单片机手动光电脉冲发生器监测系统设计.docx

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单片机手动光电脉冲发生器监测系统设计

单片机手动光电脉冲发生器监测系统设计

摘要

光电脉冲发生器是一种以高精度计量圆光栅作为检测元件并集光、机、电于一体的数字测角传感器,它采用光电转换技术可将机械轴的角位置信息转换成相应的电脉冲或数字量输出,因而可实现对角度、位移、速度和其它机械物理量的测量。

是目前常用的测量角度精度较高的传感器件，在某些自动测试系统中是不可缺少的传感元件，是目前应用最多的传感器。

具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。

它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。

在位置控制系统中，由于用手摇光电脉冲发生器既可能正转，也可能反转，所以要对其输出的脉冲进行计数，要求相应的计数器既能实现加计数，又能实现减计数，即进行可逆计数。

其计数的方法有多种，包括纯粹的软件计数和硬件计数[8]。

本此设计首先对这两种常用的计数方法进行了分析，对其优缺点进行了对比，最后选用了一种新的计数方法，从波形分析入手,提出一种基于纯软件编程的方法，即将手动光电脉冲发生器与AT89C51单片机连接，利用AT89C51单片机内部的中断，实现对光电脉冲发生器输出脉冲的加减可逆计数，并将转换的数字显示在与单片机相连的MAX7219数码管上。

这种设计既节省了硬件资源，又能得到较高的计数频率。

通过这个设计可以实现由单片机对手动光电脉冲发生器的监测，即实现对角度、位移等物理量的测量。

该方法不仅使用方便、测量准确，而且成本较低，在自动测试系统中经常采用这种测量方法。

关键词：

手动光电脉冲发生器，单片机，加减计数，传感器，监测

SCMPHOTELECTRICPULSEGENERATORMANUALMONITORINGSYSTEMDESIGN

ABSTRACT

Photoelectricpulsegeneratorisahigh-precisionmeasurementtogratingasaround-detectiondevicesandoptical,mechanical,electricalintegrationinthedigitalanglemeasurementsensors,usingphotoelectricconversiontechnologycouldbemechanicalshaftanglelocationinformationintotheappropriatepowerPulseordigitaloutput,thusachievingthepointofview,displacement,velocityandothermechanicalphysicalmeasurement.Isthecommonpointofhighprecisionmeasurementsensors,insomeautomatictestsystemisindispensableinthesensor,isthelargestnumberofsensorapplications.Havealotofadvantageslikesmallvolume,highaccuracy,reliability,digitalinterfaceandsoon.ItwidelyusedinCNCmachinetools,turret,servedrive,robotics,radarandmilitarytargets,suchastheneedofdetectionangleoftheinstallationsandequipment.

Inthepositioncontrolsystem,usinghandbecausebothphotoelectricpulsegeneratormaybetransferred,itmayreverse,sotothepulseofitsoutputtocountforthecorrespondingcounternotonlytoachieveandcount,canachievebycounting,Thatisreversiblecount.Therearealotofwaysforcounting,includingsimplycountingsoftwareandhardwarecount.Thedesignofthisfirstcountofthetwocommonlyusedmethodsforanalysis,itsadvantagesanddisadvantagescomparedwiththefinalchoiceofanewcountingmethod,fromthestartwaveformanalysis,apuresoftware-basedprogrammingapproach,PhotoelectricforthcomingmanualpulsegeneratorconnectedwiththeAT89C51SCM,usingSCMAT89C51internaldisruption,andthephotoelectricpulsegeneratoroutputpulseofplusorminusreversiblecount,andconversionofdigitaldisplaywiththemonolithicMAX7219-connecteddigitalpipe.Thisdesignnotonlysavethehardwareresource,canbecountedahigherfrequency.

ThroughthisdesigncanbeachievedbytheMCUtomanuallymonitorthephotoelectricpulsegenerator,toachievethepointofview,displacement,suchasphysicalmeasurement.Thismethodnotonlyeasytouse,measureaccurately,butalsolowercostsintheauto-testingsystemfrequentlyusedinthismeasurementmethod.

