電氣設(shè)計(jì)自動(dòng)化論文-畢業(yè)論文-基于位置傳感器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

學(xué)號(hào)：本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）(2015屆)基于位置傳感器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)院 系 電子信息工程學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 姓 名 實(shí)際指導(dǎo)教師 助教 名譽(yù)指導(dǎo)老師 助教 2015年5月I摘要雕刻機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控雕刻機(jī)的控制核心，其控制能力的強(qiáng)弱、控制性能的優(yōu)劣直接關(guān)系著數(shù)控雕刻機(jī)的加工質(zhì)量與加工效率，對(duì)整個(gè)雕刻機(jī)的性價(jià)比與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力都至關(guān)重要。運(yùn)動(dòng)控制，是一種自動(dòng)控制技術(shù)，是當(dāng)代數(shù)字控制技術(shù)的重要分支，它是用數(shù)字化信號(hào)對(duì)控制對(duì)象的位置、速度、加速度、轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行精確控制的方法。本文闡述了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)反饋系統(tǒng)的的基本工作原理，在分析了多種軟硬件設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，硬件采用由光柵尺位移傳感器來(lái)檢測(cè)雕刻機(jī)刀頭所行進(jìn)的距離。KA系列線性光柵尺具有符合標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度、良好的剛性、平直性和密封性、造型美觀。得到的數(shù)據(jù)用LCD1602顯示出來(lái)，顯示數(shù)據(jù)分別表示X,Y,Z三個(gè)坐標(biāo)。提供max232單電源轉(zhuǎn)換芯片，增加了9針串口形成一個(gè)獨(dú)立模塊向外輸出數(shù)據(jù)。軟件上則采用keil軟件編寫(xiě)c語(yǔ)言，c語(yǔ)言編程構(gòu)造了整個(gè)軟件的主體框架、實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)性任務(wù)。樣機(jī)系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)表明，本系統(tǒng)的功能和性能達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的要求。實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)所采用的總體設(shè)計(jì)方案是完全正確的。本設(shè)計(jì)方案從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，綜合考慮了性能指標(biāo)、成本、抗干擾力、合理的元器件布局和機(jī)械、電氣結(jié)構(gòu)等因素。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，軟、硬件都經(jīng)過(guò)反復(fù)的分析、論證、實(shí)驗(yàn)、調(diào)試和修改，最終通過(guò)了系統(tǒng)的統(tǒng)調(diào)。較好地實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)指標(biāo)，基本滿足了現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。且該測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅僅限于雕刻機(jī)，測(cè)量機(jī)床、車床等都非常適用。關(guān)鍵詞：51單片機(jī)；線性位移光柵尺；位置傳感；AbstractEngraving machine of numerical control system is a core control of CNC engraving machine, its control ability strong and the weak, the control performance fit and unfit quality directly related to the processing quality and processing efficiency of CNC engraving machine, price and market competitiveness of the whole carving machine is of crucial importance.Motion control, it is a kind of automatic control technology, is an important branch of modern digital control technology, it is to use digital signal to control the objects position, velocity, acceleration, torque method for precise control. Motion control system were introduced in this paper the basic principle of feedback system, the analysis of the various hardware and software design scheme on the basis of the hardware used by the grating ruler displacement sensor to detect the marching distance by carving machine cutter.KA series linear grating ruler with standard accuracy, good rigidity, laymen and sealing, and aesthetically pleasing.The data with the LCD1602 display, display