毕业设计：基于码盘转速测量系统的设计汇编(完整版)资料

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毕业设计：基于码盘转速测量系统的设计汇编（完整版）资料(可以直接使用，可编辑优秀版资料，欢迎下载）摘要在控制领域中,经常需要进行各种角度、位移量的测量。当前，世界上正面临着一场新的技术革命，这场革命的重要基础之一就是测量技术。测量技术的发展给人类社会和国民经济的各个部门及各个领域带来了巨大的、广泛的、深刻的变化，带动着传统工业和其他新兴产业的更新和变革，是当今人类社会发展的强大动力。本设计为码盘转速测量系统，用来测量来自外部的不同的转速值。实现转速的实时测量，显示。具体应用AT80C51单片机为核心，旋转编码器实时轴转速测量，同时以八位串行段码式LCD显示模块显示。旋转编码器输出4.25V，8位二进制自然码送入单片机处理经过计算处理，再查表转换为10进制数，送LCD模块显示。本文从转速测量原理入手，详细阐述了转速测量系统的工作过程，以及硬件电路的设计、显示效果。本文吸收了硬件软件化的思想，实现了题目要求的功能。关键词：转速测量，旋转编码器，单片机，LCD显示模块AbstractInthecontrolfield,avarietyofanglesanddisplacementmeasurementsoftenneedtobecarriedout.Atpresent,theworldisfacinganewtechnologicalrevolution;oneofthemostimportantbasesoftherevolutionismeasurement.Thedevelopmentofmeasurementtechnologybringsextensive，tremendousandprofoundchangestohumansocietyandallsectorsofthenationaleconomy,changesthetraditionalindustriesandotheremergingindustries,becomestoday'sstrongestdrivingforcefordevelopmentofhumansociety.Theencoderspeedmeasurementsystemisdesignedtomeasureadifferentspeedfromtheoutsidevalues，toachievereal-timespeedmeasurementanddisplay.SpecificapplicationuseAT80C51microcontrollerasitscore,rotaryencodermeasuresreal-timeshaftspeed,inboth8serialSegmenttypeLCDdisplaymoduledisplay.Rotaryencoderoutputa4.25V,8-bitbinarynaturalcodeintotheMCUprocessedandcomputed,andthenlook-uptableconvertsto10decimalnumber,senttoLCDdisplaymodule.Inthispaper,detailedworkingprocessofspeedmeasurementsystemisstartedwithprincipleofspeedmeasurement,andhardwarecircuitdesignanddisplay.Thispaperhasabsorbedtheideaofhardwareandsoftwaretoachievewiththesubjectrequiredfunctionality.Keywords:rotationalspeedmeasurement,rotaryencoder,microcontroller,LCDdisplaymodule目录第一章绪论 11.1国内外转速测量技术简介 1第二章原理说明及方案选择 22.1转速测量理论的简要介绍 22.2方案选择 32.3方案原理 32.4转速测量参数及电路参数分析 4的定时器/计数器简介 4定时器模式选择位 5第三章硬件电路的设计 73.1单片机的选择 7的介绍 103.2旋转编码器的选择 13简介 13编码器的应用 14第四章显示部分 154.1LED显示器 154.2LCD显示器 15的分类及特点 15笔段式LCD液晶显示器的驱动 15显示模块LCDM（LiquidCrystalDisplayModule） 154.3LCD显示器的驱动接口 17结论 19谢辞 20参考文献 21附录一系统电路图 22附录二程序清单 23第一章绪论1.1国内外转速测量技术简介[1]测量角位移的数字编码器，它具有分辨能力强、测量精度高和工作可靠等优点，是测量轴转角位置的一种最常用的位移传感器。光电轴角编码器通常按照光栅码盘团的编码方式进行分类。目前常用的类型为增量式光电轴角编码器和绝对光电轴角编码器。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轴角编码器,每转可输出1296万个脉冲(0.1″),可谓日本的最高分辨力。我国在光电轴角编码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″[2]。随着科学技术的发展，形形色色的转速测量仪不断出现。它们的结构不同，性能各异。至今没有系统的分类方法，在这里只按测量原理和主要元件性质进行分类说明。按照测量原理主要分为测频法、测周法两种基本的方法，以此提高测量精度。由于电子计数器所特有的±1个数的误差的存在，应根据转速脉冲频率的大小恰当选择测量方法。所谓测频法就是测量转速脉冲频率的方法，它用基准时间信号发生电路的脉冲来控制计数门的开闭，在单位时间内对来自转速传感器的脉冲进行计数。