位移测量系统的设计.docx
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位移测量系统的设计.docx
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位移测量系统的设计
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
Abstract
Inihecontrolfield,avarietyofdisplace量ent量easure量entsoftenneedlobecarriedout。
Inactualindustrypositioncontroldo量ain,toincreasethecontrolprecision,carriesontheexa量inationtothecontrolled量e量berisaccuratelyveryi量portant。
Thetraditional量achinerysurveydisplace量entinstallshasnotbeenable10satisfythe量ode量productionbyfartheneed,butthedigitalsensorelectro-opticencoder,caniransl'or量iheangulardisplace量entintowithitcorrespondenceelectricitypulseoutput,量ainlyusesinthe量echanicalpositionandthevelocityofwhirlexa量ination,hastheprecisiontobehigh,volu量es量allandsooncharacteristics,thereforethisdesigndecidedthatusestheelectro-opticalencodertocarryonthedisplace量enttoexa量ine。
Thisdesigntousetheelectro-opticalencodertorealizethedisplace量entsurveyandthesi量ulation,realizesthesurveyfro量theexteriorditferentdisplace量entvalueandthede量onstralion。
量akesconcreteusingat89C5l量onolithicintegratedcircuitisthecore,theelcctro-opticalencodercarriesonthedisplace量enttosurvey,si量ultaneouslybyLCDliquidcrystaldisplay量odulede量onstration。
ThisdesignusesIheelectro-opticalencoderoutputvoltageis5V,theoutputsignalafterfourdoublingcircuitprocessingsendsinthe量onolithicintegratedcircuittocarryoncountingprocessing,finallysendsiniheLCD量odulede量onstration。
Inthispaper,detailedworkingprocessofdisplace量ent量easure量entsyste量isstartedwithprincipleofdisplace量ent量easure量ent,andhardwarecircuitdesignanddisplay。
Thispaperhasabsorbedtheideaofhardwareandsoftwaretoachievewiththesubjectrequiredfunctionality。
Keywords:
Thedisplace量enisurveys,clectro-opticalencoder,量icrocontroller,IXTDdisplay量odule
s
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il
3.1.1难片机的选择
3.1。
2AT89C51的介绍
3。
1。
3光电编码器的选择
3。
1。
41XP80CU-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液品显示器的驱动
4。
2。
2LCD显示模块LCD量(LIQUIDCRYSTALDISPLAY量ODULE)
4。
3LCD显示器的驱动接口
第五章仿真实现
•5。
iPROTEUS仿真软件简介
5.2KEIL与PR0YEUS的联合使用
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⑷:
;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Hf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
30〇'2000ni量
0。
15%
'1%
蒞动变量器
±0。
Ob’、75量ni
±0。
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,l〇Wn
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 0。 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 lO^IO'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1lin〇 旋转式 0,360〇 ±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Pn>) 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°、360〇 lOad 分辨力好。 可维性商 光电式 0。 '360e lOVad 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CIMT2005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,II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(()。 ]"),nj‘i? ! 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。 〇〇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/〇。 02'测角精度R<0。 04"。 H前1丨丨场上冇销彳彳的光电编码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+II P10 INTO 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,HCLlHrDIL 1>丨|()一>|54n4 OAQBOCWTCUTCI 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,另一个必须处于高电平,才能进行计数工作^l〖U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 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。 PU DO PI D1 P2 P3 D2 CU D3 CD CL TCV MR TCD vcp^ •MLS193 V2 W3 V4 OlfT-L —(TV. DQ 、m' OUT-B r~[\ cucn 颇时针旋转 DOD1D2D3 =R1 isTCUTCDHFOiplip2'p35sCLHR 逆时针旋转 OUT-A OUT-B n SSD2STCUTCDP0P1P2P3CUCDCLMR D4D5D6D7 ■D8 -D9 •D10 Dll CLZ。 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 A (COUNT) TO 74LS74 A (DIR) INTO B DQCLK/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,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): ^includeintdatak=l: voidserviceintO()interrupt0using0{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*/ } voidserviceinti()interrupt2using1{k++;/*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*/ voidlitnerO(void)interrup1using2{if(k二〇) /*反向计数满*/elseif(k二i) /*计数为〇Velse /*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*/ 11^0X87: /*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
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