KEYWORDS：

photoelectricmanualpulsegenerator，single-chipmicrocomputer，reversiblecounting，sensors，monitoring

前言

1970年微处理器研制成功之后，随着就出现了单片机（即单片的微型计算机）。

1971年美国Intel公司生产的4位单片机4004和1972年生产的雏型8位单片机8008，特别是1976年9月Intel公司的MCS-48单片机问世以来，在短短的十几年间，经历了多次更新换代，其发展速度大约每二、三年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。

发展速度之快、应用范围之广已达到了惊人的地步。

它已渗透到生产和生活的各个领域，可谓无孔不入。

单片机应用的意义绝不限于它的功能，以及所带来的经济效益上。

更重要的意义在于，单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。

从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了，这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。

这标志着一种全新概念的建立。

随者单片机应用技术的推广普及，微控制技术必将不断发展，日益完善，更加充实。

光电脉冲发生器是一种以高精度计量圆光栅作为检测元件并集光、机、电于一体的数字测角传感器,它采用光电转换技术可将机械轴的角位置信息转换成相应的电脉冲或数字量输出,因而可实现对角度、位移、速度和其它机械物理量的测量。

是目前常用的测量角度精度较高的传感器件，在某些自动测试系统中是不可缺少的传感元件，是目前应用最多的传感器。

具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。

它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。

本设计从光电脉冲发生器发出的波形分析入手,提出一种基于纯软件编程的方法，即将手动光电脉冲发生器与AT89C51单片机连接，利用AT89C51单片机内部的中断，实现对光电脉冲发生器输出脉冲的加减可逆计数，并将转换的数字量显示在与单片机相连的7219数码管上。

这种设计既节省了硬件资源，又能得到较高的计数频率。

通过这个设计可以实现由单片机对手动光电脉冲发生器的监测，即实现对角度、位移等物理量的测量。

该方法不仅使用方便、测量准确，而且成本较低，在自动测试系统中经常采用这种测量方法。

第1章绪论

§1.1单片机的发展概况

自1976年9月Intel公司推出MCS-48单片机以来，有关公司都争相推出各自的单片机。

如GI公司推出PIC1650系列单片机，Rockwell公司推出了与6502微处理器兼容的R6500系列单片机。

1978年下半年Motorola公司推出M6800系列单片机，Zilog公司相继推出Z8单片机系列。

1980年Intel公司在MCS-48系列基础上又推出了高性能的MCS-51系列单片机。

这类单片机均带有串行I/O口，定时器/计数器为16位，片内存储容量（RAM，ROM）都相应增大，并有优先级中断处理功能，单片机的功能、寻址范围都比早期的扩大了，它们是当时单片机应用的主流产品。

1982年Mostek公司和Intel公司先后又推出了性能更高的16位单片机MK68200和MCS-96系列，NS公司和NEC公司也分别在原有8位单片机的基础上推出了16位单片机HPC16040和μPD783××系列。

1987年Intel公司又宣布了性能比8096高两倍的CMOS型80C196，1988年推出带EPROM的87C196单片机。

由于16位单片机推出的时间较迟、价格昂贵、开发设备有限等多种原因，至今还未得到广泛应用。

而8位单片机已能满足大部分应用的需要，因此，在推出16位单片机的同时，高性能的新型8位单片机也不断问世。

目前国际市场上8位、16位单片机系列已有很多，但是，在国内使用较多的系列是Intel公司的产品，其中又以MCS-51系列单片机应用尤为广泛，二十几年经久不衰，而且还在更进一步发展完善，价格越来越低，性能越来越好。

§1.1.1CPU的发展

增加CPU的字长或提高时钟频率均可提高CPU的数据处理能力和运算速度。

CPU的字长目前有8位、16位和32位。

时钟频率高达20MHz的单片机也已出现。

还有的8位单片机其算术逻辑运算部件（ALU）却是16位，内部采用16位数据总线。

如NEC公司的μPD7800系列的8位单片机，Mitsubishi公司的M37700系列单片机，它们的数据处理能力和速度比一般8位单片机强，如μPD7800系列单片机作一次16位乘以16位的乘法用3.2μs。

16位除以8位的除法用3.0μs。

32位除以16位的除法用8.3μs。

另外，单片机内部采用双CPU结构能大大提高处理能力，如Rockwell公司的R6500/21和R65C29单片机。

由于片内有两个CPU能同时工作，可能更好地处理外围设备的中断请求，克服了单CPU在多重高速中断响应时的失效问题。

同时，由于双CPU可以共享存储器和I/O接口的资源，因此，还可更好地解决信息通信问题。

如Intel公司的8044，它的内部实际上是8051和SIU通信处理机组成，由SIU来管理SDLC的通信，这样既加快了通信处理的速度，同时，还减轻了8051的处理负担。