所谓测周法就是测量转速脉冲周期的方法。它用传感器的脉冲来控制计数门的开闭，在转速脉冲周期内对基准时间信号发生电路的脉冲进行计数，然后按f=1/T公式换算成转速脉冲的频率。目前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[3]。第二章原理说明及方案选择2.1转速测量理论的简要介绍转速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。转速测量的方法有很多，根据工作原理可分为计数式、模拟式、同步式。计数式方法是用某种方式读出一定时间内的总转数;模拟式方法是测出由瞬时转速引起的某种物理量的变化;同步式是用利用已知的频率与旋转体的旋转同步来测量转速[4]。一般的转速测试可用机械式转速表、发电机式转速表以及频闪式转速表，但在有些情况下，其测量精度，瞬时稳定度不能满足更高的要求，因此，在测量方法和传感器的选择上显得尤为重要。常用的传感器种类有光电传感器、电磁式传感器、电容式传感器等，而测量方法上有测量转速周期、转速频率等。如表2-1所示表2-1各种测速方法比较[5]形式测量方法适用范围特点备注计数式机械式通过齿轮转动数字轮中、低速简单、价廉光电式来自被测旋转体上的光线使光电管产生电脉冲中、高速数字式电磁式利用磁电转换器将转速变换成电脉冲中、高速数字式模拟式机械式利用离心力与转速成平方成正比的关系中、低速简单发电机式利用电机电流或交流电压与转速成正比关系高速可远距离指示测速发电机电容式利用电容充、放电与转速成正比的关系中、高速同步式机械式转动带槽的圆盘，观察旋转体的同步关系中速闪光式用已知频率闪光测出旋转体同步的频率中、高速2.2方案选择就转速测量原理而言，大体可分为二大类，一是用单位时间内测得物体的旋转角度来计算速度，例如在单位时间内，累计转速传感器发出的N个脉冲，即为该单位时间的速度。这种以测量频率来实现测量转速的方法，称测频法。即“M”法;另一类是在给定的角位移距离内，通过测量这一角位移的时间来进行测速的方法，称测周法，即“T”法，如给定的角位移AO，传感器便发出一个电脉冲周期，以晶体震荡频率而产生的标准脉冲来度量这一周期时间，再经换算可得转速。这两种测速方法各有优缺点，“M”法一般用于高速测量，在转速较低时，测量误差较大，而且，检测装置对转速分辨能力也变差;而“T”法一般用于低速侧量，速度越低测量精度越高，但在测量高转速时，误差较大。从测速设备的工作性质考虑，本设计使用测频法，即“M”法。2.3方案原理在一定测量时间T内，测量脉冲发生器(替代输入脉冲)产生的脉冲数m1，来测量转速。如图2-1所示图2-1“M”法测量转速脉冲设在时间T内，转轴转过的弧度数为Xτ，则的转速n可由下式表示：n=60Xτ/2πT(2-1)转轴转过的弧度数Xτ，可用下式所示Xτ=2πm1/p(2-2)将(2-1)式代入(2-2)式，得转速n的表达式为:n=60m1/Tp(2-3n——转速单位:(转/分)T——定时时间单位:(秒)在该方法中，测量精度是由于定时时间T和脉冲的不能保证严格同步，以及在T内能否正好测量外部脉冲的完整的周期，可能产生的1个脉冲的量化误差。因此，为了提高测量精度，T要有足够长的时间。定时时间可根据测量对象情况预先设置。设置的时间过长，可以提高精度，但在转速较快的情况下，所计的脉冲数增大(码盘孔数已定情况下)，限制了转速测量的量程。而设置的时间过短，测量精度会受到一定的影响。2.4转速测量参数及电路参数分析选定方案中m1的值为旋转编码器前后两次读数之差，定时时间初步选定为100ms。2.4.1MCS-51的定时器/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2-2及表2-2图2-2TMOD寄存器用于定时/计数的操作方式及工作模式指令格式表2-2操作方式选择位MM0M1说明00013位定时器/计数器，由TL0低五位和TH0高八位组成工作方式01116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2.4.2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=1μs。设计数初始值为X：X=216-td/Tm=216-1×105/1=15535则（TH0）=00111100B＝3CH，（TL0）=B=AFH2.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：AT80C51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80C51可在软件的控制下关闭振荡器，其二为80C51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。看门狗电路电路参见图2-3图2-3MAX813L看门狗电路图中，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。P1.0喂狗信号，在软件的编制中通过对P1.0的位操作向MAX813L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，这个定时发出的脉冲也得不到保障。当单片机超过1.6秒未向MAX813L的看门狗输入端发脉冲信号，MAX813L内部的定时器将会强制将WDO拉到低电平，这个低电平通过MR产生复位信号。单片机复位后从初始状态开始运行，从而保证系统的可靠性，起到了看门狗的作用。此电路同时兼有上电复位和按键复位功能。第三章硬件电路的设计3.1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80C51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[6]: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。