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汽车碰撞试验中重锤提升控制系统设计研究 摘要 汽车安全行驶问题是社会生活中一个日渐突出的问题。保障车辆安全运 行、减少对社会公众的危害，需要对汽车性能指标实行检测。车辆检测是 加强管理，确保交通安全的必要手段。碰撞性能试验是检测汽车结构质量，保 证汽车和车载人员安全的一个重要手段。所以，研制汽车碰撞性能在检测车身 质量，保障车辆安全运行方面具有重要意义。 本文是某车辆检测所根据其碰撞试验的整体建设需要，提出依靠提升重锤 的办法来获取汽车碰撞的瞬时速度，用该速度碰撞装有检测传感器的障碍物， 获取需要的试验数据。本文设计任务是完成对重锤高度的精确控制，控制内容 和控制要求是建设方提出的。根据车辆检测所提出的重锤提升控制要求，确立 了控制的总体方案，选择以单片机为核心的控制技术，采用主、从单片机结构 模式的控制方法，依靠主从单片机的控制特点，发挥软件保护逻辑性强的优点， 减少了硬件保护装置，缩小装置的体积。本文介绍了各部分硬件电路和软件程 序设计，分别从硬件电路和软件程序设计出发，阐述了各部分硬件电路功能， 详细地分析了软件各功能模块的作用，软、硬件相互结合实现控制目的。论文 所写的主要内容是： 第1 部分：总体介绍系统的设计方案。本章对单片机控制系统的概念作了 详细介绍。根据系统功能要求，进行总体方案设计。主要介绍了项目所用传感 器的特点以及所用的a v r 单片机的功能优点，从a v r 系列中选择a t m e g a l 6 芯片 满足外围接口需要。采用主、从单片机结构模式的控制方法，利用其单片机的 通讯功能与强大的实时控制功能，提高系统运行的可靠性。结合各功能模块的 作用，画系统设计的总体结构框图。 第2 部分：硬件系统的研究和设计。首先介绍硬件系统的设计原则和设计 方案。其次是电路系统的设计。电路系统的总体设计分四部分：主机电路设计； 传感器信号电路设计；从机控制电路设计；显示电路设计。主电路以a t m e g a l 6 单片机为控制核心组成一套典型的控制系统。根据系统要求设计显示电路，选 用6 个l e d 数码管采用静态方式显示实时信号和设置数值。 第3 部分：软件系统的研究和设计。由于软件设计是系统设计中比较重要 的一部分，因此，在论文中有比较详细的说明。系统软件设计主要包括：正、 负计数器计数与重锤提升距离计算程序、串行通讯程序、键盘输入程序、显示 器控制程序等。在论文叙述中给出了对应程序流程图或程序代码，描述了各个 程序的运行情况。 本项目控制装置具有这样的优点：电路结构简单，自动化程度高，控制能 力强。它可以将重锤提升距离控制在预定点，误差范围小；软件设计是用c 语 言编辑的软件程序，便于阅读，逻辑结构严密，能很好地实现系统的各个功能 要求。依靠软件程序的设计保护，大大提高系统运行的可靠性，具有很好的使 用价值和推广价值。 关键词：单片机控制硬件电路软件程序重锤提升 ar e s e a r c ho nh e a v yh a m m e rl i f tc o n t r o ls y s t e md e s i g ni n v e h i c l eb u m pt e s t a bs t r a c t d r i v i n gs a f e t yi sa ni m p o r t a n ti s s u ei nt o d a y sl i f e i ti se s s e n t i a lt h a tv e h i c l e p e r f o r m a n c eb es t r i c t l yt e s t e ds oa st oe n s u r ed r i v i n gs a f e t ya n dm i n i m i z ep o s s i b l e h a r m t h eb u m pt e s ti sa ni m p o r t a n tm e t h o di nt h i sa s p e c t a n di th e l p st of i n do u t w h e t h e rav e h i c l ei sw e l l - s t r u c t u r e da n dw h e t h e ri tc a np r o v i d en e c e s s a r yp r o t e c t i o n a g a i n s th a r mo n c ea l la c c i d e n to c c u r s t h u st h er e s e a r c ho nv e h i c l ep e r f o r m a n c e i n b u m pt e s ti so fg r e a ti m p o r t a n c e t h i sa r t i c l ei sc o m p l e t e di nc o o p e r a t i o nw i t hac e r t a i nd o m e s t i cv e h i c l et e s t o r g a n i z a t i o n ，w h i c ha i m st oe s t a b l i s