基于电容式传感器的角位移测量仪研制的设计与研究.doc

编号 毕业设计（论文）题目 基于电容式传感器的角位移测量仪研制 二级学院 电子信息与自动化 专 业 测控技术与仪器 班 级 110070301 学生姓名 学号 指导教师 职称 时 间 2014年6月 重庆理工大学毕业设计（论文） 目录目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1课题的探究背景11.2角度测量仪器的发展现状11.3本课题的探究内容21.3.1本课题的任务要求31.3.2设计思路的可行性分析31.3.3本课题的关键问题31.3.4关键问题的解决思路31.4本章小结32 角位移测量仪的系统原理方案设计42.1电容角位移测量仪的结构42.2角位移测量仪的总体设计52.2.1总体概述52.2.2工作原理52.3角位移测量仪的单元设计62.3.1圆形容栅位移传感器62.3.2信号的调理102.3.3容栅位移传感器信号辨向问题102.4 本章小结123 角位移测量仪的硬件电路设计133.1测量系统硬件电路总体设计方案133.2系统器件选择方案133.2.1控制器的选择133.2.2运算放大器的选择143.2.3数显器件的选择143.3单片机控制单元153.3.1 STC89C52单片机153.3.2单片机引脚介绍153.3.3单片机最小系统163.4单元电路设计183.4.1放大电路183.4.2整形电路193.4.3微分电路203.4.4位移辨向电路213.4.5按键显示电路223.5本章小结244 系统软件设计254.1 KeilC51编译器254.2主程序的设计254.3子程序的设计254.4 LCD1602显示程序274.5本章小结305 仿真与测试315.1仿真测试315.2问题处理325.2.1 P0口上拉问题325.2.2 按键延时防抖335.3测量精度分析345.4本章小结346 结论35致 谢36参考文献37附录A 信号处理电路原理图39附录B 键盘显示电路原理图40附录C 软件程序41重庆理工大学毕业设计（论文） 摘要摘 要角度测量在几何量测量中有着重要的地位，随着工业体系对角度测量技术要求的提高，在很多应用现场，现有的角度测量仪器由于测量范围、精度以及体积和功耗的局限，已经渐渐不能满足测量要求，比如角位移的辨向问题。电容式传感器以其结构简单、体积小、耗能少、非接触式测量、抗干扰能力强、环境适应性强、测试精度高等优点，被广泛应用于各种检测中，市面流行的容栅式数显仪就是其的一种应用。本课题针对目前角度检测出现的问题，设计了一种基于电容式传感器的角位移测量仪。系统采用容栅传感器，以STC89C52RC为控制核心，借鉴光栅位移测量过程中的辨向方法，将由容栅尺发生相对位移引起的输出信号转换为位移值。本文详细地介绍了容栅传感器测量原理、容栅尺输出电压信号的处理过程。将容栅传感器接入测量电路中，输出的电压信号作放大整形后，经过辨向电路处理，将信号转变为尖脉冲进行计数，再由CPU转换输出，然后显示出来，这样就实现了位移的数字式测量。关键词:角度测量 数显仪 位移 容栅传感器 I重庆理工大学毕业设计（论文） AbstractAbstractAngle measurement plays an important role in the geometric measurement, with the industrial system to improve the technical requirements for measuring angles, in many applications the scene, due to the measurement range, accuracy and limitations of size and power consumption of existing angle measuring instruments, has gradually not meet the measurement requirements, such as the angular displacement of the resolution to the problem.Capacitive sensors for its simple structure, small size, low power consumption, non-contact measurement, strong anti-interference ability, environmental adaptability, high precision