位移测量系统的设计

1、在控制领域中,经常需要进行各种位移量的测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足十分艰要的。传统的机械测量位移装SlL远远不能满足现代生产的辦要,而数字式传感器光电编码器, 能将角位移量转换为勾之对应的电脉冲输出,；1:要用于机械位置和旋转速度的 检测,具冇精度高,体积小等特点,冈此木设计决定采用光电编码器进行位移检 测,本设计为采用光屯编码器来实现位移测请及仿真,实现测锖來f外部的 不冋的位移值及显& A体应用AT89C51中。片机为核心,光电编码器进行位移测 量,同时以LCD液品显示模块显示。木设计采用的光电编码器输出电H(为5V, 输出倍y经四倍频

2、电路处现后送入巾片机进行计数处理,量后送入LCD模块量示。木文从位移测量原理入手,详细阐述了位移测#系统的:丨:作过程,以及硬件 电路的设计、V。示效果2木文吸收了硬件软件化的怨想,实现了题丨丨要求的功能。关键词：位移测蛍,光电编码器,单片机,LCD显示模块AbstractIn ihe control field, a variety of displace量ent 量easure量ents often need lo be carried out。 In actual industry position control do量ain, to increase the control prec

3、ision, carries on the exa量ination to the controlled 量e量ber is accurately very i量portant。The traditional 量achinery survey displace量ent installs has not been able 10 satisfy the 量ode量 production by far the need, but the digital sensor electro-optic encoder, can iransl'or量 ihe angular displace量ent

4、into with it correspondence electricity pulse output, 量ainly uses in the 量echanical position and the velocity of whirl exa量ination, has the precision to be high, volu量e s量all and so on characteristics, therefore this design decided that uses the electro-optical encoder to carry on the displace量ent t

5、o exa量ine。This design to use the electro-optical encoder to realize the displace量ent survey and the si量ulation, realizes the survey fro量 the exterior ditferent displace量ent value and the de量onstralion。 量akes concrete using at89C5l 量onolithic integrated circuit is the core, the elcctro-optical encode

6、r carries on the displace量ent to survey, si量ultaneously by LCD liquid crystal display 量odule de量onstration。 This design uses Ihe electro-optical encoder output voltage is 5V, the output signal after four doubling circuit processing sends in the 量onolithic integrated circuit to carry on counting proc

7、essing, finally sends in ihe LCD 量odule de量onstration。In this paper, detailed working process of displace量ent 量easure量ent syste量 is started with principle of displace量ent 量easure量ent, and hardware circuit design and display。 This paper has absorbed the idea of hardware and software to achieve with t

8、he subject required functionality。Key words: The displace量eni surveys, clectro-optical encoder, 量icrocontroller, IXTD display 量odules第一章 绪论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原理说明及方案选择2. 1位移测量理论的简要介纽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用艰片机内部计数器实观可逆计数2。3位移测量参数及电路参数分析2。3。 1量

9、CS-51的定时器/计数器简介2. 3。 2定时器模式选择位第三章系统电路的设计3。1硬件电路的设il3.1. 1难片机的选择3. 1。 2 AT89C51 的介绍3。1。3光电编码器的选择3。1。4 1XP80CU-1 简介3。2软件的设计第四章显示部分4。1 LED显示器4. 2 LCD显示器4.2. 1 LCD的分类及特点4. 2。 1笔段式LCD液品显示器的驱动4。2。2 LCD 显示模块 LCD量 (LIQUID CRYSTAL DISPLAY 量ODULE)4。3 LCD显示器的驱动接口 第五章仿真实现5。 i PROTEUS仿真软件简介5. 2 KEIL与PR0YEUS的联合使用

