基于位置传感器运动控制系统设计

学号：1108441080本科毕业论文（设计）(2014届)基于位置传感器运动控制系统设计院 系 电子信息工程学院 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 徐冬冬 实际指导教师 尹静助教 名誉指导老师 尹静助教 2014年5月I摘要雕刻机的数控系统是数控雕刻机的控制核心，其控制能力的强弱、控制性能的优劣直接关系着数控雕刻机的加工质量与加工效率，对整个雕刻机的性价比与市场竞争力都至关重要。运动控制，是一种自动控制技术，是当代数字控制技术的重要分支，它是用数字化信号对控制对象的位置、速度、加速度、转矩等进行精确控制的方法。本文阐述了运动控制系统反馈系统的的基本工作原理，在分析了多种软硬件设计方案的基础上，硬件采用由光栅尺位移传感器来检测雕刻机刀头所行进的距离。KA系列线性光栅尺具有符合标准的准确度、良好的刚性、平直性和密封性、造型美观。得到的数据用LCD1602显示出来，显示数据分别表示X,Y,Z三个坐标。提供max232单电源转换芯片，增加了9针串口形成一个独立模块向外输出数据。软件上则采用keil软件编写c语言，c语言编程构造了整个软件的主体框架、实现非实时性任务。样机系统的软硬件联调表明，本系统的功能和性能达到了预期设计的要求。实验证明，本系统所采用的总体设计方案是完全正确的。本设计方案从实际应用出发，综合考虑了性能指标、成本、抗干扰力、合理的元器件布局和机械、电气结构等因素。在系统的设计过程中，软、硬件都经过反复的分析、论证、实验、调试和修改，最终通过了系统的统调。较好地实现了各项指标，基本满足了现场的实际应用要求，达到了预期的设计目标。且该测量系统设计不仅仅限于雕刻机，测量机床、车床等都非常适用。关键词：51单片机；线性位移光栅尺；位置传感；AbstractEngraving machine of numerical control system is a core control of CNC engraving machine, its control ability strong and the weak, the control performance fit and unfit quality directly related to the processing quality and processing efficiency of CNC engraving machine, price and market competitiveness of the whole carving machine is of crucial importance.Motion control, it is a kind of automatic control technology, is an important branch of modern digital control technology, it is to use digital signal to control the objects position, velocity, acceleration, torque method for precise control. Motion control system were introduced in this paper the basic principle of feedback system, the analysis of the various hardware and software design scheme on the basis of the hardware used by the grating ruler displacement sensor to detect the marching distance by carving machine cutter.KA series linear grating ruler with standard accuracy, good rigidity, laymen and sealing, and aesthetically pleasing.The data with the LCD1602 display, display data, respectively the X, Y, Z three coordinates.Provide a power conversion chip max232, increased the 9-pin serial