testing is widely used in a variety of assays, commercially popular capacitive type digital instrument is its kind of applications.The topic for the current angle detection problems, is designed based on the angular displacement measuring instrument capacitive sensor. Change system uses capacitive sensors to STC89C52RC as the control center, drawing grating displacement measurement process identified the method by capacitive scale relative displacement caused by the output signal is converted to displacement values. This paper describes in detail the capacitive sensor measuring principle, capacitive scale output voltage signal processing. The capacitive sensors measure the access circuit, the output voltage signal for amplification after surgery, after resolution to the circuit processing, the change is reversible displacement signal shift changes in the number of pulses counted by the controller converter output, and then show up, so on the realization of digital measuring displacement.Key words: Angulation ；Digital instrument；Displacement；Capacitive sensors4重庆理工大学毕业设计（论文） 绪论 1 绪论1.1课题的探究背景角度是机械、仪器仪表和电子产品制造业中的重要参数之一，它的准确度直接影响着产品的质量和寿命，因而角度测量在几何量测量中有着重要的地位。在经济建设和科学技术领域都离不开角度的测量问题，诸如切削刀具的测量，零件有关角度的测量，仪器的检验和装调，以及天文研究、大地测量、水利、交通建设、导弹和卫星的发射等1。随着科学技术的发展，各种角度测试理论和方法不断出现，对角度测量的要求日益增多，国内外许多部门和科研机构相继研究出各种角度测试仪器和设备，角度测量技术水平和测量精度不断提高，并且逐渐实现了测试过程的自动化。目前，许多工程应用中需要一个水平基准或是对倾角进行测量，并将这些数据输入到计算机等设备进行数据处理或实时处理2。近年来工业上常用的测角方法按照测量原理大致可以分为三大类：机械式测角技术、电磁式测角技术和光学测角技术。机械式和电磁式倾角技术由于研究较早，技术已经非常成熟，其优点是简单、成本低，但是其设备体积庞大，测量延时大、精度低，多数情况下不能实时动态测量，而且不能实现非接触式测量。光学测角技术是随着新型光电材料的出现而发展起来的，具有测量准确度高和非接触测量的特点。光学测角方法比一般的机械和电磁方法有更高的准确度，而且更容易实现细分和测试过程的自动化，但是在一些恶劣的环境下，现有的基于光学测角技术的测角仪还是不能满足测量要求3。随着工业体系对角度测量技术的要求越来越高，角度测量仪器应用的场合也越来越广泛，为了满足角度测量中不同场合的需要，我们需要设计出一种便携式、高精度、结构简单、非接触式测量、抗干扰能力强的角度测量仪器。本课题正是针对上述角度测量中所存在的一些不足之处，探索研制一种便携式、高精度角度、非接触式测量、抗干扰能力强的智能式角位移检测仪器，即将微控制器嵌入到检测仪器中。1.2角度测量仪器的发展现状角位移是一个重要的计量单位，角位移测量是计量技术的重要组成部分4。建国初期，我国连简单的多面棱镜都需要进口。