10、雜量参考文献附录一系统电路原理图附录二清单附录三仿真电路图第一章绪论1。1位移测量及其传感器简介位移足线位移和角位移的统称9位移测量在机械。I 。程中应用很广,在机械了。 程中+仅经常要求精确地测量零部件的位移和位置,ii'uTL力、扭矩、速度、加速 度、流错等许多参数的测试,也是以位移测量为基础的。位移足向:量:,除了确定Jt大小之外,还应确走苏方叫。一般情况下,应使测 诘方：；位移方卩V®合,这样才能tt实地测量出位移诘的大小。如测诘方昀和位 移方向不_重合,则测量结果仅足该位移在测莆方向的分莆4位移测呆时,应_,根榈不同的测量对象,选择适:）的测诘点、测量方A和测 呆系

11、统。位移测量系统足由位移传感器、相应的测诘放人屯路和终端V。水装置组 成3位移传感器的选择恰3与帝,对测量精度影响很大,必须特别注意。针对位移测量的应川场合,可采川不|rij用途的位移传感器3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l。 l-i常用位移传感器一览表型式测董范围精确度直线性特点电阻式滑线式线位移L'300量量±0。1%±0。1%分辨力絞好可銪态 或动态测量-机械结 构不牢固构位移0、3604±0。 1%±0。1%变ffl器式线位移广1000_±0。5%土 0。5%结构牢固。寿命长, 但分辨力差,电噪

12、声大角位移0'60r±0。5%±0。5%应变式非粘贴的土0。 15%应变±0。 1%±1%不牢固粘贴的±0。 3*应变士2%、使用方便葙温度补偿半导体的土 0。25%应交土 2%'脒满刻度士 20%输出辐值大,滋度灵 敏性商'U感式自感式变气隙型±0。 2nun±1%+3%只宜丨H f微小位移测 毋媒管型l。 5"2i量n测欺范圈较前杏宽。 使用方便可靠,动态 性能较差特大型30'2000ni量0。 15 %'1%蒞动变量器±0。 Ob、75量ni±0。

13、5%±0。5%分辨力好,受到磁场 千扰时需墀蔽涡电流式±2。 5'±250量量±1%、3%<3%分辨力好,受被测物 沐材料、形执> 加工 ©童影响同步机360。±0。 r ±7°±0。5%VI在丨aoor/量in转速 -1：作坚岡,对温度 和湿度不敏感微动同步器±10*±1%±0。05%庀线性误差与变压比 和测S范阐荷关旋转变瓜器士 60#±0。1%电容式变而积10,lWn土0。005%土 1%受介电常数因环境温 度、湿度而变化的彩 响变间距10

14、<v10iict0。 1%分辨力很好 量测掛 范®很小,只能在小 范闱内近似地保存线 性®尔元件±1。5量量0。5%结构简单。动态特性 好感应冋步器直线式lOIO'量量2。 5u 量 25ftn量換拟和数字混合测贤 系统,数字显示(直线 式感应同少器的分辨 力可达1 lin旋转式0,360±0。5。计董光栅氏光棚lOHn量3u量I量同上(长光。棚分辨力 可达丨P n>)岡光栅0。,、360。±0。5"磁尺长磁尺5u 量 i量测;B时工作速度可达 12量/roin圆磁尺0uV360D±r用堍编码器接触式0&

15、#176;、360lOad分辨力好。可维性商光电式0。'360elOVad木设计使用了-K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 编码器足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打 着广泛的应用。因我:具打H接输出数字量、响应快、精度高、抗千扰能力强、分 辨率高、输出稳记等特点,真应用范鬧不仅仅局限于角位移,角速度测量等场合, 在H线位移,尤足大位移测诘领域也越来越广泛的应用。木课题即足用中。片机 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CIT2005中国国际机床展览会上展示了 A今世界位移测莆技术iii新 的发展和量新型的