ports to form an independent module to output data.Using keil software, software is written c language, c language programming constructs the main body of the whole software framework, realize the real-time tasks.Prototype system software and hardware alignment showed that the system function and performance has reached the expected design requirements. Experiments show that this system adopted by the general design scheme is completely correct.This design scheme based on practical application, considering the performance, cost, interference resistance, the reasonable structure of components layout and mechanical, electrical and other factors.In the process of system design, software and hardware are after repeated analysis, demonstration, test, debug, and modify, ultimately through the tracking of the system.Well realized the indicators, basic meet the requirement of practical application of the scene, and achieved the desired design goal.And the measurement system design is not only confined to carving machine, measuring machine, lathe and so on are very applicable.Keywords: 51 single chip microcomputer; The linear displacement of the grating ruler; Position sensing目录摘要2ABSTRACT3目录4 1绪论51.1研究背景51.2国内外研究现状51.3研究目的与意义62系统总体设计72.1设计要求72.2系统设计方案82.2.1硬件设计82.2.2软件设计93系统硬件设计103.1最小系统设计103.2液晶LCD1602显示电路113.3控制电路设计133.4串口电路设计134系统软件设计134.1资源分配情况134.2程序流程图144.2.1主程序流程图144.2.2 LCD1602接收数据流程图144.3直线位移光栅尺传感器检测165联调与测试175.1硬件调试175.2软件调试185.3仿真205.4最后调试与运行21结论与展望22致谢24参考文献25附录A：系统原理图26附录B：系统PCB图27附录C：系统源程序28311绪论1.1研究背景在我国中，数控雕刻机是一种典型的自动化设备，雕刻机在雕刻字体，图画制作，模板刻制等领域都有着广大的发展基础和前景，其中小型雕刻机的检测与反馈系统是它的重中之重。它的设备在工业中是必不可少的，也成为了工业自动化的趋势。为了提高我国技术水平，必须提高我国数控雕刻机的占有率。根据我国国情，对旧雕刻机进行再制造是提高现代数控化率的有效途径之一。而对于以前的那些旧雕刻机关键的缺点就是精度不够，对它进行再制造就是为了提高它的的精确度。提高精确度的方法之一就是提高它的检测系统与反馈系统的精确度，数控雕刻机它是按照预定设计的进行运动和加工，若无外在的东西影响，加工肯定跟预期的一样，但实际上，在加工现场有些变量非常直接或者间接的影响了加工精度，例如工件的毛坯、余量及其误差等，都会使雕刻机偏离预设的数据。为提高数控雕刻机的加工精度，有必要为其配备在线测量装置进行反馈。在高精度的数控雕刻机上，传感器可以使用长度型光栅位移尺作为检测的工具。