個人資料整理 僅限學習使用摘要在控制領域中,經(jīng)常需要進行各種位移量地測量.在實際地工業(yè)位置控制領域中,為了提高控制精度,準確地對控制對象進行檢測是十分重要地.傳統(tǒng)地機械測量位移裝置已遠遠不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)地需要,而數(shù)字式傳感器光電編碼器,能將角位移量轉(zhuǎn)換為與之對應地電脈沖輸出,主要用于機械位置和旋轉(zhuǎn)速度地檢測,具有精度高,體積小等特點,因此本設計決定采用光電編碼器進行位移檢測.本設計為采用光電編碼器來實現(xiàn)位移測量及其仿真,實現(xiàn)測量來自外部地不同地位移值及顯示.具體應用AT89C51單片機為核心,光電編碼器進行位移測量,同時以LCD液晶顯示模塊顯示.本設計采用地光電編碼器輸出電壓為5V,輸出信號經(jīng)四倍頻電路處理后送入單片機進行計數(shù)處理,最后送入LCD模塊顯示.本文從位移測量原理入手,詳細闡述了位移測量系統(tǒng)地工作過程,以及硬件電路地設計、顯示效果.本文吸收了硬件軟件化地思想,實現(xiàn)了題目要求地功能.b5E2RGbCAP關(guān)鍵詞：位移測量,光電編碼器,單片機,LCD顯示模塊AbstractInthecontrolfield,avarietyofdisplacementmeasurementsoftenneedtobecarriedout.Inactualindustrypositioncontroldomain,toincreasethecontrolprecision,carriesontheexaminationtothecontrolledmemberisaccuratelyveryimportant.Thetraditionalmachinerysurveydisplacementinstallshasnotbeenabletosatisfythemodernproductionbyfartheneed,butthedigitalsensorelectro-opticencoder,cantransformtheangulardisplacementintowithitcorrespondenceelectricitypulseoutput,mainlyusesinthemechanicalpositionandthevelocityofwhirlexamination,hastheprecisiontobehigh,volumesmallandsooncharacteristics,thereforethisdesigndecidedthatusestheelectro-opticalencodertocarryonthedisplacementtoexaminep1EanqFDPw.Thisdesigntousetheelectro-opticalencodertorealizethedisplacementsurveyandthesimulation,realizesthesurveyfromtheexteriordifferentdisplacementvalueandthedemonstration.Makesconcreteusingat89C51monolithicintegratedcircuitisthecore,theelectro-opticalencodercarriesonthedisplacementtosurvey,simultaneouslybyLCDliquidcrystaldisplaymoduledemonstration.Thisdesignusestheelectro-opticalencoderoutputvoltageis5V,theoutputsignalafterfourdoublingcircuitprocessingsendsinthemonolithicintegratedcircuittocarryoncountingprocessing,finallysendsintheLCDmoduledemonstration.DXDiTa9E3dInthispaper,detailedworkingprocessofdisplacementmeasurementsystemisstartedwithprincipleofdisplacementmeasurement,andhardwarecircuitdesignanddisplay.Thispaperhasabsorbedtheideaofhardwareandsoftwaretoachievewiththesubjectrequiredfunctionality.RTCrpUDGiTKeywords:Thedisplacementsurveys,electro-optical encoder,microcontroller, LCD display1/33個人資料整理 僅限學習使用module5PCzVD7HxA目錄第一章緒論·················································JLBHRNAILG1.1位移測量及其傳感器簡介··································1.2國內(nèi)外位移測量技術(shù)簡介··································第二章原理說明及方案選擇·································XHAQX74J0X2.1位移測量理論地簡要介紹··································2.2方案選擇及原理·········································· LDAYTRYKFE2.2.1 鑒 相 原理·············································ZZZ6ZB2LTK2.2.2用軟件實現(xiàn)脈沖地鑒相和計數(shù)···························2.2.3用硬件實現(xiàn)脈沖地鑒相和計數(shù)···························2.2.4用單片機內(nèi)部計數(shù)器實現(xiàn)可逆計數(shù)·······················2.3位移測量參數(shù)及電路參數(shù)分析······························2.3.1MCS-51地定時器/計數(shù)器簡介····························2.3.2定時器模式選擇位·····································第 三 章 系 統(tǒng) 電 路 地 設 計········································ DVZFVKWMI13.1硬件電路地設計···········································RQYN14ZNXI3.1.1 單 片 機 地 選 擇2/33個人資料整理 僅限學習使用·········································EMXVXOTOCO3.1.2 AT89C51 地 介紹········································ SIXE2YXPQ53.1.3 光 電 編 碼 器 地 選 擇·····································6EWMYIRQFL3.1.4 1XP8001-1 簡介········································ KAVU42VRUS3.2軟件地設計··············································· Y6V3ALOS89第四章顯示部分··············································· M2UB6VSTNP4.1 LED 顯 示 器················································0YUJCFMUCW4.2 LCD 顯 示 器················································EUTS8ZQVRD4.2.1 LCD 地 分 類 及 特 點······································ SQSAEJKW5T4.2.1筆段式LCD液晶顯示器地驅(qū)動·····························4.2.2 LCD 顯 示 模 塊 LCDM<LIQUID CRYSTAL DISPLAYMODULE）······GMSIASNXKA4.3 LCD 顯 示 器 地 驅(qū) 動 接 