位移测量系统的设计.docx
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位移测量系统的设计
摘要
在现代工业生产过程中，常常需要测量很多不同的位移量。
与此同时对位移量进行较为精确地检测，是提高控制精度的基础。
因此之前所普遍采用的传统位移测量装置已经不能适应时代发展的潮流。
在此情况下通过科研人员的不断努力终于研制出了数字式光电编码器,它的输入量是角位移量其输出量是相应的电脉冲,并且它有体积小，精度高的优点。
故而，这次毕业设计选用的是光电编码器。
本次毕业设计是以AT89C51单片机为核心，用光电编码器来实现对位移量的精确测量，再将测量结果显示在LCD液晶显示器上。
其中本次设计中所选用的是输出电压为5V的光电编码器。
本文由浅入深先介绍了一些关于位移测量的基本原理，进而阐述了各个模块的设计思路，工作过程以及显示效果。
本文借鉴了一些当前较为流行的设计思想，例如硬件软件化，很好的满足了设计要求。
关键词：
位移，测量，光电编码器，单片机，LCD显示器
Abstract
Inthecontrolfield,avarietyofdisplacementmeasurementsoftenneedtobecarriedout.Inactualindustrypositioncontroldomain,toincreasethecontrolprecision,carriesontheexaminationtothecontrolledmemberisaccuratelyveryimportant.Thetraditionalmachinerysurveydisplacementinstallshasnotbeenabletosatisfythemodernproductionbyfartheneed,butthedigitalsensorelectro-opticencoder,cantransformtheangulardisplacementintowithitcorrespondenceelectricitypulseoutput,mainlyusesinthemechanicalpositionandthevelocityofwhirlexamination,hastheprecisiontobehigh,volumesmallandsooncharacteristics,thereforethisdesigndecidedthatusestheelectro-opticalencodertocarryonthedisplacementtoexamine.
Thisdesigntousetheelectro-opticalencodertorealizethedisplacementsurveyandthesimulation,realizesthesurveyfromtheexteriordifferentdisplacementvalueandthedemonstration.Makesconcreteusingat89C51monolithicintegratedcircuitisthecore,theelectro-opticalencodercarriesonthedisplacementtosurvey,simultaneouslybyLCDliquidcrystaldisplaymoduledemonstration.Thisdesignusestheelectro-opticalencoderoutputvoltageis5V,theoutputsignalafterfourdoublingcircuitprocessingsendsinthemonolithicintegratedcircuittocarryoncountingprocessing,finallysendsintheLCDmoduledemonstration.
Inthispaper,detailedworkingprocessofdisplacementmeasurementsystemisstartedwithprincipleofdisplacementmeasurement,andhardwarecircuitdesignanddisplay.Thispaperhasabsorbedtheideaofhardwareandsoftwaretoachievewiththesubjectrequiredfunctionality.
Keywords:
Thedisplacementsurveys,electro-opticalencoder,microcontroller,LCDdisplaymodule
第一章绪论·················································
1.1位移测量及其传感器简介··································
1.2光栅位移测量技术简介··································
第二章原理及方案说明···································
2.1方案选择及原理··········································
2.1.1鉴相原理·············································