hi t sb u m p t e s tc e n t r e i ts u g g e s t st h a tt h ei n s t a n t s p e e do fb u m pc a l lb ei m i t a t e db yl i f t i n gh e a v yh a m m e r f i g u r e sc a n b eo b t a i n e d t h r o u g ht h i si m i t a t e dc o l l i s i o na g a i n s to b s t a c l et ow h i c hs e n s o r sa r ea t t a c h e d i n r e p l yt ot h er e q u i r e m e n to ft h i st e s to r g a n i z a t i o n ，t h er e s e a r c hw o r kf o c u s e so nh o w t op r e c i s e l yd e t e r m i n et h eh e i g h to ft h eh e a v yh a m m e r a sr e q u i r e db yt h et e s t o r g a n i z a t i o n ，t h ei n t e g r a t e dc o n t r o l l i n gp l a ni sd e c i d e d t h ed e v i c ec e n t e r s o ns i n g l e c h i pc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y , a d o p t sh o s ta n ds u b o r d i n a t es i n g l ec h i pc o m p u t e r m o d e i tt a k e sa d v a n t a g eo ft h ec o n t r o lf e a t u r e so fh o s ta n ds u b o r d i n a t es i n g l ec h i p c o m p u t e r w i t ht h es u p e r - s t r o n gp r o t e c t i o no ft h es o f t w a r e ，h a r d w a r ep r o t e c t i o n p a r t sa r er e d u c e d ，t h u st h ed e v i c ei sd o w n s i z e d t h i s a r t i c l em a k e sa l li n t r o d u c t i o nt o t h ed e s i g no fb o t ht h ee l e c t r i cc i r c u i ta n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n g ，a n da na n a l y s i so f t h e 劬i o n so fe a c hm o d u l e so ft h es o f t w a r e f i n a l l y , t h ec o m b i n a t i o no fb o t ht h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e1 e a d st ot h ee f f e c t i v ec o n t r 0 1 m a j o rc o n t e n t s ： c h a p t e r o n e ：t h ei n t r o d u c t i o nt os y s t e md e s i g np l a n i nt h i sc h a p t e r , t h es i n g l ec h i pc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e da tl e n g t h i nl i g h to ft h er e q u i r e m e n to ft h es y s t e m ，a ni n t e g r a t e dd e s i g np l a ni sd e t e r m i n e d ， w i t he m p h a s i so nt h ef e a t u r e so fs e n s o r sa n da v r s i n g l ec h i pc o m p u t e ru s e d ，a s w e l la st h es e l e c t i o no fa t m e g a 一16c h i pf r o ma m o n ga v rs e r i e s a l s oi n t r o d u c e di s t h ea d o p t i o no fh o s ta n ds u b o r d i n a