传感器课程设计 -基于光电编码器的位移测量系统及其仿真设计.doc

传感器课程设计传感器课程设计光电编码器光电编码器姓名：余迪学号：5090309377班级：F0903013指导教师：刘伟文完成时间：2012年4月5日摘摘要要在控制领域中经常需要进行各种位移量的测量。在实际的工业位置控制领域中，为了提高控制精度，准确地对控制对象进行检测是十分重要的。传统的机械测量位移装置已远远不能满足现代生产的需要，而数字式传感器光电编码器能将角位移量转换为与之对应的电脉冲输出主要用于机械位置和旋转速度的检测，具有精度高，体积小等特点，因此本设计决定采用光电编码器进行位移检测。本设计为采用光电编码器来实现位移测量及其仿真，实现测量来自外部的不同的位移值及显示。具体应用光电编码器进行位移测量，同时以LCD液晶显示模块显示。本设计采用的光电编码器输出电压为5V，输出信号经四倍频电路处理后送入单片机进行计数处理，最后送入LCD模块显示。本文从位移测量原理入手，详细阐述了位移测量系统的工作过程，以及硬件电路的设计、显示效果。本文吸收了硬件软件化的思想，实现了题目要求的功能。关键词：位移测量，光电编码器，单片机，LCD显示模块AbstractInthecontrolfieldavarietyofdisplacementmeasurementsoftenneedtobecarriedout.Inactualindustrypositioncontroldomaintoincreasethecontrolprecisioncarriesontheexaminationtothecontrolledmemberisaccuratelyveryimportant.Thetraditionalmachinerysurveydisplacementinstallshasnotbeenabletosatisfythemodernproductionbyfartheneedbutthedigitalsensorelectro-opticencodercantranstheangulardisplacementintowithitcorrespondenceelectricitypulseoutputmainlyusesinthemechanicalpositionandthevelocityofwhirlexaminationhastheprecisiontobehighvolumesmallandsooncharacteristicsthereforethisdesigndecidedthatusestheelectro-opticalencodertocarryonthedisplacementtoexamine.Thisdesigntousetheelectro-opticalencodertorealizethedisplacementsurveyandthesimulationrealizesthesurveyfromtheexteriordifferentdisplacementvalueandthedemonstration.Makesconcreteusingtheelectro-opticalencodercarriesonthedisplacementtosurveysimultaneouslybyLCDliquidcrystaldisplaymoduledemonstration.Thisdesignusestheelectro-opticalencoderoutputvoltageis5VtheoutputsignalafterfourdoublingcircuitprocessingsendsinthemonolithicintegratedcircuittocarryoncountingprocessingfinallysendsintheLCDmoduledemonstration.Inthispaperdetailedworkingprocessofdisplacementmeasurementsystemisstartedwithprincipleofdisplacementmeasurementandhardwarecircuitdesignanddisplay.Thispaperhasabsorbedtheideaofhardwareandsoftwaretoachievewiththesubjectrequiredfunctionality.Keywords:Thedisplacementsurveyselectro-opticalencodermicrocontrollerLCDdisplaymodule目录第一章第一章绪绪论论1.1位移测量及其传感器简介1.2国内外位移测量技术简介第二章第二章原理说明及方案选原理说明及方案选择择2.1位移测量理论的简要介绍2.2方案选择及原理2.2.1鉴相原理2.2.2用软件实现脉冲的鉴相和计数2.2.3用硬件实现脉冲的鉴相和计数2.2.4用单片机内部计数器实现可逆计数2.3位移测量参数及电路参数分析2.3.1MCS-51的定时器计数器简介2.3.2定时器模式选择位第三章第三章系统电路的设计系统电路的设计3.1硬件电路的设计3.1.1单片机的选择3.1.2AT89C51的介绍3.1.3光电编码器的选择3.1.4JXW-12A简介3.2软件的设计第四章第四章显示部显示部分分4.1LED显示器第五章第五章仿真实仿真实现现5.1PROTEUS仿真软件简介5.2KEIL与PROYEUS的联合使用结结论论谢谢辞辞参考文参考文献献第一章绪论1.1位移测量及其传感器简介位移是线位移和角位移的统称。