数字传感器课程设计-数字传感器应用电路设计.doc

东北石油大学 课 程 设 计 2013 年 7 月 16 日 课 程 传感器课程设计 题 目 数字传感器应用电路设计 院 系 电气信息工程学院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 任务书 课程 传感器课程设计 题目 数字式传感器应用电路设计 专业 姓名 学号 主要内容：主要内容： 设计一种基于单片机 AT89C51 的光电编码器位置检测系统。该系统包括信号调 理电路和信号采集电路。在信号调理电路设计中，包括差分信号转换、信号隔离、 整型滤波、四倍频、鉴相电路设计。在信号采集电路设计中利用 AT89C51 单片机的 计数器对脉冲个数进行采集，同时使用 LCD1602 芯片对计数结果进行显示，实现动 态显示各组编码器的位置数据。 基本要求：基本要求： 1、使用数字式传感器作为信号采集元件，测出机床的位移数据，并显示出来； 2、说明所用传感器的基本工作原理、画出应用电路电路图、写明电路工作原理、 注明元器件选取参数、进行方案比较。 主要参考资料：主要参考资料： 1 张福学. 应用传感器手册M. 北京: 电子工业出版社 ,1988 2 黄贤武. 传感器原理与应用M. 成都: 电子科技大学出版社 ,2006 3 张福学. 传感器应用及其电路精选M.北京: 电子工业出版社 ,1991 4 葛一楠,杨显富.基于 CPLD 的光电脉冲码盘信号四倍频电路设计 J.成都 大学学报: 2004,23(3) :34-37. 完成期限 2013.7.122013.7.16 指导教师 专业负责人 2013 年 7 月 12 日 传感器课程设计 摘 要 随着数字化技术的迅速发展和广泛的渗透，对信号的检测、控制和处理，必 然进入数字化阶段。原来利用模拟式传感器和 A/D 转换器转换成数字信号，由 于 A/D 转换器的转换精度受到参考电压精度而不可能很高，系统的总精度也将 受到限制，而数字式传感器可以解决这个问题。数控机床中对精度的要求很高， 所以速度位移速度检测的传感器主要是数字式传感器。针对数控机床在实际使用 中对位移速度信号检测的要求，设计了一种基于单片机 AT89C51 的光电编码器 位置检测系统。该系统包括信号调理电路和信号采集电路。在信号调理电路设计 中，包括差分信号转换、信号隔离、整型滤波、四倍频、鉴相电路设计。在信号 采集电路设计中利用 AT89C51 单片机的计数器对脉冲个数进行采集，同时使用 LCD1602 芯片对计数结果进行显示，实现动态显示各组编码器的位置数据。优 点是：原理构造简单、易于实现；分辨率高，抗干扰能力较强，可靠性较高。 关键词：数字式传感器；数控机床；光电编码器；信号采集；AT89C51 传感器课程设计 目 录 一 、设计要求.1 二、设计方案及其特点.1 1、方案说明.1 2、方案论证.2 三、增量式光电编码器工作原理.3 四、电路的工作原理.4 五、单元电路设计和器件选择.6 1、单元电路设计.6 2.系统需要的元器件清单.9 六、总结.9 参考文献.11 传感器课程设计 1 数字传感器应用电路设计 一 、设计要求 随着数控机车的普遍应用，在机械加工行业中的地位日益突出，而数控系统 的速度位移信号检测是伺服系统的重要组成部分，是保证位置控制精度的重要环 节。检测信号常做为数控机车的闭环或半闭环控制的反馈环节，闭环或半闭环控 制的数控机床的精度主要由检测装置的精度决定。因此设计数控机床位移速度信 号调理与采集系统设计在数控机床的实际应用中不仅提高了对数控机车的速度位 置信号检测精度，同时实现了对数控机车的高精度控制。而就精度方面而言，数 字式传感器要由于模拟式传感器，且数字式传感器的输出信号更方便主控芯片的 处理。光电编码器位置检测系统包括信号调理电路和信号采集电路。在信号调理 电路设计中，包括差分信号转换、信号隔离、整型滤波、四倍频、鉴相电路设计。 在信号采集电路设计中利用 AT89C51 单片机的计数器对脉冲个数进行采集，同 时使用 LCD1602 芯片对计数结果进行显示，实现动态显示各组编码器的位置数 据。 二、设计方案及其特点 1、方案说明 方案一：使用光栅位移传感器作为机床系统的信号采集传感器。光栅位移传 感器由一对光栅副中的主光栅（即标尺光栅）和副光栅（即指示光栅）进行相对 位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白 （或明暗）相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电 路整形后，得到两路相差为 90o 的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示在进 给驱动中，光栅尺固定在床身上，其产生的脉冲信号直接反映了拖板的实际位置。 （1） W x UUU mo 2 sin 传感器课程设计 2 式中：输出信号的直流分量； o U 交流信号的幅值； m U 光栅的相互位移量。 由式（1）可知，利用光栅可以测量位移量的值。 方案二：使用光电编码器作为机床系统的信号采集传感器。传感器安装在电 机的尾部，通过测量电机的转角实现工作台位移的间接测量。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。 2、方案论证 根据需要，方案一光栅式位移传感器是利用光栅的光学原理工作的测量反馈 装置，其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度 快的特点，但是成本较高，易损坏。方案二易于实现，机械平均寿命长，分辨率 高，抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。所以选用方案三。 光电编码器在实际应用中由于外界干扰和环境因素，光电编码器的输出信号 那么发生波形畸变，因此要对光电编码器输出信号进行滤波处理，同时为提高测 试精度应对信号进行四倍频、鉴相处理。在滤波电路中首先进行差分信号转换将 六路输信号转换成三路信号，再次进行信号隔离将三路信号隔离开来以降低信号 间的干扰，最后对每路信号进行滤波处理，去除脉冲毛刺。在鉴相倍频电路中， 首先对输出信号进行四倍频处理以提高信号采集精度，最后利用异或门和与门对 输出信号进行鉴相处理。将通过滤波、倍频、鉴相后的信号做为单片机 AT89C52 的输入信号，利用单片机 AT89C52 对光电编码输入信号进行计数，并 显示在 LCD1602 上。设计框图如图 1.3 所示。 光电编 码器输 入信号 信号调 节电路 四倍频鉴 相电路 AT89C51 LCD 显示 传感器课程设计 3 图 1.1 信号调节与采集设计框图 三、增量式光电编码器工作原理 光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲 或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电 检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于 光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极 管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图 1.1 所 示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外， 为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差 90的信号输出。 图 3.1 光电编码器原理示意图 根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度 方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。 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 传感器课程设计 4 1.1.2.1 所示。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 1/4 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 1.1.2.2 所示。 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。 图 3.3 增量式光电编码器的组成 图 3.4 增量式光电编码器输出波形 四、电路的工作原理 电路图如图 4.1 所示。增量式光电编码器输出的六路信号通过滤波与运放等 电路的设计将数字信号转化为 3 路 3V 脉冲信号,即 A、B、Z 三相,接到单片机 AT89C51 芯片的捕获引脚,通过设置 AT89C51 单片机的相应寄存器以及编写相应 程序,就可以实现电机转速的测量。 