半个多世纪以来，计量工作者做了大量的工作，建立了我国的角度计量基准器和各级标准器，对角度测量的理论、方法和技术进行了深入研究，并研制出各种角度测量仪器以满足经济建设和科技需求。随着生产和科学的不断发展，角度测量越来越广泛的应用于工业、科研等各领域，技术水平和测量准确度也在不断提高。近年来，特别是随着电子计算机技术的蓬勃发展，使得角度测量技术得以实现自动化，极大的扩充了角度测量的应用范围。角度测量工具在设计过程中最重要的就是选择合适的传感器。目前广泛应用的传感器主要有电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、光电式传感器、磁阻式传感器、热电式传感器等。电阻式传感器结构简单、尺寸小、重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定，但要求输入的能量大，受温度影响大；电感式传感器结构简单可靠，输出功率大，抗干扰能力强，对工作环境要求不高，分辨率较高，稳定性好，缺点是频率响应低，不宜用于快速动态测量。光电式传感器具有精度高、反应快、非接触等优点，但光感有时候会有些不稳定，对于材料的要求很高，在特定场合可能会容易出现失误性操作，因此有些局限性，此外，有部分精密的传感器造价过高；磁阻式传感器不需供电电源，测量电路简单、性能稳定、负载能力强，具有一定的频率响应范围，但其尺寸和重量都比较大，不便于携带；热电式传感器的优点是耐用，测温范围宽，缺点是体积大，灵敏度低。电容式传感器频率响应宽、应用广、非接触测量5。因而我们在本课题角位移的测量中采用电容式传感器。随着计算机应用技术的不断发展，微控制器在工业测量和控制领域内的应用越来越广泛。在很多检测仪器中应用了单片机，使计量检测仪器具有了一定程度的智能化。本课题中，我们将单片机运用到角位移测量仪中，使其具备一定程度的智能化。1.3本课题的探究内容本文从变面积型电容式传感器出发，研究了圆容栅传感器的工作原理以及其测量电路，设计了一套基于圆容栅传感器的角位移测量仪，采用容栅测量电路和单片机技术很好的完成了角位移的数显测量。1.3.1本课题的任务要求本次设计的主要任务是根据变面积型电容传感器的工作原理，设计一角位移测量仪，主要要求如下：（1）能实现任意角位移的测量；（2）角位移分辨率能达到30。1.3.2设计思路的可行性分析本次设计的整个系统包括圆容栅传感器、信号调理、单片机显示等几个部分，其可行性分析如下：（1）查阅容栅传感器的资料，结合电容传感器的特性，熟悉容栅传感器的工作原理；（2）运用模电相关方面知识，对采集到的电荷信号进行放大、整形处理；（3）参照光栅位移测量原理，完成脉冲的计数及位移辨向处理方式；（4）测量结果参照数显仪器的处理方式，完成数据的智能显示。1.3.3本课题的关键问题针对实际操作中出现的问题，本次设计的主要关键问题如下：（1）容栅传感器输出的信号怎么模拟；（2）容栅传感器输出的信号处理方式；（3）采用何种方式完成位移方向的判定。1.3.4关键问题的解决思路对于上述关键问题，其解决思路如下：（1）容栅传感器价格昂贵，采用两路有相位差的正弦信号代替其输出信号；（2）传感器输出的位移调相信号，采用数字化处理进行脉冲计数； （3）采用软件处理的方式完成调相信号的辨向，从而完成位移方向的判定。1.4本章小结本节从角度检测的背景出发，介绍了角度检测的意义以及角度检测仪器的发展现状，最后进入本课题研究内容的介绍，简要的概述了本课题的任务要求、可行性分析以及关键问题与其解决思路，为下节角位移测量仪的设计提供了指导思想。重庆理工大学毕业设计（论文） 角位移测量仪的系统原理方案设计 2 角位移测量仪的系统原理方案设计角位移测量仪的设计，必须是通过采集一定量值的角度变化信号，然后把该信号转化为物理信号，使得这些变化的物理信号能够表达角位移的变化。要得出该角位移的变化量值，就需要通过相应的硬件电路来处理物理量并且显示出来。在硬件设计中一般的物理信号就是电压变化，有了这个系统的设计思路，本课题就此开始实施。2.1电容角位移测量仪的结构角位移测量仪是利用电容传感器作为变换元件，把采集到的由角位移变化而引起的电容变化量转换成电信号，用电子仪表进行测量和显示的装置6。本系统的组成包括电容传感器、信号处理、单片机电路、液晶显示、电源等部分。（1）电容传感器即将非电量（角度）转换成电量的转换元件，它由发射极板、反射（标尺）极板和屏蔽极板组成，它可以将接收到的角度值变化按一定的函数关系（通常是线性关系）转换成便于测量的物理量（如电压、电流或频率等）输出。（2）信号处理 即处理电容传感器采集到的低频信号的模拟电路（包括放大、滤波、整形等）。（3）单片机电路即利用单片机自身的中断计数功能对输入的脉冲电平进行运算得出角位移（包括AT89C51、外部晶振、外部中断等）。