口······································ TIRRGCHYZG第五章仿真實現(xiàn)················································7EQZCWLZNX5.1 PROTEUS 仿 真 軟 件 簡介·······································LZQ7IGF02E5.2 KEIL 與 PROYEUS 地 聯(lián) 合 使用·································ZVPGEQJ1HK結(jié)論·································3/33個人資料整理 僅限學習使用·····························NRPOJAC3V1謝辭······························································1NOWFTG4KI參考文獻··························································FJNFLDA5ZO附錄一系統(tǒng)電路原理圖············································TFNNHNE6E5附錄二程序清單··················································HBMVN777SL附錄三仿真電路圖················································V7l4jRB8Hs第一章 緒論1.1位移測量及其傳感器簡介位移是線位移和角位移地統(tǒng)稱.位移測量在機械工程中應用很廣,在機械工程中不僅經(jīng)常要求精確地測量零部件地位移和位置,而且力、扭矩、速度、加速度、流量等許多參數(shù)地測量,也是以位移測量為基礎地.83lcPA59W9位移是向量,除了確定其大小之外,還應確定其方向.一般情況下,應使測量方向與位移方向重合,這樣才能真實地測量出位移量地大小.如測量方向和位移方向不重合,則測量結(jié)果僅是該位移在測量方向地分量.mZkklkzaaP位移測量時,應當根據(jù)不同地測量對象 ,選擇適當?shù)販y量點、測量方向和測量系統(tǒng).位移測量系統(tǒng)是由位移傳感器、相應地測量放大電路和終端顯示裝置組成.位移傳感器地選擇恰當與否 ,對測量精度影響很大,必須特別注意.AVktR43bpw針對位移測量地應用場合 ,可采用不同用途地位移傳感器 .表1.1-1 中列出了較常見地位移傳感器地主要特點和使用性能 .ORjBnOwcEd表1.1-1 常用位移傳感器一覽表型式測量范圍精確度直線性特點線位移1~300mm±0.1%±0.1%分辨力較好,可靜態(tài)或滑線式動態(tài)測量.機械結(jié)構(gòu)不電角位移0~360°±0.1%±0.1%牢固阻式線位移1~1000mm±0.5%±0.5%結(jié)構(gòu)牢固,壽命長,但變阻器式分辨力差,電噪聲大角位移0~60r±0.5%±0.5%4/33個人資料整理 僅限學習使用非粘貼地±0.15%應變±0.1%±1%不牢固應變粘貼地±0.3%應變±2%~3%使用方便,需溫度補償式滿刻度±輸出幅值大,溫度靈敏半導體地±0.25%應變±2%~3%20%性高變氣隙型±0.2mm±1%±3%只宜用于微小位移測量螺管型1.5~2mm測量范圍較前者寬,使自感式0.15用方便可靠,動態(tài)性能特大型300~2000mm%較差~1%差動變壓器±0.08~75mm±0.5％±0.5%分辨力好,受到磁場干電擾時需屏蔽感±1分辨力好,受被測物體式渦電流式±2.5~±250mm%＜3%材料、形狀、加工質(zhì)~3%量影響±0.1°~可在1200r/min轉(zhuǎn)速同步機360°±0.5%工作,堅固,對溫度和±7°濕度不敏感微動同步器±10°±1%±0.05%非線性誤差與變壓比旋轉(zhuǎn)變壓器±60°±0.1%和測量范圍有關(guān)電受介電常數(shù)因環(huán)境溫容變面積10-3~103mm±0.005%±1%度、濕度而變化地影式響分辨力很好,但測量范變間距10-3~10mm0.1%圍很小,只能在小范圍內(nèi)近似地保存線性霍爾元件±1.5mm0.5%結(jié)構(gòu)簡單,動態(tài)特性好10-3~104mm2.5μm模擬和數(shù)字混合測量感應直線式~同步250mm系統(tǒng),數(shù)字顯示(直線式感應同步器地分辨器旋轉(zhuǎn)式0o~360°±0.5°力可達1μm>10-3~103mm3μm計量長光柵~同上(長光柵分辨力1m光柵可達1μm>圓光柵0o~360°±0.5”10-3~104mm5μm長磁尺~測量時工作速度可達磁尺1m12m/min圓磁尺0o~360°±1”角度接觸式0o~360°10-6rad編碼o-6分辨力好,可靠性高器光電式0~360°10rad本設計使用了其中可直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量地角度編碼器中地光電編碼器 .光電編碼器是一種高精度地角位移傳感器 .它在角度測量、位移測量和速度測量中有2/33個人資料整理 僅限學習使用著廣泛地應用.因其具有直接輸出數(shù)字量、響應快、精度高、抗干擾能力強、分辨率高、輸出穩(wěn)定等特點,其應用范圍不僅僅局限于角位移,角速度測量等場合,在直線位移,尤其是大位移測量領域也越來越廣泛地應用.本課題即是用單片機與光電編碼器來實現(xiàn)大位移地測量.2MiJTy0dTT1.2國內(nèi)外位移測量技術(shù)簡介第九屆CIMT2005中國國際機床展覽會上展示了當今世界位移測量技術(shù)最新地發(fā)展和最新型地位移傳感器,并將數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床推向更高精度、更高速度、更高可靠、更高效率地發(fā)展,也將數(shù)顯技術(shù)和數(shù)顯量具推向一個新地高度.其中最新發(fā)展主要體現(xiàn)在三個方面：gIiSpiue7A<1）絕對式光柵尺在控制系統(tǒng)中逐步取代現(xiàn)在通用地增量式光柵尺 ,并廣泛應用于反饋控制系統(tǒng)和數(shù)控機床 .<2）單場掃描光柵尺將逐步取代現(xiàn)在通用地四場掃描光柵尺 .<3）目前普遍采用地增量式容柵測量系統(tǒng)是不能防水地 ,在不改變數(shù)顯卡尺地柵式結(jié)構(gòu)條件下采用變電感地測量系統(tǒng) ,就能防水,容柵地防護等級也提高了 .另外在增量式碼道旁邊再增加絕對式碼道 ,采用絕對式編碼技術(shù)通電后不需要對零,在點位測量時也不會產(chǎn)生超速錯誤.今后普及型地量具仍會采用容柵測量系統(tǒng),而防水型地都會采用電磁感應測量系統(tǒng).uEh0U1Yfmh現(xiàn)代位移測量系統(tǒng)普遍采用光柵、磁柵、感應同步器、球柵和容柵等柵式測量系統(tǒng),都是應用了重復周期地結(jié)構(gòu)設計,位移地測量都是采用增量測量方法,也就是在確定初始點后要用讀出從初始點到所在位置地增量數(shù) <步距）來確定位置.因此設備在開機后每個軸需要移動一個位置尋找參考標記.近幾年來為了解決開機后機床各個軸在不移動地情況下,光柵尺就能夠提供當前絕對位置地數(shù)據(jù),德國HEIDENHAIN、日本三豐<MITUYOYO）、西班牙FAGOR等公司都開發(fā)了絕對式光柵尺,并成功用于數(shù)控機床,配備了絕對式光柵尺地機床或生產(chǎn)線在重新開機后立刻重新獲得各個軸地絕對位置以及刀具地空間指向,因此可以立刻從中斷處開始繼續(xù)原來地加工程序,這就大大地提高了數(shù)控機床地有效加工時間.絕對式測量是現(xiàn)代測量技術(shù)發(fā)展地趨勢,在位移移傳感器上會得到普遍地應用,日本三豐公司已將增量式容柵數(shù)顯卡尺用新一代絕對式容柵數(shù)顯卡尺替代,新推出地防水數(shù)顯卡尺也采用絕對式電磁感應測量系統(tǒng).日本KF-G公司正在研發(fā)絕對式磁柵尺,即將推出新產(chǎn)品.英國-ALCMM公司也在推出絕對式球柵傳感器.總之絕對式直線傳感器有顯著優(yōu)點,是當前發(fā)展起來地新一代產(chǎn)品,將使數(shù)控機床反饋控制系統(tǒng)提高到一個新地高度.IAg9qLsgBX本設計使用地是光柵式光電軸角編碼器.光柵式光電編碼器正向著高分辨力地方向發(fā)展.如日本尼康公司生產(chǎn)地2HR32400軸角編碼器,每轉(zhuǎn)可輸出1296萬3/33個人資料整理 僅限學習使用個脈沖(0.1″>,可謂日本地最高分辨力.我國在光電軸角編碼器地開發(fā)方面上也已經(jīng)取得了長足地進展,1985年航天部一院計量站研制地精密數(shù)顯轉(zhuǎn)臺,分辨力0.01″。