传感器课程设计 5 传感器课程设计 6 图 4.1 总体电路图 五、单元电路设计和器件选择 1、单元电路设计 为了提高测量精度,现在的增量式光电编码器普遍采用差分信号进行输出,如 A 相输出信号还有一个与之互差 180被称作A的输出信号,即编码器总共输出 6 路信号,如图 5.1 所示。 图 5.1 A 相输出的差分信号 增量式光电编码器的供电电压为 24 V ,输出的六路信号的电压等级也为 24V 该六路输出信号通过滤波与运放等电路的设计将数字信号转化为 3 路 3V 脉冲信 号,即 A、B、Z 三相,接到单片机 AT89C51 芯片的捕获引脚,通过设置 AT89C51 单片机的相应寄存器以及编写相应程序,就可以实现电机转速的测量。 将编码器输出的六路 24V 差分信号转为三路 5V 信号,采用 MOTOROLA 公 司的 AM26L32ACD 芯片,该芯片供电电压为 5V,片内集成四路独立的施密特触发 器, 触发器的正负极输入电压 为5V ,将 A 相的两路差分信号接入芯片的 IA、IB，引的两路差分信号接入芯片的 IA、IB，引输出引脚分别输出 A、 B 、Z 三路 5V 脉冲信号电阻 R81 为匹配电阻。电路原理图如图 5.2 所示 。 传感器课程设计 7 图 5.2 差分信号转换电路 然后将输出的三路 5V 数字信号分别通入三个光隔 6N137,其作用是使 5V 信 号隔离,从而使输出的 5V 电压稳定。该电路 A 为 A 相输入引脚,OUT 为输出引脚, 即 A1 信号为光隔输出信号,电压为 5V ,R86 和 R89 是限流电阻。A 相电路原理 图如图 5.3 所示(B 相 Z 相与之相同)。 图 5.3 A 相信号隔离电路 再次,将 A 信号接到芯片 SN74HC14D 的 IA 引脚,该芯片集成 6 路反向器,其 作用是将 A I 信号进行整形将整形出的信号接入一个 R C 低通滤波电路,滤除高 频脉冲毛刺, 提高侧量准确度, 整形滤波后的输出信号为 A0， A 相电路原理图 传感器课程设计 8 如图 5.4 所示 (B 相 Z 相与之相同)。BAV99 是一种开关二极管，是半导体二极 管的一种，由导通变为截止或由截止变为导通所需的时间比一般二极管短。在此 起限幅作用。 图 5.4 A 相整型滤波电路 在光电编码器中设计 4 倍频鉴相电路一般有两种方法:一种是两路输出:一路 输出方向,一路输出脉冲;另一种也是两路输:一路输出正向脉冲，一路输出反向脉 冲。本文采用的是后一种方法,这种方法可以方便的利用单片机 AT89C51 对输出 脉冲进行计数。原理图如图 5.6 所示，这里我们采用 4 个 D 触发器锁存输入信号 A 、B 的当前状态及原状态， CLK 为周期至少小于编码器脉冲最小周期 1/4 的 同步时钟，经三个异或门和两个与门后输出的正反向四倍频计数脉冲 AOUT 及 BOUT 的逻辑表达式为 : AOUT =(Q1Q4 )(Q1Q4)(Q2Q3) BOUT = (Q2Q3)(Q1Q4)(Q2Q3)。 传感器课程设计 9 图 5.6 光电编码器四倍频、鉴相电路 2.系统需要的元器件清单 表 1 元器件清单 序号元器件类型元器件规格数量备注 1 电容 0.01uF7 2 电阻 1K3 3 4 4 电阻 0.1K3 4 异或门 3 5 6 与门 2 6 D 触发器 4 7 排针16 位 1 8 开关 1 9 晶振 12Mhz1 10 电容 30pF2 11 电容 22uF1 12LCD16021 136N1371 14AT89C511 15 AM26L32ACD 1 16 SN74HC14D 1 六、总结 数字传感器应用电路设计。数字式传感器包括栅式数字传感器、编码器、频 率输出式数字传感器和感应同步器式的数字传感器。以光电编码器为例设计其信 号调理与采集系统，基于中小规模集成电路芯片完成该系统的电路原理设计工作， 在信号调理电路设计中，包括差分信号转换、信号隔离、整型滤波、四倍频、鉴 相电路设计。在信号采集电路设计中利用 AT89C51 单片机的计数器对脉冲个数 进行采集，同时使用 LCD1602 芯片对计数结果进行显示，实现动态显示各组编 传感器课程设计 10 码器的位置数据。差分信号转换、信号隔离、整型滤波电路很好的完成了任务， 将六路输出信号转换为三路脉冲信号，四倍频电路对提高传感器精度起到很大作 用。 通过此次课程设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找 资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来数控机车的发展 方向