t es i n g l ec h i pc o m p u t e rm o d eo nt h eg r o u n dt h a t t h es i n g l ec h i pc o m p u t e rh a ss u c hf e a t u r e sa sb e i n gc o m m u n i c a t i v ea n dr e a l t i m e c o n t r o l l i n g ，w h i c hh e l pt og u a r a n t e es y s t e ms t a b i l i t y w i t ht h ef u n c t i o no fe a c h m o d u l ei sc o n s i d e r e da no u t l i n eo ft h es y s t e mi ss k e t c h e d c h a p t e rt w o ：t h ed e s i g no f h a r d w a r es y s t e m t h i sc h a p t e rm a i n l yd e a l sw i t ht w oa s p e c t s ，r e s p e c t i v e l y , t h er e s e a r c ht h e o r y a n dp l a no fh a r d w a r ea n dt h ed e s i g no fe l e c t r i cc i r c u i ts y s t e m t h ei l l u s t r a t i o na b o u t t h ed e s i g no fe l e c t r i cc i r c u i ts y s t e mi sd o n ef r o ms u c hf o u ra s p e c t sa sh o s tc o m p u t e r c i r c u i t ，s e n s o rs i g n a lc i r c u i t ，s u b o r d i n a t ec o m p u t e rc i r c u i ta n dd i s p l a yc i r c u i t m a i n c i r c u i tw i t ha t m e g a 一16a si t sc o r ei sas e to ft y p i c a lc o n t r o l l i n gs y s t e m ，w h i l et h e d i s p l a yc i r c u i ts e n d ss i g n a l sa n ds e t sf i g u r e si nas t a t i cm a n n e rb ym e a n so f6l e d d i g i t a lt u b e s c h a p t e rt h r e e ：t h ed e s i g no fs o f t w a r es y s t e m f o ri t si m p o r t a n c ei nt h es y s t e m ，s o f t w a r ep r o g r a m m i n gi si l l u s t r a t e di nd e t a i l s s o f t w a r es y s t e mi s c o m p o s e do fp r o g r a mf o rc o u n t i n gp l u s m i n u sa n dh e a v y h a m m e rh e i g h t ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o g r a m ，k e y b o a r di n p u tp r o g r a m ，d i s p l a y c o n t r o lp r o g r a m ，e t c c o r r e s p o n d i n gf o l l o wc h a r t so rp r o g r a mc o d e sa r ep r o v i d e d ， w h i c hs e r v e st oi l l u s t r a t et h eo p e r a t i o no f e a c hp r o g r a mi nav i v i dm a n n e r t h i sp r o j e c td e v i c ep o s s e s s e ss u c hf e a t u r e sa sf o l l o w s ：s i m p l ec i r c u i t ，h i g h l e v e lo fa u t o m a t i o n ，s t r o n gc o n t r o lc a p a b i l i t y , p r e c i s el o c a t i o no ft h eh e a v yh a m m e r t h es o f t w a r ep r o g r a mb a s e