2.1.2脉冲的鉴相和计数的软件实现方法···························
2.1.3脉冲的鉴相和计数的硬件实现方法···························
2.1.4用单片机内部计数器实现可逆计数·······················
2.2位移测量参数及电路参数分析······························
2.2.1MCS-51的定时器/计数器简介····························
2.2.2定时器模式选择位·····································
第三章系统电路的设计········································
3.1硬件电路的设计···········································
3.1.1单片机的选择·········································
3.1.2AT89C51的介绍········································
3.1.31XP8001-1简介········································
3.2软件的设计···············································
第四章显示部分···············································
4.1LCD显示器················································
4.2LCD分类及特点······································
4.3LCD1602液晶显示器································
第五章仿真实现················································
5.1PROTEUS仿真软件简介·······································
5.2KEIL软件的简介··································
结论······························································
致谢······························································
参考文献··························································
第一章绪论
1.1位移测量及其传感器简介
位移包括线位移和角位移。
在工业生产过程中需要大量的位移检测，而且位移检测还是测量诸如力、扭矩、速度、加速度、流量等参数的基础。
位移是矢量，其不仅具有大小，而且还具有方向。
在实际测量中，应使二者方向重合，这样才可以得到比较满意的测量结果。
若二者的方向不重合，则会使测量结果产生较大的误差。
在具体测量时，要依据测量对象的不同，而灵活选择测量点、方向与系统。
位移传感器，放大电路以及显示器组成了位移测量系统。
其中选用合适的位移传感器是本次设计的关键。
应用场合不同，所选用的传感器也不同。
表1.1-1中是一些主要位移传感器的性能与特点的介绍。
表1.1-1常用位移传感器一览表
型式
测量范围
精确度
直线性
特点
电
阻
式
滑线式
线位移
1~300mm
±0.1%
±0.1%
分辨力较好，可静态或动态测量。
机械结构不牢固
角位移
0~360°
±0.1%
±0.1%
变阻器式
线位移
1~1000mm
±0.5%
±0.5%
结构牢固，寿命长，但分辨力差，电噪声大
角位移
0~60r
±0.5%
±0.5%
应
变
式
非粘贴的
±0.15%应变
±0.1%
±1%
不牢固
粘贴的
±0.3%应变
±2%~3%
使用方便，需温度补偿
半导体的
±0.25%应变
±2%~3%
满刻度 ±20%
输出幅值大，温度灵敏性高
电
感
式
自感式
变气隙型
±0.2mm
±1%
±3%
只宜用于微小位移测量
螺管型
1.5~2mm
测量范围较前者宽，使用方便可靠，动态性能较差
特大型
300~2000mm
0.15
%
~1%
差动变压器
±0.08~75mm
±0.5％
±0.5%
分辨力好，受到磁场干扰时需屏蔽
涡电流式
±2.5~±250mm
±1
%
~3%
＜3%
分辨力好，受被测物体材料、形状、加工质量影响
同步机
360°
±0.1°~±7°
±0.5%
可在1200r/min转速工作，坚固，对温度和湿度不敏感
微动同步器
±10°
±1%
±0.05%
非线性误差与变压比和测量范围有关
旋转变压器
±60°
±0.1%
电
容
式
变面积
10-3~103mm
±0.005%
±1%
受介电常数因环境温度、湿度而变化的影响
变间距
10-3~10mm
0.1%
分辨力很好，但测量范围很小，只能在小范围内近似地保存线性
霍尔元件
±1.5mm
0.5%
结构简单，动态特性好
感应
同步
器
直线式
10-3~104mm
2.5μm
~
250mm
模拟和数字混合测量系统，数字显示（直线式感应同步器的分辨力可达1μm）
旋转式
0o~360°
±0.5°
计量
光栅
长光栅
10-3~103mm
3μm
~
1m
同上（长光栅分辨力可达1μm）
圆光栅
0o~360°
±0.5”