根据上述原则，设计系统如图3-1所示:图3-1单片机系统测量转速原理框图程序框图如图3-2所示：主程序主程序初始化，各寄存器清0设定定时器初值，100ms读取编码器第一个读数读取编码器第二个读数将前后两读数相减，乘系数，计算出转速值将2进制转换为10进制送LCD模块显示延时喂狗定时100ms到？等待YN结束图3-2程序框图0C51的介绍[6]80C51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,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8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT80C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。AT80C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I／O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时／计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT80C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。主要性能参数：·与MCS-51产品指令系统完全兼容·4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器·1000次擦写周期·4.0－5.5V的工作电压范围·全静态工作模式：0Hz－33MHz·三级程序加密锁·128×8字节内部RAM·32个可编程I／O口线·2个16位定时／计数器·6个中断源·全双工串行UART通道·低功耗空闲和掉电模式·中断可从空闲模唤醒系统·看门狗（WDT）及双数据指针·掉电标识和快速编程特性·灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）图3-380C51芯片引脚图·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3-1P1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3-2P3口引脚功能表端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外中断0）P3.3（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）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）

·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SFRAUXR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，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。·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。3.2旋转编码器的选择码盘分为绝对式编码器和增量编码器两种，前者能直接给出与角位置相对应的数字码；后者利用计算系统将旋转码盘产生的脉冲增量针对某个基准数进行加减以求得角位移[9]。本次设计采用实验室提供的长春三峰PALD6615-256-C05E光电轴角编码器。PALD6615-256-C05E简介该旋转编码器主要由光栅、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，就能以分度值来表示角度[10]。如图3-3所示图3-3PALD6615-256-C05E旋转编码器外观表3-3机械参数电源电压DC（V）输出形式输出码制放大整形分割数5±0.5电压自然二进制码有256电流自然二进制码有表3-4机械参数允许最大机械转数启动力矩（25℃）允许轴负载径向轴向200r/min≤1.5×10-2N·m100N10N表3-5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-20~+50-30~+7030m/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IP540.9KG（电缆除外）ALD6615-256-C05E编码器的应用近十几年来，光电编码器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下表为PALD6615-256-C05E编码器的接线表表3-6接线表插头脚位电缆颜色输出功能备注1浅蓝色八位2进制码的第1位单圈基础码（每转脉冲）2深蓝色八位2进制码的第1位3紫色八位2进制码的第1位4橙色八位2进制码的第1位5灰色八位2进制码的第1位6绿色八位2进制码的第1位7黄色八位2进制码的第1位8浅紫色八位2进制码的第1位17红色编码器电源DC5V18黑色编码器0V19白色清0（用于0位设定）外部输入5~30V正脉冲其余脚空脚第四章显示部分在单片机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称LED；液晶显示器，简称LCD；荧光管显示器。4.1LED显示器LED电子显示屏是由几万--几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。LED显示屏（LEDpanel）：LED就是lightemittingdiode，发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕［11］。