位移测量在机械工程中应用很广，在机械工程中不仅经常要求精确地测量零部件的位移和位置，而且力、扭矩、速度、加速度、流量等许多参数的测量，也是以位移测量为基础的。位移是向量，除了确定其大小之外，还应确定其方向。一般情况下，应使测量方向与位移方向重合，这样才能真实地测量出位移量的大小。如测量方向和位移方向不重合，则测量结果仅是该位移在测量方向的分量。位移测量时，应当根据不同的测量对象，选择适当的测量点、测量方向和测量系统。位移测量系统是由位移传感器、相应的测量放大电路和终端显示装置组成。位移传感器的选择恰当与否，对测量精度影响很大，必须特别注意。针对位移测量的应用场合，可采用不同用途的位移传感器。表1.1-1中列出了较常见的位移传感器的主要特点和使用性能。表表1.1-11.1-1常用位移传感器一览表常用位移传感器一览表型式型式测量范围测量范围精确度精确度直线性直线性特点特点线位移1300mm0.1%0.1%滑线式角位移03600.1%0.1%分辨力较好，可静态或动态测量。机械结构不牢固线位移11000mm0.5%0.5%电阻式变阻器式角位移060r0.5%0.5%结构牢固，寿命长，但分辨力差，电噪声大非粘贴的0.15%应变0.1%1%不牢固粘贴的0.3%应变2%3%使用方便，需温度补偿应变式半导体的0.25%应变2%3%满刻度20%输出幅值大，温度灵敏性高变气隙型0.2mm1%3%只宜用于微小位移测量螺管型1.52mm电感式自感式特大型3002000mm0.15%1%测量范围较前者宽，使用方便可靠，动态性能较差差动变压器0.0875mm0.50.5%分辨力好，受到磁场干扰时需屏蔽涡电流式2.5250mm1%3%3%分辨力好，受被测物体材料、形状、加工质量影响同步机3600.170.5%可在1200rmin转速工作，坚固，对温度和湿度不敏感微动同步器101%0.05%旋转变压器600.1%非线性误差与变压比和测量范围有关变面积10-3103mm0.005%1%受介电常数因环境温度、湿度而变化的影响电容式变间距10-310mm0.1%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1.5mm0.5%结构简单，动态特性好直线式10-3104mm2.5m250mm感应同步器旋转式0o3600.5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1m)长光栅10-3103mm3m1m计量光栅圆光栅0o3600.5”同上(长光栅分辨力可达1m)长磁尺10-3104mm5m1m磁尺圆磁尺0o3601”测量时工作速度可达12mmin接触式0o36010-6rad角度编码器光电式0o36010-6rad分辨力好，可靠性高本设计使用了其中可直接转换成数字量的角度编码器中的光电编码器。光电编码器是一种高精度的角位移传感器。它在角度测量、位移测量和速度测量中有着广泛的应用。因其具有直接输出数字量、响应快、精度高、抗干扰能力强、分辨率高、输出稳定等特点其应用范围不仅仅局限于角位移角速度测量等场合在直线位移尤其是大位移测量领域也越来越广泛的应用。本课题即是用单片机与光电编码器来实现大位移的测量。1.2国内外位移测量技术简介第九届CIMT2005中国国际机床展览会上展示了当今世界位移测量技术最新的发展和最新型的位移传感器，并将数控技术和数控机床推向更高精度、更高速度、更高可靠、更高效率的发展，也将数显技术和数显量具推向一个新的高度。其中最新发展主要体现在三个方面：（1）绝对式光栅尺在控制系统中逐步取代现在通用的增量式光栅尺，并广泛应用于反馈控制系统和数控机床。（2）单场扫描光栅尺将逐步取代现在通用的四场扫描光栅尺。（3）目前普遍采用的增量式容栅测量系统是不能防水的，在不改变数显卡尺的栅式结构条件下采用变电感的测量系统，就能防水，容栅的防护等级也提高了。另外在增量式码道旁边再增加绝对式码道，采用绝对式编码技术通电后不需要对零，在点位测量时也不会产生超速错误。今后普及型的量具仍会采用容栅测量系统，而防水型的都会采用电磁感应测量系统。现代位移测量系统普遍采用光栅、磁栅、感应同步器、球栅和容栅等栅式测量系统，都是应用了重复周期的结构设计，位移的测量都是采用增量测量方法，也就是在确定初始点后要用读出从初始点到所在位置的增量数（步距）来确定位置。因此设备在开机后每个轴需要移动一个位置寻找参考标记。近几年来为了解决开机后机床各个轴在不移动的情况下，光栅尺就能够提供当前绝对位置的数据，德国HEIDENHAIN、日本三丰（MITUYOYO）、西班牙FAGOR等公司都开发了绝对式光栅尺，并成功用于数控机床，配备了绝对式光栅尺的机床或生产线在重新开机后立刻重新获得各个轴的绝对位置以及刀具的空间指向，因此可以立刻从中断处开始继续原来的加工程序，这就大大地提高了数控机床的有效加工时间。绝对式测量是现代测量技术发展的趋势，在位移移传感器上会得到普遍的应用，日本三丰公司已将增量式容栅数显卡尺用新一代绝对式容栅数显卡尺替代，新推出的防水数显卡尺也采用绝对式电磁感应测量系统。日本KF-G公司正在研发绝对式磁栅尺，即将推出新产品。英国-ALCMM公司也在推出绝对式球栅传感器。总之绝对式直线传感器有显著优点，是当前发展起来的新一代产品，将使数控机床反馈控制系统提高到一个新的高度。