复智能光电旋钮的设计

    摘要：本文介绍一种智能光电旋钮的硬件设计和软件设计。这种光电旋钮用于仪器的控制面板，操作灵活、方便，可靠性强，具有较强的使用和推广价值。

    关键词：光电旋钮；单片机；控制面板

引言

    目前，在设计仪器的控制面板时，主要采用各种按键，通过检测按键是否被按下产生控制信号。但是，在一些需要连续产生控制信号的场合，使用按键可能带来操作上的不便。而且，长期高频率使用的按键极易损坏。如果使用光电旋钮，根据其旋转速率和旋转方向产生控制信号，就能提高使用的灵活性和可靠性。市场上的此类产品很少，且价格昂贵。经过多次试验，笔者成功地设计出采用单片机作为控制核心的智能光电旋钮。

    智能光电旋钮按硬件结构可分为机械部分和硬件电路部分。

机械部分

    机械部分的主要功能是完成机械旋转到电信号的转换。如图1所示，机械部分由一个可任意旋转的旋钮、与旋钮相连的遮光片及两对光电收发器组成。遮光片的边缘设计成如图1所示的齿轮形，并定位于两对光电收发器之间。当遮光片旋转时，其边缘交替遮蔽两对光电收发器，光电收发器就将间断的光脉冲信号转换为两路电脉冲信号，供硬件电路部分处理。

硬件电路

    硬件电路部分主要由脉冲整形电路和intel8031单片机为核心的单片机系统构成（见图2）。图2中：整形电路将光电收发器产生的两路脉冲信号整形后，送入intel8031单片机的P1.0、P1.1口。单片机通过内部定时器中断，对P1.0、P1.1 口输入的脉冲信号进行采样。采样数据经处理程序处理后，生成代表旋转速率的脉冲信号和代表旋转方向的方向信号，并由P1.2、P1.3口串行输出。也可根据实际需要，将识别到的旋转速率、旋转方向等信息通过并行接口输出到其它显示、控制设备。

    图2中的整形电路由两个如图3所示的模块构成，分别对应两对光电收发器。555定时器构成单稳态触发器，对光电收发器发送的脉冲信号进行整形。当光线照射时，光电收发器的收端处于导通状态，则单稳态触发器的输入引脚为一高电平。当光线被遮住时，光电收发器的收端处于截止状态。此时，单稳态触发器的输入端被电阻R2下拉为低电平。适当调节电阻R2，使高电平大于2/3 Vcc，低电平小于1/3 Vcc，单稳态触发器就能对输入脉冲信号进行整形，并将整形信号输出至8031单片机系统。

    8031单片机系统采用外置程序存储器的典型应用电路，这里不再赘述。

软件设计

    智能光电旋钮的软件主要是设计 8031单片机系统的定时器中断，判别遮光片的旋转方向和旋转速率。设计难点在于旋转方向识别。

    旋转方向识别原理

    将两对光电收发器的接收部分近似为A、B两个点，当遮光片旋转时，如图4所示。

    图中，设A、B两点间距为“e”，遮光片的遮光区长度为“d”。旋钮制作时使遮光片的遮光区长度和非遮光区长度相等，且“d”大于“e”。遮光片旋转时，其运动图像可近似为周期性占空比为1：1的矩形脉冲（凸部代表遮光区，凹部代表透光区）。这样，当遮光片向箭头方向移动时，必然循环处于：A、B被完全遮蔽；A 未遮蔽而B被遮蔽两种状态。当遮光片反向移动时，则循环处于：A、B被完全遮蔽；B未遮蔽而A被遮蔽两种状态。

    光电收发器收端处于遮蔽状态时，单稳态触发器输出高电平，反之，则输出低电平。所以，单片机只需定时采集输入的电平，将“检测到A、B被完全遮蔽”作为判决起始点，然后根据是否紧接着出现“A 未遮蔽而B被遮蔽”或“B 未遮蔽而A被遮蔽”这两种状态来判断其旋转方向。

    旋转速率识别原理

    旋转速率的识别实质上是识别“A、B完全遮蔽”和“A、B之一未遮蔽”这两种状态转换的频率。同样，如果将“A、B被完全遮蔽”作为判决起始点，然后根据是否紧接着出现“A 未遮蔽而B被遮蔽”或“B 未遮蔽而A被遮蔽”这两种状态之一，无论哪种状态一出现，都在脉冲输出端产生一脉冲信号。同时，对产生的脉冲信号记数，脉冲的总个数除以脉冲记数的时间，就能得到旋转速率。

    程序流程图

    这种智能光电旋钮的软件并不复杂，用8031汇编语言编写的程序总长不超过50条语句。软件流程示于图5。

结语

    这种智能光电旋钮，其单片机系统的硬件设计和软件开发都由制作者完成。所以，当需要在控制面板上附加按键及完成液晶显示等功能时，只需设计附加的单片机系统外围电路，而不必再单独设计单片机系统。

    这种智能光电旋钮制作成功后，目前已应用于一些信号解调设备的控制面板。其性能稳定、可靠，达到了同类产品的水平。