基于单片机的机床位移检测系统.doc

目 录 1 绪论 1 1 1 位移检测量及其传感器 1 1 2 国内外位移测量技术 1 1 3 光栅传感器在国内外的发展情况 2 2 原理说明及方案选择 4 2 1 位移测量理论 4 2 2 方案选择及原理 4 2 2 1 辨向原理 4 2 2 2 用软件实现脉冲的辨向和计数 5 2 2 3 用硬件实现脉冲的辨向和计数 5 2 3 位移测量参数及电路参数分析 7 2 3 1 MCS 51 的定时器 计数器简介 8 2 3 2 定时器模式选择位 8 3 系统电路的设计 10 3 1 硬件电路的设计 10 3 1 1 单片机的选择 11 3 1 2 AT89C51 的介绍 12 3 1 3 光栅传感器的选择 15 3 1 4 1XP8001 1 简介 18 3 2 软件的设计 19 4 显示部分 22 4 1 LED 显示器 22 4 2 LCD 显示器 22 4 2 1 LCD 的分类及特点 22 4 2 1 笔段式 LCD 液晶显示器的驱动 22 4 2 2 LCD 显示模块 LCDM LIQUID CRYSTAL DISPLAY MODULE 23 4 3 LCD 显示器的驱动接口 24 结论 27 致谢 28 参考文献 29 附录一程序清单 30 附录二 LCD 初始化程序清单 38 南昌航空大学科技学院学士学位论文 1 1 1 绪论绪论 1 11 1 位移检测及其传感器简介位移检测及其传感器简介 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 本设计使用了其中可直接转换成数字量光栅传感器 光栅传感器是一种高精度 的位移传感器 它具有易实现数字化 精度高 目前分辨率最高的可达到纳米级 抗干扰能力强 没有人为读数误差 安装方便 使用可靠等优点 在机床加工 检测仪表等行业中得到日益广泛的应用 本课题即是用单片机与光栅传感器来实 现位移的检测 1 21 2 国内外位移测量技术简介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 南昌航空大学科技学院学士学位论文 2 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 传感器 每转可输出1296万个脉冲 0 1 可谓日本的最高分辨力 我国在光栅传感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 01 1995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R 0 04 目前市场上有销售的光栅传感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 1 31 3 光栅传感器在国内外的发展情况光栅传感器在国内外的发展情况 光栅位移传感器测量位移是利用光闸莫尔条纹原理来实现的 4 工作时将标 尺光栅 指示光栅分别安装在支承导轨和动导轨 在一个莫尔条纹宽度内 按照平均 间隔放置4 个硅光电池 则每相邻2 块之间距离为1 4 莫尔条纹宽度 当指示光栅 南昌航空大学科技学院学士学位论文 3 随着动导轨移动时 莫尔条纹移动获得4 路正弦波电信号a b c d 相邻2 组相 位相差90 5 将a c 和b d分别送到2 只差分放大器 则从差分放大器输出 2路相位相差90 的正弦波放大信号X Y 设计选用差分放大器实现信号的电压与 功率放大 能有效抑制干扰信号影响 矫正因光栅尺和读数头的机械误差造成的信号 相位误差 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 采用绝对式光栅尺 的测量系统在设备通电的同时后续电路就可以获得绝对位置 不再需要在开机后寻 找参考零位 提高了系统的可靠性和工作效率 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 这将大幅度提高光栅尺的精度 分辨力 速度和抗污 染的能力 这是光栅传感器最重要的发展 使光栅测量系统达到了一个新的技术高 度 3 量具目前普遍采用的增量式容栅测量系统是不能防水的 有一半的容栅 量具将会被防水型绝对式电磁感应式测量系统所取代 尤其是数显卡尺 因为容栅 是变电容栅式测量系统 空气是作为介质要受到湿度的影响 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 这就能防水 将容栅的防护等级从 IP40 提 高到 IP67 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 在实际应用中 位移具有两个方向 即选定一个方向后 位移有正负之分 因此用一个光电元件测定莫尔条纹信号确定不了位移方向 为了辨向 需要有 2 相位差的两个莫尔条纹信号 如图2 在相距 1 4 条纹间距的位置上安放 两个光电元件 得到两个相位差 2 的电信号 u01 和 u02 经过整形后得到两 个方波信号 u01 和 u02 光栅正向移动时 u01 超前 u02 90 度 反向移动时 u02 超前 u01 90 度 故通过电路辨相可确定光栅运动方向 细分技术随着对测量精度要求的提高 以栅距为单位已不能满足要求 需要采 取适当的措施对莫尔条纹进行细分 所谓细分就是在莫尔条纹信号变化一个周期内 发出若干个脉冲 以减少脉冲当量 如一个周期内发出 n 个脉冲 则可使测量精度 提高 n 备 而每个脉冲相当于原来栅距的 1 n 由于细分后计数脉冲频率提高了 n 倍 因此也称 n 倍频 通常用的有两种细分方法 其一 直接细分 在相差 1 4 莫 尔条纹间距的位置上安放两个光电元件 可得到两个相位差 90o 的电信号 用反相 器反相后就得到四个依次相差 90o 的交流信号 南昌航空大学科技学院学士学位论文 4 2 原理说明及方案选择原理说明及方案选择 2 12 1 位移测量理论的简要介绍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 