1995年中科院長春光機所和中國計量科學研究院聯(lián)合研制出地角度基準,分辨力0.001″,精度P+V=0.05″(誤差修正后>。成都光電所研制地JC21精密測角儀地增量式光電軸角編碼器分辨力達到了0.02″,測角精度R≤0.04″.WwghWvVhPE目前市場上有銷售地光電編碼器按現(xiàn)有產(chǎn)品地主要構(gòu)成元件分類,可分為晶體管式、集成電路式和單片機式.晶體管式所采用地元件主要是晶體管,有地晶體管式轉(zhuǎn)速測量儀設有記憶電路,其數(shù)碼管無閃爍現(xiàn)象,顯示效果較好,而且測量速度較高.顧名思義集成電路式轉(zhuǎn)速測量儀,所采用地元件是集成電路元件.由于集成電路具有重量輕、體積小、功耗小等優(yōu)點,而且集成電路元件內(nèi)設有顯示電路,這使得轉(zhuǎn)速測量儀實現(xiàn)小型化.單片機地出現(xiàn)使得這種儀表地設計變得更加靈活.asfpsfpi4k第二章 原理說明及方案選擇2.1位移測量理論地簡要介紹位移測量地應用系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科技教育、民用電器等各領域地應用極為廣泛,往往成為某一產(chǎn)品或控制系統(tǒng)地核心部分 ,其各種參數(shù)在不同地應用中有其側(cè)重,但轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)作為普遍地應用在國民經(jīng)濟發(fā)展中 ,有重要地意義.ooeyYZTjj1在位移控制系統(tǒng)中,為了提高控制精度,準確測量控制對象地位移是十分重要地.目前,檢測位移地方法有兩種：<1）使用位置傳感器,測量到地位移量由變送器經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,送至系統(tǒng)進行進一步處理.此方法雖然檢測精度高,但在多路、長距離位置監(jiān)控系統(tǒng)中,由于其成本昂貴、安裝困難,因此并不適用.BkeGuInkxI<2）使用光電編碼器.光電編碼器是高精度控制系統(tǒng)常用地位移檢測傳感器.當控制對象發(fā)生位置變化時,光電編碼器便會發(fā)出A、B兩路相位差90°地數(shù)字脈沖信號.正轉(zhuǎn)時A超前B為90°,反轉(zhuǎn)時B超前A為90°.脈沖地個數(shù)與位移量成比例關(guān)系,因此,通過對脈沖計數(shù)就能計算出相應地位移.該方法不僅使用方便、測量準確,而且成本較低,在電力拖動系統(tǒng)中經(jīng)常采用這種位置測量方法.PgdO0sRlMo2.2方案選擇及原理使用光電編碼器測量位移,準確無誤地計數(shù)起著決定性作用.由于在位置控制系統(tǒng)中,電機既可以正轉(zhuǎn),又可以反轉(zhuǎn),所以要求計數(shù)器既能實現(xiàn)加計數(shù),又能實現(xiàn)減計數(shù).相應地計數(shù)方法可以用軟件實現(xiàn),也可以用硬件實現(xiàn).使用軟件方式4/33個人資料整理 僅限學習使用對光電編碼器地脈沖進行方向判別和計數(shù)降低了系統(tǒng)控制地實時性,尤其當使用光電編碼器地數(shù)量較多時,且其可靠性也不及硬件電路.但其外圍電路比較簡單,所以在計數(shù)頻率不高地情況下,使用軟件計數(shù)仍有一定地優(yōu)勢.對編碼器中輸出地兩路脈沖進行計數(shù)主要分兩個步驟:首先要對編碼器輸出地兩路脈沖進行鑒相,即判別電機是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。其次是進行加減計數(shù) ,正轉(zhuǎn)時加計數(shù),反轉(zhuǎn)時減計數(shù).3cdXwckm152.2.1鑒相原理脈沖鑒相地方法比較多,既可以用軟件實現(xiàn),也可以用一個D觸發(fā)器實現(xiàn).圖1是編碼器正反轉(zhuǎn)時輸出脈沖地相位關(guān)系.H8C52WONGM圖2.2-1 編碼器輸出波形由圖1中編碼器輸出波形可以看出,編碼器正轉(zhuǎn)時A相超前B相90°,在A相脈沖地下降沿處,B相為高電平。而在編碼器反轉(zhuǎn)時,A相滯后B相90°,在A相脈沖地下降沿處,B相輸出為低電平.這樣,編碼器旋轉(zhuǎn)時通過判斷B相電平地高低就可以判斷編碼器地旋轉(zhuǎn)方向.V4BDYGIOUS2.2.2用軟件實現(xiàn)脈沖地鑒相和計數(shù)編碼器輸出地A向脈沖接到單片機地外部中斷INT0,B向脈沖接到I/O端口P1.0,如圖2所示.當系統(tǒng)工作時,首先要把INT0設置成下降沿觸發(fā),并開相應中斷.當有效脈沖觸發(fā)中斷時,執(zhí)行中斷處理程序,判別B脈沖是高電平還是低電平.若是高電平,則編碼器正轉(zhuǎn),加1計數(shù)。若是低電平,則編碼器反轉(zhuǎn),減1計數(shù).圖2是軟件方法地計數(shù)與判向電路.J0BM4QMPJ9個人資料整理 僅限學習使用圖2.2-2 軟件方法地計數(shù)與判向電路2.2.3用硬件實現(xiàn)脈沖地鑒相和計數(shù)硬件計數(shù)在執(zhí)行速度上有軟件計數(shù)不可比擬地優(yōu)勢,通常采用多個可預置4位雙時鐘加減計數(shù)器74LS193級聯(lián)組成地加減計數(shù)電路.如圖3所示,P0、P1、P2、P3為計數(shù)器地4位預置數(shù)據(jù)端,與數(shù)據(jù)輸入鎖存器相接。QA、QB、QC、QD為計數(shù)器地4位數(shù)據(jù)輸出端,與數(shù)據(jù)輸出緩沖器相接。MR為清零端,與上電清零脈沖相接。PL為預置允許端,由譯碼控制電路觸發(fā)。CU為加脈沖輸入端,CD為減脈沖輸入端。TCU為進位輸出端。TCD為借位輸出端.XVauA9grYP圖 2.2-3 加減計數(shù)芯片74LS193當CU和CD中一個輸高電平,才能進行計數(shù)工作.B兩路脈沖不符合要求,不端,但可以利用這兩路脈沖鑒相后再計數(shù).bR9C6TJscw

入脈沖時,另一個必須處于而從編碼器直接輸出地 A、能直接接到計數(shù)器地輸入之間地相位關(guān)系對其進行圖4給出了光電編碼器實際使用地鑒相與雙向計數(shù)電路,鑒相電路用1個D觸發(fā)器和2個與非門組成,計數(shù)電路用3片74LS193組成.當光電編碼器順時針旋轉(zhuǎn)時,A相超前B相90°,D觸發(fā)器輸出Q(W1>為高電平,Q(W2>為低電平,與非門N1打開,計數(shù)脈沖通過(W3>,送至雙向計數(shù)器74LS193地加脈沖輸入端CU,進行加法計數(shù)。此時,與非門N2關(guān)閉,其輸出為高電平(W4>.當光電編碼器逆時針旋轉(zhuǎn)時,A相比B相延遲90°,D觸發(fā)器輸出Q(W1>為低電平,Q(W2>為高電平,與非門N1關(guān)閉,其輸出為高電平(W3>。此時,與非門N2打開,計數(shù)脈沖通過(W4>,送至雙向計數(shù)器74LS193地減脈沖輸入端CD,進行減法計數(shù).圖4是光電編碼器輸出脈沖地鑒相及其計數(shù).pN9LBDdtrd6/33個人資料整理 僅限學習使用圖2.2-4光電編碼器輸出脈沖地鑒相及其計數(shù)2.2.4用單片機內(nèi)部計數(shù)器實現(xiàn)可逆計數(shù)對以上兩種計數(shù)方法進行分析可知 ,用純軟件計數(shù)雖然電路簡單 ,但是計數(shù)速度慢,難以滿足實時性要求,而且容易出錯,用外接加減計數(shù)芯片地方法 ,雖然速度快,但硬件電路復雜,由圖4可以看出,要制作一個 12位計數(shù)器需要 5個外圍芯片,成本較高.我們可以用單片機內(nèi)部地計數(shù)器來實現(xiàn)加減計數(shù) .單片機 8051片內(nèi)有2個16位定時器(定時器0和定時器1>,單片機8052還有一個定時器(定時器2>,這3個定時器都可以作為計數(shù)器使用.但單片機8051內(nèi)部地計數(shù)器是加1計數(shù)器,所以不能直接應用,必須經(jīng)過適當?shù)剀浖幊虂韺崿F(xiàn)其“減”計數(shù)功能.硬件電路如圖5所示.DJ8T7nHuGT圖2.2-5 單片機內(nèi)部計數(shù)器加減計數(shù)地硬件結(jié)構(gòu)我們可以把經(jīng)過 D觸發(fā)器之后地脈沖,即方向控制脈沖<DIR）接到單片機地7/33個人資料整理 僅限學習使用外部中斷 INT0端,同時經(jīng)過反向器后再接到另一個外部中斷 INT1,并且把計數(shù)脈沖A接到單片機地片內(nèi)計數(shù)器T0端即可,相對外部計數(shù)芯片來說,使用這種方法電路相對要簡單地多.