本设计使用的是光栅式光电轴角编码器。光栅式光电编码器正向着高分辨力的方向发展。如日本尼康公司生产的2HR32400轴角编码器每转可输出1296万个脉冲(0.1)可谓日本的最高分辨力。我国在光电轴角编码器的开发方面上也已经取得了长足的进展1985年航天部一院计量站研制的精密数显转台分辨力0.011995年中科院长春光机所和中国计量科学研究院联合研制出的角度基准分辨力0.001精度P+V=0.05(误差修正后)成都光电所研制的JC21精密测角仪的增量式光电轴角编码器分辨力达到了0.02测角精度R0.04。目前市场上有销售的光电编码器按现有产品的主要构成元件分类，可分为晶体管式、集成电路式和单片机式。晶体管式所采用的元件主要是晶体管，有的晶体管式转速测量仪设有记忆电路，其数码管无闪烁现象，显示效果较好，而且测量速度较高。顾名思义集成电路式转速测量仪，所采用的元件是集成电路元件。由于集成电路具有重量轻、体积小、功耗小等优点，而且集成电路元件内设有显示电路，这使得转速测量仪实现小型化。单片机的出现使得这种仪表的设计变得更加灵活。第二章原理说明及方案选择2.1位移测量理论的简要介绍位移测量的应用系统在工业生产、科技教育、民用电器等各领域的应用极为广泛，往往成为某一产品或控制系统的核心部分，其各种参数在不同的应用中有其侧重，但转速测量系统作为普遍的应用在国民经济发展中，有重要的意义。在位移控制系统中为了提高控制精度准确测量控制对象的位移是十分重要的。目前检测位移的方法有两种：（1）使用位置传感器测量到的位移量由变送器经AD转换成数字量送至系统进行进一步处理。此方法虽然检测精度高但在多路、长距离位置监控系统中由于其成本昂贵、安装困难因此并不适用。（2）使用光电编码器。光电编码器是高精度控制系统常用的位移检测传感器。当控制对象发生位置变化时光电编码器便会发出A、B两路相位差90的数字脉冲信号。正转时A超前B为90反转时B超前A为90。脉冲的个数与位移量成比例关系因此通过对脉冲计数就能计算出相应的位移。该方法不仅使用方便、测量准确而且成本较低在电力拖动系统中经常采用这种位置测量方法。2.2方案选择及原理使用光电编码器测量位移准确无误的计数起着决定性作用。由于在位置控制系统中电机既可以正转又可以反转所以要求计数器既能实现加计数又能实现减计数。相应的计数方法可以用软件实现也可以用硬件实现。使用软件方式对光电编码器的脉冲进行方向判别和计数降低了系统控制的实时性尤其当使用光电编码器的数量较多时且其可靠性也不及硬件电路。但其外围电路比较简单所以在计数频率不高的情况下使用软件计数仍有一定的优势。对编码器中输出的两路脉冲进行计数主要分两个步骤:首先要对编码器输出的两路脉冲进行鉴相即判别电机是正转还是反转其次是进行加减计数正转时加计数反转时减计数。2.2.1鉴相原理脉冲鉴相的方法比较多既可以用软件实现也可以用一个D触发器实现。图1是编码器正反转时输出脉冲的相位关系。图2.2-1编码器输出波形由图1中编码器输出波形可以看出编码器正转时A相超前B相90在A相脉冲的下降沿处B相为高电平而在编码器反转时A相滞后B相90在A相脉冲的下降沿处B相输出为低电平。这样编码器旋转时通过判断B相电平的高低就可以判断编码器的旋转方向。2.2.2用软件实现脉冲的鉴相和计数编码器输出的A向脉冲接到单片机的外部中断INT0B向脉冲接到IO端口P1.0如图2所示。当系统工作时首先要把INT0设置成下降沿触发并开相应中断。当有效脉冲触发中断时执行中断处理程序判别B脉冲是高电平还是低电平。若是高电平则编码器正转加1计数若是低电平则编码器反转减1计数。图2是软件方法的计数与判向电路。图2.2-2软件方法的计数与判向电路2.2.3用硬件实现脉冲的鉴相和计数硬件计数在执行速度上有软件计数不可比拟的优势通常采用多个可预置4位双时钟加减计数器74LS193级联组成的加减计数电路。如图3所示P0、P1、P2、P3为计数器的4位预置数据端与数据输入锁存器相接QA、QB、QC、QD为计数器的4位数据输出端与数据输出缓冲器相接MR为清零端与上电清零脉冲相接PL为预置允许端由译码控制电路触发CU为加脉冲输入端CD为减脉冲输入端TCU为进位输出端TCD为借位输出端。图2.2-3加减计数芯片74LS193当CU和CD中一个输入脉冲时另一个必须处于高电平才能进行计数工作。而从编码器直接输出的A、B两路脉冲不符合要求不能直接接到计数器的输入端但可以利用这两路脉冲之间的相位关系对其进行鉴相后再计数。图4给出了光电编码器实际使用的鉴相与双向计数电路鉴相电路用1个D触发器和2个与非门组成计数电路用3片74LS193组成。当光电编码器顺时针旋转时A相超前B相90D触发器输出Q(W1)为高电平Q(W2)为低电平与非门N1打开计数脉冲通过(W3)送至双向计数器74LS193的加脉冲输入端CU进行加法计数此时与非门N2关闭其输出为高电平(W4)。当光电编码器逆时针旋转时A相比B相延迟90D触发器输出Q(W1)为低电平Q(W2)为高电平与非门N1关闭其输出为高电平(W3)此时与非门N2打开计数脉冲通过(W4)送至双向计数器74LS193的减脉冲输入端CD进行减法计数。图4是光电编码器输出脉冲的鉴相及其计数。图2.2-4光电编码器输出脉冲的鉴相及其计数2.2.4用单片机内部计数器实现可逆计数对以上两种计数方法进行分析可知用纯软件计数虽然电路简单但是计数速度慢难以满足实时性要求而且容易出错用外接加减计数芯片的方法虽然速度快但硬件电路复杂由图4可以看出要制作一个12位计数器需要5个外围芯片成本较高。