光栅尺输出的信号为数字信号，而不是模拟信号，不因为温度、湿度、时间的变化而变化。抗干扰能力极强，它的测量精度取决于光栅刻线的准确性，且光栅刻线是定值的。因此它是一种比较理想的测量工具。1.2国内外研究现状1.2.1 国内外数控雕刻机的发展历史1938年，在法国，第一台雕刻机“嘉宝”问世。当时的雕刻机只是一种手动的雕刻机；随后在1950年，生产出了一台真电动、可按比例缩放的手动雕刻机。时间仅仅过去了2年，美国麻省理工学院做出了世界第一台三维坐标的数控统床。它标志着数控技术在世界问世。这些数控技术引起了许多其他国家的注意。时间在流逝，20世纪90年代，微电子技术快速发展了起来，急剧推动了微型计算机的发展。微电子技术和信息技术带动了现代科技的飞速发展。而雕刻机的发展必须要处于自动控制领域的改进，因此雕刻机在90年代产生了质的飞越。随之而来的便是数控雕刻机的问世，在其基础上的改进又使得雕刻机的先进性越来越强。总体来看，数控雕刻机有四个发展阶段，且每个阶段都是必不可少。 (1)硬件功能的实现阶段在50年代到70年代是硬件功能的实现阶段，因为微电子技术的初级阶段已经发展起来了，类似于微电子的发展。微电子的发展经历了3个阶段，第一个是电子管，其次是晶体管，再后来便是小规模的集成电路。在这时期的数控系统下，在硬件上均能实现各种控制功能，采用的编程是通过对逻辑阵列的编写。 (2)小型计算机控制阶段随后，小型机便快速发展了起来，由小型计算机控制的机床也发展了起来，这也就带动了雕刻机的发展。这是一个值得记住的一年，在1974年，微处理器在数控系统中的应用，让机电一体化成为了现实。通过微处理器在数控上的大量应用，使得数控技术及其数控机床逐渐发展起来。随后中，超大规模的集成电路的广泛应用，再加上CNC系统在系统体系结构上能并行处理模块化、功能化。数控产品已经向标准化的方向发展。 (3)CPU阶段CPU的问世，使得数控系统的处理速度达到高峰，能同时控制多个数控系统同时工作。微处理器的发展之下，在CNC系统上安装上CPU系统后，有着高处理速度、高精度。高效等的特点。这已经成为了当今数控系统的主流，是现代数控技术不可少的一部分之一 (4)开放式CIVC阶段在当今科技的不断推动与发展下，个人计算机已经被越来越多的人们所使用，它不仅能处理数据，文件。还能处理多个数控系统。一体化和多元化逐渐在个人计算机上体现出来。如今的PC机是典型的个人计算机，价格便宜，PC机被大量生产，数控系统也被逐渐融入了个人计算机的CNC系统中。它为CNC的开放化和标准化提供了好的基础1.2.2数控雕刻机的应用领域数控雕刻机的应用领域非常广泛，各行各业都少不了数控雕刻机。例如广告业、印章业、机械加工业、礼品业、建筑业、艺术模型业、工装模具、木器加工业等等都是应用到雕刻机的使用。随着技术的发展，可作为雕刻机的材质也越来越广泛，包括金属、橡皮、ABS版、亚克力、PVC板、石材、双色板、仿石材、锅塑板等等。总体而言，数控雕刻机的应用领域逐渐涉及各个领用，发展前景非常好。1.2.3数控雕刻机的国内外发展状况数控雕刻机在国外的行业中，领头的便是美国的“雕霸”，法国的”嘉宝“和日本的”御牧“。这些都是雕刻行业的龙头企业，所以公司产品的价格会很昂贵。在国内数控雕刻机行业，也有一些非常好的雕刻机公司，如上海的“陈木鸟”、北京的“精雕”。价格也是偏向昂贵。雕刻机已经越来越被人们所重视，当人们已经逐渐任何和掌握了雕刻机技术 后，雕刻机会越来越广泛应用于各个行业，范围会不断扩大，水平也会不断的提高。雕刻机行业在后面会有着更广阔的前景。1.3研究目的与意义目的：本文介绍的基于STC51单片机的数控雕刻机光栅尺位移测量系统，以光栅尺作为传感器传输数字信号，单片机作为核心，LCD1602作为显示屏显示移动的距离，所构成的结构具有简单，工作可靠，体积小和制作成本低的特点。该测量可以作为反馈系统做后期的检测和修正。在高精度数控雕刻机中，敏感元件即为光栅，以光栅数字量信号作为输出类型，它的数字量信号不受温度和时间的影响，且抗干扰能力强。它是一种定值式的传感器，光栅刻线的精度便能体现出它的准确性，不仅在静态，在动态过程中也能够高精度的测量它的直线位移，并且角位移也能测量，它是一种比较实用而且理想的测量工具。意义：做成的该数控雕刻机与直线光栅位移尺有效的结合起来，从三个方面来进行检测，从而可以得到检测的数值与设定的数值差，这样可以有效的进行调整，后面再加入反馈系统，更加可以有效地提高数控雕刻机的精确度和准确性。改进后的数控雕刻机能快速进行反馈调整，输入数据和实际数据更加接近。