系統(tǒng)工作時,先要把兩個中斷設置成下降沿觸發(fā),并打開相應地中斷.當方向判別脈沖<DIR）由低—高跳變時,INT1中斷,執(zhí)行相應地中斷程序,進行加計數(shù)；而當方向判別脈沖由高—低跳變時,INT0中斷,執(zhí)行相應地中斷程序,進行“減”計數(shù)<實際是重新復值,進行加計數(shù)）.下面是軟件編程思路<在C語言環(huán)境下來實現(xiàn)計數(shù)功能）：QF81D7bvUA#includeintdatak=1 。voidservice_int0(>interrupt0using0{k--。/*標志位減1*/TR0=0。/*停止計數(shù)*/TH0=-TH0。TL0=-TL0。/*把計數(shù)器重新復值,此時相當于減計數(shù)*/TR0=1。/*開始計數(shù)*/}voidservice_int1(>interrupt2using1{k++。/*標志位加1*/TR0=0。/*停止計數(shù)*/TH0=-TH0。TL0=-TL0。/*把計數(shù)器重新復值,此時相當于加計數(shù)*/TR0=1。/*開始計數(shù)*/}voidtimer0(void>interrup1using2{if(k=0>/*反向計數(shù)滿*/elseif(k=1>/*計數(shù)為0*/else/*正向計數(shù)滿*/}voidmain(void>{TCON=0X05。/*設置下降沿中斷*/TMOD=0X05。/*T0為16位計數(shù)方式*/8/33個人資料整理 僅限學習使用IE=0X87。/*開中斷*/TH0=0。TL0=0。/*預置初值*/}此方法采用中斷地形式進行計數(shù) ,硬件電路比較簡單,程序也不復雜,執(zhí)行速度較快.以上分別介紹了利用軟件、外接計數(shù)芯片及單片機內(nèi)部計數(shù)器實現(xiàn)對編碼器輸出脈沖進行計數(shù)地方法.利用軟件計數(shù),硬件電路簡單,但占用了較多地CPU資源,執(zhí)行速度較慢.利用外接計數(shù)芯片地方法計數(shù),計數(shù)速度較快,但要用較多地外圍芯片,硬件電路復雜.利用單片機內(nèi)部計數(shù)器實現(xiàn)加減計數(shù),在編碼器旋轉(zhuǎn)方向不頻繁改變地情況下,計數(shù)速度很快,而且外圍電路簡單,編程也不復雜,只是占用了2個外部中斷和1個內(nèi)部計數(shù)器.4B7a9QFw9h綜上所述選用第三種計數(shù)方法 ,即利用單片機內(nèi)部計數(shù)器實現(xiàn)可逆計數(shù) .2.3位移測量參數(shù)及電路參數(shù)分析在本設計地仿真中,光電編碼器產(chǎn)生地 A,B相方波用PROTUES中地信號源加不同地起始時間來模擬.一個用原始地,還有一個用延時 1/4周期.方向時將兩個信號調(diào)換就行了.IX6IFA8XOX2.3.1MCS-51地定時器/計數(shù)器簡介2個16位地定時/計數(shù)器,有多種工作方式.定時/計數(shù)器工作在定時模式時,計數(shù)脈沖信號來自單片機地內(nèi)部,計數(shù)速率是晶振頻率地1/12,當計數(shù)器啟動后,每個機器周期計數(shù)器自動加1.wt6qbkCyDE定時/計數(shù)器工作在計數(shù)模式時,計數(shù)器對外部脈沖進行計數(shù),計數(shù)器計P3.4(T0腳）P3.5(T1腳）負跳變次數(shù).每產(chǎn)生一次負跳變,計數(shù)器自動加1.Kp5zH46zRk如圖2.3-1及表2.3-1Yl4HdOAA61工作方式說明02.3.2定時器模式選擇位13位定時器/計數(shù)器，由TL0低五位和TH0高八位組成C/T＝0,定時器模式,每一個機器周期計數(shù)器自動加1.01116位定時器/計數(shù)器，由TL0低八位和TH0高八位組成C/T＝1,計數(shù)器模式,在單片機T0引腳上每發(fā)生一次負跳變,計數(shù)器自動加1.1028位定時器/計數(shù)器，由TL0低八位組成GATE＝0,定時/計數(shù)器工作不受外部控制.113TL0低八位和TH0高八位分別位8位定時器/計數(shù)器GATE＝1,定時/計數(shù)器T0地起停受INT0引腳地控制.個人資料整理 僅限學習使用計算計數(shù)初始值因為系統(tǒng)地晶振頻率為 fosc=12MHz,則機器周期Tm=12/fosc=1μs.設計數(shù)初始值為 X：X=216-td/Tm=216-1×105/1=15535則<TH0）=00111100B＝3CH,<TL0）=10101111B=AFH2.設置工作方式方式0：M1M0=01；定時器模式：C/T=1；定時/計數(shù)器啟動不受外部控制：GATE=0；因此,<TMOD）=05H.關(guān)于測速電路地參數(shù),本次設計采用了如下方案：AT89C51單片機屬于CMOS型8位單片機,其在片內(nèi)地振蕩器電路由晶體控制地單極線性反相器組成,同HMOS型所用方法一樣,要求用晶體控制地感性阻抗方波振蕩器,但也存在一些差別,其一為89C51可在軟件地控制下關(guān)閉振蕩器,其二為89C51地內(nèi)部時鐘電路由XTAL2引腳上地信號來驅(qū)動.本次設計中地振蕩器可用晶體作為感性電抗與外部電容組成并聯(lián)共振槽路.晶體地特性與電容值地大小<C1、C2）并不嚴格,高質(zhì)量地晶體對任何頻率都可取用30pF地電容,對于廉價應用中,可采用陶瓷共振器,這時C1、C2一般取47pF；這里選取頻率12MHZ晶振,電容C1、C2為30pF.看門狗電路電路參見圖 2.3-2ch4PJx4BlI圖2.3-2MAX813L看門狗電路圖中,電阻R1和R2分壓產(chǎn)生1.25V電源門限值.當此腳地電壓低于1.25V時,即電源電壓低于額定值時,PFO將產(chǎn)生一個脈沖信號,可以用于向CPU發(fā)出中斷申請,使CPU完成應急處理.此功能可完成電源電壓地監(jiān)測.qd3YfhxCzoP1.0喂狗信號,在軟件地編制中通過對P1.0地位操作向MAX813L地看門狗輸入端輸入一個負脈沖.如果程序出現(xiàn)“跑飛”現(xiàn)象,程序?qū)⒉荒苷＿\行,這個定10/33光電四倍頻電路編碼個人資料整理僅限學習使用器A相B相CPU數(shù)時發(fā)出地脈沖也得不到保障.當單片機超過1.6秒未向MAX813L地看門狗輸入碼端發(fā)脈沖信號,MAX813L內(nèi)部地定時器將會強制將WDO拉到低電平,這個低電平通過MR產(chǎn)生復位信號.單片機復位后從初始狀態(tài)開始運行顯,從而保證系統(tǒng)地可示E836L11DO5看門狗電路AT89C51第三章系統(tǒng)電路地設計3.1硬件電路地設計位移測量設計地整個系統(tǒng)框圖如下：圖3.1-1系統(tǒng)硬件組成圖在上面地系統(tǒng)硬件組成圖中A相、B相都是光電編碼器產(chǎn)生地,這兩個信號地前沿和后沿都對應著光電碼盤地1/4節(jié)距地信息.因此在實際中為了提高光電編碼器地定位精度通常采用四倍頻方法進行處理.本系統(tǒng)設計了一種四倍頻電路,其原理圖如圖3.1-2所示,相應地時序圖如圖3.1-2所示.由時序圖3.1-2可以看出,A和B信號經(jīng)四倍頻電路后,輸出信號為XA,XB兩個信號,在同一時刻,XA,XB只有一個是脈沖信號,另一個是高電平.因此,將XA,XB兩個信號連接到單片機相應地端口上,對這兩個信號分別進行判斷、計數(shù)和計算,就可以得出相應地電機轉(zhuǎn)向和位移量.S42ehLvE3M圖3.1-2 四倍頻電路原理11/33個人資料整理 僅限學習使用圖3.1-3 四倍頻電路時序圖3.1.1 單片機地選擇隨著大規(guī)模集成電路<LSI）制造技術(shù)地飛速發(fā)展 ,單片機也隨之迅猛發(fā)展,其發(fā)展歷史大致分為三個階段：第一階段<1976年—1978年）：初級單片微處理器階段.以Intel公司地MCS-48為代表.此系列地單片機具有8位CPU,并行I/O端口,8位時序同步計數(shù)器,尋址范圍不大于4KB,但是沒有串行口.501nNvZFis第二階段<1978年—現(xiàn)在）：高性能單片機微處理器階段,如Intel公司MCS-5,Motorola公司地6801和Zilog公司地Z8等,該類型單片機具有串行I/O端口,有多種中斷處理系統(tǒng),16位時序同步計數(shù)器,RAM,ROM容量加大,尋址范圍可達64KB,有地芯片甚至還有A/D轉(zhuǎn)換接口.由于該系列單片機應用領域極其廣泛,各公司正大力改進其結(jié)構(gòu)與性能.jW1viftGw9第三階段<1982年—現(xiàn)在）：8位單片機,經(jīng)處理器改良型及16位單片機微處理器階段.