我们可以用单片机内部的计数器来实现加减计数。单片机8051片内有2个16位定时器(定时器0和定时器1)单片机8052还有一个定时器(定时器2)这3个定时器都可以作为计数器使用。但单片机8051内部的计数器是加1计数器所以不能直接应用必须经过适当的软件编程来实现其“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我们可以把经过D触发器之后的脉冲即方向控制脉冲（DIR）接到单片机的外部中断INT0端，同时经过反向器后再接到另一个外部中断INT1，并且把计数脉冲A接到单片机的片内计数器T0端即可，相对外部计数芯片来说，使用这种方法电路相对要简单的多。系统工作时，先要把两个中断设置成下降沿触发，并打开相应的中断。当方向判别脉冲（DIR）由低高跳变时，INT1中断，执行相应的中断程序，进行加计数；而当方向判别脉冲由高低跳变时，INT0中断，执行相应的中断程序，进行“减”计数（实际是重新复值，进行加计数）。下面是软件编程思路（在C语言环境下来实现计数功能）：#includeintdatak=1voidservice_int0()interrupt0using0k-标志位减1TR0=0停止计数TH0=-TH0TL0=-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()interrupt2using1k+标志位加1TR0=0停止计数TH0=-TH0TL0=-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)interrup1using2if(k=0)反向计数满elseif(k=1)计数为0else正向计数满voidmain(void)TCON=0X05设置下降沿中断TMOD=0X05T0为16位计数方式IE=0X87开中断TH0=0TL0=0预置初值此方法采用中断的形式进行计数硬件电路比较简单程序也不复杂执行速度较快。以上分别介绍了利用软件、外接计数芯片及单片机内部计数器实现对编码器输出脉冲进行计数的方法。利用软件计数硬件电路简单但占用了较多的CPU资源执行速度较慢。利用外接计数芯片的方法计数计数速度较快但要用较多的外围芯片硬件电路复杂。利用单片机内部计数器实现加减计数在编码器旋转方向不频繁改变的情况下计数速度很快而且外围电路简单编程也不复杂只是占用了2个外部中断和1个内部计数器。综上所述选用第三种计数方法，即利用单片机内部计数器实现可逆计数。2.3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AB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14周期。方向时将两个信号调换就行了。2.3.1MCS-51的定时器计数器简介2个16位的定时计数器，有多种工作方式。定时计数器工作在定时模式时，计数脉冲信号来自单片机的内部，计数速率是晶振频率的112，当计数器启动后，每个机器周期计数器自动加1。定时计数器工作在计数模式时，计数器对外部脉冲进行计数，计数器计P3.4(T0脚）P3.5(T1脚）负跳变次数。每产生一次负跳变，计数器自动加1。如图2.3-1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表2.3-1操作方式选择位2.3.2定时器模式选择位CT0，定时器模式，每一个机器周期计数器自动加1。CT1，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。GATE0，定时计数器工作不受外部控制。GATE1，定时计数器T0的起停受INT0引脚的控制。1.计算计数初始值说明013位定时器计数器，由TL0低五位和TH0高八位组成工作方式01116位定时器计数器，由TL0低八位和TH0高八位组成1028位定时器计数器，由TL0低八位组成113TL0低八位和TH0高八位分别位8位定时器计数器因为系统的晶振频率为fosc=12MHz，则机器周期Tm=12fosc=1s。设计数初始值为X：X=216-tdTm=216-11051=15535则（TH0）=00111100B3CH，（TL0）=10101111B=AFH2.设置工作方式方式0：M1M0=01；定时器模式：CT=1；定时计数器启动不受外部控制：GATE=0；因此，（TMOD）=05H。关于测速电路的参数，本次设计采用了如下方案：AT89C51单片机属于CMOS型8位单片机，其在片内的振荡器电路由晶体控制的单极线性反相器组成，同HMOS型所用方法一样，要求用晶体控制的感性阻抗方波振荡器，但也存在一些差别，其一为89C51可在软件的控制下关闭振荡器，其二为89C51的内部时钟电路由XTAL2引脚上的信号来驱动。本次设计中的振荡器可用晶体作为感性电抗与外部电容组成并联共振槽路。晶体的特性与电容值的大小（C1、C2）并不严格，高质量的晶体对任何频率都可取用30pF的电容，对于廉价应用中，可采用陶瓷共振器，这时C1、C2一般取47pF；这里选取频率12MHZ晶振，电容C1、C2为30pF。看门狗电路电路参见图2.3-2图2.3-2MAX813L看门狗电路图中，电阻R1和R2分压产生1.25V电源门限值。当此脚的电压低于1.25V时，即电源电压低于额定值时，PFO将产生一个脉冲信号，可以用于向CPU发出中断申请，使CPU完成应急处理。