（4）液晶显示即把单片机计算得出的结果用LCD液晶显示屏显示，便于直接准确无误的读出数据。（5）电源即向电容传感器、信号处理、单片机提供的电源，可以是5V-9V的交流或直流的稳压电源。2.2角位移测量仪的总体设计2.2.1总体概述本次角位移测量系统的设计采用圆容栅测量方案。它的基本测量部分是一个差动电容器，它的作用是利用电容的电荷耦合方式将机械位移量转变成为电信号的相应变化量，将该电信号送入电子电路，再经过一系列变换和运算后显示出机械位移量的大小。基于电容式角位移测量系统，系统主要分为容栅传感器的角度检测电路、容栅传感器信号调理电路、单片机信号处理电路以及液晶显示部分。本设计的主要应用就是角位移的检测，利用的主要测量电路即为容栅传感器，容栅传感器输出的信号与所需测量的角度有一定的对应关系，因此可以利用此关系式求得被测角度，再加以辨向即可。2.2.2工作原理本设计采用单片机STC89C52为控制核心，实现角位移测量仪的基本测量功能。测量仪的结构框图如图2.1所示。正弦感应信号电容 传感 器放大滤波整形电路辨向电路信号产生部分信号调理部分脉冲计数锁存器单片机LCD显示数据处理部分正弦激励信号 图2.1 系统结构框图当外部角度变化时，引起电容传感器的电容值发生变化，经电容传感器变换电路输出随角度变化的正弦信号。该信号经放大、整形微分后输出脉冲信号，将该脉冲信号输入单片机电路，对脉冲信号进行计数转换处理后把结果送到LCD显示。2.3角位移测量仪的单元设计电容式传感器的角位移测量电路，测量时角度的变化会引起传感器中电容量的变化，因此可以利用电容量的变化来度量角度变化，完成整个测量。实际应用中，由于直接检测电容量几乎是不可能的，因此利用电子电路的知识对电容量进行相应的变换转换为电学量，再对电学量进行测量、数显，从而完成整个测量。2.3.1圆形容栅位移传感器传感器是信息检测的必要工具，是生产、测试、计量、监测等过程必不可少的基础环节，通常是检测系统与被测对象之间的接口，处于检测系统的输入端。根据传感器的工作原理，其类型主要有：电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、磁电式传感器、光电式传感器以及新型智能式传感器等7。（1）容栅结构的提出电容式传感器是将非电量转换成电容变化的一种传感器。用两块平行的金属板作为电极板，可构成最简单的电容变换（传感）元件，由物理知识可得起电容值为： (2-1)式中 - 极间介质的介电常数(空气介质)； - 两极板互相覆盖的有效面积；- 两极板间的距离；- 静电力常量。由式(2-1)可以看出，、三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化。如果保持其中的两个参数不变，而改变另一个参数，则电容量将会随之改变。如果变化的这个参数和被测量之间存在一定的对应关系，那么被测量的变化就可以直接由电容量的变化反映出来，这就是电容传感器的基本原理。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。在变面积型角位移电容传感器中，电容表达式可简写为: （2-2）其中 （2-3）其灵敏度为： （2-4）由上述可知，变面积型角位移电容传感器的灵敏度为一个常数，线性度良好，一般用来对位移量进行测量8。 图2.2 角位移电容极板结构如图2.2所示为变面积型角位移电容传感器的极板结构图。两块单独的金属极板测量时只能测得0范围内的角度，大大的局限了测量范围。采用圆盘梳齿式的容栅结构可实现较小位移和较大位移的测量，将单位角度的容栅极板进行细分以满足其微量位移的高精度测量9，如图2.3所示为圆容栅结构图。a) 动栅盘 b) 定栅盘图2.3 圆容栅结构圆形容栅传感器由动栅尺和定栅尺组成。如图2.3 a)所示，动栅盘上贴有面积、形状相同的扇形发射电极，彼此间的间距相同。在动栅盘的外围是接收电极。动栅盘中央的小圆可以用作轴孔，用来安装动栅盘和定栅盘；也可以不作任何用途。不将发射电极延伸到动栅盘中心的原因是为了避免在发射电极的实际加工过程中造成困难，同时也可避免在电极成品中产生较大的误差。圆容栅的定栅盘上贴有面积、形状相同的扇形标尺电极和屏蔽电极，彼此相连沿盘心排列，如图2.3 b)所示10。（2）容栅传感器的组装测量如图2.4所示，根据具体情况，组装时可将动栅盘和定栅盘同轴相连，也可将二者在外沿相连，只要使动栅盘和定栅盘能够做相对旋转运动即可。在测量时, 当动栅盘相对于定栅盘旋转时, 由于发射电极与标尺电极的正对面积发生变化，使标尺电极上的感应电荷产生变化。