且为了提高我国雕刻技术水平，必须提高我国数控雕刻机的占有率，在国内外提高占有率的唯一办法是提高雕刻机的雕刻机雕刻精准性，雕刻机的检测系统是其中的重要环节之一，检测就需要用光栅尺作为传感器，雕刻机雕刻虽不随实际变化而变化，但其中加工的时候，有很多变量直接影响或间接的影响加工精度，所以为了提高数控机床的加工精度，很有必要为雕刻机安装检测装置进行检测，从而通过反馈系统调整。让精度的准确性更加完美和高效。2系统总体设计2.1设计要求2.1.1光栅尺位移测量工作原理如图所示，这便是光栅尺位移测量的工作原理的简略图，当光线透过光栅后再经过透镜由光电管接收感应的信号，由此而产生了图右所示的莫尔条纹。光栅的组成部分分为5种，发射光的光源是必要的，能将光线聚集的凸透镜，主光栅，显示刻度的标尺光栅，最后一个是能感应光的光电信号。工作原理主要就是主光栅和标尺光栅俩个相对倾斜且折叠的放置，形成一个很小的角，保持能在正面上看上去，俩个光栅尺有线纹的交叉。当开光电源后，在光源的照射下，俩光栅尺交叉点所在附近的区域没黑色重复在一起且有明暗相间的便是莫尔条纹，所形成的莫尔条纹与光栅线纹几乎相互垂直。随着标尺光栅在主光栅上的移动，其莫尔条纹也会跟着移动。在光源的照射下，且当标尺光栅移动时，在莫尔条纹上的光强度会变化，大致会呈现正弦或余弦的曲线变化，经过光电原价时，产生的光电流的变化也会近似于正弦或余弦曲线。对正弦和余弦信号进行放大、整形，就形成了脉冲，也就是TTL电平。光栅输出的信号一般有俩种，俩种都是方波，这俩种信号的区别便是俩路的相角相差90，可以记录这俩种方波测量光栅尺移动的位移和大小。图见2-12-12.1.2光栅尺、单片机、PC的一体化本设计用了AT89C52作为单片机核心，光栅尺作为传感器，PC作为数据发送与接收，形成了一体化的系统，这样就会使制作、操作、读取数据等方面就会非常简便，基本设计的实物做好以后，只需要PC上输入几个数据，检测系统所得到的数据马上就会显示在PC上，进行比对之后，就能发现该数控雕刻机的精准度，所以本设计是一个非常适合检测任何数控雕刻机精准度的实物方案。因此在数控雕刻机应用领域如此广泛的今天，检测系统的一体化已经是必须的需求。图2-22-22.2系统设计方案2.2.1硬件设计本设计的测量系统用AT89C52单片作为核心来采集光栅尺位移信号，光栅移动后产生的信号为TTL电平信号。得到的TTL电平输入进单片机后，由51单片机的俩个可编程的定时器计数器T1、T0来处理，我们设计的只需用计数器就可以了，对输入方波信号计数和累加，得到的数值再乘以0.02便是位移距离了。经过换算后显示在LCD1602上，该显示器相比于其他的，有很好的有点，比如处理速度快、稳定性好、性价比高、硬件结构简单。（1）硬件电路硬件电路的设计采用类似于频率计的设计电路方法，主要有长度型线性光栅尺、52单片机、LCD1602、复位电路、时钟电路、串口电路等的设计。单片机的主要设计就是光栅尺与单片机的传输过程中中断设计。（2）工作过程KA-300光栅尺通电后，在读数头滑动的情况下有俩种TTL电平信号输出，俩者相差90，任意选一个信号即可，输出的信号是方波信号，文章后面的图片可查证，方波接单片机的T1或者T0中任意一个，内部的计数器对输入的信号计数，当读数头不动时，无信号输入，中断停止计数，计数的个数计算和换算后由单片机输出到LCD1602显示，这时的数据显示就是得到的位移距离。KA-300栅距是0.02mm，分辨率分为三种，分别为0.5、1、5um，可以根据需求进行随意调换，工作温度在045，电缆线长度为3m，电源电流分别为+5V5%与80mA。图2-3图2-32.2.2软件设计软件设计方面采用KeilC51写采集光栅信号的程序，我们写的C语言程序要变成CPU可读懂的机器码，执行机器码有俩种方法，手工汇编和机器汇编，目前大多数用的便是机器汇编了，而最近来说，各仿真厂商全部支持Keil的推广，Keil是目前最流行的MCS-51系列单片机软件。Keil软件有强大的汇编功能，它提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要Pentium以上的CPU，16MB或更多RAM、20MB以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。因此我们一定要掌握好这个软件，做到融会贯通。本文章的主要设计部分就是如何把方波进行计数和如何把计数得到的数值转化为LCD1602上显示，计数则就是开中断，连续累加，无上限制。显示方面则保留俩个小数点，第一个小数是除以10求余，第二个是除以100求余，以此类推。各位和十位方面则就是余商。这样大致的程序方面就出来了，还有其他的就是一串口电路的设计，延迟设计等。