16、位移传感器,并将数控技术和数控机床推向更高精度、史萵速 度、史商可靠、更商效率的发展,也将数。ffi技术和数量量A推昀一个新的商度。 其中量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景式光棚尺,并广 泛应用于反馈控制系统和数控机床3(2) 吶场扫描光栅尺将逐步取代现在通用的四场扫描光栅尺。(3) H前酋遍采用的增兌式容栅测量系统足不能防水的,在不改变数显十 尺的栅式结构条化卜采用变电感的测量系统,就能防水,择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滿 要对零,在点位测婧时也不会产生超速错误。今后皙及邢的量A仍会

17、采用容棚测 撰系统,ii'u防水型的都会采用电磁感应测莆系统。观代位移测兌系统普遍采用光棚、磁棚、感应同步器、球栅和容栅等棚式测 请系统,都婭应用了東鉍周期的结构设计,位移的测量都足采用增诘测诘方法, 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黛数（步距）來确定位 置#冈此设备在开机后每个轴需要移动一个位置綷找参考标记。近几年来为了解 决开机后机床各个轴在不移动的愦况下,光栅尺就能够提供广I前绝对位置的数 据,-_IEIDENHAIN、丨木三丰（量ITUYOYO)、西班牙FAGOR等公W都开发了绝对 式光栅尺,并成功用于数控机床,配备了绝对式光棚尺的机床或生产线在柬新开 机后立

18、刻重新获得«个轴的绝对位置以及刀具的空间指丨丨|】,因此可以立刻从中断 处开始继续原来的加工程序,这就人大地提®了数控机床的冇效加丄时间。绝对 式测足现代测量技术发展的趋势,在位移移传感器h会得到恶遍的应川,I I木 三丰公司已将增量式容栅数显卡尺用新一代绝对式容棚数品卡尺替代,新推出的 防水数显卡尺也采)1丨绝对式电磁感应测错系统。丨I木KI量公量正在研发绝对式磁 栅尺,即将推出新产品。英W-ALC量量公Uj也在推出绝对式球棚传感器。总之绝对 式直线传感器冇显著优点,足A前发量起來的新一代产品,将使数控机床反馈控 制系统提高到一个新的高度3木设计使用的足光栅忒光电轴角编码

19、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()。" ),nji?!U木的量高分辨力,我量在光电轴角编码器的开发方面上也 已经取得f长足的进展,1985年航天部一院计景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ffl计童科学研究院联合研制出的角度基准, 分辨力0。 r,精度P+V=0。 05"(误差修正后）；成郤光电所研制的JC21精密测角 仪的增莆式光电轴角编码器分辨力达到/。 02'测角精度R<0。 04"。H前1丨丨场上冇销彳彳的光电编码

20、器按现冇产品的主要构成元件分类,可分为品 体管式、集成电路式和单片机式。品体管式所采用的元件主要是晶体管,W的品 休矜式转速测:量:仪设打记忆电路,K数码饩无闪烁现象,品示效果较好,lAjTl测 梁速度较高。顾名思义集成电路式转速测蛩仪,所采用的元件楚集成电路元件。 由于集成电路異冇艰量轻、体积小、功耗小等优点,Ifuil集成电路元件内设冇品 示电路,这使得转速测:量:仪实现小型化。中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诘的应用系统在T。业生产、科技教宵、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,K

21、各种参数在小同的应用中冇 侧乐:,量转速测试系统作为嵆遍的应用在W民经济发展中,冇承要的意义4 在位移控制系统中,为了提a控制精度,准确测莆控制对象的位移足十分* 要的。h前,检测位移的方法冇两种：U)使用位逬传感器,测量到的位移每:由变送器经A/ D转换成数字莆,送 负系统进行进一步处理。此方法ill然检测精度商,丨丨在多路、K距离位S监控系 统中,由于苒成木昂贵、安装W难,因此并不适用。(2)使用光电编码器。光电编码器足商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

22、时B超前A为90°。脉冲的个数 。位移S成比例义系,闪此,通过对脉冲计数就能汁箅出相应的位移。该方法不仅 使用方便、测景准确,而且成木较低,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,准确尤误的计数起着决定性作用。由十在位質控 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A判別和计数降低Y系统控制的实时性,尤使 用光电编码器的数量较多时,iu:可靠牲也不及®件电路。量。K外_电路比较简 中。,所以在计数