LED显示块是由发光二极管显示字段组成的显示器，有7段和“米”字段之分，这种显示块有共阳极和共阴极两种。LED显示器有静态显示和动态显示。但是，LED显示位数增多时，静态显示就无法适应。动态显示时，LED的二极管从导通到发光要有一定的延时，导通时间太小，发光太弱人眼无法看清，但也不能太大，因为毕竟要受限于临界闪烁频率，而且此时间越长，占用CPU时间也越多，另外，显示位增多，也将占用大量的CPU时间，因此动态实质是以牺牲CPU空间换取时间和能耗减少。LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形和图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是：亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。4.2LCD显示器液晶显示器简称LCD（LiquidCrystalDiodes）是利用液晶经过处理后能够改变光线传输方向的特性，达到显示字符或者图形的目的。其特点是体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富等特点，在单片机应用系统中有着日益广泛的应用。LCD的分类及特点分类：笔段式和点阵式（可分为字符型和图像型）。笔段式LCD液晶显示器的驱动在LCD的公共极（一路为背电极）加上恒定的交变方波信号，通过控制段极的电压变化，在LCD两极间产生所需的零电压或二倍幅值的交变电压，以达到LCD亮、灭的控制。在笔段式LCD的段电极与背电极间施加周期地改变极性的电压（通常为4V或5V），可使该段呈黑色。LCD显示模块LCDM（LiquidCrystalDisplayModule）在实际应用中，用户很少直接设计LCD显示器驱动接口，一般是直接使用专用的LCD显示驱动器和LCD显示模块LCDM。LCDM是把LCD显示屏、背景光源、线路板和驱动集成电路等部件构造成一个整体，作为一个独立部件使用。其特点是功能较强、易于控制、接口简单，在单片机系统中应用较多。其内部结构如下页图所示。LCDM一般带有内部显示RAM和字符发生器，只要输入ASCII码就可以进行显示。如图4-1 图4-1LCD模块外观图4-2液晶显示器基本结构液晶显示器LCD是一种极低功耗显示器，其应用特别广泛。目前常用的LCD是根据液晶的扭曲-向列效应原理制成的。这是一种电场效应，夹在两块导电玻璃电极之间的液晶经过一定处理后，其内部的分子呈90°的扭曲，这种液晶具有旋光特性。当线形偏振光通过液晶层时，偏振面回旋转90°。当给玻璃电极加上电压后，在电场的作用下液晶的扭曲结构消失，其旋光作用也随之消失，偏振光便可以直接通过。当去掉电场后液晶分子又恢复其扭曲结构。把这样的液晶放在两个偏振之间，改变偏振片的相对位置就可得到黑底白字或白底黑字的显示形式。LCD的响应时间为毫秒级，域值电压为3～20V，功耗为5～100mW/cm2.LCD常采用交流驱动，通常采用异或门把显示控制信号和显示频率信号合并为交变的驱动信号。当显示控制电极山上波形与公共电极上的方波相位相反时，则为显示状态。显示控制信号由C端输入，高电平为显示状态。显示频率信号是一个方波。当异或门的C端为低电平时，输出端B的电位与A端相反，LCD两端呈现交替变化的电压，LCD显示。常用的扭曲-向列型LCD，其驱动电压范围是3～6V。由于LCD是容性负载，工作频率越高消耗的功率越大。而且显示频率升高，对比度会变差，当频率升高到临界高频以上时，LCD就不能显示了，所以LCD宜采用低频工作。LCD的驱动方式分为静态和时分割驱动两种。不同的LCD显示器要采用不同的驱动方式。静态驱动方式的LCD每个显示器的每个字段都要引出电极，所有显示器的公共电极连在一起后引出。显然显示位数越多，引出线也越多，相应的驱动电路也越多，故适用于显示位数较少的场合。时分割驱动方式实际上是用矩阵驱动法来驱动字符显示。字段引线相当于行引线，公共电极相当于列引线，字符的每一个字段相当于矩阵的一个点。分时驱动是常用的时分割驱动方法。分时驱动常采用偏压法。4.3LCD显示器的驱动接口驱动接口分为静态驱动和时分割驱动两种接口形式。静态LCD驱动接口的功能是将要显示的数据通过译码器译为显示码，再变为低频的交变信号，送到LCD显示器。译码方式有硬件译码和软件译码两种，硬件译码采用译码器，软件译码由单片机查表的方法完成。LCD显示器采用4N07。4N07的工作电压为3～6V，阈值电压为1.5V，工作频率为50～200Hz，采用静态工作方式，译码驱动器采用MC14543。MC14543是带锁存器的CMOS型译码驱动器，可以将输入的BCD码数据转换为7段显示码输出。驱动方式由PH端控制，在驱动LCD时，PH端输入显示方波信号。LD是内部锁存器选通端，LD为高电平时，允许A～D端输入BCD码数据，LD为低电平时，锁存输入数据。BI端是消隐控制，BI为高电平时消隐，即输出端a～g输出信号的相位与PH端相同。LCD的时分割驱动接口通常采用专门的集成电路芯片来实现。MC145000和MC145001是较为常用的一种LCD专用驱动芯片。MC145000是主驱动器，MC145001是从驱动器。主、从驱动器都采用串行数据输入，一片主驱动器可带多片从驱动器。主驱动器可以驱动48个显示字段或点阵，每增加一片从驱动器可以增加驱动44个显示字段或点阵。驱动方式采用1/4占空系数的1/3偏压法。MC145000的B1～B4端是LCD背电极驱动端，接LCD的背电极，即公共电极COM1～COM4。MC145000的F1～F12和MC145001的F1～F11端是正面电极驱动器，接LCD的字段控制端。对于7段字符LCD，B1接a和f字段的背电极，B2接b和g的背电极，B3接e和c的背电极，B4接d和Dp的背电极。F1接d、e、c、f和g的正面电极，F2接a、b、c和DP的正面电极。