关于简易直线位移测量系统设计毕业论文.docx
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关于简易直线位移测量系统设计毕业论文
福州大学至诚学院
本科生毕业设计（论文）
题目：
简易直线位移测量系统设计
姓名：
罗满知
学号：
210792444
系别：
机械工程
专业：
机械设计制造及其自动化
年级：
2007级
指导教师：
倪霞林
年月日
独创性声明
本毕业设计（论文）是我个人在导师指导下完成的。
文中引用他人研究成果的部分已在标注中说明；其他同志对本设计（论文）的启发和贡献均已在谢辞中体现；其它内容及成果为本人独立完成。
特此声明。
论文作者签名：
日期：
关于论文使用授权的说明
本人完全了解福州大学至诚学院有关保留、使用学位论文的规定，即：
学院有权保留送交论文的印刷本、复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅；学院可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存论文。
保密的论文在解密后应遵守此规定。
论文作者签名：
指导教师签名：
日期：
简易直线位移测量系统设计
摘要
位移传感器装置是生产生活中十分重要的产品，也是很早期的产品，随着信息化时代的到来，这些产品也向更准确、更便利、更人性化的方向发展。
位移传感器不在限制于原来的传统模式，本次设计为集信号采集和显示一体的直线位移测量系统，并且数据可以传输到PC系统，为信息化处理提供了便利。
更加符合现代工业生产中信息化管理的要求。
进入信息化平台为工业生产提供极大便利。
系统的信号采集装置为自行设计的编码器，其利用光栅原理，通过简易的带孔主尺、副尺采集到正交的A、B信号。
此时信号为正交正弦信号，再通过用LM339芯片设计的电压比较电路，就得到了正交方波信号。
正交方波信号输入单片机，单片机通过比对不同时刻A、B信号的变化得到四种不同的状态，由此可以将正交方波信号四细分。
单片机程序通过方波变化进行计数，并通过定时器计时，由这两个数据便可得出测量尺的位移、速度、加速度等测量量。
得到的计数和时间数据通过RS232串口和MAX232电平转换芯片所组成的通信线路传输到PC，PC通过VisualBasic6.0设计程序的Mscomm控件接受到数据，并在VB程序中进行数据进制转换，而后计算出所需的位移、速度、加速度值，通过设计的显示界面显示出来。
关键词位移传感器，光栅，VB6.0，正交信号，信息化
Simplelineardisplacementmeasuringsystem
Abstract
Displacementsensordeviceisveryimportantproductinproductionandlife,andthisproductshaveaverylonghistory.Withthearrivalofinformationage,theseproductsarechangetomoreaccurate,moreconvenience,morehumanizeddirection.
Displacementsensorisnotconfinedtothetraditionalmode,thisdesignisalineardisplacementmeasurementsystemwhichcombinesignalacquisitionanddisplay.InthissystemdatacanbetransmittedtoPCsystem,providesagrearconvenientforinformationprocessing.Morefitthemodernindustrialproductioninformatizationmanagementrequirements.Andbuildainformationplatformwillprovadeindustrialproductiongreatconvenience.