do ncl a n g u a g em a k e se a s yr e a d i n g b e s i d e s ，i ti s l o g i c a l l yw e l l - s t r u c t u r e d ，w h i c he n s u r e st h ep r o p e rf u n c t i o no ft h es y s t e m r e l y i n g o nt h ep r o t e c t i o no ft h i ss o f t w a r e ，t h es a f e t yo p e r a t i o no ft h es y s t e mc a nb e g u a r a n t e e d i nl i g h to ft h i s ，i ti sq u i t ep r a c t i c a la n dh a sh i g hc o m m e r c i a lv a l u e k e y w o r d s ：a b s t r a c t ：s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ，c o n t r o l ，h a r d w a r ec i r c u i t ， s o f t w a r ed e s i g n ，h e a v yh a m m e rl i f t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 考秦 签字日期：年月日签字日期：如口睥 之月 ( 7 日 北京交通大学硕士论文 第一章绪论 1 1 论文的研究意义及各部分的主要研究内容 1 1 1 论文的研究意义 自从2 0 世纪8 0 年代以来，随着国民经济的发展，带动了汽车制造业和公 路交通运输的发展，我国机动车保有量迅速增加。车辆保有量增多必然带来诸 多交通和环境保护等社会问题。为保障车辆安全运行、减少对社会公众的危害， 对机动车的性能指标实施检测成为必要。 现代汽车检测技术主要是利用先进的汽车检测仪器和设备，结合计算机、 自动控制等高新技术来检测汽车技术状况，它是以工程数学、故障物理、可靠 性理论、电子学与电子技术、信息控制论等为基础的一门综合性应用科学。采 用现代汽车检测诊断技术，一方面可以大大提高汽车故障的诊断准确率，减少 修理费用；另一方面促使汽车制造商不断研制性能优良的汽车。我们知道，汽 车整车的性能参数直接反映汽车的技术状况。汽车的检测往往首先从整车性能 参数检测开始，当发现整车性能参数出现问题时，再进行汽车各系统的深入检 测与诊断。因此，整车性能的检测在汽车的检测与诊断中占有非常重要的地位。 汽车的综合性能检测是确保汽车整车性能良好及预防行车事故的重要手段。按 国家有关部门规定，汽车综合性能检测包括五个方面：( 1 ) 汽车的可靠性能检 测；( 2 ) 汽车的动力性能检测；( 3 ) 汽车的经济性能检测； ( 4 ) 汽车的安全 性能检测；( 5 ) 汽车的尾气排放性能检测。 碰撞性能试验是汽车质量的安全性和可靠性检测，是确保汽车和车载人员 安全的一个重要手段。所以，研制汽车碰撞试验装置对检测车身质量，保障车 辆安全运行具有极其重要的作用，汽车碰撞试验在促进汽车制造业发展方面也 具有重要意义。 汽车碰撞试验中重锤提升控制系统采用的是以单片机为核心的控制技术。 单片机控制技术在许多过程控制设备和产品中都得到广泛的应用。由于其体积 小，价格低，具有逻辑判断、定时计数、程序控制等多种功能，在各个领域、 各个行业都得到了广泛应用。随着过程控制精度要求的增加和控制速度的加快， 单片机在过程控制中的优势越来越突出，单片机在过程控制的生产实践中，发 北京交通大学硕士论文 挥了越来越重要的作用。所以研究以单片机为核心的过程控制，开发单片机的 功能用途具有很好的现实意义。 1 1 2 本文研究的内容 全文共分五章，分别对重锤提升控制系统的各方面进行阐述。 第1 章绪论。主要说明课题设计的背景和设计思路。介绍了汽车性能检测 的意义，提出所要进行的设计内容汽车碰撞试验中重锤提升控制系统的设 计研究。依据工程建设方提出的控制内容要求，阐述了项目设计思路，选择了 位置检测传感器及确定拟采用的控制方法。 第2 章系统总体结构设计及工作原理。说明系统的设计目标和所遵循的原 则，提出重锤提升控制系统的总体结构。介绍了位置检测传感器光电编码 器的原理及一般使用方法；a v r 单片机的特点和选择a v r 系列中的a t m e g a l 6 理 由。根据位置检测传感器输出的信号波形，结合a t m e g a l 6 的功能特点，如何实 现两者的有机结合，准确地记录重锤移动的位移量，给出了设计的总体结构框 图。 第3 章是重锤提升控制系统的硬件设计。根据总体结构框图，在预定的设计 思想和设计目标下对各单元进行硬件电路实现。包括传感器信号的提取和传输 电路的设计，主单片机外围电路的设计，从单片机的控制电路设计，系统的供 电电源设计以及显示电路的设计等硬件电路。 第4 章是重锤提升控制系统的软件设计。本章是针对系统功能进行了软件 设计，详细地分析了软件中各功能模块的作用。主要包括正负计数程序和重锤 提升位置的计算软件设计，键盘信号的识别程序，主、从单片机的异步串行通 讯程序及显示器显示的详细软件程序。