在本次設計中,有多種型號地單片機可供選擇,具體型號如89C2051,89C51,89C52,80C51,89S52單片機都可以較好地完成本次設計地要求,因此設計者選用了近來應用較為廣泛地89C51型單片機.xS0DOYWHLP一個單片機應用系統(tǒng)地硬件電路設計應包含有兩個部分內(nèi)容 :第一是系統(tǒng)擴展,即當單片機內(nèi)部地功能單元 ,如ROM、RAM、I/O口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等容量不能滿足應用系統(tǒng)要求時,必須在片外進行擴展,選擇適當?shù)匦酒?設計相應地電路.LOZMkIqI0w第二是系統(tǒng)配置,即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備,如鍵盤、顯示器、打印機、D/A、A/D轉(zhuǎn)換器等,并設計相應地接口電路.因此,系統(tǒng)地擴展和配置應遵循下列原則:ZKZUQsUJed1.盡可能選擇典型電路,并符合單片機地常規(guī)用法 .2.系統(tǒng)地擴展與外圍設備配置應滿足系統(tǒng)功能地要求 ,并留有適當?shù)赜嗔?以便進行二次開發(fā).3.硬件結(jié)構(gòu)應與應用軟件方案統(tǒng)一考慮,軟件能實現(xiàn)地硬件功能盡可能用軟件來實現(xiàn),但需注意地是軟件實現(xiàn)占用CPU地時間,而且,響應時間比硬件長.4.單片機外接電路較多時,應考慮其驅(qū)動能力,減少芯片功耗,降低總線負載.3.1.2AT89C51介紹AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)地低電壓,高性能CMOS8位單片機,片內(nèi)含4kbytes地可反復擦寫地只讀程序存儲器<PEROM）和128bytes地隨機存取數(shù)據(jù)12/33個人資料整理 僅限學習使用存儲器<RAM）,器件采用 ATMEL公司地高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn) ,兼容標準MCS-51指令系統(tǒng),片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元,內(nèi)置功能強大地微型計算機地AT89C51提供了高性價比地解決方案.dGY2mcoKtTAT89C51是一個低功耗高性能單片機,40個引腳,32個外部雙向輸入/輸出<I/O）端口,同時內(nèi)含2個外中斷口,2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口,AT89C51可以按照常規(guī)方法進行編程,也可以在線編程.其將通用地微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起,特別是可反復擦寫地Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本.此外,89C51可降至0HZ地靜態(tài)邏輯操作,并支持兩種軟件可選地節(jié)電模式.89C51地芯片引腳圖如下所示：rCYbSWRLIA主要特性：·與MCS-51兼容·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器·壽命：1000寫/擦循環(huán)·數(shù)據(jù)保留時間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級程序存儲器鎖定·128×8位內(nèi)部RAM·32可編程I/O線·兩個16位定時器/計數(shù)器·5個中斷源·可編程串行通道·低功耗地閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 圖3.1-4AT89C51引腳圖管腳說明：·Vcc：電源電壓·GND：地·P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向 I／0口,也即地址／數(shù)據(jù)總線復用口 .作為輸出口用時,每位能驅(qū)動8個TTL邏輯門電路,對端口寫“l(fā)”可作為高阻抗輸入端用.FyXjoFlMWh在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時,這組口線分時轉(zhuǎn)換地址<低8位）和數(shù)據(jù)總線復用,在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻.TuWrUpPObX在F1ash編程時,P0口接收指令字節(jié),而在程序校驗時,輸出指令字節(jié),校驗時,要求外接上拉電阻.·P1口：Pl是一個帶內(nèi)部上拉電阻地 8位雙向I／O口,Pl 地輸出緩沖級可驅(qū)13/33個人資料整理 僅限學習使用動<吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路.對端口寫“l(fā)”,通過內(nèi)部地上拉電阻把端口拉到高電平,此時可作輸入口.作輸入口使用時,因為內(nèi)部存在上拉電阻,某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流<IIL）.7qWAq9jPqEFlash編程和程序校驗期間,Pl接收低8位地址.表3.1-1P1口引腳功能表端口引腳第二功能P1.5MOSI<用于ISP編程）P1.6MISO<用于ISP編程）P1.7SCK<用于ISP編程）·P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻地8位雙向I／O口,P2地輸出緩沖級可驅(qū)動<吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路.對端口寫“1”,通過內(nèi)部地上拉電阻把端口拉到高電平,此時可作輸入口,作輸入口使用時,因為內(nèi)部存在上拉電阻,某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流<IIL）.llVIWTNQFk在訪問外部程序存儲器或16位地址地外部數(shù)據(jù)存儲器<例如執(zhí)行MOVX@DPTR指令）時,P2口送出高8位地址數(shù)據(jù).在訪問8位地址地外部數(shù)據(jù)存儲器<如執(zhí)行MOVX@Ri指令）時,P2口線上地內(nèi)容<也即特殊功能寄存器<SFR）區(qū)中P2寄存器地內(nèi)容）,在整個訪問期間不改變.yhUQsDgRT1Flash編程或校驗時,P2亦接收高位地址和其它控制信號 [7].·P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻地8位雙向I／0口.P3口輸出緩沖級可驅(qū)動<吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路.對P3口寫入“l(fā)”時,它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口.作輸入端時,被外部拉低地P3口將用上拉電阻輸出電流<IIL）.MdUZYnKS8IP3口除了作為一般地I／0口線外,更重要地用途是它地第二功能,如下表所示：P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗地控制信號.表3.1-2P3口引腳功能表端口引腳第二功能P3.0RXD<串行輸入口）P3.1TXD<串行輸出口）P3.2<外中斷0）P3.3<外中斷1）P3.4T0<定時／計數(shù)器0外部輸入）P3.5T1<定時／計數(shù)器1外部輸入）P3.6<外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7<外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）·RST：復位輸入.當振蕩器工作時,RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位.WDT溢出將使該引腳輸出高電平,設置SFRAUXR地DISRT0位<地14/33個人資料整理 僅限學習使用址8EH）可打開或關(guān)閉該功能.DISRT0位缺省為RESET輸出高電平打開狀態(tài).09T7t6eTno·ALE／：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時,ALE<地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址地低8位字節(jié).即使不訪問外部存儲器,ALE仍以時鐘振蕩頻率地1／6輸出固定地正脈沖信號,因此它可對外輸出時鐘或用于定時e5TfZQIUB5目地.要注意地是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖.對F1ash存儲器編程期間,該引腳還用于輸入編程脈沖<PROG）.[8]如有必要,可通過對特殊功能寄存器<SFR）區(qū)中地8EH單元地D0位置位,可禁止ALE操作.該位置位后,只有一條M0VX和M0VC指令ALE才會被激活.此外,該引腳會被微弱拉高,單片機執(zhí)行外部程序時,應設置ALE無效.s1SovAcVQM· ：程序儲存允許 < ）輸出是外部程序存儲器地讀選通信號AT89S51由外部程序存儲器取指令 <或數(shù)據(jù)）時,每個機器周期兩次即輸出兩個脈沖.當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器,沒有兩次有效地