DIN端是串行数据输入端。DCLK是移位时钟输入端。在DIN端数据有效期间，DCLK端的一个负跳变，可以把数据移入移位寄存器的最高序号位，即MC145000的第48位或MC145001的第44位，并且使移位寄存器原来的数据向低序号移动一位。MC145000的最低位移入MC145001的最高位。串行数据由单片机80C31的P3.0端送出。首先送出MC145001的第一位数据，最后送出MC145000的第48位数据。数据“1”使对应的字段显示，“0”为不显示。MC145000内部显示寄存器各位与显示矩阵的对应关系如表4-10所示。MC145001与MC145000的区别只是少了FMC145000带有系统时钟电路，在OSCIN和OSCOUT之间接一个电阻即可产生LCD显示所需要的时钟信号。这个时钟信号由OSCOUT端输出，接到个片MC145001的OSCIN端。时钟频率由谐振电路的电阻大小决定，电阻越大频率越低。使用470KΩ的电阻时，时钟频率为50Hz。时钟信号经256分频后用作显示时钟，其作用与静态时的方波信号一样，用于控制驱动器输出电平的等级和极性。另外这个时钟还是动态扫描的定时信号每一周期扫描4个背电极中的一个。由于背电极的驱动信号只在主驱动器MC145000发生，所以主从驱动器必须同步工作。同步信号由主驱动器的贞同步输出端FSOUT输出，接到所有从驱动器的贞同步输入端FSIN。每扫描完一个周期，主驱动器即发一次帧同步信号，并且在这时更新显示寄存器的内容。基于LCD显示块低功耗、短响应时间以及适应低频工作的特点，设计者选用LCD显示器完成显示部分的功能。结论本文对单片机用于转速测量的理论、原理进行了系统的分析、比较，并对每种测量方法定性、定量的予以阐述，设计了显示接口电路和应用程序。以下从四个方面进行总结:硬件电路单片机用于转速测量种类较多，方法各有不同，在硬件设计上根据使用场合、功能和要求，采用的电路也有差异，单片机有用80C51系列的80C31、80C51等，并对其进行扩展。本系统采用80C51单片机，充分利用单片机内部自带的16位定时计数器进行设计，较完全的开发了单片机自身的功能，接口利用了80C51的P2口具有较大的电流驱动能力的特点，未扩展驱动芯片，直接由单片机驱动，简化了硬件电路。有一定的实用价值和较高的性价比，可用于工业控制中的转速检测、民用电器及其他应用。测量方法在测量原理上采用先进的M的测量方法，保证了高转速的测量中获得较高的精度。应用范围广泛，可通过扩展进行二次开发。程序调试本系统进行了全面的程序设计，显示程序、中断服务程序和初始化程序，并对这些程序在uvision2软件上进行编译和调试，可以运行和转换成HEX文件，通过编程器写入芯片中。基本达到了设计的要求.改进方法和进一步的工作转速的定时时间长、短，其设定值是人为估计的，可以针对具体的应用，根据转速的实际情况来调整定时时间。下步工作能制作完整电路工作板，即硬件电路，用示波器测量其参数。更深入的分析其精度和误差。谢辞三个月的设计，在黄彬老师的悉心指导和同学们的热情帮助下完成了，在这里，我感谢黄彬老师的耐心指导，感谢李平老师、李亚荣老师以及实验室李淑娟老师和丁彦闯老师以及研究生付俊鹏学长的热情帮助和大力支持。在临近毕业之际，我还要借此机会向在这五年中给予我诸多教诲和帮助的各位老师表示由衷的谢意，感谢他们五年来的辛勤栽培。不积跬步无以至千里，各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业论文。同时，在论文写作过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有关作者表示谢意。我还有感谢各位同学，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们的帮助和支持，再次我表示深深地感谢！参考文献2004年5月10日[2]刘保录基于单片机的电机综合参数测试仪设计[M].第10卷第2期[3]梁天德，黄传明.单片机测速仪的设计和研制[J].华侨大学学报，1992（7）:401—407[4]李庆祥，徐端颐．实用光电技术[M]．第一版．北京：中国计量出版社，1996，61—67[5]吴凡.高精度编码器的裂相指示光栅[J].光电工程,2001,28(5)[6]孙育才MCS-51系列单片微型计算机及其应用[M].东南大学出版社2004.10[7]何立民MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京航空航天大学出版社1990.1[8]汤天瑾，曹向群，林斌.光电轴角编码器发展现状分析及展望[J].光学仪器2005年第1期[M].JohnWiley&Sons,Chichester,UK,1992.[10]梁天德，黄传明.单片机测速仪的设计和研制[J].华侨大学学报，1992（7）:401—407、[11]关积珍，陆家和.2005年我国LED显示屏产业发展综述[J]激光与红外2006.36(12)：1089～1091附录一系统电路图附录二程序清单ORG000BHAJMPINT0ORG 8000H AJMP MAIN ORG 8050H WORK BIT 00H DOG BIT P3.5clkbitp3.0;时钟口datbitp3.1;数据口disequ19h;缓冲区首址MAIN: MOVR6,#0MOVR3,#0MOVTMOD,#05H;设定定时器控制字MOVTH0,#HIGH(65535-50000)MOVTL0,#LOW(65535-50000)MOVIE,#82HSETBTR0SJPM$INT0:MOVTH0,#HIGH(65535-50000)MOVTL0,#LOW(65535-50000)MOVR6,R3；读取前一个编码器读数MOVR3,P2；读取后一个编码器读数MOVA,R3CLRCSUBBA,R6MOVB,#2MULABMOVB,100DIVABMOV19H,A；送显示MOVA,BMOVB,10DIVABMOV1AH,AMOVA,BMOV1BH,ALCALLDISPLAYRETI延时子程序DELAY: MOV R1,#0EHDELAY1: MOV R2,#0FFHDELAY2: MOV R5,#0FFH DJNZ R5,$ DJNZ R2,DELAY2 DJNZ R1,DELAY1 RET;喂狗子程序WDOG: CLR DOG NOP NOP SETB DOG RET DISPLAY:MOVR0,#DIS+2displayl:mova,@r0movc,acc.7clracc.7lcalldisplay_tabjncdisplay2orla,#1display2:movr2,#8display3:setbclkrlcclkretdisplay_tab:incamovca,@a+pcretdb10111111b;00h"0"db10000110b;01h"1"db11011011b;02h"2"db11001111b;03h"3"db11100110b;04h"4"db11101101b;05h"5"db11111101b;06h"6"db10000111b;07h"7"END摘要在控制领域中,经常需要进行各种位移量的测量。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是十分重要的。传统的机械测量位移装置已远远不能满足现代生产的需要，而数字式传感器光电编码器,能将角位移量转换为与之对应的电脉冲输出,主要用于机械位置和旋转速度的检测，具有精度高，体积小等特点，因此本设计决定采用光电编码器进行位移检测。

本设计为采用光电编码器来实现位移测量及其仿真，实现测量来自外部的不同的位移值及显示。具体应用AT89C51单片机为核心，光电编码器进行位移测量，同时以LCD液晶显示模块显示。本设计采用的光电编码器输出电压为5V，输出信号经四倍频电路处理后送入单片机进行计数处理，最后送入LCD模块显示。本文从位移测量原理入手，详细阐述了位移测量系统的工作过程，以及硬件电路的设计、显示效果。本文吸收了硬件软件化的思想，实现了题目要求的功能。关键词：位移测量，光电编码器，单片机，LCD显示模块AbstractInthecontrolfield,avarietyofdisplacementmeasurementsoftenneedtobecarriedout.Inactualindustrypositioncontroldomain,toincreasethecontrolprecision,carriesontheexaminationtothecontrolledmemberisaccuratelyveryimportant.Thetraditionalmachinerysurveydisplacementinstallshasnotbeenabletosatisfythemodernproductionbyfartheneed,butthedigitalsensorelectro-opticencoder,cantransformtheangulardisplacementintowithitcorrespondenceelectricitypulseoutput,mainlyusesinthemechanicalpositionandthevelocityofwhirlexamination,hastheprecisiontobehigh,volumesmallandsooncharacteristics,thereforethisdesigndecidedthatusestheelectro-opticalencodertocarryonthedisplacementtoexamine.Thisdesigntousetheelectro-opticalencodertorealizethedisplacementsurveyandthesimulation,realizesthesurveyfromtheexteriordifferentdisplacementvalueandthedemonstration.Makesconcreteusingat89C51monolithicintegratedcircuitisthecore,theelectro-opticalencodercarriesonthedisplacementtosurvey,simultaneouslybyLCDliquidcrystaldisplaymoduledemonstration.Thisdesignusestheelectro-opticalencoderoutputvoltageis5V,theoutputsignalafterfourdoublingcircuitprocessingsendsinthemonolithicintegratedcircuittocarryoncountingprocessing,finallysendsintheLCDmoduledemonstration.Inthispaper,detailedworkingprocessofdisplacementmeasurementsystemisstartedwithprincipleofdisplacementmeasurement,andhardwarecircuitdesignanddisplay.Thispaperhasabsorbedtheideaofhardwareandsoftwaretoachievewiththesubjectrequiredfunctionality.Keywords:Thedisplacementsurveys,electro-opticalencoder,microcontroller,LCDdisplaymodule目录第一章绪论·················································