由于发射电极与标尺电极及接收电极与标尺电极间均存在电容，通过接收电极的输出电压变化，从而完成测量过程。图2.4 动栅盘和定栅盘组装示意图（3）容栅传感器的角位移测量原理在圆容栅传感器的发射电极加上一个频率和相位严格按照周期变化的激励电压信号时，根据电容器的工作特性，在标尺电极上将会感应产生与发射电极频率及相位相同的电压信号。同理，在接收电极也将得到频率及相位与激励信号相同的感应电压信号。当动栅盘相对于定栅盘旋转时，发射电极与标尺电极的正对面积发生变化，标尺电极上将产生随角位移变化而导致相位和频率变化的感应电荷。随之，接收电极也产生随标尺电极信号变化而变化的感应信号11。如果将每一个发射电极分别和每一个标尺电极连接到一个电路中，那么就有12个相同的电路，每一个电路都输出电压信号。如图2.5 a)所示的是发射电极1分别和标尺电极a， b，c，d连接输出的4路电压信号，在此可以看到每2路信号的相位相差，从波形可以知道，每一路信号相位相差，电压就能得到1个最大值。因此，对于发射电极1来说，当动栅盘转过时电压会输出4次最大值。如图2.5 a)所示，与每一路信号连接的触发器都设置一个确定的门电压，整形后可以得到方波，如图2.5 b)所示，然后对其求导得到脉冲信号。在图2.5 c)中在范围内有4个脉冲信号, 可以得到如下结论:对于发射电极1，动栅盘每移动就输出1个脉冲信号。对于发射电极2和发射电极3，可以得到类似的结论。不同的是，发射电极1对标尺电极a与发射电极2对标尺电极a信号之间的相位差为，发射电极1对标尺电极a与发射电极3对标尺电极a 信号之间的相位差为，如图2.6所示。因此，当动栅盘转过时可以输出12个脉冲，并且每1个脉冲所代表的角度为，即12。 图2.5 发射电极1和标尺电极a，b，c，d之间的输出信号及整形波形适当增加发射电极和标尺电极的数目，使其在角度范围内输出更多脉冲数即可提高测量精度。若发射电极数目为，标尺电极数目为，当满足 (是大于2的自然数)时，圆容栅传感器的分辨率为。即每一个脉冲代表 , 数出脉冲个数就可以算出角位移13。 图2.6 标尺电极a与发射电极1、2、3的输出电压信号2.3.2信号的调理圆形容栅传感器输出的信号调理过程如图2.7所示，主要包括放大部分、整形部分和微分部分。放大部分的作用是将圆容栅输出的微小正弦感应信号信号放大到05V范围内，便于后续的处理；整形模块是将放大后的信号转换成方波，便于辨向处理；微分模块的作用是将方波信号变换成尖脉冲，然后进行计数14。放大整形微分 图2.7 信号调理电路框图及主要波形2.3.3容栅位移传感器信号辨向问题由于位移是矢量，故在位移测量时，不仅要测量大小，还要测量其方向。为了能够正确辨向，必须产生两路正交信号，这可以由容栅传感器输出的信号，来替代。辨向电路的原理框图如图2.8所示。图2.8中，是相位差为的两路正弦信号，经过整形后得到方波,。当正向旋转时, 相位超前，则超前1/4周期。反向得到，和经微分电路后得到信号，各点波形如图2.9所示。由图2.9(a)可见，对于与门，由于处于高电平时总处于低电平，因而输出为0；而对于与门，处于高电平时也处于高电平, 因而输出正脉冲。同理，当反向旋转时，如图2.9(b)所示，相位超前，与正向旋转时情况相反，与门，由于处于高电平时也处于高电平, 因而输出正脉冲；而对于与门，处于高电平时总处于低电平，因而输出为0。这样，只要将,作为触发信号来控制可逆计数器实现脉冲的加减计数，就可以实现旋转角位移的辨向15。放大整形求导反相求导 Y1: 旋转方向为-X时输出正脉冲 Y2: 旋转方向为X时输出正脉冲放大整形图2.8 辨向电路原理框图图2.9 辨向电路各点波形图2.4 本章小结掌握角位移测量仪的测量原理是完成本设计任务的关键之处，本章节主要对角位移测量仪的系统结构、工作原理进行了论述，并对其各个模块的基本原理进行了系统的描述，为硬件各单元电路的设计做好了理论基础。12重庆理工大学毕业设计（论文） 角位移测量仪的硬件电路设计 3角位移测量仪的硬件电路设计任何一种测量系统，无论是如何的简单，都有其基本的结构框架，都离不开硬件电路的支持16。电容式角位移测量仪的设计，可以看成是一种智能化仪器的设计，因此也需要硬件电路设计，下面就角位移测量仪的硬件电路设计作必要的叙述。3.1测量系统硬件电路总体设计方案通过第二章节的讨论，在研究容栅传感器测量原理的基础上,以STC89C52RC单片机为核心设计了角位移测量仪。系统的硬件结构框图如图3.1所示。