磁尺
长磁尺
10-3~104mm
5μm
~
1m
测量时工作速度可达12m/min
圆磁尺
0o~360°
±1”
角度
编码
器
接触式
0o~360°
10-6rad
分辨力好，可靠性高
光电式
0o~360°
10-6rad
本次毕业设计所采用的光电编码器具有许多优点，比如响应快、精度高、抗干扰能力强等。
正是基于其诸多优点，使得其在很多领域都发挥着不可替代的作用。
本设计位移的测量就是用单片机和光电编码器来实现的。
1.2光栅位移测量技术简介
很早以前人类就发现了光栅，但由于当时人们认知水平的不足以及技术因素的局限，光栅并没有得到广泛的应用。
第三次工业革命以后，不论是认知水平还是技术水平都已经达到了相当高的水准。
在此情况下，光栅的莫尔条纹现象引起了科学界的重视，并很快在位移测量等领域得到了广泛的应用。
由此就产生了一种新型传感器即光栅式传感器。
光栅式传感器不仅精度高而且可以进行动态测量，也便于控制的自动化。
尤其它强大的抗干扰能力，进一步推动了其应用领域的不断扩大与深入。
不可否认，在传感器与检测技术方面日本始终处于世界领先水平，就是美国也是望其项背。
日本产的传感器不论是测量精度还是质量方面都是一流的，毫不夸张的说，日本代表了当今世界传感器技术的最高水平。
当然在光栅式传感器方面也是如此。
例如有日本尼康公司所生产的轴角编码器，每转可输出的脉冲高达1296万，可谓是当今世界的分辨率之最。
改革开放以来，经过我国科学家的不断努力，我国在光栅式位移传感器领域也取得了巨大进步。
虽说如世界先进水平还有不小的差距，当相比之前也已经是相当了不起的进步了。
第二章原理及方案说明
2.1方案选择及原理
光电编码器常常应用于高精度控制系统中。
其位移测量原理：
光电编码器会产生两路脉冲，以A、B脉冲命名，两路脉冲的相位差相差90°。
为了确定电机的正反转，可以事先规定：
若脉冲A超前脉冲B90°则为正转；若脉冲A滞后脉冲B90°则为反转。
显然位移量与脉冲数的关系是正比。
因此只要确定了二者之间的比例关系就可以方便的得出位移量的大小。
这种方法的优点是既方便又精确而且成本又很低。
通过上述原理可知，计数的准确与否对于位移的测量是至关重要的。
在实际的位移测量系统中计数器必须可以加、减计数，这是因为电机可以正、反转，故而计数器应与之相适应。
一般来说设计方法可以分为硬件设计方法和软件设计方法。
硬件设计的优点是响应速度快，时效性好，可靠性高。
其缺点是电路设计比较复杂，而软件设计却与之相反。
总之二者各有优劣，应针对不同的情况灵活选择。
本次设计中的计数方案是：
先对编码器的脉冲输出进行鉴相以确定电机的正反转，其次根据鉴相的结果来进行与之相应的加或减计数。
2.1.1鉴相原理
当今脉冲鉴相方法主要有两种,一种是软件鉴相法，另一种是D触发器鉴相法。
图1是编码器输出脉冲相位与其正反转之间的对应关系。
图2.1-1 编码器输出波形
2.1.2脉冲鉴相与计数的软件实现方法
由下图所示光电编码器所输出的A相脉冲接至单片机的INT0中断口，B相脉冲接至单片机的P1.0口。
具体的工作过程是：
把INT0的触发方式设置成下降沿触发，且开启与之对应的中断。
当中断被触发时，系统自动进入中断服务程序，与此同时开始判别B相脉冲电平的高低。
若为高电平说明电机正转进行加1计数；若为低电平说明电机反转进行减1计数。
图2.2-2 计数与判向电路的软件实现
2.1.3脉冲鉴相和计数的硬件实现方法
相较于软件计数硬件计数优势显著，那就是计数执行速度远远快于软件计数。
但硬件计数缺点也很明显那就是外围电路复杂，不仅使设计成本大大增加而且由于所使用的元件多不易调试且容易出错。
下图就是实际使用时所用的硬件计数电路图
图2.2-3 加减计数芯片74LS193
图2.2-4 光电编码器输出脉冲的鉴相及其计数
2.1.4用单片机内部计数器实现可逆计数
通过对以上两种计数实现方法的分析可以得出这样的结论：
针对这次毕业设计两种方法均不太合适。
其实本次设计可以直接使用单片机内置的计数器就可以很好的实现加减计数。
单片机8051片内有2个16位定时计数器（定时器0和定时器1），但问题是这两个定时计数器是加1计数器不能直接使用，所以需要通过合适的编程来实现“减”计数功能。
硬件电路如图5所示。
图2.2-5 单片机内部计数器加减计数的硬件结构
把光电编码器输出的A接至D触发器的D端同时再接至T0端，B相脉冲接至触发器的CLK端，同时触发器的输出信号DIR一路接至INT0，另一路经反相器后接入INT1端。
设计思想是：
让INT0、INT1工作于下降沿触发方式，这样当DIR信号脉冲改变时会触发两个中断中的一个。
当INT1中断时，进行加计数，反之，当INT0中断时，进行减计数。
这种设计思想可以用C语言编程得到很好的实现。
以下就是C语言程序：
#include
intdatak=1;
voidservice_int0（）interrupt0using0
{k--;/*标志位减1*/
TR0=0;/*停止计数*/
TH0=-TH0;
TL0=-TL0;/*把计数器重新复值，此时相当于减计数*/
TR0=1;/*开始计数*/
}
voidservice_int1（）interrupt2using1
{k++;/*标志位加1*/
TR0=0;/*停止计数*/
TH0=-TH0;
TL0=-TL0;/*把计数器重新复值，此时相当于加计数*/
TR0=1;/*开始计数*/
}
voidtimer0（void）interrup1using2
{if（k=0）