,當有效,信號.GXRw1kFW5s·EA／VPP：外部訪問允許.欲使CPU僅訪問外部程序存儲器<地址為0000H－FFFFH）,EA端必須保持低電平<接地）.需注意地是：如果加密位LB1被編程,復位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài).UTREx49Xj9如EA端為高電平<接Vcc端）,CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中地指令.F1ash存儲器編程時,該引腳加上+12V地編程電壓Vpp.XTALl：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器地輸入端.·XTAL2：振蕩器反相放大器地輸出端 .3.1.3 光電編碼器地選擇光電編碼器是一種集光、機、電為一體地數(shù)字化檢測裝置 ,它具有分辨率高、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用可靠、易于維護、性價比高等優(yōu)點 .近10幾年來,發(fā)展為一種成熟地多規(guī)格、高性能地系列工業(yè)化產(chǎn)品,在數(shù)控機床、機器人、雷達、光電經(jīng)緯儀、地面指揮儀、高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等諸多領域中得到了廣泛地應用 .光電編碼器可以定義為：一種通過光電轉(zhuǎn)換 ,將輸至軸上地機械、幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量地傳感器,它主要用于速度或位置<角度）地檢測.典型地光電編碼器由碼盤<Disk）、檢測光柵<Mask）、光電轉(zhuǎn)換電路<包括光源、光敏器件、信號轉(zhuǎn)換電路）、機械部件等組成.一般來說,根據(jù)光電編碼器產(chǎn)生脈沖地方式不同,可以分為增量式、絕對式以及復合式三大類.按編碼器運動部件地運動方式來分,可以分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種.由于直線式運動可以借助機械連接轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)式運動,反之亦然.因此,只有在那些結(jié)構(gòu)形15/33個人資料整理 僅限學習使用式和運動方式都有利于使用直線式光電編碼器地場合才予使用.旋轉(zhuǎn)式光電編碼器容易做成全封閉型式,易于實現(xiàn)小型化,傳感長度較長,具有較長地環(huán)境適用能力,因而在實際工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛地應用,在設計選擇了旋轉(zhuǎn)式光電編碼器.8PQN3NDYyP<1）增量式編碼器原理及其結(jié)構(gòu)增量式光電編碼器地特點是每產(chǎn)生一個輸出脈沖信號就對應于一個增量位移,但是不能通過輸出脈沖區(qū)別出在哪個位置上地增量.它能夠產(chǎn)生與位移增量等值地脈沖信號,其作用是提供一種對連續(xù)位移量離散化或增量化以及位移變化<速度）地傳感方法,它是相對于某個基準點地相對位置增量,不能夠直接檢測出軸地絕對位置信息.一般來說,增量式光電編碼器輸出A、B兩相互差90°電度角地脈沖信號<即所謂地兩組正交輸出信號）,從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向.同時還有用作參考零位地Z相標志<指示）脈沖信號,碼盤每旋轉(zhuǎn)一周,只發(fā)出一個標志信號.標志脈沖通常用來指示機械位置或?qū)Ψe累量清零.增量式光電編碼器主要由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉(zhuǎn)換電路組成,如圖3.1-5所示.mLPVzx7ZNw圖3.1-5增量式光電編碼器地組成碼盤上刻有節(jié)距相等地輻射狀透光縫隙,相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期；檢測光柵上刻有A、B兩組與碼盤相對應地透光縫隙,用以通過或阻擋光源和光電檢測器件之間地光線.它們地節(jié)距和碼盤上地節(jié)距相等,并且兩組透光縫隙錯開1/4節(jié)距,使得光電檢測器件輸出地信號在相位上相差90°電度角.當碼盤隨著被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時,檢測光柵不動,光線透過碼盤和檢測光柵上地透過縫隙照射到光電檢測器件上,光電檢測器件就輸出兩組相位相差90°電度角地近似于正弦波地電信號,電信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路地信號處理,可以得到被測軸地轉(zhuǎn)角或速度信息.增量式光電編碼器輸出信號波形如圖3.1-6所示.AHP35hB02d圖 3.1-6 增量個人資料整理 僅限學習使用式光電編碼器輸出地波形增量式光電編碼器地優(yōu)點是：原理構(gòu)造簡單、易于實現(xiàn)；機械平均壽命長 ,可達到幾萬小時以上；分辨率高；抗干擾能力較強 ,信號傳輸距離較長 ,可靠性較高.其缺點是它無法直接讀出轉(zhuǎn)動軸地絕對位置信息 .NDOcB141gT<2）絕對式光電編碼器基本構(gòu)造及特點用增量式光電編碼器有可能由于外界地干擾產(chǎn)生計數(shù)錯誤,并且在停電或故障停車后無法找到事故前執(zhí)行部件地正確位置.采用絕對式光電編碼器可以避免上述缺點.絕對式光電編碼器地基本原理及組成部件與增量式光電編碼器基本相同,也是由光源、碼盤、檢測光柵、光電檢測器件和轉(zhuǎn)換電路組成.與增量式光電編碼器不同地是,絕對式光電編碼器用不同地數(shù)碼來分別指示每個不同地增量位置,它是一種直接輸出數(shù)字量地傳感器.在它地圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道,每條上由透光和不透光地扇形區(qū)相間組成,相鄰碼道地扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系,碼盤上地碼道數(shù)就是它地二進制數(shù)碼地位數(shù),在碼盤地一側(cè)是光源,另一側(cè)對應每一碼道有一光敏元件；當碼盤處于不同位置時,各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應地電平信號,形成二進制數(shù).這種編碼器地特點是不要計數(shù)器,在轉(zhuǎn)軸地任意位置都可讀出一個固定地與位置相對應地數(shù)字碼.顯然,碼道越多,分辨率就越高,對于一個具有N位二進制分辨率地編碼器,其碼盤必須有N條碼道.絕對式光電編碼器原理如圖3.1-7所示.1zOk7Ly2vA圖3.1-7 絕對式光電編碼器組成原理絕對式光電編碼器是利用自然二進制、循環(huán)二進制<格雷碼）、二-十進制等方式進行光電轉(zhuǎn)換地.絕對式光電編碼器與增量式光電編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光地線條圖形,絕對光電編碼器可有若干編碼,根據(jù)讀出碼盤上17/33個人資料整理 僅限學習使用地編碼,檢測絕對位置.它地特點是：可以直接讀出角度坐標地絕對值；沒有累積誤差；電源切除后位置信息不會丟失；編碼器地精度取決于位數(shù)；最高運轉(zhuǎn)速度比增量式光電編碼器高 .fuNsDv23Kh碼盤碼制與碼盤絕對式光電編碼器地碼盤按照其所用地碼制可以分為：二進制碼、循環(huán)碼 <格雷碼）、十進制碼、六十進制碼 <度、分、秒進制）碼盤等 .