data, respectively the X, Y, Z three coordinates.Provide a power conversion chip max232, increased the 9-pin serial ports to form an independent module to output data.Using keil software, software is written c language, c language programming constructs the main body of the whole software framework, realize the real-time tasks.Prototype system software and hardware alignment showed that the system function and performance has reached the expected design requirements. Experiments show that this system adopted by the general design scheme is completely correct.This design scheme based on practical application, considering the performance, cost, interference resistance, the reasonable structure of components layout and mechanical, electrical and other factors.In the process of system design, software and hardware are after repeated analysis, demonstration, test, debug, and modify, ultimately through the tracking of the system.Well realized the indicators, basic meet the requirement of practical application of the scene, and achieved the desired design goal.And the measurement system design is not only confined to carving machine, measuring machine, lathe and so on are very applicable.Keywords: 51 single chip microcomputer; The linear displacement of the grating ruler; Position sensing目錄摘要2ABSTRACT3目錄4 1緒論51.1研究背景51.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀51.3研究目的與意義62系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)72.1設(shè)計(jì)要求72.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案82.2.1硬件設(shè)計(jì)82.2.2軟件設(shè)計(jì)93系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)103.1最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)103.2液晶LCD1602顯示電路113.3控制電路設(shè)計(jì)133.4串口電路設(shè)計(jì)134系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)134.1資源分配情況134.2程序流程圖144.2.1主程序流程圖144.2.2 LCD1602接收數(shù)據(jù)流程圖144.3直線位移光柵尺傳感器檢測(cè)165聯(lián)調(diào)與測(cè)試175.1硬件調(diào)試175.2軟件調(diào)試185.3仿真205.4最后調(diào)試與運(yùn)行21結(jié)論與展望22致謝24參考文獻(xiàn)25附錄A：系統(tǒng)原理圖26附錄B：系統(tǒng)PCB圖27附錄C：系統(tǒng)源程序28311緒論1.1研究背景在我國(guó)中，數(shù)控雕刻機(jī)是一種典型的自動(dòng)化設(shè)備，雕刻機(jī)在雕刻字體，圖畫(huà)制作，模板刻制等領(lǐng)域都有著廣大的發(fā)展基礎(chǔ)和前景，其中小型雕刻機(jī)的檢測(cè)與反饋系統(tǒng)是它的重中之重。它的設(shè)備在工業(yè)中是必不可少的，也成為了工業(yè)自動(dòng)化的趨勢(shì)。為了提高我國(guó)技術(shù)水平，必須提高我國(guó)數(shù)控雕刻機(jī)的占有率。根據(jù)我國(guó)國(guó)情，對(duì)舊雕刻機(jī)進(jìn)行再制造是提高現(xiàn)代數(shù)控化率的有效途徑之一。而對(duì)于以前的那些舊雕刻機(jī)關(guān)鍵的缺點(diǎn)就是精度不夠，對(duì)它進(jìn)行再制造就是為了提高它的的精確度。提高精確度的方法之一就是提高它的檢測(cè)系統(tǒng)與反饋系統(tǒng)的精確度，數(shù)控雕刻機(jī)它是按照預(yù)定設(shè)計(jì)的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和加工，若無(wú)外在的東西影響，加工肯定跟預(yù)期的一樣，但實(shí)際上，在加工現(xiàn)場(chǎng)有些變量非常直接或者間接的影響了加工精度，例如工件的毛坯、余量及其誤差等，都會(huì)使雕刻機(jī)偏離預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)。為提高數(shù)控雕刻機(jī)的加工精度，有必要為其配備在線測(cè)量裝置進(jìn)行反饋。在高精度的數(shù)控雕刻機(jī)上，傳感器可以使用長(zhǎng)度型光柵位移尺作為檢測(cè)的工具。光柵尺輸出的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，而不是模擬信號(hào)，不因?yàn)闇囟取穸?、時(shí)間的變化而變化?？垢蓴_能力極強(qiáng)，它的測(cè)量精度取決于光柵刻線的準(zhǔn)確性，且光柵刻線是定值的。因此它是一種比較理想的測(cè)量工具。