利用单片机设计工业控制装置，实现现 场状态的实时控制，就是充分利用单片机的最大优点中断功能，在本项目 的软件设计中，多次用到中断功能。因此在本章中对单片机中断作了分析说明。 第5 章是论文的总结部分。简单回顾了论文各部分的内容，从项目的设计 任务到论文的写作各个工序的完成，获得了许多经验体会。 1 2 项目中控制系统设计的主要内容及要求 1 2 1 重锤提升控制系统介绍 2 北京交通大学硕士论文 本系统应用在车辆碰撞试验中，将重锤提升到预定的高度使其自由下 落，拉动待试验车辆加速运动，使被测试车辆在碰撞前夕达到预定的速度。 如图卜1 所示是汽车碰撞试验加速系统控制结构图，主要的控制对象是卷 扬机，通过卷扬机提升重锤向上移动。重锤提升到某一高度后自由下落带 动车辆加速行驶，使车辆能够加速到某一预定的速度，用该速度去碰撞装 有检测传感器的障碍物，研究汽车所能承受的碰撞性能。从控制结构图可 以看出，重锤的提升高度与车辆碰撞速度建立了映射的函数关系，控制系 统主要研究对象是控制重锤的提升和降落。 图1 - 1所示是汽车碰撞试验加速系统控制结构图 1 2 2 设计要求 汽车碰撞试验中重锤提升控制系统是由北京某交通工程检测有限公司 出资设计，当然是由该检测公司根据实际工程需要提出电气控制要求。具体设 计要求如下： 1 、在重锤起点位置安装一接近开关，当重锤提升到起点位置时，计数 器开始计数，在此之前显示器不显示，开始计数时显示屏显示为0 ； 2 、重锤在上升或下降的过程中，显示屏能实时显示重锤的高度； 3 、控制面板上要有手动升起按键、手动下降按键、手动停止按键、自动 升起按键、自动下降按键、重锤高度设定键、重锤高度显示屏以及相应状 态的信号指示灯； 4 、当重锤提升至某一高度时，系统能切换至手动控制进行微调； 5 、当重锤提升到任意高度时可对显示屏进行手动清零； 车辆 北京交通大学硕士论文 6 、能够对重锤的提升高度进行设定，当重锤提升至设定高度时，重锤自 动停止升起； 7 、系统的反应灵敏度l c m 以内，单位以m 计，即显示为“0 0 o o 的格 式，量程为0 1 0 0 m 8 、要有系统设置功能，要能设置一个脉冲代表的钢丝绳长度，设置数值 能到小数点后4 位，单位为m ( 不同的试验所用的导向轮会不同，系统能够 对不同的导向轮转动一圈所对应的钢丝绳长度进行设置) 。 1 3 项目的设计思路 1 3 1 控制技术的确定单片机控制 控制方式的选择要考虑控制对象的具体要求、要实现控制系统的性能指标， 所选控制方式的控制特点，控制方式的适用范围，控制系统所选择的控制方式 实现的难易程度等因素。在选择一个控制系统的控制方式时，可以采用已有的 经典的控制手段实现控制目的，这种控制方式在设计中可能存在电路设计复杂， 智能化程度不高的缺点；也可以选择将目前已有几种的控制手段结合起来形成 另一种新型的控制系统，通过分析不同控制方式的优势与不足，使新型的控制 系统能体现出控制方法的总体优势，尽量避免各自的不足；也可以考虑将不同 类型的智能控制与常规控制模式有机组合起来，形成一种新的组合智能控制系 统，这将会使新的控制系统有更佳的性能与整体优势。 应该强调的是在选择控制方式时，应该以工程控制的实际需要出发，在满 足控制要求的前提下，追求控制电路的简单性、可靠性与经济性，不应该盲目 地追求复杂的高级的控制方案，使控制方式变得复杂，控制操作变难，抬高控 制性能的价格比。 当前，随着微电子技术的发展，在智能化设备设计中越来越多的采用了以 单片机为核心的控制单元。单片机顾名思义就是包含了中央处理器c p u 、随即 存储器r _ a m 、只读存储器r o m 和各种输入输出单元的单芯片微机系统。自 从1 9 7 6 年美国i n t e l 公司的m c s 4 8 单片机问世到现在，世界各大计算机公司 研发出多系列、上千个品种的单片机产品，并且随着半导体集成技术的发展， 单片机正向着高主频、低功耗、低成本、多接口等方面发展。目前单片机被广 泛地应用于工业控制、智能仪表、自动测量等领域。单片机的控制有以下几个 4 北京交通大学硕士论文 特点： ( 1 ) 单片微机体积小，实际应用系统简单实用，低成本，高效益。 ( 2 ) 系统配置以满足对象的控制要求为出发点，使得系统具有较高的性能价格 比。 ( 3 ) 应用系统通常将程序驻留在r o m 中，使用方便。 ( 4 ) 由于系统小巧玲珑，控制功能强、体积小，易于安装在被控设备之内，大大 推动了机电一体化产品的开发。 ( 5 ) 具有可靠的数据处理能力，运行速度快、抗干扰能力强。 ( 6 ) 结构灵活，硬件和软件易于结合，易于组成各种应用系统。缩短产品的研发 周期。 ( 7 ) 支持多种软件运行，使开发具有普遍性。 这种高性价比的单片机的推广，极大地提高了智能化控制的性能，使人机 交换更具有人性化。因此，在选择控制方式时，尽可能选择易于应用的单片机 控制方式，以得到高的性价比。 本文所设计研究的是控制卷扬机的转动来达到提升重锤到预定高度。根据 设计要求显示屏能实时显示重锤的高度，这需要在运行中对采集的数据实时计 算；工程设计中还要求对重锤高度和导向轮周长进行设定，设定参数要能够存 储和读出，这就需要带有存储功能的器件。