23、频率不商的愦况下,使用软件计数仍冇定的优势d对编码器中输 川的两路脉冲进行计数;1:要分网个步骤:lvl先要对编码器输出的两路脉冲进行鉴 相,即判別电机是正转还是反转:次足进行加减计数,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。 阁1足编码器正反转时输出脉冲的相位关系a(a)编码器正转(b)编码器反转图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相脉冲的卜降沿处,B相输

24、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丨4。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INTO, B向脉冲接到I/O端 口 PI。 0 ,如图2所示。当系统工作时,首先要把INTO设置成下降沿触发,并幵 相应中断。,冇效脉冲触发中断时,执行中断处理程序,判別B脉冲足高电平还 足低电平丑足高电平,则编码器正转,加1计数处低电平,则编码器反转,减 1计数。图2处软件方法的计数I；/判向电路。A+IIP1 0INTO量CS-51量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

25、苻软件计数不可比拟的优势,通常采用多个可预質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;量R为淸零端,与上电淸零脉1r;rp2,HCLlHrDIL1>丨|()一 > | 5 4 n 4OAQBOCWTCUTCI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;TCL1为进位输出端;TCD为借位输出端。图2。 2-3加减计数芯片74LS193,（:U和CD中一个输入脉冲时,另一

26、个必须处于高电平,才能进行计数工 作 lU从编码器H接输出的A、B两路脉冲不符合要求,不能H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抵:进行鉴相后苒计数。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90° ,D触发器输出Q(W1)为高电Y,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

27、延迟90a,D触发器输出Q(W1)为低电 平,Q(W2)为髙电平,与门N1关闭,其输出为髙电平<W3):此时,与非门N2打 开,计数脉冲通过(W4),送市双量计数器74LS193的减脉冲输入端CD,进行减法 计数。图4足光电编码器输出脉冲的鉴相及其计数。PUDOPID1P2P3D2CUD3CDCLTCVMRTCDvcpMLS 193V2W3V4OlfT-L(TV.D Q、m 'OUT-Brcuc n颇时针旋转DOD1D2D3=R1isTCUTCD HFOiplip2'p35sCLHR逆时针旋转OUT-AOUT-BnSSD2STCUTCD P0P1P2P3CUCDCLMRD

28、4D5D6D7D8-D9D10DllCLZ 。LD图2。 2-4光电编码器输出脉冲的鉴相及量计数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。I。容易出错J|j外接加减计数芯片的方法,量然 速度快,似硬件电路复衆,由图4可以肴出,要制作一个12位计数器需要5个外 闹芯片,成木较高。我们可以用吶片机内部的计数器來实现加减计数。中片机 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 的计数器足加1

29、计数器,所以+能H接应用,必须经过适,的软件编程來实观 “减”计数功能3硬件电路如图5所示MCS-51A(COUNT)TO74LS74A(DIR)INTOBD Q CLK /Q-k>-INTI图2。 2-5。中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)接到平片机的 外部中断INTO端,同时经过反向器后W接到另一个外部中断INTL并J1把计数 脉冲A接到中片机的片内计数器TO端即可,相对外部计数芯片來说,使用这种 方法电路相对要简中。的多。系统丨: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)由低一高跳变时

30、,INT1中断,执行相 应的中断程序,进行加计数；而3方昀判別脉冲由高一低跳变时,INTO中断, 执行相应的中断程序,进行“减”汁数（实逛重新量值,进行加计数）。下而 是软件编程恐路（在(:语言环境下來实现计数功能）：include int data k=l:void service intO() interrupt 0 using 0 k ; /*标志位减1*/TR0=0 ;/*停止计数*/TH0= -THO ;TLO- -TLO ;/*把计数器柬新复值,此时相珣于减计数*/TR0=1 ;/*开始计数*/void service inti () interrupt 2 using 1 k+

