遮蔽”或“B 未遮蔽而A被遮蔽”這兩種狀態(tài)來判斷其旋轉(zhuǎn)方向。

旋轉(zhuǎn)速率識別原理

旋轉(zhuǎn)速率的識別實質(zhì)上是識別“A、B完全遮蔽”和“A、B之一未遮蔽”這兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換的頻率。同樣，如果將“A、B被完全遮蔽”作為判決起始點，然后根據(jù)是否緊接著出現(xiàn)“A 未遮蔽而B被遮蔽”或“B 未遮蔽而A被遮蔽”這兩種狀態(tài)之一，無論哪種狀態(tài)一出現(xiàn)，都在脈沖輸出端產(chǎn)生一脈沖信號。同時，對產(chǎn)生的脈沖信號記數(shù)，脈沖的總個數(shù)除以脈沖記數(shù)的時間，就能得到旋轉(zhuǎn)速率。

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程序流程圖

這種智能光電旋鈕的軟件并不復(fù)雜，用8031匯編語言編寫的程序總長不超過50條語句。軟件流程示于圖5。

結(jié)語

這種智能光電旋鈕，其單片機系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件開發(fā)都由制作者完成。所以，當(dāng)需要在控制面板上附加按鍵及完成液晶顯示等功能時，只需設(shè)計附加的單片機系統(tǒng)外圍電路，而不必再單獨設(shè)計單片機系統(tǒng)。

這種智能光電旋鈕制作成功后，目前已應(yīng)用于一些信號解調(diào)設(shè)備的控制面板。其性能穩(wěn)定、可靠，達到了同類產(chǎn)品的水平。