单片机正好能够完成数据处理，数 据存储，并且能够简化硬件电路设计工作，综合考虑，本设计就选择单片机作 为核心器件完成设计任务要求。 1 3 2 传感器的确定光电编码器 在导向轮上安装一个光电编码器，导向轮在钢丝绳的带动下旋转，同时导 向轮带动了光电编码器旋转，转动的光电编码器输出一系列脉冲数，导向轮转 动一圈与光电编码器输出脉冲数是一个定值的关系，记录光电编码器输出的脉 冲数就能够知道导向轮的转动转数，由导向轮的周长与转动转数的乘积就可以 确定重锤被提升的高度。光电编码器转动输出的脉冲传送给单片机进行计数， 单片机将获得的脉冲数计算成导向轮的转数，并且单片机通过计算把导向轮的 转动转数换算成钢丝绳的长度，通过显示模块显示；同时单片机能够将计算的 钢丝绳长度与设定高度进行比较，控制继电器的动作，达到控制卷扬机的目的。 北京交通大学硕士论文 第二章控制系统的工作原理及整体结构 2 1 控制电路选用传感器一光电编码器原理 在位置控制系统中，提高控制精度，准确测量控制对象的位置是十分重要 的。目前，检测位置的办法有两种：其一是使用位置传感器，测量到的位移量 由变送器经a d 转换成数字量送至系统进一步处理。此方法检测精度高，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，使用受到限制， 因此在一般的控制中不采用此方法；其二是使用光电编码器。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9 0 度的数字脉冲信号。正转时a 路超前b 路9 0 度，反转时b 路超前a 路9 0 度。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，因此在电力拖动系统中，经常采用该方法测量位置变化。 使用光电编码器测量位移，准确无误的记数起着决定性作用。由于在位置 控制系统中，电机既可以正转，又可以反转，所以要求计数器既要能够实现加 计数，又要能够实现减计数。相应的计数方法可以用软件来实现，也可以用硬 件来实现。 2 1 1 光电编码器原理 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。 一般情况是光电码盘与电动机同轴安装，电动机旋转时，光栅盘与电动机同角 速度旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测到输出若干脉冲信号， 其原理示意图如图2 1 所示。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数也能够 计算当前电动机的转动速素度。 6 北京交通大学硕士论文 图2 - 1 光电编码器原理图 根据内部构造模式的差别，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的不同，可分为增量式、绝对式以及混合式三 种。 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9 0 度，根据相位差判断出旋转方向，z 相为码盘每转一 圈输出一个脉冲，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。其缺点是 无法输出轴转动的绝对位置信息。 绝对编码器是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，每条道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迸制数码的位数，在码盘的一侧是光 源，另一侧对应每一码道有一光敏元件。当码盘处在不同位置时，各光敏元件 根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二迸制数。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。目前国内已有1 6 位的绝对编码器产品，该产品价格 比较高。 绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制( 葛莱码) 方式进行光电转 换的。绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条 图形，绝对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。编 码的设计可采用二进制码、循环码、二进制补码等。 混合式绝对值编码器，它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带 7 北京交通大学硕士论文 有绝对信息功能；另一组则完全等同增量式编码器的输出信息。 光电编码器是一种角度( 角速度) 检测装置，它利用光电转换原理，将输 入给轴的角度量转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可 靠，接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、 雷达、军事目标测定等需要检测角度或位移的装置和设备中。 