此功能可完成电源电压的监测。P1.0喂狗信号，在软件的编制中通过对P1.0的位操作向MAX813L的看门狗输入端输入一个负脉冲。如果程序出现“跑飞”现象，程序将不能正常运行，这个定时发出的脉冲也得不到保障。当单片机超过1.6秒未向MAX813L的看门狗输入端发脉冲信号，MAX813L内部的定时器将会强制将WDO拉到低电平，这个低电平通过MR产生复位信号。单片机复位后从初始状态开始运行，从而保证系统的可靠性，起到了看门狗的作用。此电路同时兼有上电复位和按键复位功能。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：光电编码器四倍频电路CPUAT89C51看门狗电路数码显示A相B相图3.1-1系统硬件组成图在上面的系统硬件组成图中A相、B相都是光电编码器产生的，这两个信号的前沿和后沿都对应着光电码盘的14节距的信息。因此在实际中为了提高光电编码器的定位精度通常采用四倍频方法进行处理。本系统设计了一种四倍频电路，其原理图如图3.1-2所示，相应的时序图如图3.1-2所示。由时序图3.1-2可以看出，A和B信号经四倍频电路后，输出信号为XA，XB两个信号，在同一时刻，XA，XB只有一个是脉冲信号，另一个是高电平。因此，将XA，XB两个信号连接到单片机相应的端口上，对这两个信号分别进行判断、计数和计算，就可以得出相应的电机转向和位移量。图3.1-2四倍频电路原理图3.1-3四倍频电路时序图3.1.1单片机的选择随着大规模集成电路（LSI）制造技术的飞速发展，单片机也随之迅猛发展，其发展历史大致分为三个阶段：第一阶段（1976年1978年）：初级单片微处理器阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。此系列的单片机具有8位CPU，并行IO端口，8位时序同步计数器，寻址范围不大于4KB，但是没有串行口。第二阶段（1978年现在）：高性能单片机微处理器阶段，如Intel公司MCS-5，Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等，该类型单片机具有串行IO端口，有多种中断处理系统，16位时序同步计数器，RAM，ROM容量加大，寻址范围可达64KB，有的芯片甚至还有AD转换接口。由于该系列单片机应用领域极其广泛，各公司正大力改进其结构与性能。第三阶段（1982年现在）：8位单片机，经处理器改良型及16位单片机微处理器阶段。在本次设计中，有多种型号的单片机可供选择，具体型号如89C2051，89C51，89C52，80C51，89S52单片机都可以较好地完成本次设计的要求，因此设计者选用了近来应用较为广泛的89C51型单片机。一个单片机应用系统的硬件电路设计应包含有两个部分内容:第一是系统扩展，即当单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、IO口、定时计数器、中断系统等容量不能满足应用系统要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。第二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、DA、AD转换器等，并设计相应的接口电路。因此，系统的扩展和配置应遵循下列原则:1.尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。2.系统的扩展与外围设备配置应满足系统功能的要求，并留有适当的余量，以便进行二次开发。3.硬件结构应与应用软件方案统一考虑，软件能实现的硬件功能尽可能用软件来实现，但需注意的是软件实现占用CPU的时间，而且，响应时间比硬件长。4.单片机外接电路较多时，应考虑其驱动能力，减少芯片功耗，降低总线负载。3.1.2AT89C51介绍AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入输出（IO）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。此外，89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电模式。89C51的芯片引脚图如下所示：主要特性：与MCS-51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程IO线两个16位定时器计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路图3.1-4AT89C51引脚图管脚说明：Vcc：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I0口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在F1ash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向IO口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。