Systemforthesignalacquisitiondeviceisdesignedbymyself,throughthesimpleprincipleofthegratingswithArulerhaveholes,vicefeetacquisitiontoorthogonaltheAandBsignal.Thissignalis,thenletorthogonalsinesignalsthroughthevoltagecomparisoncircuitdesignedbyLM339chip.Thenwegotorthogonalsquare-wavesignal.Andinputorthogonalsquare-wavetosignalmicrocontroller,SCMcangetfourdifferentstatebycomparingthesignalchangesofdifferentmomentsofAandB,thusorthogonalsquare-wavesignalcanbesubdivisioninfourstate.Microcontrollerprogramwillcountthechangetimesofsquarewavesingal,andthetimercountthetime,itcost.Andwegotthistwodatawecanconcludedmeasuringdisplacement、velocityandaccelerationetc.ThecountandtimedatawilltransmissiontoaPCthroughthecommunicationlinesconsistingbyRS232serialports,andMAX232leveltransitionchip,andPCthroughMscommofVisualBasic6.0designprogramocontrolsthedata,andtoreceiveinVBprogramdatainto,andthencomputemadeconversionfordisplacement、velocityandacceleration,anddisplaydatesbytheinterfacehavedesigned
Keywordsdisplacementsensor,grating,VB6.0,Orthogonal
signal,informatization
第1章绪论
1.1研究背景
位移测量系统大部分都是通过各式各样的传感器来实现的的，而传感器本身的特性从很大程度上决定了测量系统本身的精度、实用性，通用性等要素。
传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
物体的准确定位是实现工业自动化生产的前提,现已经有多种位置测量方法,并已经成功地应用到了实际中[1]。
如今的传感器不在局限于传统量的测量，也可测量如振动，粗糙度等。
如文献[10]中提到一种不断移动的检测系统，它可以同时检测表面粗糙度，直径和枪管内壁。
基于传统理论的位置传感器主要有电容式、电感式、电磁式等几种。
电感式位移传感器与滑线电阻式的位移传感器相比较,在工作频率范围、测试精度和使用寿命方面都有显著提高。
这种传感器的优点是结构简单,加工、使用、维修及保养都很方便[3]。
电容式位移传感器具有优良的性能：
稳定性好，分辩率高；响应时间短；环境适应性好。
然而,由于其本身的电容量小（一般在10－100PF之间）,阻抗高。
近十年来特别是光栅传感器及其测量仪表随着信息技术（IT）和制造技术（MT）的发展得到了相应的迅速发展。
近50年来精密机械加工精度从1μm提高到0.01μm,提升了100倍[2]。
光栅是闭环位置伺服系统中用得较多的测量装置,可用作位移或转角的检测,且测量输出的信号为数字信号。
它测量范围大,测量精度高,可达几微米。
光栅传感器把被测位移量转变为电信号,经前置放大和电路处理后,送入下位机进行综合运算处理后输出,并通过LED显示。
目前在精密机加工方面应用较多[5]。
本设计中没有采用LED显示测量数据，而是通过PC系统用VB语言设计了人机界面，更加方便，数据管理更加容易。
光栅位移传感器具有抗电磁干扰能力强、电绝缘性好、耐腐蚀、测量范围广、体积小以及传输容量大等优点,被广泛地用于医疗、交通、电力、机械、航空航天等各个领域[4]。
1.2研究意义
位移是指物体在外来因素作用下引起的质点位置的改变。
现代生产生活中都离不开位移的测量，特别是对自动化生产的需求越来越高的情况下。
如工业生产中，电机的转速、刀具的进给、注塑机注塑过程等都需要通过位移测量来控制。
为了更精确和方便地测量位移，人们制作了各种各样的位移传感器来测量位移。
位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。
其中基于光电原理的光栅式位移传感器具有易实现数字化、精度高、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用[4]。
此次毕业设计就是针对位移测量而设计制作的基于光栅位移传感器的位移测量系统。
参照光栅原理，设计一种简易的位移测量系统。
首先将光栅传感器输出信号进行整形、电子细分、辨向处理、计数后通过RS232串口与计算机通讯，由VB程序界面显示数据。
本课题不论是从现实市场的需求上，还是从当今技术环境上，都满足了如今位移测量的基本需求。
1.3研究内容
此次设计要求设计一套有计算机显示、管理界面的简易直线位移测量系统。
直线编码器的信号由单片机系统采集处理。
单片机系统通过RS232c串口与计算机通讯。
可通过计算机人机接口界面显示直线位移的大小。
光信号到电信号的转换通过光敏二极管实现，对细分信号的实现不在通过传统的通过设置4个等距光敏二极管来接收，而是通过打有（N+1/4）W的孔的副尺将A、B信号变成有90度相位差的两路信号，而后通过电压比较器得到正交方波信号，由此便可通过程序将信号进行四细分。