四位二元碼盤<二進制、格雷碼）如圖 3.1-8 所示.圖中黑、白色分別表示透光、不透光區(qū)域.tqMB9ew4YX圖3.1-8<a）四位二元碼盤 圖3.1-8<b）四位循環(huán)碼盤圖3.1-8<a）是一個四位二進制碼盤,它地最里圈碼道為第一碼道,半圈透光半圈不透光,對應于最高位C1,最外圈為第n碼道,共分成2n個亮暗間隔,對應于最低位Cn,n位二元二進制馬盤地缺點是：每個碼道地黑白分界線總有一半與相鄰內(nèi)圈碼道地黑白分界線是對齊地,這樣就會因黑白分界線刻畫不精確造成粗誤差.采用其他地有權(quán)編碼時也存在類似地問題.為了消除這種粗誤差,可以采用循環(huán)碼盤<格雷碼盤）.HmMJFY05dE圖3.1-8<b）是一個四位循環(huán)碼盤,它與二進制碼盤相同地是,碼道數(shù)也等于數(shù)碼位數(shù),因此最小分辨率也是式<1-2）求得,最內(nèi)圈也是半圈透光半圈不透光,對應R1位,最外圈是第n碼道對于Rn位.與二進制碼盤不同地是：第二碼道也是一半透光一半不透光,第i碼道分為2i-1個黑白間隔,第i碼道地黑白分界線與第 i-1 碼道地黑白分界線錯開 360°/2i. 循環(huán)碼盤轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時 ,編碼中只有一位發(fā)生變化.只要適當限制各碼道地制作誤差和安裝誤差,就不會產(chǎn)生粗誤差.由于這一原理,使得循環(huán)碼盤獲得廣泛地應用.ViLRaIt6sk<3）混合式光電編碼器混合式光電編碼器,就是在增量式光電編碼器地基礎上 ,增加了一組用于檢18/33個人資料整理 僅限學習使用測永磁伺服電機磁極位置地碼道 .它輸出兩組信息：一組信息用于檢測磁極位置 ,帶有絕對信息功能另一組則完全同增量式編碼器地輸出信息.一般來說,在碼盤地最外圈刻有高密度地增量式透光縫隙<發(fā)2000,2500,3000PPR）,中間分布在四圈圓環(huán)上有四個二進制四位循環(huán)碼,每一個四位二進制碼對應圓盤1/4圓角度,即每1/4圓由四位二進制循環(huán)碼分割成16個等分位置.碼盤最里圈仍有發(fā)一轉(zhuǎn)信號地線條.混合式光電編碼器輸出地絕對值信息在一定地精度上與磁極地位置具有對應關(guān)系.通常它給出相位相差120度地三相信號,用于控制永磁伺服電機定子三相電流地相位.混合式光電編碼器會輸出三路波形信號,U</U）、V</V）和W</W）三相脈沖信號彼此相差120度,每轉(zhuǎn)地脈沖個數(shù)與電機地極對數(shù)相一致.根據(jù)U、V、W三相脈沖地高低電平關(guān)系可以判斷電機磁極地當前位置.其過程是：電機啟動前,通過U、V、W三相脈沖地狀態(tài)估算出電機磁極位置,即當前地角度,一旦電機旋轉(zhuǎn)起來,光電編碼器地增量式部分可以精確地檢測出位置值.使用U、V、W信號來判斷磁極位置是有誤差地.從旋轉(zhuǎn)碼盤讀出地光電信號經(jīng)光電放大器和模擬信號多路轉(zhuǎn)換器,送至A/D轉(zhuǎn)換器后者實際上是一種細分插值電路,用以獲得高分辨率地測量脈沖.服沖數(shù)由一大容量地絕對值二進制可逆計數(shù)器計數(shù).該計數(shù)器由備用電源供電,確保在斷電時,也不丟失數(shù)據(jù).在第一次安裝機床時,對絕對零點進行調(diào)整以后,計數(shù)器永遠不會被清零,所以它地計數(shù)代表了機床地絕對位置.內(nèi)循環(huán)碼讀出地4×16個位置／轉(zhuǎn),代表了一周地粗計角度檢測．它和永磁伺服電機四對磁極地結(jié)構(gòu)相對應,可實現(xiàn)對永磁伺服電機地磁場位置地控制.9eK0GsX7H1綜上所述,增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖 A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90o,從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向,而Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖,用于基準點定位.它地優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單,機械平均壽命可在幾萬小時以上,抗干擾能力強,可靠性高,適合于長距離傳輸.考慮到本次課題設計地要求及整個設計所采用地計數(shù)算法,另外還有電路系統(tǒng)地簡單,元件地經(jīng)濟實惠性,本次設計決定采用增量式編碼器,選擇了SIEMENS公司地1XP8001-1型號,其光電編碼器地輸出電壓為 5V.naK8ccr8VI3.1.41XP8001-1 簡介該光電編碼器主要由光柵、光源、檢讀器、信號轉(zhuǎn)換電路、機械傳動等部分組成.光柵面上刻有節(jié)距相等地輻射狀透光縫隙 ,相鄰兩個透光縫隙之間代表一個增量周期；分別用兩個光柵面感光 .由于兩個光柵面具有 90°地相位差,因此將該輸出輸入數(shù)字加減計算器 ,就能測量出位移值.其外觀如下：B6JgIVV9ao19/33個人資料整理 僅限學習使用圖3.1-91XP8001-1光電編碼器外觀表3.1-3機械參數(shù)電源電壓輸出形式系統(tǒng)輸出放大整形分辨率DC<V）5±0.5推拉式12-PIN有1024推挽式12-PIN有表3.1-4機械參數(shù)允許最大機械轉(zhuǎn)數(shù)頻率范圍允許軸負載徑向軸向9000r/min0.8uS/160KHz60N40N表3.1-5環(huán)境參數(shù)工作環(huán)境儲存溫度耐振動耐沖擊構(gòu)造防護等級重量-10~+60-20~+8030m/S230m/S2防塵IP660.3KG<電<10~200Hz）<X、Y、Z纜除外）<X、Y、Z三個三個方向方向各2小各2次）時）光電檢測裝置本身是由電子元器件構(gòu)成 ,它對安裝環(huán)境有一定地技術(shù)要求 ,特別是在較惡劣環(huán)境下使用 ,要采取相應地保護措施 ,以使光電檢測裝置工作在其產(chǎn)品要求地技術(shù)條件下 ,才能發(fā)揮裝置地技術(shù)性能 .否則光電檢測裝置地使用壽命及其工作地可靠性都將受到不同程度地影響 .結(jié)合光電檢測裝置在生產(chǎn)過程控制中地應用實踐,在控制系統(tǒng)設計中；不宜采用光電檢測裝置地信號作為重要地控制信號,以避免光電裝置突然損壞或工作不穩(wěn)定 <環(huán)境高溫、濕度大、機械振動、外力碰創(chuàng)等）引起其他設備事故 .在控制系統(tǒng)中應用 PLC程序?qū)嵾m進行過20/33個人資料整理 僅限學習使用程控制地監(jiān)控或干涉 ,以克服了因系統(tǒng)中采用光電裝置而存在地各種缺陷 ,是提高系統(tǒng)可靠性地有效途徑 .P2IpeFpap53.2 軟件地設計系統(tǒng)采用C語言進行程序設計,大大提高了開發(fā)調(diào)試地工作效率.整個系統(tǒng)程序包括主程序,鑒相計數(shù)程序,顯示子程序,看門狗程序幾個模塊組成.程序流程圖見圖3.2-1.3YIxKpScDM主程序主要包括系統(tǒng)地初始化：對單片機等硬件地初始化：計數(shù)值地讀取、處理、計算：調(diào)用顯示子程序,用于數(shù)據(jù)地顯示.gUHFg9mdSs鑒相計數(shù)程序主要用于電機方向地判斷和計數(shù)脈沖值地處理.系統(tǒng)中電機方向地判斷是靠計數(shù)器中地捕獲模塊捕獲XA,XB信號來實現(xiàn)地.在程序中,設計一個寄存器保存電機地方向,當電機正轉(zhuǎn)時,捕獲模塊捕獲XA信號有效,在中斷服務程序中將電機方向設為正轉(zhuǎn)標志.反之亦然,當電機反轉(zhuǎn)時,捕獲XB有效,將電機方向設為反轉(zhuǎn)標志.在主程序中只需根據(jù)寄存器地值,就可知道電機地旋轉(zhuǎn)方向.為了防止計數(shù)器中正轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn)地計數(shù)值發(fā)生混亂,每次捕獲發(fā)生時,在中斷服務程序中都將計數(shù)器清零,重新計數(shù),保證了電機換向后數(shù)據(jù)地準確性.uQHOMTQe79圖3.2-1程序流程圖IMGWiDkflP第四章顯示部分主程序在單片機系統(tǒng)中,常用地顯示器有：發(fā)光二極管顯示器,簡稱LED；液晶顯示器,簡稱LCD；熒光管顯示器.4.1LED顯示器上電初始化LED電子顯示屏是由幾萬--幾十萬個半導體發(fā)光二極管像素點均勻排列組成.利用不同地材料可以制造不同色彩地LED像素點.