容 栅 位移 传 感器 v1v2放大整形微分辨向CPU键盘显示图3.1 系统硬件结构框图STC89C52RC单片机作为CPU控制整个系统的运行，并执行所有的数据处理与运算；放大整形电路将容栅尺的输出信号转换为同频率的矩形波，当栅尺发生相对移动时该矩形波也会发生相应的变化，将该矩形波进行微分处理送入到辨向电路中，然后单片机对其输出的尖脉冲做可逆计数，并转换运算得出当前位移值后输出显示；系统的键盘用于异步清零操作和角度/弧度转换操作。3.2系统器件选择方案3.2.1控制器的选择单片机作为系统的控制核心，容栅尺的输出信号经放大、整形以及微分辨向后送入单片机进行计数，单片机还要将脉冲运算转换成位移值以及与输出设备，为保证数据采集的正确和转换的实时，单片机需要有一定的存储空间和运行速度。方案一：选用AVR单片机，它是ATMEL公司生产的一款8位单片机，与8051相比，它的运行速度更快、功耗更低、内部集成了更多的功能。但是AVR的引脚配置、封装和8051不兼容，内部结构、开发工具也不相同，需要重新学习，花费时间较长。方案二：选用AT89C52单片机，它是ATMEL公司生产的8位单片机。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，兼容标准MCS-51指令系统，可以用于较复杂系统的控制应用场合。但是AT89C52不带ISP下载，要用下载器才行，这样就为设计带来了不便。方案三：选用STC89C52单片机，它是STC公司生产的8位单片机。STC89C52系列单片机的指令系统和AT89C52系列的完全兼容，且执行指令的速度较快，对工作环境的要求较低。比较上述三种选择方案，选用单片机STC89C52。3.2.2运算放大器的选择运算放大器作为信号调理部分的主要元器件，它的选择关乎系统设计的成败。对运算放大器的选择主要考虑以下几点：一、传感器输出信号的情况，对微小信号来说一般要求放大器有较高的输入阻抗；二、运算放大器本身的噪声和抗干扰能力；三、放大器的带宽，对于交流信号来说这点至关重要；四、共模信号的抑制能力。本次设计采用LM324。LM324是一种低功耗、高增益的放大器，增益带宽积可达1.2MHz，特别适合做小信号的前置放大级，经LM324放大后的小信号失真度很小，可以把系统误差控制在系统设计要求的范围。3.2.3数显器件的选择方案一：用LED数码显示，LED数码管以发光二极管作为发光单元，有红、 黄、蓝、绿、黄、绿等几种颜色，对比度高。本次设计显示的范围为0360，精度0.5，需采用四位数码管，考虑到单片机的驱动能力以及占用的单片机接口较多，不采用这种显示方式。方案二：选用LCD液晶屏显示，液晶屏使用寿命长、响应快、功耗低、视觉效果直观，可以显示文字、图形等。考虑到其操作方便灵活，故选择液晶显示。比较上述两种选择方案，选用单片机LCD液晶屏显示。3.3单片机控制单元3.3.1 STC89C52单片机STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。STC89C52具有如下标准功能： 8数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串口，8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，片内晶振及时钟电路。另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作；掉电保护模式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止17。3.3.2单片机引脚介绍STC89C52单片机有40根引脚（如图3.2所示），分别为2根专用于主电源引脚，2根外接晶振的引脚，4根控制或与其它电源复用的引脚，以及32根I/O引脚。图3.2 STC89C52单片机VCC（40脚)：接+5V电源正极；VSS（20脚）：接+5V电源负极。XTAL1（19脚）：接外部石英晶体的一端。XTAL2（18脚）：接外部石英晶体的另一端。RST/VPD（9脚）：RST即为RESET。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。ALE/PROG（30脚）：当访问外部存储器时，ALE(允许地址锁存信号)的输出电平用于锁存地址的低位字节。PSEN（29脚）：外部程序存储器的选通信号，低电平有效。EA/Vpp（31脚）：EA为访问外部程序存储器的控制信号，低电平有效。当EA端保持高电平时，单片机访问片内4KB程序存储器；当EA保持低电平时，无论有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。P0口（39脚22脚）：P0.0-P0.7统称为P0口。