单片机的计数程序为普通的累加程序，定时采用内部脉冲定时中断溢出的方法计时。
和PC的通信采用RS232串口，VB程序主要负责数据处理和显示，并向单片机发送控制命令，单片机进行串口中断执行命令。
1.4系统总体方框图
图1-1简易直线位移测量系统框图
第二章硬件设计
2.1编码器设计
图2-1编码器
如图2-1此次设计采用了带孔的直尺来代替光栅尺（主尺A），而副尺B则使AB信号产生90度的相位差，使接受到的AB信号正交。
如此便可为后面的软件细分做好准备。
2.2单片机概述
单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理器CPU（Centralprocessingunit）。
随机存储器RAM（Randomaccessmemory）。
只读存储器ROM（Readonlymemory）。
中断系统、定时器／计数器以及I\O（Input/output）接口电路等主要微型机部件集成在一个芯片上。
虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了计算机系统的属性[11]。
为此，称它为单片微型计算机SCMC（Singlechipmicrocomputer），是一种非常活跃且颇具生命力的机种。
简称单片机。
图2-2单片机内部结构
单片机主要应用与控制领域，用以实现各种测试和控制功能，为了强调起控制属性，也可以把单片机称为微控制器MCU（Microcontrollerunit）。
图2-2为单片机内部结构。
在国际上，“微控制器（Microcontroller）”的叫法似乎更通用一些，而在我国则比较习惯与“单片机”这一名称。
单片机只需要与适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统[11]。
单片机在应用时，通常是处于控制系统的核心地位并融入其中，即以嵌入的方式进行使用，为了强调其＂嵌入＂的特点，也常常将单片机称为嵌入式微控制器EMCU（Embeddedmicrocontrollerunit）。
在单片机的电路和结构中，有许多嵌入式应用的特点。
2.2.1单片机分类
根据控制应用的需要，可以将单片机分成为通用型和专用型两种类型。
通用型单片机是一种基本芯片，他的内部资源比较丰富，性能全面且适用性强，能覆盖多种应用需要。
用户可以根据需要设计成各种不同应用的控制系统，即通用单片机有一个在设计的过程，通过用户的进一步设计，才能组建成一个以通用单片机芯片为核心再配以其它外围电路的应用控制系统。
然而在单片机的控制应用中，有许多时候是专门针对某个特定产品的，例如电度表和IC卡读写器上的单片机等。
这种应用的最大特点是针对性强而且数量巨大，为此厂家常与芯片制造商合作，设计和生产专用的单片机芯片。
由于专用单片机芯片是针对一种产品或一种控制应用而专门设计的，设计时已经对系统结构的最简化，软硬件资源利用的最优化。
2.2.2单片机与单片机系统
单片机通常是指芯片本身，它是有芯片制造商生产的，在它上面集成的是一些做为基本组成部分的运算器电路，控制器电路，存储器，中断系统，定时器/计数器以及输入/输出口电路等。
但一个单片机芯片并不能把计算机的全部电路都集成到其中，例如组成谐振电路和复位电路的石英晶体，电阻，电容等，这些元件在单片机系统中只能以散件的形式出现。
此外，在实际的控制应用中，常常需要扩展外围电路和外围芯片。
从中可以看到单片机和单片机系统的差别，即：
单片机只是一块芯片，而单片机系统则是在单片机芯片的基础上扩展其它电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算机系统[11]。
通常所说的单片机系统都是为实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。
在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。
2.2.3单片机应用领域
计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。
微计算机（单片机）在这种情况下诞生了，它为我们改变了什么？
纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。
下面我们就一些典型方面进行介绍。
1.工业自动化方面
自动化能使工业系统处于最佳状态，提高经济效益，改善产品质量和减轻劳动强度。
因此，自动化技术广泛应用于机械、电子、电力、石油、化工、纺织、食品等轻重工业领域中，而在工业自动化技术中，无论是过程控制技术，数据采集和测控技术，还是生产线上的机器人技术，都需要要有单片机的参与。
在工业自动化的领域中，机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用，在这种集机械、微电子和计算机技术于一体的综合技术中，单片机将发挥越来越大的作用。
2.仪器仪表方面
现在仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高，对此最好使用单片机来实现，而单片机的使用又将加速仪器仪表向数字化，智能化，多功能化和柔性化方向发展。
此外，单片机的使用还有助于提高仪器仪表的精度和准确度，简化结构、减小体积及重量而易于携带和使用，并具有降低成本，增强抗干扰的能力，便于增加显示、报警和自诊断等功能。
3.家用电器方面
当前，家用电器产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度，而家电智能化的进一步提高就需要有单片机的参与，所以生产厂家常标榜“电脑控制”以提高其产品的档次，例如洗衣机，电冰箱，空调机，微波炉，电视机和音像视频设备等，这里说的电脑实际上就是单片机。
智能化家用电器将给我们带来更大的舒适和方便，进一步改善我们的生活质量，把我们的生活变的更加丰富多彩。
4.信息和通信产品方面
信息和通信产品的自动化和智能化程度很高，这当然离不开单片机的参与，例如计算机的外部设备和自动化办公设备中，都有单片机在其中发挥着作用。