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绍··································2.2方案选择及原理··········································鉴相原理·············································用软件实现脉冲的鉴相和计数···························用硬件实现脉冲的鉴相和计数···························用单片机内部计数器实现可逆计数·······················2.3位移测量参数及电路参数分析······························2.3.1MCS-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硬件电路的设计···········································单片机的选择 ·········································AT89C51的介绍········································光电编码器的选择 ·····································3.1.41XP8001-1简介········································3.2软件的设计···············································第四章显示部分···············································4.1LED显示器 ················································4.2LCD显示器 ················································LCD的分类及特点 ······································笔段式LCD液晶显示器的驱动·····························LCD显示模块LCDM（LiquidCrystalDisplayModule）······4.3LCD显示器的驱动接口 ······································第五章仿真实现················································5.1PROTEUS仿真软件简介·······································5.2KEIL与PROYEUS的联合使用··································结论······························································谢辞······························································参考文献··························································附录一系统电路原理图············································附录二程序清单··················································附录三仿真电路图················································绪论1.1位移测量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。表1.1-1常用位移传感器一览表型式测量范围精确度直线性特点电阻式滑线式线位移1~300mm±0.1%±0.1%分辨力较好，可静态或动态测量。机械结构不牢固角位移0~360°±0.1%±0.1%变阻器式线位移1~1000mm±0.5%±0.5%结构牢固，寿命长，但分辨力差，电噪声大角位移0~60r±0.5%±0.5%应变式非粘贴的±0.15%应变±0.1%±1%不牢固粘贴的±0.3%应变±2%~3%使用方便，需温度补偿半导体的±0.25%应变±2%~3%满刻度

±20%输出幅值大，温度灵敏性高电感式自感式变气隙型±0.2mm±1%±3%只宜用于微小位移测量螺管型1.5~2mm测量范围较前者宽，使用方便可靠，动态性能较差特大型300~2000mm0.15%~1%差动变压器±0.08~75mm±0.5％±0.5%分辨力好，受到磁场干扰时需屏蔽涡电流式±2.5~±250mm±1%~3%＜3%分辨力好，受被测物体材料、形状、加工质量影响同步机360°±0.1°~±7°±0.5%可在1200r/min转速工作，坚固，对温度和湿度不敏感微动同步器±10°±1%±0.05%非线性误差与变压比和测量范围有关旋转变压器±60°±0.1%电容式变面积10-3~10±0.005%±1%受介电常数因环境温度、湿度而变化的影响变间距10-3~10mm0.1%分辨力很好，但测量范围很小，只能在小范围内近似地保存线性霍尔元件±1.5mm0.5%结构简单，动态特性好感应同步器直线式10-3~102.5μm~250mm模拟和数字混合测量系统，数字显示(直线式感应同步器的分辨力可达1μm)旋转式0o~360°±0.5°计量光栅长光栅10-3~103μm~1m同上(长光栅分辨力可达1μm)圆光栅0o~360°±0.5”磁尺长磁尺10-3~105μm~1m测量时工作速度可达12m/min圆磁尺0o~360°±1”角度编码器接触式0o~360°10-6rad分辨力好，可靠性高光电式0o~360°10-6rad本设计使用了其中可直接转换成数字量的角度编码器中的光电编码器。