31、;/*标志位加1*/TRO-0 ;/*停止计数*/T!I0= -THO ;TLO二-TLO ;/*把计数器承新量值,此时相当于加计数*/TR0=1 ;/*开始计数*/void litnerO(void) interrup 1 using2 if(k二)/*反向计数满*/ else if(k二i)/*计数为V else/*正向计数满*/void 量ain(void)TC0N=0X05 : A设置下降沿中断*/T量()I量)X05 ;/*T0 为 16 位计数方式*/110X87 :/* 开中断*/TII0=0 ;TL0=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

32、不复杂,执行速 度较快。以上分別介绍了利用软件、外接计数芯片及肀片机内部计数器实观对编码器 输出脉冲进行计数的方法。利用软件计数,硬件电路简4,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,量要用较多 的外闹芯片,硬仲电路复杂。利用中。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,而且外雨电路简中,编程也不复杂,只 足心用T2个外部中断和1个内部计数器。综上所述选用第二种计数方法,即利用中片机内部计数器实现可逆计数a2。3位移测量参数及电路参数分析在木设计的仿啟中,光电编码器产生的A, B相方波用PR0TUES中的信兮源加

33、 不冋的起始时间来模拟。一个用原始的,还冇-个用延时1/4周期。方丨4时将两 个信号调换就行了。2。3。 1量CS-51的定时器/计数器简介2个16位的迠时/计数器,冇多种T。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,计数器启动后,毎个机器周期计数器HI动加h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。f5(Tl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-丨及表2。3-1定时/计数器T1定时/计数器TOD7D6D5D4rD3D2D1SDOGATEC/T量i量oGATEC/

34、f量i量d|定时/计数器工作方式挪綱计数麟式选胃|定时器和计数器模式选择定时/计数器工作方式丨门控位图2。 3-1 T量OD寄存器州于定时/计数的操作方式及丨作模式指令格式表2。 3-1操作方式选择位工作方式说 明013位定时器/计数器,由TL0低五位和T量0高八位组成0 1116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2。 3。 2定时器模式选择位C/T=0,定时器模式,每-个机器周期计数器自动加1。C/T=l,计数器模式,在単片机TO引脚上每发生一次负跳变,计数器C丨动加U GAT

35、E=0,宏时/计数器L作不受外部控制。GATE=1,定时/计数器TO的起停受INTO引脚的控制3 l。il算计数初始值闪为系统的品振频率为fsc=i2量IIz,则机器周期TnFi2/fosc=l u s3 设计数初始值为X:X=2lti-id/Tni=2,<,-l X 1071=15535PJ (THO) =00111100B=3CH, (TLO) -10101111B-AFII2。设置工作方式方式0: 量UlOOl;定时器模式。 C/T=l;定时/计数器肩动不受外部控制：GATE=0;因此,（T量0D) =0511,关于测速电路的参数,本次设计采用了如K方案：AT89C51中片机屈十C

36、量OS型8位中。片机,真在片内的振荡器电路由品体控 制的革极线性反相器组成,同I量0S型所用方法一样,要求用品体控制的感性阻 抗方波振荡器,但也存在-搜差别,其 为89C51可在软件的控制下关闭振荡器, -K-:为89051的内部时钟电路由XTAL2引脚上的来驱动。木次设计中的振荡 器可用品体作为感性电抗与外部电容组成并联共振槽路。品体的特性；;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,可采用陶瓷丼振器,这时C1、C2 般取47pF;这里选取频率12量IIZ 品振,电容(：1、02为3(,看门狗电路|1路参见阁2。3-2图2。3