所以，选用Keil软件是必须的。3系统硬件设计3.1最小系统设计本次采用AT89C52单片机进行检测脉冲信号，最小系统有时钟系统与复位系统俩种，能进行最简单的电路，由单片机、电源、晶体振荡器、复位电路等构成。它有负责处理信号、外接口和控制，是本系统的处理单元和控制单元，并且它是其他所有软件的载体。AT89C52是一种微控制器，它的特点是低功耗但却有高性能的CMOS 8位的系统，含有可编程Flash储存器，内存为8K。之所以它是高密度非易失性储存器制造技术，它能与工业的80C51产品指令和引脚完全兼容。程序储存器是可以在Flash系统上编程的，因此使用大部分的常规编程器。单芯片中，存在8位CPU和Flash系统可编程，使得89C51可以在大部分的嵌入式控制应用系统中有着灵活和高效的解决方案。时钟系统接法为其中的XTAL1和XTAL2接振荡器的输入和输出端口，在XTAL1和XTAL2外面并联一个晶振，晶振的大小为12MHz，联后接地。复位电路系统接法则为其中的RST为复位的输入端口，外面连接中，电容和开关并联后接电源，电阻则是一端RST端，一端接地，就构成了复位电路。供电端口为VCC（40脚）和VSS（20脚），分别接+5V电源的正负端。P0P3则为可编程通用I/O脚，功能用途由软件定义，本设计中P0端口外接LCD1602显示屏，P3.2口接输入的TTL电平，P2.4、P2.5、P2.6接显示屏的RS、RW、E端。其管脚如下图2-4所示：2-4在本设计中，P0端口被用来控制显示屏的各个显示数字端口，与对应的管脚相连接。任何一个单片机都必须要有一个时钟电路才能工作，复位电路则是将显示的错误信息进行修正成开始的状态，本设计选用内部时钟方式和按键电平复位电路，形成最小电路。如图2-5、2-62-5时钟电路、2-6复位电路3.2液晶LCD1602显示电路LCD1602液晶显示模块是一种专门显示字母、数字、符号等的点阵式LCD。它有俩种样式，一种是带背光的，另一种是不带背光的，本设计的LCD基控制器采用HD44780，这俩种LCD中，带背光的比较厚，而在应用上俩者是一样的，无任何区别。它有俩种接口，一种是14引脚的，一种是16引脚的，本设计中采用了16引脚，其各引脚接口说明如下所示：表 1 LCD1602引脚接口说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令：指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。与HD44780相兼容的芯片时序如下表3所示：表 3 基本操作时序表读状态输入RS=L，R/W=H，E=H输出D0D7=状态字写指令输入RS=L，R/W=L，D0D7=指令码，E=高脉冲输出无读数据输入RS=H，R/W=H，E=H输出D0D7=数据写数据输入RS=H，R/W=L，D0D7=数据，E=高脉冲输出无本设计中采用液晶LCD1602显示输入方波A的频率，其D0D7与单片机的P0端口连接端E、RS、RW分别与单片机P2.4、P1.7、P1.6连接，此电路原理简单，电路连接方便，如图2-7所示。2-7图7液晶LCD1602显示电路3.3控制电路设计控制方面本文采用KA-300直线型光栅尺位移产生的脉冲作为方波输入采用定时器里的计数器进行计数，通过控制光栅尺的位移程度来改变计数个数的多少，得到的数值与0.02mm这个定值相乘，移动光栅尺读数头，如图所示，产生TTL，控制电路采用复位电路进行复位。图2-8、2-9所示2-8复位控制电路 2-9光栅尺读数头3.4串口电路设计计数的结果进行计算后通过九针串口实现单片机与PC电脑之间的传输，形成一个独立模块向外传输数据，如图2-10所示2-10串口电路设计4系统软件设计4.1资源分配情况I/O口所起到的作用P0LCD1602数据接口P1.6LCD1602 RW接口P1.7LCD1602 RS接口P2.4LCD1602 E接口P3.2频率测量接口图表1-14.2程序流程框图4.2.1主程序流程框图2-114.2.2LCD1602接收数据流程图2-12读操作算法流程图2-写操作算法流程图4.3直线位移光栅尺传感器检测本设计采用KA-300长度线性光栅尺作为传感器，该光栅尺是从原有的旧雕刻机上拆卸下来的，对于它的好与坏并不清楚，因此要用示波器检测是否可用，用杜邦线将电源接九针串口7号孔，2号孔接地。任意选择6号孔或8号孔接示波器，当读数头不动时，示波器显示是一条直线，而当滑动读数头时，示波器显示有方波出现，且当读数头滑动的越快，方波出现的越密集，可以说频率越来越高。