张洁位移测量系统的毕业设计Word文件下载.docx
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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·
3.1.1单片机的选择·
3.1.2AT89C51的介绍·
3.1.3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·
4.2.1LCD的分类及特点·
4.2.1笔段式LCD液晶显示器的驱动·
4.2.2LCD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·
第一章绪论
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%
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°
变阻器式
1~1000mm
0.5%
结构牢固，寿命长，但分辨力差，电噪声大
0~60r
应
变
非粘贴的
0.15%应变
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
满刻度
±
20%
输出幅值大，温度灵敏性高
感
自感式
变气隙型
0.2mm
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
300~2000mm
0.15
%
~1%
差动变压器
0.08~75mm
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°
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°
0.05%
非线性误差与变压比和测量范围有关
旋转变压器
60°
容
变面积
10-3~103mm
0.005%
受介电常数因环境温度、湿度而变化的影响
变间距
10-3~10mm
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
1.5mm
结构简单，动态特性好
感应
同步
器
直线式
10-3~104mm
2.5μm
~
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
3μm
1m
同上（长光栅分辨力可达1μm）
圆光栅
0.5”
磁尺
长磁尺
5μm
测量时工作速度可达12m/min
圆磁尺
1”
角度
编码
接触式
10-6rad
分辨力好，可靠性高
光电式
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。
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。
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。
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用硬件实现脉冲的鉴相和计数
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
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
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