P1口（1脚8脚）：P1.0-P1.7统称为P1口。P2口（21脚28脚）：P2.0-P2.7统称为P2口。P3口（10脚17脚）：P3.0-P3.7统称为P3口。 表3-1 单片机P3.0管脚含义引脚第2功能P3.0RXD（串行口输入端）P3.1TXD（串行口输出端）P3.2INT0（外部中断0请求输入端）P3.3INT1（外部中断1请求输入端）P3.4T0（定时器/计数器0计数脉冲端）P3.5T1（定时器/计数器1计数脉冲端）P3.6WR（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）P3.7RD（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）3.3.3单片机最小系统单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。最小系统原理图如图3.3所示。 (1)电源供电模块对于一个完整的单片机系统来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。如图3.4所示，此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给。电源电路中接入了电源指示LED，图中R3为LED的限流电阻。S为电源开关。 图3.3 单片机最小系统图3.4 电源模块电路图(2)复位电路单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效，复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期，具体数值可以由RC电路计算出时间常数。复位电路由按键复位和上电复位两部分组成（如图3.5所示）。(1)上电复位：STC89系列单片机为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。 (2)按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电，RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。图3.5 复位电路图 (3)振荡电路单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。图3.6 振荡电路图单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。STC89C52使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容量一般在15pF至50pF之间（如图3.6所示）。3.4单元电路设计3.4.1放大电路传感器输出的信号非常微小(仅有几mV至几百mV)，不利于信号的传输、显示18，因此需要进行信号的放大，这里采用直接耦合方式的两级放大电路，放大电路如图3.7所示，其闭环增益为： （2-16） 图3.7 放大电路选择，,根据平衡条件，取，由（2-16）可知：。其仿真结果如图3.8所示。图3.8 放大电路仿真结果3.4.2整形电路最常用的整形电路是电压比较器，电压比较器功能是比较两个电压的大小，通过输出电压的高电平或低电平，表示两个输入电压的大小关系。电压比较器一般具有两个输入端和一个输出端，其中一个输入端接参考信号，另一个接待测信号，输出“0”或“1”的数字量。如图3.9所示，是施密特电压比较器构成的过零比较器，当时，；当时，（表示正电源电平值，表示负电源电平值）。它表明输入电压从低逐渐升高经过零电位时，将从高电平变成低电平。相反，当输入电压从高逐渐降低经过零电位时，将从低电平变成高电平，这样就将变化的波形转换成了矩形波。图3.9 整形电路图3.10 整形电路仿真结果3.4.3微分电路经过整形出来的方波信号还需要微分才能变成尖脉冲，微分电路如图3.11所示。其输出电压与输入电压关系为 （2-15）可见与的微分成正比。图3.12中，在微分电路前加了低通滤波电路，来抑制高频噪声的干扰，保证微分电路的正常工作19。其仿真结果如图3.12所示。图3.11 微分电路图3.12 微分电路仿真结果3.4.4位移辨向电路 由第二章位移辨向原理简绍，本设计的辨向电路如图3.13所示。正转时，与门A输出尖脉冲，计数器做加法计数；反转时，与门B输出尖脉冲，计数器做减法计数，这样计数值的大小就反应了真实位移的值。