KA-300光栅尺 读数头不动时 读数头微动时 读数头快速动时5联调与测试5.1硬件调试5.1.1 焊接电路焊接电路采用9CM12CM绿油电路板进行焊接，焊接过程中虽在导师指导下焊接难度不大，当多数时候焊接连接点焊错，导致第一个电路板报废，第二个电路板虽然部分焊错，但还算是完成。5.1.2 硬件调试焊接完成后装入LCD1602进行调试，在网上下了一个51单片机显示的驱动程序，插入LCD后背光灯不亮，而插入右边一部分却有背光，经过反复看线路图与单片机开发模板，发现电源与接地的线路接反了，重新焊接后，再次接入显示器，背光是亮了，但里面没有显示任何内容，也不显示一排排的黑块，再次检查电路也是连接正确的。开始怀疑是不是电容或排阻烧坏了，如果要重新去掉再换一个的话太麻烦，而且很有可能再次导致电路板焊坏，这样就得重新再制作。带着问题请教了导师和同学，原来是没有在LCD1602中的VO与电源之间加电位器，不加电位器的话显示不出对比度，看不清那一排黑块。于是加入了电阻为10K的电位器，连接之后发现还是没有黑块显示，调节电位器的阻值也是没有反应，而且供电一段时间后电位器发热非常快，有点烫手的感觉，用万用表测VO端的电压一直在2.3V左右，调节电位器电压也一直不变，再次上网搜查了一下电位器的连接方法，原来电位器三端只需接俩端就可以了，中间一端接VO，那俩端任意一端接地，而我这把第三端接了电源，导致电位器一直过热，换了个电位器又去掉电源后，隐约能看到黑块了，调了一下电位器后，上方一排黑块就已经显示出来了。这样硬件调试就成功了。5.2软件调试软件调试是硬件电路显示的重要一部分，没软件程序则LCD1602显示器不会显示任何东西，只有一排黑块，且输入TTL方波后也不会有所反应，软件调试分为以下几个程序状态：1) 未写主程序，如图所示，没有主程序，上面有，自定义，延时设置，LCD1602的基本初始化，定时器1上的计数器开关中断，输入TTL后显示屏不会有任何显示。2) 写入主程序，写入主程序后，便能将这些子程序结合到一起，当有TTL出现时，打开中断开始计数方波个数，得到的数值乘以0.02后再以保留俩位小数显示在显示器上。主程序：main()uint8 i; init();Int0_Init();count=0;while(1) length=0.02*num;/保留两位小数 len=length*100; xd2=len%10; xd1=len%100/10; gewei=(uint16) length)%10; shiwei=(uint16) length)%100/10; baiwei=(uint16) length)%1000/100; write_com(0x80+5); write_date(0x30+baiwei); write_date(0x30+shiwei); write_date(0x30+gewei); write_date(.); write_date(0x30+xd2); write_date(0x30+xd1); write_date(m); write_date(m); 这是对的到数值进行换算后显示在显示屏上。void Int0_Isr() interrupt 0count+;num=count;这是对所检测到的TTL方波逐渐累加。3) 写入的程序生成HEX文件，并放入仿真图上，由于仿真图上没有类似于光栅尺的器件，则用产生定值的频率进行显示，LCD1602上的数值会不断增加，且不能停止，当频率越高时，显示数字改变就会越快，越低则显示一个数值一段时间才会接收到下一个方波改变数值。得到的结果如图所示。5.3仿真Protuse软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。它不但具有其他EDA工具软件的仿真功能，而且能仿真单片机及外围器件。是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。本设计需用仿真图先进行设计，用频率计来代替光栅尺，经过制作与连线，做成的仿真如图所示，将软件编译好的程序HEX文件放进仿真图的单片机中，点击运行后lcd1602上显示如图所示。图上因为采用的是频率计，所以显示的数值一直在增加，就类似于长度型光栅尺一直在匀速滑动，而实际上光栅尺长度是在270mm左右，因此显示的数值不会超过三位数，而下面的增加了串口，是连接外面的PC端的数据通讯接口，串口只需接三个，一个接地，剩下俩个分别接输入的和输出的数据，这样数据通讯更加准确和有效。5.4最后调试与运行通过前面的硬件调试、软件调试、程序的写入、和仿真，认为运行是可行的，将程序烧进51单片机中，插入电源后，显示和仿真图效果一样。