5.军事装备方面
科技强军、国防现代化离不开计算机，在现代化的飞机、军舰、坦克、大炮、导弹火箭和雷达等各种军用装备上，都有单片机深入其中[12]。
2.3MCS—51系列单片机介绍
2.3.1MCS—51系列芯片简介
MCS-51单片机是指由美国INTEL公司（大名鼎鼎的INTEL）生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS-51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。
INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。
2.3.2最小系统
最小系统就是单片机在发挥具体测控功能时所必须的组成部分。
如图2-3图2-4所示。
图2-3最小系统方框图
图2-4单片机最小系统电路图
2.3.3定时与中断的概念
中断是一项重要的计算机技术，采用中断技术可以使多项任务共享一个资源，所以中断技术实质上就是一种资源共享技术。
向CPU发出中断请求的来源称之为中断源。
MCS-51是一个多中断源的单片机，以80C51为例，有三类共五个中断源，分别是外部中断两个，定时中断两个和串行中断一个[13]。
1.外中断
外中断是由外部信号引起的，共有两个中断源，即外部中断“0”和外部中断“1”。
它们的中断请求信号分别由引脚INT0（P3.2）和INT1（P3.3）引入。
外部中断请求有两种信号方式，即电平方式和脉冲方式，可通过有关控制位进行定义。
2.定时中断
定时中断是为满足定时或计数的需要而设置的。
3.串行中断
串行中断是为串行数据传送的需要而设置的。
4.中断控制
这里所说的中断控制是指提供给用户使用的中断控制手段，实际上就是一些专用寄存器。
在MCS-51单片机中，用于此目的的控制寄存器共有四个，即定时器控制寄存器、中断允许控制寄存器、中断优先控制寄存器以及串行口控制寄存器。
5.定时器控制寄存器（TCON）
该寄存器用于保存外部中断请求和以及定时器的计数溢出。
寄存器地址88H，位地址8FH～88H。
位地址8F8E8D8C8B8A8988
位符号TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0
这个寄存器既有定时器/计数器的控制功能又有中断控制功能，其中与中断有关的控制位共六位：
IE0和IE1、IT0和IT1以及TF0和TF1。
6.中断允许控制寄存器（IE）
寄存器地址A8H，位地址AFH～A8H。
位地址AFAEADACABAAA9A8
位符号EA／／ESET1EX1ET0EX0
其中与中断有关的控制位共六位：
EA、EX0和EX1、ET0和ET1、ES。
7.中断优先级控制寄存器（IP）
MCS-51的中断优先级控制只定义了高、低两个优先级。
各中断源的优先级由优先寄存器（IP）进行设定。
IP寄存器地址B8H，位地址为BFH～B8H。
寄存器的内容及位地址表示如下：
位地址BFBEBDBCBBBAB9B8
位符号／／／PSPT1PX1PT0PX0
PX0外部中断0优先级设定位
PT0定时中断0优先级设定位
PX1外部中断1优先级设定位
PT1定时中断1优先级设定位
PS串行中断优先级设定位
为0的位优先级为低；为1的位优先级为高。
8.定时器/计数器的控制寄存器
与定时器/计数器应用有关的控制寄存器有：
（1）定时器控制寄存器（TCON）
（2）工作方式控制寄存器（TMOD）
2.4AT89S52芯片概述
AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构（如图2-5），芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案
图2-5AT89S52封装和引脚分配
其工作电压在4.5－５V,一般我们选用＋5V电压。
新增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51更低！
89S52相对于89C51增加的新功能包括：
--ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。
是一个强大易用的功能。
--最高工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率是24M，就是说S52具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。
--具有双工UART串行通道。
--内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。
--双数据指示器。
--电源关闭标识。
--全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。
--兼容性方面：
向下完全兼容51全部字系列产品。
比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。
也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。
因此我们选用AT89S51单片机来作为本系统的核心部分。
下图为89S51的核心电路框图：
图2-689S52的核心电路框图
2.5MAX232芯片简介
图2-7MAX232引脚图
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。
MAX232芯片的引脚如图2-7所示：
第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出[15]。
第三部分是供电。
15脚GND、16脚VCC（+5v）。
主要特点：
1、符合所有
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