光电编码器的电源电压为5 一- - 1 2 v 输入量为角位移，输出量为多相数字脉 冲，分别称为a 相、b 相及z 相。光电编码器按每转输出的脉冲个数分为低脉冲( 小 于2 0 0 个) 、中脉冲( 2 0 0 , - - - 1 0 0 0 个) 、高脉冲( 1 0 0 0 - - - 5 4 0 0 个) 、超高脉冲( 大于6 0 0 0 个) 4 种。 2 1 2 光电编码器测直线位移的原理 用光电编码器测量直线位移时，需用传动机构将直线位移转换为光电编码 器的转动角度。设当被测物体上升时，光电编码器正转此时a 相超前b 相1 4 个周期；当被测物体下降时光电编码器反转，a 相落后b 相1 4 个周期，如图 2 - 2 所示。 逆方向一一；正方向 趣道 砸道1 几几几：几八几厂 正向脉冲i 、 几几n f ln n n m 几几几厂 逆向脉冲 ： 几几几几几n 几几f 1 几几1 厂r 一 图2 - 2光电编码器鉴相波形图 若被测物体停在某一位置时，位移为零。此为基准，被测物体上升时，位 移增加；下降时，位移减小。当位移减少到零而被测物体再继续下降时，位移 变为负且数值增加；当被测物体再上升时，位移应减小但仍为负，当位移减到 零后，位移变为正。可见位移测量不仅要知道位移的大小，还要知道位移的正 负方向。因此，利用光电编码器测直线位移时，符号判别及加减运算的确定是 测量关键。 8 北京交通大学硕士论文 图2 3光电编码器实物图 光电编码器的选择主要是根据工程实际的需要，选择适合精度要求的光电 编码器，同时也要考虑经济价格。汽车碰撞试验重锤提升控制装胃中选用上海 恒祥光学电子有限公司的$ 3 8j 3 v 1 0 0 光电编码器，d c 5 v ，3 相输出。该型号的 光电编码器每转输出的脉冲数有多值可供选择，该项日中选择5 0 0 个脉冲数 转的光电编码器，利用此光电编码器就能够满足实际测量的精度要求。 $ 3 8 一j 3 v 1 0 0 的基本参数是： 外径：中3 8 ( 实心轴) ， 轴径：中6 d 型口， 连接方式：电缆后出和电缆侧出， 电压：d c 5 v ， 分辨率：1 0 2 5 0 0 p r ， 输出形式：集电极开路、电压、长线和推拉输出， 防护等级：i 1 ： 6 5 ， 安装形式：压板固定。 2 2 控制核心单元单片机的选用 控制单元中微处理器是整个单片机控制系统的核心部件，它的性能好坏直 接影响到整个控制系统的性能，也直接影响到系统的硬件和软件设计。正确选 择控制单元的微处理器即可使系统实现预定功能的设计要求，同时还具备高可 靠性，高性价比缩短研究开发周期，又能简化设计硬件电路和软件编程。本 北京交通大学硕士论文 项目设计中控制系统的微处理器选用a v r 系列单片机，该系列的单片机在单片 机家族中具有许多优点，得到广泛的应用。 2 2 1a v r 单片机的特点 a v r 单片机吸取了p i e 及8 0 5 1 单片机的优点，同时还做了一些重大改进，其主要 的优点如下： 片内集成可檫写1 0 0 0 0 次以上的f l a s h 程序存储器。由于a v r 采 用1 6 位的指令，所以一个程序存储器的存储单元为1 6 位，即xxxx * 1 6 ( 也可理解为8 位，即2 * xx xx 术8 ) 。a v r 数据存储器还是以8 个b i t ( 位) 为一个单元，因此a v r 还是属于8 位单片机。 采用c m o s 工艺技术，高速度( 5 0 n s ) 、低功耗( m ) 、具有s l e e p ( 休o r ) 功能。a v r 的指令执行速度可达5 0 n s ( 2 0 m h z ) ，而耗电则在l g a - - 一 2 5 m a 之间( 典型功耗，w d t 关闭时为l o o n a ) 。a v r 运用h a r v a r d 结构概 念，具有预取指令的特性，即对程序存储和数据存取使用不同的存储器和 总线。当执行某一指令时，下一指令被预先从程序存储器中取出，这使得 指令可以在每一个时钟周期内执行。 高度保密( l o c k ) 。可多次檫写的f l a s h 具有多重密码保护锁死 ( l o c k ) 功能，因此可低成本高速度地完成产品商品化，并且可多次更改 程序( 产品升级) 而不必浪费i c 或电路板，大大提高了产品的质量及竞 争力。 工业级( w d t ) 产品。具有大电流( 灌电流) l o m a - - 2 0 m a 或4 0 m a ( 单 一输出) 的特点，可直接驱动s s r 或继电器。有看门狗定时器( w d t ) 安 全保护，可防止程序走飞，提高产品的抗干扰能力。 超功能精简指令。具3 2 个通用工作寄存器( 相当于8 0 5 1 中的3 2 个累加器) ，克服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象，1 2 8 - - 1 0 2 4 k 字 节s r a m 可灵活使用指令运算，并可用功能很强的c 语言编程、易写、易 移植。 程序写入器件可以并行写入( 用编程器写入) ，也可使用串行在线 编程( i s p ) 方法下载写入，也就是说不必将单片机芯片从系统上拆下， 拿到万用编程器上烧写，而可直接在电路板上进行程序的修改、烧写等操 l o 北京交通大学硕士论文 作，方便产品升级，尤其是采用s m d 封装，更利于产品微型化。 