然后用杜邦线连接光栅尺与电路板，移动读数头，会有数据显示，读数头不动，数据保持不变，再次移动，在原有基础上进行累加，知道达到最大值。结论与展望1) 通过对本论文的设计，发现大部分都是围绕51单片机而制作的，所有的电路板的焊接，LCD1602的制作与显示，时钟电路，复位电路，串口电路，都是单片机在能运行的情况下才能制作与显示出来，在网上查及资料以及对其研究背景和目的充分了解后，发现所有组合器件中，检测系统是必不可少的一部分，它能对你目前的机器性能进行了解和修正，从而得到更精确的数据。数控雕刻机是学习和制作东西必不可少的工具，拥有了一台多功能数控雕刻机系统，才称得上是拥有了真正的财产。一个好的系统可以容易地操作不同的程序，如勾轮廓、操作、制作、输送、切割，甚至细小的雕刻或无系统配置变化。换句话说，一个便宜的但不能迅速地追随当今商业和客户的不断变化的需求的数控雕刻机系统是无价值的。老式的雕刻机是没有一个较好的检测与反馈系统，而一个好的雕刻机是必须要有检测和反馈系统的，本论文设计的基于位置传感的运动控制系统设计是一种简便高效的检测系统，它能快速的检测到你所运行的位置和距离。解决了数控雕刻机的准确性和后期修正。它检测到的位置若和预设系统的距离不同，就可以进行精确处理，比如调校一下步进电机，又或者调雕刻板的距离。由此，CNC雕刻机以后会更加完善，雕刻出最完美的东西。2) 在网上查找资料，没有类似于制作数控雕刻机的检测与反馈系统，有关于数控机床的光栅尺位移测量系统，他的测量虽大致相同，采用的显示器是用LED显示，这样就会复杂一点，且精确度不会太高，必须要俩个以上的LED才会显示小数点后面的俩位小数，中间还要加入锁存器，制作过程会繁琐一点，程序方面子程序会多一点。本论文的设计采用的是LCD1602显示屏，中间不需要加任何东西，精确度定在小数点后面俩位数，还可以精确的更高。补充方面的话论文加了一个串口系统，可以与PC相互传输数据信息，得到的数据可以直接传输到PC上，形成一个完美的系统连接。本论文用杜邦线将光栅尺与单片机连接，连接方便，只需记住它的2号孔接地，6号孔接TTL，7号孔接电源即可。3) 本设计虽能比较精确的测得位移的距离，但还存在许多的不足之处，比如在测量KA-300的方波个数上，若移动速度比较慢，还比较好测得数据，但当滑动的速度足够快时，频率足以小于晶振的频率时，就很难测得了，有可能LCD1602上的数值一段时间内不会有任何改变。要完善这方面，俩种方法，一是换一种单片机，那可能性很小了，二就是设定读数头滑动的速度范围，加入红外线传感器和蜂鸣器，设定在一段范围内，当超过范围时，红外传感器将信号传入51单片机，计算处理测得速度进行判定，然后输入信号给蜂鸣器，或者加入一个LCD，灯光亮就表示速度太快，这样就可以很精确测得位移距离而又不受其他干扰源。4) 数控雕刻机无论在国内和国外都有无限的发展前景，本论文只是针对单一的一个步进电机进行检测与反馈，还可以有更大的开展价值，用一个单片机能同时测得三个步进电机的位移距离，在同一个显示屏上显示，这样能相互比对比较，扩展之后体系更加庞大，数据来源更多，就能对一个数控雕刻机全部检测与反馈，在把数据输入到电脑中，与预设的位移距离进行比对，分析出差别后改进的更加精准。再加完善一点，我们可以采用T0或T1的定时器功能，从读数头滑动开始计时，再到读数头停止而停止，测得这段所需的时间，再将测得位移计算就可得平均速度，这样有利于我们队步进电机的速度就能有所了解，使得反馈系统更加完善。致谢本论文制作花费了几个月时间，在这几个月时间内，感谢那些给予帮助的人，王俊杰导师和尹静导师的悉心教导和改正，班级张涛涛同学对程序方面的指教与修改，室友一起帮忙制作和改进的电路板。作者：徐冬冬2015年4月7日参考文献1. 陈杰，黄鸿编.传感器与检测技术M，北京：高等教育出版社，2004.2. 赵常得.MCS-51/98单片机原理与应用M.北京：机械工业出版社，2001.3. 沈国良.电工电子技术基础M.北京：机械工业出版社，2003，113-116.4. 柴钰.单片机原理及应用M.西安：西安电子科技大学出版社，2009.2.5. 陈伯时.电力拖动自动控制系统M.第2版.北京：机械工业出版社，2010.6. 曾庆波，何一楠.单片机应用技术M.第1版.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2010.8.7. 汪世明.基于Proteus的单片机应用技术M.北京：电子工业出版社，2009.6.8. 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