37、-2 量AX813L看门狗电路图中,电阻R丨和R2分ffi产生工25V电源门限值。3此脚的电压低于1。25V 时,即电源电汛低于额定值时,PFO将产生一个脉冲信兮,n丨以用于量 CPU发 出屮断屮请,使CPU究成应急处理此功能可完成电源电出的监测3 PI。0喂狗信号,在软件的编制中通过对PI。0的位操作丨(J 量AX8I3L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 个记时发出的脉冲也得不到保障,片机超过1。6秒未N量AX813L的#门狗 输入端发脉冲信号,量AX813L内部的记时器将会强制将WDO拉到低电平,这 个低电平通过量R产生&位倍中。片机

38、釔位后从初始状态开始运行,从而保证 系统的nf靠性,起到了肴门狗的作用。此电路冋时兼冇上电&位和按键量位功能。第三章系统电路的设计3。 1硬件电路的设计位移测梁设计的聲个系统框图如下: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相都足光电编码器产。牛的,这两个信号 的前沿和店沿都对应着光电码盘的1/4节距的倍息。冈此在实际中为,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。木系统设计/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。卜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,

39、XB只苻一个是脉冲信号,另一个是高电平。因此,将XA, XB两个信 连接到中片机相应的端U h,对这两个倌VJ分別进行判断、计数和计兑,就可 以得出相应的电机转向和位移童。hi量量 丨 i量njin量inli量i量量量量riJ 丨 量iI量iiWiIt量ifti ri 鬥：rI in, rL_T_J TZJL_I lZJ Li si_T7ILT_J71rL_r7D=i_JL_-1 I II 1 I I I I_n_j-L_n_TL_r图3。 1-3四倍频电路时序图3。1。1单片机的选择随蒞人规模免成电路（LSI)制造技术的飞速发展,中。片机也随之迅猛发量, 其发展历史大致分为三个阶段：第一阶段

40、（1976年一 1978年）：初级中片微处理器阶段。以Intel公量的 量CS-48为代表。此系列的中。片机JI打8位CPU,并行丨/0端口,8位时序同步 计数器,畀址范圃不大于4KB,但逛没苟雎行口,第二阶段（1978年一现在）：高性能单片机微处理器阶段,如i量e丨公司 量CS-5, 量otorola公丨仙J 680丨和Zilog公4的Z8等,该类取中。片机fl。有小行1/0 端口,有多种中断处理系统,丨6位时序同步计数器,RA量,RO量容童加大,寻 址范削可达量KB,打的芯片tt今:还竹A/D转换接口。由十该系列中。片机应用领 域极:ft广泛,各公司正人力改进K结构勾性能。第三阶段（198

41、2年现在）：8位雄片机,经处理器改以型及16位艰片机微 处理器阶段。在本次设计中,有多种型号的卑片机可供选择,具体型号如89C2051,89C51, 89C52, 80C51, 89S52中片机都可以较好地完成木次设计的要求,因此设计考 选用Y近来应用较为广泛的89C51型艰片机。一个中。片机应川系统的硬件电路设计应包含冇两个部分内容：第一是系统扩展,即A单片机内部的功能单元,如RO量、RA量、I/O 口、 定时/计数器、中断系统等容莆不能满足应用系统要求时,必须在片外进行扩展, 选择适,的芯片,设计相应的电路。笫-:足系统配置,即按照系统功能要求配置外设备,如键盘、显示器、打 印机、D/A、

42、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 应遵循下列垛则：I。尽可能选择典型电路,丼符合吶片机的常规用法。2. 系统的扩展外网设备配置应满足系统功能的要求,外留冇适、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來实现,似需注意的是软件实现心用CPU的时间,而且,响应时间比硬件长。4。IYP2 口： P2足一个带冇内部上拉电阻的8位双向I / 0 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a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，闪为内部存在上 拉电阻，

43、某个引脚被外部信&拉低时会输出一个电流（In)。在访H外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行 M0VXDPTR指令）时，P2 口送出高8位地址数据，在访H 8位地址的外部数裾存 储器（如执行M0VX®Ri指令）时，P2 口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR) 区中P2寄存器的内容），在整个访N期间不改变Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和K它控制倍号 P3 口： P3 口足组带冇内部上拉电阻的8位双丨(I / 0 P3 n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“1”时，它们被 内部t.拉电附拉高并可作为输入端口。作输