A D 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 使用光栅传感器 光栅传感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 光栅传感器便会发出 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 22 2 方案选择及原理方案选择及原理 采用一种以单片机89c51为核心 采用增量式光栅位移传感器 实现数控机床三坐 标位移高精度动态检测系统的设计方法 设计中X Y Z 轴3 路位置测量系统组 成相同 硬件均由光栅位移传感器 信号变换电路 计数器电路 含辨向功能 和单 片机组成 软件控制实现对起始位置坐标的清零和3坐标位置的读数功能 数控机床 的进给运动为三坐标运动 即各自沿笛卡尔坐标系的X Y Z 轴的正负方向移动 在闭环伺服系统中 位置伺服控制是以直线位移或转角位移为控制对象 通过检测机 床的位移量建立反馈 使伺服系统控制电机向减小偏差的方向运动 因此 位置检测 的准确性决定了加工精度 光栅的输出信号经过整形 放大 滤波 辨向 计数产 生数字信号输出 直接显示被测的位移量 2 2 12 2 1 辨向原理辨向原理 脉冲辨向的方法比较多 既可以用软件实现 也可以用一个 D 触发器实现 图 1 是传感器正反转时输出脉冲的相位关系 南昌航空大学科技学院学士学位论文 5 图 2 2 1 传感器输出波形 由图 1 中传感器输出波形可以看出 传感器正转时 A 相超前 B 相 90 在 A 相 脉冲的下降沿处 B 相为高电平 而在传感器反转时 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 传感器旋转时通过判断 B 相电平的高低就 可以判断传感器的旋转方向 2 2 22 2 2 用软件实现脉冲的辨向和计数用软件实现脉冲的辨向和计数 传感器输出的 A 向脉冲接到单片机的外部中断 INT0 B 向脉冲接到 I O 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 则传感器反转 减 1 计数 图 2 是软件方法的计数与判向电路 南昌航空大学科技学院学士学位论文 6 图 2 2 2 软件方法的计数与判向电路 2 2 3 用硬件实现脉冲的辨向和计数 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 从传感器直接输出的 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辨向后再计数 图 4 给出了光栅传感器实际使用的辨向与双向计数电路 辨向电路用 1 个 D 触 发器和 2 个与非门组成 计数电路用 3 片 74LS193 组成 当光栅传感器顺时针旋转 时 A 相超前 B 相 90 D 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 当光栅传感器逆时针旋转 时 A 相比 B 相延迟 90 D 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 是光栅传感器输出脉 冲的辨向及其计数 南昌航空大学科技学院学士学位论文 7 图 2 2 4 光栅传感器输出脉冲的辨向及其计数 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 南昌航空大学科技学院学士学位论文 8 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 32 3 位移测量参数及电路参数分析位移测量参数及电路参数分析 在本设计的仿真中 光栅传感器产生的 A B 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 1 4 周期 方向时将两个信 号调换就行了 2 3 1MCS 512 3 1MCS 51 的定时器的定时器 计数器简介计数器简介 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 1 12 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 1 TMOD 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 说 明 0 00 13位定时器 计数器 由TL0低五位和TH0高八位组成 工作方式 0 11 16位定时器 计数器 由TL0低八位和TH0高八位组成 1 0 2 8位定时器 计数器 由TL0低八位组成 1 1 3 TL0低八位和TH0高八位分别位8位定时器 计数器 南昌航空大学科技学院学士学位论文 9 2 3 22 3 2 定时器模式选择位定时器模式选择位 C T 0 定时器模式 每一个机器周期计数器自动加 1 C T 1 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 GATE 0 定时 计数器工作不受外部控制 GATE 1 定时 计数器 T0 的起停受 INT0 引脚的控制 1 计算计数初始值 因为系统的晶振频率为 fosc 12MHz 则机器周期 Tm 12 fosc 1 s 设计数初始值为 X X 216 td Tm 216 1 105 1 15535 则 TH0 00111100B 3CH TL0 10101111B AFH 2 设置工作方式 方式 0 M1M0 01 定时器模式 C T 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 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 南昌航空大学科技学院学士学位论文 10 3 3 系统电路的设计系统电路的设计 3 13 1 