表3.1-1P1口引脚功能表端口引脚第二功能P1.5MOSI（用于ISP编程）P1.6MISO（用于ISP编程）P1.7SCK（用于ISP编程）P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向IO口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRi指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号7。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I0口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。表3.1-2P3口引脚功能表RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRT0位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。ALE：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）PROG输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的16输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对F1ash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。8如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条M0VX和M0VC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。：程序储存允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号，当PSENPSENAT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次有PSEN效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的信号。PSENEAVPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外中断0）0INTP3.3（外中断1）1INTP3.4T0（定时计数器0外部输入）P3.5T1（定时计数器1外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）WRP3.7（外部数据存储器读选通）RDLB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。F1ash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。XTALl：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.1.3光电编码器的选择光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置，它具有分辨率高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点。近10几年来，发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品，在数控机床、机器人、雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的应用。光电编码器可以定义为：一种通过光电转换，将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，它主要用于速度或位置（角度）的检测。典型的光电编码器由码盘（Disk）、检测光栅（Mask）、光电转换电路（包括光源、光敏器件、信号转换电路）、机械部件等组成。一般来说，根据光电编码器产生脉冲的方式不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式三大类。按编码器运动部件的运动方式来分，可以分为旋转式和直线式两种。由于直线式运动可以借助机械连接转变为旋转式运动，反之亦然。因此，只有在那些结构形式和运动方式都有利于使用直线式光电编码器的场合才予使用。旋转式光电编码器容易做成全封闭型式，易于实现小型化，传感长度较长，具有较长的环境适用能力，因而在实际工业生产中得到广泛的应用，在设计选择了旋转式光电编码器。（1）增量式编码器原理及其结构增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说，增量式光电编码器输出A、B两相互差90电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的Z相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图3.1-5所示。图3.1-5增量式光电编码器的组成码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有A、B两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开14节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如图3.1-6所示。