44、入端时，被外部拉低的P3 口将用上 拉电阻输出电流（丄）。P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 所示：片机外接电路较多时,应考虑邡驱动能力,减少芯片功耗,降低总线负载3。 1。2 AT89C51 介绍AT89C51是美国AT量EL公司生产的依电压,高性能C量OS 8位单片机,片内含4k bytes的可反釔擦的只读程序存储器（W0量)和128 bytes的随机存取数据存储器（RA量),器件采用AT量EL公司的高密度、非易失性存储技术生产,服容标准量CS-51指令系统,片内H通用8位中央处理器和Flash存储TV元,内置功能强大的微型计算机的ATB9C51提供了

45、高性价比的解决方案3AT89C51足一个低功耗高性能艰片机,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。-11:将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特別足可反殳擦写的Flash存储器可打效地降低开发成木3此外,89C51可降罕0HZ的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电模式a 89C51的芯片引脚图如卜所示：主要特性：与量CS-51兼容 4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/檫循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁

46、记 128X8位内部RA量 32可编程1/0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管脚说明：RESFRXD/P3TXD/P3iTO/P3fHTl/P3T0/P3T1/P3TO/P3WP3XTAL2XTAL1PDIP01234567890123458789111111111120987654321098765432143333333333222222222P0. 0/AD0P0. 1/AD1P0. 2/AD2P0. 3/AD3P0. 4/AD4P0. 5/AD5P0. 6/AD6?0. 7/AD7EA/VppALE/PROGPSEHP2.

47、7/AD15P2.6/AD14P2. 5/AD13P2. 4/AD12P2. 3/AD11P2. 2/AD10P2. l/ADSP2. /AD$Vcc:电源电i£-GND:地 PO 口： PO 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“1”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Flash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au P1 口： P1是一个带内

48、部上拉电阻的8位双句I / 0 口,P1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 电阻把端口拉到商电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉 电阻,某个引脚被外部倍号拉低时会输出一个电流（In) 4Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。 衣3。1-1 PI U引脚功能农端口引脚第二功能P1。5嫩)SI (用于ISP编程)P1。6量ISO (用于ISP编程）P1。7SCK (用于ISP编程)P3 U还接收一作用r Flash闪速存储器编程和程序校验的控制量 y。表3。1-2 P3 口引脚功能表端U引脚第二功能P3。0RXD

49、 (串行输入口)P3。 1TXD (串行输出口)P3。2/AO (外中断0)P3。 3INT (外中断1)P3。4T0 (定时/计数器0外部输入)P3。5T1 (定时/计数器1外部输入)P3。6W (外部数据存储器写选通)P3。 7（外部数椐存储器读选通） RST:复位输入8当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上商电平将 使中。片机笈位。WDT溢出将使该引脚输出高电平,设置SFR AUXR的DISRTO位(地址8EH)可打开或关闭该功能。DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。 ALE/石：,访问外部程序存储器或数据存储器时,ALR (地址锁存允许) 输出脉冲用于锁存地址的低

50、8位字节3即使不访问外部存储器,ALE仍以时钟 振荡频率的1 / 6输出冏定的正脉冲信兮,闪此它可对外输出时钟或用十定时 H的。要注意的足：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲 对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲（PROG)。w 如打必要,可通过对特殊功能寄存器（SFR)区中的8EH 。中。元的DO位H位, 可禁止ALE操作。该位置位后,只有一条量0VX和量0VC指令ALE才会被激活, 此外,该引脚会被微弱拉萵,中片机执行外部程序时,应设置ALE无效。 7 :程序储存允许（两)输出是外部程序存储器的读选通倌兮,A AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时,每个