§1.1.2片内存储器的发展

（1）.扩大存储容量

早期单片机的片内存储器，一般RAM为64～128字节，ROM为1K～2K字节，寻址范围为4K字节。

新型单片机片内RAM为256字节，ROM多达16K字节。

如Intel公司的8052，片内ROM为8K字节。

通用仪器公司的70120片内ROM容量为12K字节。

片内ROM容量最大的是日立公司的MC6301Y为16K字节。

新型单片机的寻址范围可扩大到64K字节，甚至128K字节（其中随机存储器RAM容量为64K字节，只读存储器ROM容量64K字节）。

这类单片机有Intel公司的MCS-51系列和Zilog公司的Z8601，Z8603，Z8611，Z8681等。

内部ROM分可擦除和一次性可编程（OTP）两种，前者价高，技术开发时使用，后者价低，开发成功后，一次性固化在产品上使用，须注意的是一次性固化在产品上使用的必须是成熟产品，否则会造成经济损失。

如PIC系列。

（2）.片内EPROM开始E2PROM化

早期单片机内ROM有的采用可擦式的只读存储器EPROM，然而EPROM必须要高压编程，紫外线擦除，给使用带来不便。

近年来，推出的电擦除可编程只读存储器E2PROM可在正常工作电压下进行读写，并能在断电的情况下，保持信息不丢失。

因此，有些厂家已开始用E2PROM替代原来的片内EPROM。

如TI公司和Seeq公司的72710（1K字节E2PROM），72720（2K字节E2PROM），Motorola公司的68HC11A2（2K字节E2PROM），68HC805C4（4K字节的E2PROM），TEXAS仪器公司的77C82（8K字节E2PROM）。

由于写入E2ROM的数据能永久保存，因此，有些厂家已开始将E2PROM用作片内ROM，甚至用作片内通用寄存器。

这样就可省去备用电池了。

（3）.闪速存储器

随着CMOS工艺的改进和提高，闪速存储器在不断发展和完善，应用越来越广，容量越来越大，价格越来越低，闪存技术在各个领域得到应用。

如ATMEL公司将闪存技术应用到单片机中，生产出了带闪速存储器的AT89系列。

对一些小系统，外部可以不用扩展存储芯片，从而使得只用单片机就能构成一个完整的控制系统。

PIC系列也有带闪的存储芯片。

（4）.串行存储器

I/O总线的快速发展，使得串行数据存储器在容量和存储速度上有了很大的提高，由于它体积小，口线少，价格低，从而也得到了广泛的应用。

（5）.片内程序的保密措施

为了使片内EPROM（或E2PROM）内容不被复制，一些厂家对片内EPROM（或E2PROM）采用加锁技术。

如：

Intel公司8X252，加锁后的EPROM（或E2PROM）中的程序只能供片内CPU读取，不能从片外读取，否则必须先开锁，开锁时，CPU先自动擦除EPROM（或E2PROM）中的信息，从而达到程序保密的目的。

§1.1.3片内输入输出接口功能

最初的单片机，片内只有并行输入/输出接口、定时器/计数器，它们的功能较弱，实际应用中往往需要通过特殊的接口扩展功能，从而也增加了应用系统结构的复杂性。

近年来，新型单片机内的接口，无论从类型和数量上都有很大的发展。

这不仅大大提高了单片机的功能，而且使系统的总体结构也大大简化了。

例如，有些单片机的并行I/O口，能直接输出大电流和高电压，可直接用于驱动荧光显示管（VFD）、液晶显示器（LCD）和数码显示管（LED）等，应用系统中就不再需要外部驱动电路。

再如有些单片机，片内含有A/D转换器，在一些实时控制系统中可省掉外部A/D转换器。

目前，在单片机中已出现的各类型新型接口有数十种：

如A/D转换器、D/A转换器、DMA控制器、CRT控制器、LCD驱动器、LED驱动器、VFD驱动器、正弦波发生器、声音发生器、字符发生器、波特率发生器、锁相环、频率合成器、脉宽调制器等等。

虽然一个单片机内只含若干种接口，但其功能却比初期的单片机强得多。

因此，用它可作为高速主机（80286/80386）的通用外设接口。

例如以UPI-452中的128字节的FIFO作为高速主机与慢速外设传送数据的缓冲器，然后通过UPI-452的DMA控制器进行快速数据传送。

§1.2光电编码器的发展概况

§1.2.1光电编码器的概述

手动光电脉冲发生器是的光电编码器的一种。

光电编码器是一种以高精度计量圆光栅作为检测元件并集光、机、电于一体的数字测角传感器,它采用光电转换技术可将机械轴的角位置信息转换成相应的电脉冲或数字量输出。

光电编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性而被广泛用于各种角度、速度和其它机械物理量的测量。