/*反向计数满*/
elseif（k=1）
/*计数为0*/
else
/*正向计数满*/
}
voidmain（void）
{TCON=0X05;/*设置下降沿中断*/
TMOD=0X05;/*T0为16位计数方式*/
IE=0X87;/*开中断*/
TH0=0;
TL0=0;/*预置初值*/
}
这种计数方法很好的避开了软件计数法和硬件计数法的弊端，其硬件电路并不复杂且编程较为简单而且大大提高了执行速度。
以上分别介绍了软件计数法、硬件计数法以及利用单片机内置计数器计数实现法。
软件计数法电路简单但CPU资源被大量占用以致使执行速度慢难以满足计数的实效性。
硬件计数法CPU资源占用少、执行速度快但外围电路复杂容易出错。
而利用单片机内部计数器来实现技术可以很好的满足设计要求。
因此选用第三种计数方法，即利用单片机内部定时计数器实现可逆计数。
2.2位移测量参数及电路参数分析
在本设计的仿真中，光电编码器产生的A,B相方波用protues中的信号源加不同的起始时间来模拟。
一个用原始的，还有一个用延时1/4周期。
变换方向时将两个信号调换就行了。
2.2.151系列单片机的定时器/计数器简介
51系列单片机有两个内置的定时计数器，以T0、T1命名。
两个定时计数器均可以通过编程来设置它们的工作方式、量程、以及启动方式。
与T0、T1定时计数器的控制相关的寄存器有两个，它们分别是TMOD模式控制寄存器和TCON控制寄存器。
其中有关TMOD模式控制寄存器的各个位的定义
如图2.3-1所示。
及表2.3-1
图2.3-1TMOD寄存器用于定时/计数的操作方式及工作模式指令格式
2.2.2.定时器模式选择位
C/T＝0，定时器模式，每一个机器周期计数器自动加1。
C/T＝1，计数器模式，在单片机T0引脚上每发生一次负跳变，计数器自动加1。
GATE＝0，定时/计数器工作不受外部控制。
GATE＝1，定时/计数器T0的起停受INT0引脚的控制。
1.计算计数初始值
因为系统的晶振频率为fosc=12MHz，则机器周期Tm=12/fosc=1μs。
设计数初始值为X：
X=216-td/Tm=216-1×105/1=15535
则（TH0）=00111100B＝3CH，（TL0）=10101111B=AFH
2.设置工作方式
方式0：
M1M0=01；定时器模式：
C/T=1；
定时/计数器启动不受外部控制：
GATE=0；
因此，（TMOD）=05H。
第三章系统电路的设计
3.1硬件电路的设计
位移测量设计的整个系统框图如下：
图3.1-1系统硬件组成框图
上图中所示的由光电编码器所输出的A相、B相脉冲的前后沿均与光电码盘的四分之一节距信息相对应。
如果直接将这两路脉冲信号送入单片机通常会产生较大的误差。
因此，必须采取必要的设计来减少误差，可用四倍频方法来对脉冲信号进行处理，这样可以大大提高测量精度。
四倍频电路设计图如图3.1-2所示，与之对应的时序图如图3.1-2所示。
由时序图3.1-2可以看出，经四倍频电路处理后，输出信号由A、B变为YA，YB信号，在同一时刻，XA，XB一个是脉冲信号，另一个是高电平。
因此，将XA，XB两个信号送入单片机对应的端口上，则电机的转向和位移量只需通过对XA、XB信号判断、计数和计算就能得到。
图3.1-2四倍频设计电路
图3.1-3四倍频电路时序图
3.1.1单片机的选择
在微型计算机问世后，大大带动了计算机硬件系统的发展，通用微处理器的发展更新速度达到了惊人的状态，由此大量的通用微型计算机不断面世且性能很好。
随着以上元器件技术的不断发展，单片机的发展速度越来越快，且应用面不断扩大，取得了令人欣喜的成果，其发展可以分为三个阶段：
1974年—1978年，为初级单片机阶段，Intel公司于1974年首先研制成功了MCS—48系列单片机，这种单片机使用了专门的结构设计。
其内部包括8位CPU、并行IO端口、8位定时计数器、RAM、ROM等等。
1978年—1983年，为高性能单片机阶段，由于在初级单片机阶段单片机市场去得了空前的成功，其发展前景十分乐观，致使许多公司都纷纷致力于单片机的研发，这有极大的促使了单片机技术的飞速发展。
因为Intel公司早早确立了其在单片机开发领域的领先优势，故而这一代的单片机中还是Intel公司的MCS—51系列一枝独秀。
它具有完善的外部总线以及实现了单片机的控制功能，并由此形成了完整的并行三总线结构。
1983年—至今，随着单片机技术的不断深入，单片机的发展已经进入了不断完善与深入的阶段，其发展朝着大容量、高速度方向不断推进着，形成了8位单片机不断完善、巩固与提高，16位、32位、64位单片机奋力研制的格局。
由于近些年来各个半导体厂商的不断研发，单片机领域出现了百花齐放、百家争鸣的喜人局面，以致使单片机的家族越来越庞大，单片机的型号可谓是纷繁庞杂。
当然对于本次毕业设计我们采用的还是Atmel公司的经典单片机产品AT89C51。
特别值得一提的是，改革开放以来我国在单片机领域也已经取得了长足的进步。
我国台湾华邦公司所生产的W78E51系列单片机，其技术已是相当成熟了，形成了一套完整的产品体系。
具体来说，华邦公司所生产的单片机具有很多优点，比如，性价比高、功能强大、产片体系健全等等。
其产品可分为四个档次：
标准系列、宽工作电压系列、涡轮—51系列、工作级别系列。
3.1.2AT89C51介绍
在当今世界单片机领域众多的
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