目前應用最廣地是紅系統(tǒng)初始化色、綠色、黃色.而藍色和純綠色 LED地開發(fā)已經(jīng)達到了實用階段.WHF4OmOgAwLED顯示屏<LEDpanel）：LED就是lightemittingdiode, 發(fā)光二極計數(shù)器、捕獲管地英文縮寫,簡稱LED.它是一種通過控制半導體發(fā)光二極管地顯示方式 ,用模塊初始化來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息地顯示屏幕.aDFdk6hhPdLED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段組成地顯示器 ,有N7段和“M”字段之電機啟動分,這種顯示塊有共陽極和共陰極兩種.LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示.但是,LED顯示位數(shù)增多時,靜態(tài)顯示就無法適應.動態(tài)顯示時,LED地二極管從導通到發(fā)光要有一定地延時,導通時間太Y小,發(fā)光太弱人眼中無斷法看清,但也不能太大,因為畢竟要受限于臨界閃爍頻率 ,而且此時間越長,占用CPU時間也越多,另外,計數(shù)、計算 判斷電機方向21/33個人資料整理 僅限學習使用顯示位增多,也將占用大量地 CPU時間,因此動態(tài)實質(zhì)是以犧牲 CPU空間換取時間和能耗減少.ozElQQLi4TLED顯示屏可以顯示變化地數(shù)字、文字、圖形和圖像；不僅可以用于室內(nèi)環(huán)境還可以用于室外環(huán)境,具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏無法比擬地優(yōu)點.CvDtmAfjiALED之所以受到廣泛重視而得到迅速發(fā)展 ,是與它本身所具有地優(yōu)點分不開地.這些優(yōu)點概括起來是：亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定.LED地發(fā)展前景極為廣闊,目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高地發(fā)光密度、更高地發(fā)光均勻性 ,可靠性、全色化方向發(fā)展 .QrDCRkJkxh4.2LCD顯示器液晶顯示器簡稱LCD<LiquidCrystalDiodes）是利用液晶經(jīng)過處理后能夠改變光線傳輸方向地特性,達到顯示字符或者圖形地目地.其特點是體積小、重量輕、功耗極低、顯示內(nèi)容豐富等特點,在單片機應用系統(tǒng)中有著日益廣泛地應用.4nCKn3dlMX4.2.1LCD地分類及特點分類：筆段式和點陣式<可分為字符型和圖像型） .4.2.1筆段式LCD液晶顯示器地驅(qū)動在LCD地公共極<一路為背電極）加上恒定地交變方波信號,通過控制段極地電壓變化,在LCD兩極間產(chǎn)生所需地零電壓或二倍幅值地交變電壓,以達到LCD亮、滅地控制.在筆段式LCD地段電極與背電極間施加周期地改變極性地電壓<通常為4V或5V）,可使該段呈黑色.ijCSTNGm0E4.2.2LCD顯示模塊LCDM<LiquidCrystalDisplayModule）在實際應用中,用戶很少直接設計LCD顯示器驅(qū)動接口,一般是直接使用專用地LCD顯示驅(qū)動器和LCD顯示模塊LCDM.vfB1pxanfkLCDM是把LCD顯示屏、背景光源、線路板和驅(qū)動集成電路等部件構(gòu)造成一個整體,作為一個獨立部件使用.其特點是功能較強、易于控制、接口簡單 ,在單片機系統(tǒng)中應用較多.其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下頁圖所示 .LCDM一般帶有內(nèi)部顯示 RAM和字符發(fā)生器,只要輸入ASCII碼就可以進行顯示.如圖4.2-1JbA9VhEou1模塊外觀液晶顯示器 目前常用地 LCD22/33個人資料整理 僅限學習使用是根據(jù)液晶地扭曲-向列效應原理制成地.這是一種電場效應,夾在兩塊導電玻璃電極之間地液晶經(jīng)過一定處理后,其內(nèi)部地分子呈90°地扭曲,這種液晶具有旋光特性.當線形偏振光通過液晶層時,偏振面回旋轉(zhuǎn)90°.當給玻璃電極加上電壓后,在電場地作用下液晶地扭曲結(jié)構(gòu)消失,其旋光作用也隨之消失,偏振光便可以直接通過.當去掉電場后液晶分子又恢復其扭曲結(jié)構(gòu).把這樣地液晶放在兩個偏振之間,改變偏振片地相對位置就可得到黑底白字或白底黑字地顯示形式 .LCD2地響應時間為毫秒級,域值電壓為3～20V,功耗為5～100mW/cm.X7Ahr18pJILCD常采用交流驅(qū)動,通常采用異或門把顯示控制信號和顯示頻率信號合并為交變地驅(qū)動信號.當顯示控制電極山上波形與公共電極上地方波相位相反時,則為顯示狀態(tài).顯示控制信號由C端輸入,高電平為顯示狀態(tài).顯示頻率信號是一個方波.當異或門地C端為低電平時,輸出端B地電位與A端相反,LCD兩端呈現(xiàn)交替變化地電壓,LCD顯示.常用地扭曲-向列型LCD,其驅(qū)動電壓范圍是3～6V.由于LCD是容性負載,工作頻率越高消耗地功率越大.而且顯示頻率升高,對比度會變差,當頻率升高到臨界高頻以上時,LCD就不能顯示了,所以LCD宜采用低頻工作.b3zqXLCqXoLCD地驅(qū)動方式分為靜態(tài)和時分割驅(qū)動兩種.不同地LCD顯示器要采用不同地驅(qū)動方式.靜態(tài)驅(qū)動方式地LCD每個顯示器地每個字段都要引出電極,所有顯示器地公共電極連在一起后引出.顯然顯示位數(shù)越多,引出線也越多,相應地驅(qū)動電路也越多,故適用于顯示位數(shù)較少地場合.時分割驅(qū)動方式實際上是用矩陣驅(qū)動法來驅(qū)動字符顯示.字段引線相當于行引線,公共電極相當于列引線,字符地每一個字段相當于矩陣地一個點 .pZyytu5rc5分時驅(qū)動是常用地時分割驅(qū)動方法 .分時驅(qū)動常采用偏壓法.4.3LCD顯示器地驅(qū)動接口驅(qū)動接口分為靜態(tài)驅(qū)動和時分割驅(qū)動兩種接口形式 .靜態(tài)LCD驅(qū)動接口地功能是將要顯示地數(shù)據(jù)通過譯碼器譯為顯示碼,再變?yōu)榈皖l地交變信號,送到LCD顯示器.譯碼方式有硬件譯碼和軟件譯碼兩種,硬件譯碼采用譯碼器,軟件譯碼由單片機查表地方法完成.DVyGZezsrMLCD地時分割驅(qū)動接口通常采用專門地集成電路芯片來實現(xiàn).MC145000和MC145001是較為常用地一種LCD專用驅(qū)動芯片.MC145000是主驅(qū)動器,MC145001是從驅(qū)動器.主、從驅(qū)動器都采用串行數(shù)據(jù)輸入,一片主驅(qū)動器可帶多片從驅(qū)動器.主驅(qū)動器可以驅(qū)動48個顯示字段或點陣,每增加一片從驅(qū)動器可以增加驅(qū)動44個顯示字段或點陣.驅(qū)動方式采用1/4占空系數(shù)地1/3偏壓法.RQxPvY3tFsMC145000地B1～B4端是LCD背電極驅(qū)動端,接LCD地背電極,即公共電極COM1～COM4.MC145000地F1～F12和MC145001地F1～F11端是正面電極驅(qū)動器,接23/33個人資料整理 僅限學習使用LCD地字段控制端.對于7段字符LCD,B1接a和f字段地背電極,B2接b和g地背電極,B3接e和c地背電極,B4接d和Dp地背電極.F1接d、e、c、f和g地正面電極,F2接a、b、c和DP地正面電極.DIN端是串行數(shù)據(jù)輸入端.DCLK是移位時鐘輸入端.在DIN端數(shù)據(jù)有效期間,DCLK端地一個負跳變,可以把數(shù)據(jù)移入移位寄存器地最高序號位,即MC145000地第48位或MC145001地第44位,并且使移位寄存器原來地數(shù)據(jù)向低序號移動一位.MC145000地最低位移入MC145001地最高位.串行數(shù)據(jù)由單片機80C31地P3.0端送出.首先送出MC145001地第一位數(shù)據(jù),最后送出MC145000地第48位數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)“1”使對應地字段顯示,“0”為不顯示.MC145000內(nèi)部顯示寄存器各位與顯示矩陣地對應關(guān)系如表4-10所示.MC145001與MC145000地區(qū)別只是少了F12端對應地一列,其它對應關(guān)系都一樣.5MxX1IxuU9MC145000帶有系統(tǒng)時鐘電路,在OSCIN和OSCOUT之間接一個電阻即可產(chǎn)生LCD顯示所