光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字检测装置。

作为一次光电传感检测元件的光电编码器，具有精度高、响应快、抗干扰能力强、性能稳定可靠等显著的优点。

按结构形式可分为直线式编码器和旋转式编码器两种类型。

旋转编码器主要由光栅、光源、检读器、信号转换电路、机械传动等部分组成。

从光电编码器的输出信号种类来划分，可分为增量式和绝对值式两大类，其中绝对值式又分为单圈和多圈两种[7]。

近年来,随着计算机技术、光通信以及光电子器件的发展,光电编码器的研制水平进一步提高,新产品不断出现,技术更加完善,尤其在欧美、日本等一些发达国家,其产品不仅技术性能好,而且成本较低,种类齐全,处于领先水平。

由于光电编码器具有高精度、高分辨力、低能耗、非接触测量及输出稳定等优点,因而在现代的军事、航天、机器人工业…

§1.2.2光电编码器的发展历程

（1）.从接近开关与光电开关到旋转编码器

工业控制中的定位，接近开关、光电开关的应用已经相当成熟了，而且很好用。

可是，随着工业控制的不断发展，对精确定位的要求越来越高，选用旋转编码器的应用优点就更加突出了。

信息化：

除了定位，控制室还知道被控器件的具体位置。

柔性化：

定位可以在控制室柔性调整。

现场安装的方便、安全和长寿：

拳头大小的一个旋转编码器，可以测量从几个微米到几百米的距离，n个工位。

只要解决旋转编码器的安全安装问题，就可以避免诸多接近开关、光电开关在现场机械安装麻烦以及容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。

由于是光电码盘，无机械损耗，只要安装位置准确，其使用寿命往往很长。

多功能化：

除了定位，还可以远传当前位置，换算运动速度，对于变频器、步进电机等的应用尤为重要。

经济化：

对于多个控制工位，只需一个旋转编码器的成本，安装、维护、损耗成本降低，使用寿命增长，其经济化逐渐突显出来。

（2）.从增量式编码器到绝对式编码器

旋转增量式编码器转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。

这样，当停电后，编码器不能有任何的移动；当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。

解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。

在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。

为此，在工业控制中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。

比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。

这样的方法对有些工业控制项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确位置），于是就有了绝对编码器的出现。

绝对编码器编码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排，这样在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为绝对编码器。

这样的编码器是由编码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。

绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。

这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。

由于绝对编码器在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工业控制定位中。

（3）.从单圈绝对式编码器到多圈绝对式编码器

旋转单圈绝对式编码器，以转动中测量编码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360°时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码器只能用于旋转范围360°以内的测量，称为单圈绝对式编码器。

如果要测量旋转超过360°范围，就要用到多圈绝对式编码器。

编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器。

它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。

另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多这样在安装时不需费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，大大简化了安装调试难度。

多圈式绝对编码器在长度定位方面的优势明显，已经越来越多地应用于工控定位中。

绝对型旋转编码器的机械安装有高速端安装、低速端安装、辅助机械装置安装等多种形式。

§1.3国内外同类研究的概述

§1.3.1单片机的概述

AT89C51单片机是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[15]。

§1.3.2光电脉冲发生器的概述

光电脉冲发生器以其高精度、高分辨力、高频响以及体积小、重量轻、结构简单、可实现数字量输出等综合技术优势在现代精密测量与控制设备中得到了广泛应用，是工业控制中比较理想的测量位移、角度和速度等物理量的传感器。

光电脉冲发生器是一种集光、机、电为一体的数字检测装置。

作为光电传感检测元件的光电脉冲发生器，具有精度高、响应快、抗干扰能力强、性能稳定可靠等显著的优点。

随着光电科学的发展，采用新原理、应用新技术的各类新型光电脉冲发生器将会不断出现，并向着小型化、智能化和集成化的方向发展，以满足各个领域多种应用场合的需要。

光电脉冲发生器主要由光栅、光源、检读器、信号转换电路、机械传动等部分组成。

从光电脉冲发生器的输出信号种类来划分，可分为增量式和绝对值式两大类。

光电脉冲发生器最适合数控机床的零点补正及信号分割，光电脉冲发生器使用起来非常方便。

可有效遥控X、Y、Z轴的动作方向及倍率放大。

驱动器输出抗干扰能力强，可长距离传输。

近年来,随着计算机技术、光通信以及光电子器件的发展,光电脉冲发生器的研制水平进一步提高,新产品不断出现,技术更加完善,尤其在欧美、日本等一些发达国家,其产品不仅技术性能好,而且成本较低,种类齐全,处于领先水平。

由于光电脉冲发生器具有高精度、高分辨力、低能耗、非接触测量及输出稳定等优点,因而广泛应用在现代的军事、航天、机器人工业…

§1.4本课题研究的依据与意义

光电脉冲发生器是一种以高精度计量圆光栅作为检测元件并集光、机、电于一体的数字测角传感器,它采用光电转换技术可将机械轴的角位置信息转换成相应的电脉冲或数字量