硬件电路的设计硬件电路的设计 位移测量设计的整个系统框图如下 光栅传感器 辨向细分 CPU AT89C51 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 相都是光栅传感器产生的 这两个信号的 前沿和后沿都对应着光电码盘的 1 4 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 南昌航空大学科技学院学士学位论文 11 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 13 1 1 单片机的选择单片机的选择 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 I O 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 I O 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 A D 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 I O 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 南昌航空大学科技学院学士学位论文 12 机 D A A D 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 23 1 2 AT89C51AT89C51 介绍介绍 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器 PEROM 和 128 bytes 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 I O 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 128 8 位内部 RAM 32 可编程 I O 线 南昌航空大学科技学院学士学位论文 13 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 4 AT89C51 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 I 0 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 I O 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 1 P1 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 I O 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 MOVX DPTR 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 MOVX Ri 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 南昌航空大学科技学院学士学位论文 14 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 I 0 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 I 0 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 2 P3 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 SFR AUXR 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 输PROG 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 1 6 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 PSENPSEN AT89S51 由外部程序存储器取指令 或数据 时 每个机器周期两次有效 PSEN 端口引脚第二功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 外中断 0 0INT P3 3 外中断 1 1INT P3 4 T0 定时 计数器 0 外部输入 P3 5 T1 定时 计数器 1 外部输入 P3 6 外部数据存储器写选通 WR P3 7 外部数据存储器读选通 RD 南昌航空大学科技学院学士学位论文 15 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 PSEN EA VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 地址为 0000H FFFFH EA 端必须保持低电平 接地 需注意的是 如果加密位 LB1 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 33 1 3光栅传感器的选择光栅传感器的选择 光栅传感器是一种集光 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 光栅传感器可以定义为 一种通过光栅转换 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 型的光栅传感器由码盘 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 根据光栅传感器产生脉 冲的方式不同 可以分为增量式 绝对式以及复合式三大类 按传感器运动部件的 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 