51、机器周期两次？冇效, 即输出两个脉冲。A访问外部数据存储器,没苻两次打效的7信兮。 EA/VPP:外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为00001丨 一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。 Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程电伍Vppa HAL1:振荡器反相放大器及内部时钟发牛器的输入端。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罝,它W冇分辨率高、精

52、度髙、结构简牮、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1。业化产品,在数控机床、机器 人、雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、萵精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领 域中得到了广泛的应用。光电编码器nj以记义为：_种通过光电转换,将输允轴 t的机械、几何位移量转换成脉冲或数字莆的传感器,它要用于速度或位置(角 度）的检测。典型的光电编码器由码盘（Disk)、检测光栅（量ask)、光电转 换电路（包括光源、光敏器件、信兮转换电路）、机械部件等组成。一般来说, 根据光电编码器产免脉冲的方式不同,可以分为增#式、绝对式以及复合式三大 类按编码器运动部

53、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。W此,只冇在那碑结 构形式和运动方式都有利于使用S线式光电编码器的场合才予使用。旋转式光电 编码咨鉍做成伞封闭型式,秘于实观小型化,传感长度较长,具冇较长的环境 适用能力,因而在实际:丨: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 原理及典结构光源码盘測細转换电路增量式光电编码器的特点足每产生一个输出脉冲倌兮就对应于一个增量位 移,似足不能通过输出脉冲区別出在哪个位S上的增世它能够产生V位移增量 等值的脉冲信号,作用足提供一种对连续位移蛩离散化或增量化以及位

54、移变化 (速度的传感方法,它足相对于某个基准点的相对位質增禁,+能够n接检测 出轴的绝对位置信般来说,增摄式光电编码器输出A、B两相瓦差90d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, 冋时还冇用作参考零位的Z相标志（指示）脉冲信兮,码盘每旋转周,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:1: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. 1-8 (b)四位循环码盘码盘上刻冇节距相等的辐射状透光缝隙,相邻两个透光缝隙之间代农-个增 诘周期；检测光棚上刻冇A、B两组码盘相对应的透光

55、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i/4 v/趴,使得光电检测器件输出的量y在相位h相差90°电度角 ,码盘随着被测转轴转动时,检测光棚>1、动,光线透过码盘和检测光棚卜。的透过 缝隙照射到光电检测器件卜。,光电检测器件就输出两组相位相差90°电度角的 近似于正弦波的电倍号,电信号经过转换电路的信号处理,可以得到被测轴的转 角或速度倍息。增量式光电编码器输出信号波形如图3。 1-6所示*j-LnjTTLrLrLrL 六相J1Z相：图3。 1-6增量式光电编码器输岀的波形 增銳式光电编码器的优点是：原

56、理构造简皐、易于实现；机械平均寿命长, 可达到几万小时以上；分辨率高；抗千扰能力较强,信y传输距离较长,可靠性 较高。缺点足它尤法H接读出转动轴的绝对位筲信息。(2)绝对式光电编码器®木构造及特点用增莆式光电编码器冇可能由于外界的十扰产生计数错误,并且在停电或故 障停车后无法找到氷故前执行部件的正确位釆用绝对式光电编码器可以避免 上述缺点。绝对式光屯编码器的基木原理及组成部件勾增量式光电编码器菽木相 同,也足由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成,与增萤式光 电编码器小同的姑,绝对式光电编码器用+同的数码来分别指氺每个不冋的增错 位S,它足一种亢接输出数字蟥的传感器。在它的网形码盘上沿径丨冇苫干同心 码道,每条上由透光和不透光的扇形区相间组成,相邻码遒的扇区数丨丨楚双倍关 系,码盘上的码道数就足它的。进制数码的位数,在码盘的一侧足光源,量侧 对应每一码遒有一光敏元件：当I码盘处于不同位a时,各光敏元件根据受光照" 柯转换出相应的电平信y,形成：进制数3这种编码器的特点是>1、要计数器,在 转轴的任意位