图3.1-6增量式光电编码器输出的波形增量式光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息。（2）绝对式光电编码器基本构造及特点用增量式光电编码器有可能由于外界的干扰产生计数错误，并且在停电或故障停车后无法找到事故前执行部件的正确位置。采用绝对式光电编码器可以避免上述缺点。绝对式光电编码器的基本原理及组成部件与增量式光电编码器基本相同，也是由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。与增量式光电编码器不同的是，绝对式光电编码器用不同的数码来分别指示每个不同的增量位置，它是一种直接输出数字量的传感器。在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。绝对式光电编码器原理如图3.1-7所示。图3.1-7绝对式光电编码器组成原理绝对式光电编码器是利用自然二进制、循环二进制（格雷码）、二-十进制等方式进行光电转换的。绝对式光电编码器与增量式光电编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对光电编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。它的特点是：可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失；编码器的精度取决于位数；最高运转速度比增量式光电编码器高。码盘码制与码盘绝对式光电编码器的码盘按照其所用的码制可以分为：二进制码、循环码（格雷码）、十进制码、六十进制码（度、分、秒进制）码盘等。四位二元码盘（二进制、格雷码）如图3.1-8所示。图中黑、白色分别表示透光、不透光区域。图3.1-8（a）四位二元码盘图3.1-8（b）四位循环码盘图3.1-8（a）是一个四位二进制码盘，它的最里圈码道为第一码道，半圈透光半圈不透光，对应于最高位C1，最外圈为第n码道，共分成2n个亮暗间隔，对应于最低位Cn，n位二元二进制马盘的缺点是：每个码道的黑白分界线总有一半与相邻内圈码道的黑白分界线是对齐的，这样就会因黑白分界线刻画不精确造成粗误差。采用其他的有权编码时也存在类似的问题。为了消除这种粗误差，可以采用循环码盘（格雷码盘）。图3.1-8（b）是一个四位循环码盘，它与二进制码盘相同的是，码道数也等于数码位数，因此最小分辨率也是式（1-2）求得，最内圈也是半圈透光半圈不透光，对应R1位，最外圈是第n码道对于Rn位。与二进制码盘不同的是：第二码道也是一半透光一半不透光，第i码道分为2i-1个黑白间隔，第i码道的黑白分界线与第i-1码道的黑白分界线错开3602i。循环码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化。只要适当限制各码道的制作误差和安装误差，就不会产生粗误差。由于这一原理，使得循环码盘获得广泛的应用。（3）混合式光电编码器混合式光电编码器，就是在增量式光电编码器的基础上，增加了一组用于检测永磁伺服电机磁极位置的码道。它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能另一组则完全同增量式编码器的输出信息。一般来说，在码盘的最外圈刻有高密度的增量式透光缝隙（发2000，2500，3000PPR），中间分布在四圈圆环上有四个二进制四位循环码，每一个四位二进制码对应圆盘14圆角度，即每14圆由四位二进制循环码分割成16个等分位置。码盘最里圈仍有发一转信号的线条。混合式光电编码器输出的绝对值信息在一定的精度上与磁极的位置具有对应关系。通常它给出相位相差120度的三相信号，用于控制永磁伺服电机定子三相电流的相位。混合式光电编码器会输出三路波形信号，U（U）、V（V）和W（W）三相脉冲信号彼此相差120度，每转的脉冲个数与电机的极对数相一致。根据U、V、W三相脉冲的高低电平关系可以判断电机磁极的当前位置。其过程是：电机启动前，通过U、V、W三相脉冲的状态估算出电机磁极位置，即当前的角度，一旦电机旋转起来，光电编码器的增量式部分可以精确地检测出位置值。使用U、V、W信号来判断磁极位置是有误差的。从旋转码盘读出的光电信号经光电放大器和模拟信号多路转换器，送至AD转换器后者实际上是一种细分插值电路，用以获得高分辨率的测量脉冲。服冲数由一大容量的绝对值二进制可逆计数器计数。该计数器由备用电源供电，确保在断电时，也不丢失数据。在第一次安装机床时，对绝对零点进行调整以后，计数器永远不会被清零，所以它的计数代表了机床的绝对位置。内循环码读出的416个位置转，代表了一周的粗计角度检测它和永磁伺服电机四对磁极的结构相对应，可实现对永磁伺服电机的磁场位置的控制。综上所述，增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。考虑到本次课题设计的要求及整个设计所采用的计数算法，另外还有电路系统的简单，元件的经济实惠性，本次设计决定采用增量式编码器，选择了长春第一光学有限公司的JXW-12A型号，其光电编码器的输出电压为5V。3.1.4JXW-12AJXW-12A简介该光电编码器主要由光栅、光源、检读器、信号转换电路、机械传动等部分组成