用直线式光栅传感器的场合才予使用 旋转式光栅传感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栅传感器 1 增量式传感器 原理及其结构 增量式光栅传感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 增量式光栅传感器输出 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 南昌航空大学科技学院学士学位论文 16 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 增量式光栅传感器主要由光源 码盘 检测光栅 光栅检测器件和转换电路组成 如图 3 1 5 所示 图 3 1 5 增量式光栅传感器的组成 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 1 4 节距 使得光栅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 光栅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 量式光栅传感器输出信号波形如图 3 1 6 所示 图 3 1 6 增量式光栅传感器输出的波形 增量式光栅传感器的优点是 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 绝对式光栅传感器 基本构造及特点 用增量式光栅传感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 采用绝对式光栅传感器可以避免上述 南昌航空大学科技学院学士学位论文 17 缺点 绝对式光栅传感器的基本原理及组成部件与增量式光栅传感器基本相同 也 是由光源 码盘 检测光栅 光电检测器件和转换电路组成 与增量式光栅传感器 不同的是 绝对式光栅传感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 这种传感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 位二进制分辨率的传感器 其码盘必须有 N 条码道 绝对式光栅传感器原 理如图 3 1 7 所示 图 3 1 7 绝对式光栅传感器组成原理 绝对式光栅传感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 绝对式光栅传感器与增量式光栅传感器不同之处在于圆盘上透 光 不透光的线条图形 绝对光栅传感器可有若干编码 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 传感器的精度取决于位数 最高运转速度比增量式光 栅传感器高 3 混合式光栅传感器 混合式光栅传感器 就是在增量式光栅传感器的基础上 增加了一组用于检 南昌航空大学科技学院学士学位论文 18 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传感器的输出信息 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 1 4 圆角度 即 每 1 4 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 混合式光栅传感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 光栅传感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栅信号经光电放大 器和模拟信号多路转换器 送至 A D 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 4 16 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 增量式光栅传感器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲 X Y 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 SIEMENS 公司的 1XP8001 1 型号 其光栅 传感器的输出电压为 5V 3 1 43 1 4 1XP8001 11XP8001 1 简介简介 该光栅传感器主要由光栅 光源 检读器 信号转换电路 机械传动等部分组 成 光栅面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 分别用两个光栅面感光 由于两个光栅面具有 90 的相位差 因此将该输 出输入数字加减计算器 就能测量出位移值 南昌航空大学科技学院学士学位论文 19 表 3 1 3 机械参数 电源电压 DC V 输出形式系统输出放大整形分辨率 推拉式12 PIN有5 0 5 推挽式12 PIN有 1024 表 3 1 4 机械参数 允许轴负载允许最大机械转数频率范围 径向轴向 9000r min0 8uS 160 KHz60N40N 表3 1 5 环境参数 工作环境储存温度耐振动耐冲击构造防护等级重量 10 60 20 8030m S2 10 200Hz X Y Z三 个方向各2小 时 30m S2 X Y Z 三个方向 各2次 防尘IP660 3KG 电 缆除外 光栅检测装置本身是由电子元器件构成 它对安装环境有一定的技术要求 特 别是在较恶劣环境下使用 要采取相应的保护措施 以使光栅检测装置工作在其产 品要求的技术条件下 才能发挥装置的技术性能 否则光栅检测装置的使用寿命及 其工作的可靠性都将受到不同程度的影响 结合光栅检测装置在生产过程控制中的 应用实践 在控制系统设计中 不宜采用光栅检测装置的信号作为重要的控制信号 以避免光栅装置突然损坏或工作不稳定 环境高温 