光电编码器是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有着广泛的应用。因其具有直接输出数字量、响应快、精度高、抗干扰能力强、分辨率高、输出稳定等特点,其应用范围不仅仅局限于角位移,角速度测量等场合,在直线位移,尤其是大位移测量领域也越来越广泛的应用。本课题即是用单片机与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。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轴角编码器,每转可输出1296万个脉冲(0.1″),可谓日本的最高分辨力。我国在光电轴角编码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电编码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。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。2.2方案选择及原理使用光电编码器测量位移,准确无误的计数起着决定性作用。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向判别和计数降低了系统控制的实时性,尤其当使用光电编码器的数量较多时,且其可靠性也不及硬件电路。但其外围电路比较简单,所以在计数频率不高的情况下,使用软件计数仍有一定的优势。对编码器中输出的两路脉冲进行计数主要分两个步骤:首先要对编码器输出的两路脉冲进行鉴相,即判别电机是正转还是反转;其次是进行加减计数,正转时加计数,反转时减计数。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。图1是编码器正反转时输出脉冲的相位关系。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相脉冲的下降沿处,B相输出为低电平。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向。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,则编码器反转,减1计数。图2是软件方法的计数与判向电路。图2.2-2软件方法的计数与判向电路2.2.3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。而从编码器直接输出的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鉴相后再计数。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ŠQ(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)。当光电编码器逆时针旋转时,A相比B相延迟90°,D触发器输出ŠQ(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是光电编码器输出脉冲的鉴相及其计数。图2.2-4光电编码器输出脉冲的鉴相及其计数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,而且容易出错,用外接加减计数芯片的方法,虽然速度快,但硬件电路复杂,由图4可以看出,要制作一个12位计数器需要5个外围芯片,成本较高。我们可以用单片机内部的计数器来实现加减计数。单片机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内部的计数器是加1计数器,所以不能直接应用,必须经过适当的软件编程来实现其“减”计数功能。硬件电路如图5所示。图2.2-5单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）接到单片机的外部中断INT0端，同时经过反向器后再接到另一个外部中断INT1，并且把计数脉冲A接到单片机的片内计数器T0端即可，相对外部计数芯片来说，使用这种方法电路相对要简单的多。系统工作时，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—高跳变时，INT1中断，执行相应的中断程序，进行加计数；而当方向判别脉冲由高—低跳变时，INT0中断，执行相应的中断程序，进行“减”计数（实际是重新复值，进行加计数）。下面是软件编程思路（在C语言环境下来实现计数功能）：#includeintdatak=1;voidservice_int0()interrupt0using0{k--;/*标志位减1*/TR0=0;/*停止计数*/TH0=-TH0;TL0=-TL0;/*把计数器重新复值，此时相当于减计数*/TR0=1;/*开始计数*/}voidservice_int1()interrupt2using1{k++;/*标志位加1*/TR0=0;/*停止计数*/TH0=-TH0;TL0=-TL0;/*把计数器重新复值，此时相当于加计数*/TR0=1;/*开始计数*/}voidtimer0(void)interrup1using2{if(k=0)/*反向计数满*/elseif(k=1)/*计数为0*/else/*正向计数满*/}voidmain(void){TCON=0X05;/*设置下降沿中断*/TMOD=0X05;/*T0为16位计数方式*/IE=0X87;/*开中断*/TH0=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,程序也不复杂,执行速度较快。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,