除了并行i o 口输入输出特性与p i c 的h i l o w 输出及三态高阻抗 h i - z 输入相同外，还设定与8 0 5 1 系列内部有上拉电阻的输入端功能相似 的功能，以便适应各种实际应用特性所需( 多功能i o 口) 。只有a v r 才 是真正的i 0 口，能正确反映i o 口的输入输出的真实情况。 单片机内集成了模拟比较器，i 0 口可作为a d 转换用，组成廉价 的a d 转换器。 像8 0 5 1 一样，a v r 单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响 应中断，而不会向p i c 那样，所有中断都在同一向量地址发生，需要由程 序判别后才可响应，从而失去了控制的最佳机会。 同p i c 一样，a v r 单片机可重新设置启动复位。a v r 也有内部电源 上电启动计数器，可将低电平复位( r e s e t ) 直接接到v c c 端。当系统上 电时，利用内部的r c 看门狗定时器可延迟m c u 的启动，执行系统程序。 这种延时可使i 0 口稳定后再执行程序，提高了单片机工作的可靠性，同 时也省略了外加的复位延时电路。 具有休眠省电功能( p o w e rd o w n ) 及头置( i d l e ) 低功耗功能的工 作方式。 a t 9 0 s 1 2 0 0 等部分a v r 器件具有内部的r c 振荡器，提供1 m h z 8 m h z 的工作时钟，使该类单片机无需外加晶振等时钟电路元器件即可工作，简 单方便。 有8 位和1 6 位的计数器定时器( c t ) ，可作比较器、计数器、外 部中断和p w m ( 也可作d a ) 用于控制输出。 有串行异步通信u a r t 硬件接口电路，采用单独的波特率发生器， 并不占用定时器。有s p i 传输功能。因其高速，故可以在一般标准整数频 率下工作，而波特率可达5 7 6 k b p s 。 a t 9 0 s 4 4 1 4 及a t 9 0 s 8 5 1 5 具有可扩展外部存储器达6 4 k b 的能力，它 们的引脚排列及功能与8 0 5 1 相似，即可替代8 0 5 1 系列单片机( 8 7 5 1 8 7 5 2 ) 的应用系统。当然，在硬件、软件上也带来了很多优点( w d t 看门狗，模 拟比较器作a d ，p w m 作d a 等) 。 北京交通大学硕士论文 工作电压范围为2 7 v 6 o v ，电源抗干扰性能强。 多通道的1 0 位a d 及实时时钟( r t c ) 。具有8 路1 0 位a d 器件的 有a t 9 0 s 4 4 3 4 、a t 9 0 s 8 5 3 5 ，具有6 路1 0 位a d 器件的有a t 9 0 s 2 3 3 3 、 a t 9 0 s 4 4 3 3 。 高档a v r 单片机m e g a 系列的性能更加强大。如a t m e g a l 2 8 有更大 容量的存储器( f l a s h1 2 8 k b 、e 2 p r o m4 k b 、r a m4 k b ) ，i o 端口5 3 个、 中断源3 4 个、外部中断8 个、s p i 接口1 个、u s a r t 接口1 个、1 2 c 接口1 个、8 位定时器2 个、1 6 位定时器2 个、p w m 接口8 个，有看门狗定时器， 有实时时钟r t c ，模拟比较器，8 路1 0 位a d ，可在线编程( i s p ) 和在应 用自编程( i a p ) 、片内有r c 振荡器、上电复位延时电路和可编程的欠电 压检测电路，工作电压为2 7 v 5 5 v 。， a v r 单片机还在片内集成了可c a 写1 0 0 0 0 0 次的e e p r o m 数据存储器， 等于又增加了一个芯片，可用于保存系统的设定参数、固定表格和掉电后 的数据保存，既方便了使用，减小了系统的空间，又大大提高了系统的保 密性。 2 2 2 单片机芯片型号选择a t m e g a l 6 利用光电编码器测量位移的关键是要判断正反转方向，由正反转方向来确 定加减运算。本项目设计中就是利用单片机来完成正反转判断计数和加减运算 等数据处理，并且完成通信、控制等功能。可见，单片机是整个控制电路的核 心，选择合适的单片机是实现控制任务的关键环节。单片机的选择要满足设备 实际使用场合的要求，还要适当的留出发展的余量。 选择单片机的主要出发点是以下几个方面： ( 1 ) 选择自己所熟悉的单片机品种，使用自己熟悉的品种开发研制产品可以明 显的缩短开发时间，节省开发成本。 ( 2 ) 选择满足功能设计要求的品种。主要根据实际使用状况，重点要求功耗要 低，有较强的控制和通讯能力，以及充足的数据储存空间。 ( 3 ) 选择可靠性高、抗干扰性强的品种，由于集成度比较高的芯片可靠性也比 较高，所以选择时要注意这一点。同时要选择抗干扰性强的芯片，因为现场的 情况比较复杂多变，难以预料，难以控制。 1 2 北京交通大学硕士论文 ( 4 ) 选择性价比高的品种，作为一个商业产品，要在激烈的市场竞争中有一席 之地，价格因素是首要的条件，所以这是一条必须要考虑的条件。 ( 5 ) 选择流行且易于采购的品种，流行的品种不但可以保证稳定的货源，而且 有价格可选择余地，可以获得丰富的资料，易于得到