湿度大 机械振动 外力碰创 等 引起其他设备事故 在控制系统中应用 PLC 程序实适进行过程控制的监控或干 涉 以克服了因系统中采用光栅装置而存在的各种缺陷 是提高系统可靠性的有效 途径 3 23 2 软件的设计软件的设计 系统采用 C 语言进行程序设计 大大提高了开发调试的工作效率 整个系统程 南昌航空大学科技学院学士学位论文 20 序包括主程序 辨向计数程序 显示子程序 几个模块组成 程序流程图见图 3 2 1 上电初始化 系统初始化 计数器 捕获 include 调用头文 件 单片机 内部的寄存 器定义 本段 为硬件 I O 口定义 sbit KEY0 P0 0 KEY 和发 光管复用 请将跳线插 到 KEY 端 sbit KEY1 P0 1 sbit KEY2 P0 2 sbit KEY3 P0 3 sbit DIG0 P0 4 数码管位 0sbit DIG1 P0 5 数码 管位 1 sbit BUZZ P3 3 蜂鸣器 sbit LCD RW P3 6 sbit LCD RS P3 7 sbit LCD E P3 4 define LED SEG P1 数码管 define LCD DATA P2 LCD DATA define LCD BUSY 0 x80 用 于检测 LCD 的 BUSY 标识 本程序中 用的延时 未检测 LCD 显示 内容 定义 到代码段 unsigned char code LcdBuf1 X 轴 unsigned char code LcdBuf2 Y 轴 unsigned char code LcdBuf3 Z 轴 函数声明 void lcd init vo id void display str ing unsigne d char x unsigned char y unsigned char s void disp selec unsigned char bit selec u nsigned char seg 函数名称 dellay 入口参数 h unsigned int 型 出口参数 无 功能描述 短暂延时 使用 11 0592 晶 体 约 0 01MS void dellay unsi gned int h while h 0 01MS 主程序 main lcd init display str ing 3 0 Lcd Buf1 显 示第一行 从第 3 个位 置开始 display str ing 0 1 Lcd Buf2 显 示第二行 从第 0 个位 置开始 while 1 单片机 待机 函数名称 WriteDataLc d 入口参数 wdata unsi gned char 型 出口参数 无 功能描述 写数据到 LCD void WriteDataLc d unsigned char wdata LCD DATA wd ata LCD RS 1 LCD RW 0 LCD E 0 dellay 100 短 暂延时 代 替检测忙状 态 LCD E 1 函数名称 WriteComman dLcd 入口参数 wdata unsi gned char 型 出口参数 无 功能描述 写命令到 LCD void WriteComman dLcd unsign ed char wdata LCD DATA wd ata LCD RS 0 LCD RW 0 LCD E 0 dellay 100 短 暂延时 代 替检测忙状 态 LCD E 1 LCD 初始 化 void lcd init vo id LCD DATA 0 WriteComman dLcd 0 x38 dellay 1000 WriteComman dLcd 0 x38 显示模式 设置 WriteComman dLcd 0 x08 关闭显示 WriteComman dLcd 0 x01 显示清屏 WriteComman dLcd 0 x06 显示光标 移动设置 WriteComman dLcd 0 x0c 显示开及 光标移动设 置 函数名称 display xy 入口参数 x unsigned char 型 y unsigned char 型 出口参数 无 功能描述 设置光标位 置 x 是列 号 y 是行 号 vo id display xy unsigned char x unsigned char y if y 1 x 0 x40 x 0 x80 WriteComman dLcd x 函数名称 display cha r 入口参数 x unsigned char 型 y unsigned char 型 dat unsigne d char 型 出口参数 无 功能描述 在具体位置 显示单个字 符 x 是列 号 y 是行 号 void display cha r unsigned char x unsigned char y unsigned char dat display xy x y WriteDataLc d dat 函数名称 display str ing 入口参数 x unsigned char 型 y unsigned char 型 s 指针型 出口参数 无 功能描述 在具体位置 显示字符串 以 0 结束 x 是列号 y 是行号 void display str ing unsigne d char x unsigned char y unsigned char s display xy x y while s WriteDataLc d s s 模块初始化 送 LCD 模 块显示 延时 X 轴 Y 轴 Z 轴 计数 计算 主程序 LCD 模块初始 化 南昌航空大学科技学院学士学位论文 21 主程序主要包括系统的初始化 对单片机等硬件的初始化 计数值的读取 处 理 计算 调用显示子程序 用于数据的显示 辨向计数程序主要用于电机方向的判断和计数脉冲值的处理 系统中电机方向 的判断是靠计数器中的捕获模块捕获 XA XB 信号来实现的 在程序中 设计一个寄 存器保存电机的方向 当电机正转时 捕获模块捕获 XA 信号有效 在中断服务程序 中将电机方向设为正转标志 反之亦然 当电机反转时