图3.13 辨向电路图3.14 辨向电路仿真结果3.4.5 按键显示电路 （1）按键部分如图3.15所示，角位移测量仪设置了两个按键K1、K2，它们的功能为：（1）K1按下时显示器清零；（2）K3按下时，实现角度/弧度的转换。（2）LCD液晶显示部分LCD1606为工业字符型液晶，能够同时显示32个字符（16列2行），它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，每个点阵字符位都可以显示一个字符。其管脚定义如表3-2所示。将LCD1602的VSS接电源地，VCC接电源+5V，VEE通过电位器接地（用于调节对比度），RS、R/W、E接单片机P2.0、P2.1、P2.2，D0-D7数据口接单片机P0口（需要上拉电阻）。如图3.15所示。表3-2 1602的管脚定义引脚号引脚名电平输入/输出作用1VSS电源地2VCC电源（+5V）3VEE对比调整电压4RS0/1输入0=输入指令 1=输入数据5R/W0/1输入0=向LCD写入指令或数据1=向LCD读取信息6E1,1-0输入使能信号，1时读取信息，1-0执行指令7-14DB00/1输入/输出数据总线15A+VCCLCD背光电源正极16K接地LCD背光电源负极通过单片机的控制，将数据显示在屏幕上，其中上一行为角位移显示标志，下一行为角位移。图3.15 按键显示电路3.5本章小结硬件电路是整个设计的重要组成部分。在角位移测量仪的硬件电路设计中，主要围绕容栅位移传感器输出的信号进行变换处理。本章重点介绍了信号的放大、整形、微分和位移辨向，经过处理的脉冲信号送入单片机计数显示输出。40重庆理工大学毕业设计（论文） 系统软件设计 4 系统软件设计硬件电路是系统工作的基础，而软件是实现系统功能的重要条件，简洁而高效的软件可以很好的协调系统各部分电路的工作，提高系统的工作效率，可以说是系统的灵魂。本系统的程序是用MCS-51系列单片机开发软件KeilC51编写的C语言程序。程序主要包括主程序、脉冲计数子程序、按键扫描子程序和LCD1602显示程序。4.1 KeilC51编译器单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编。目前己极少使用手工汇编的方法，机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码。KeilC51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，Keil提供了包括C编译器、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工具，通过集成开发环境uVision2将这些部分组合在一起。KeilC51编译器在遵循ANSI标准的同时，为8051微控制器系列特别的扩展设计，语言上的扩展能让用户使用单片机中的所有资源。KeilC51允许用户使用C语言编写中断服务程序，快速进、出代码和寄存器区的转换功能，使中断功能更加高效。此外，KeilC51提供了灵活高效的指针，可以在8051的任意存储区内存取任何变量，指针存取非常迅速，大大提高了软件执行效率20。4.2主程序的设计在容栅角位移测量系统中，CPU需要将系统的各个器件初始化，对脉冲进行可逆计数，将脉冲数转换为位移值，并将位移值输出显示，此外CPU还需要完成必要的键盘操作。在本系统的设计过程中，程序根据实际情况做了多次优化和修改，主程序流程图见图4.1。4.3子程序的设计键盘是容栅角位移测量仪所必备的，通过键盘可实现显示清零、角度/弧度转换的功能，可以使容栅角位移测量仪的使用更加灵活、方便。键盘检测子程序框图见图4.2。脉冲计数处理是本系统的关键，容栅尺的输出信号经放大整形辨向处理后的尖脉冲，送入单片机计数。可逆计数接外部中断O和外部中断1，计数中断子程序框图见图4.3。开始系统初始化开中断数据处理子程序显示子程序变量初始化图4.1 主程序流程图是否单位转换按键检测入口做角/弧度转换处理是否显示归零位移显示归零返回是是 否否图4.2 键盘中断子程序流程图是否正转计数中断入口保护现场恢复现场返回是 否负脉冲累加正脉冲累加脉冲数更新图4.3 计数中断子程序流程图4.4 LCD1602显示程序1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令（通过指令编程实现），指令如下表4-1所示21。 表4-1 1602指令表指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清屏00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能0000