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國(guó)內(nèi)外數(shù)控雕刻機(jī)的發(fā)展歷史1938年，在法國(guó)，第一臺(tái)雕刻機(jī)“嘉寶”問(wèn)世。當(dāng)時(shí)的雕刻機(jī)只是一種手動(dòng)的雕刻機(jī)；隨后在1950年，生產(chǎn)出了一臺(tái)真電動(dòng)、可按比例縮放的手動(dòng)雕刻機(jī)。時(shí)間僅僅過(guò)去了2年，美國(guó)麻省理工學(xué)院做出了世界第一臺(tái)三維坐標(biāo)的數(shù)控統(tǒng)床。它標(biāo)志著數(shù)控技術(shù)在世界問(wèn)世。這些數(shù)控技術(shù)引起了許多其他國(guó)家的注意。時(shí)間在流逝，20世紀(jì)90年代，微電子技術(shù)快速發(fā)展了起來(lái)，急劇推動(dòng)了微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展。微電子技術(shù)和信息技術(shù)帶動(dòng)了現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展。而雕刻機(jī)的發(fā)展必須要處于自動(dòng)控制領(lǐng)域的改進(jìn)，因此雕刻機(jī)在90年代產(chǎn)生了質(zhì)的飛越。隨之而來(lái)的便是數(shù)控雕刻機(jī)的問(wèn)世，在其基礎(chǔ)上的改進(jìn)又使得雕刻機(jī)的先進(jìn)性越來(lái)越強(qiáng)?？傮w來(lái)看，數(shù)控雕刻機(jī)有四個(gè)發(fā)展階段，且每個(gè)階段都是必不可少。 (1)硬件功能的實(shí)現(xiàn)階段在50年代到70年代是硬件功能的實(shí)現(xiàn)階段，因?yàn)槲㈦娮蛹夹g(shù)的初級(jí)階段已經(jīng)發(fā)展起來(lái)了，類似于微電子的發(fā)展。微電子的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段，第一個(gè)是電子管，其次是晶體管，再后來(lái)便是小規(guī)模的集成電路。在這時(shí)期的數(shù)控系統(tǒng)下，在硬件上均能實(shí)現(xiàn)各種控制功能，采用的編程是通過(guò)對(duì)邏輯陣列的編寫(xiě)。 (2)小型計(jì)算機(jī)控制階段隨后，小型機(jī)便快速發(fā)展了起來(lái)，由小型計(jì)算機(jī)控制的機(jī)床也發(fā)展了起來(lái)，這也就帶動(dòng)了雕刻機(jī)的發(fā)展。這是一個(gè)值得記住的一年，在1974年，微處理器在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，讓機(jī)電一體化成為了現(xiàn)實(shí)。通過(guò)微處理器在數(shù)控上的大量應(yīng)用，使得數(shù)控技術(shù)及其數(shù)控機(jī)床逐漸發(fā)展起來(lái)。隨后中，超大規(guī)模的集成電路的廣泛應(yīng)用，再加上CNC系統(tǒng)在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)上能并行處理模塊化、功能化。數(shù)控產(chǎn)品已經(jīng)向標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。 (3)CPU階段CPU的問(wèn)世，使得數(shù)控系統(tǒng)的處理速度達(dá)到高峰，能同時(shí)控制多個(gè)數(shù)控系統(tǒng)同時(shí)工作。微處理器的發(fā)展之下，在CNC系統(tǒng)上安裝上CPU系統(tǒng)后，有著高處理速度、高精度。高效等的特點(diǎn)。這已經(jīng)成為了當(dāng)今數(shù)控系統(tǒng)的主流，是現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)不可少的一部分之一 (4)開(kāi)放式CIVC階段在當(dāng)今科技的不斷推動(dòng)與發(fā)展下，個(gè)人計(jì)算機(jī)已經(jīng)被越來(lái)越多的人們所使用，它不僅能處理數(shù)據(jù)，文件。還能處理多個(gè)數(shù)控系統(tǒng)。一體化和多元化逐漸在個(gè)人計(jì)算機(jī)上體現(xiàn)出來(lái)。如今的PC機(jī)是典型的個(gè)人計(jì)算機(jī)，價(jià)格便宜，PC機(jī)被大量生產(chǎn)，數(shù)控系統(tǒng)也被逐漸融入了個(gè)人計(jì)算機(jī)的CNC系統(tǒng)中。它為CNC的開(kāi)放化和標(biāo)準(zhǔn)化提供了好的基礎(chǔ)1.2.2數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，各行各業(yè)都少不了數(shù)控雕刻機(jī)。例如廣告業(yè)、印章業(yè)、機(jī)械加工業(yè)、禮品業(yè)、建筑業(yè)、藝術(shù)模型業(yè)、工裝模具、木器加工業(yè)等等都是應(yīng)用到雕刻機(jī)的使用。隨著技術(shù)的發(fā)展，可作為雕刻機(jī)的材質(zhì)也越來(lái)越廣泛，包括金屬、橡皮、ABS版、亞克力、PVC板、石材、雙色板、仿石材、鍋塑板等等。總體而言，數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸涉及各個(gè)領(lǐng)用，發(fā)展前景非常好。1.2.3數(shù)控雕刻機(jī)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r數(shù)控雕刻機(jī)在國(guó)外的行業(yè)中，領(lǐng)頭的便是美國(guó)的“雕霸”，法國(guó)的”嘉寶“和日本的”御牧“。這些都是雕刻行業(yè)的龍頭企業(yè)，所以公司產(chǎn)品的價(jià)格會(huì)很昂貴。在國(guó)內(nèi)數(shù)控雕刻機(jī)行業(yè)，也有一些非常好的雕刻機(jī)公司，如上海的“陳木鳥(niǎo)”、北京的“精雕”。價(jià)格也是偏向昂貴。雕刻機(jī)已經(jīng)越來(lái)越被人們所重視，當(dāng)人們已經(jīng)逐漸任何和掌握了雕刻機(jī)技術(shù) 后，雕刻機(jī)會(huì)越來(lái)越廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，范圍會(huì)不斷擴(kuò)大，水平也會(huì)不斷的提高。雕刻機(jī)行業(yè)在后面會(huì)有著更廣闊的前景。1.3研究目的與意義目的：本文介紹的基于STC51單片機(jī)的數(shù)控雕刻機(jī)光柵尺位移測(cè)量系統(tǒng)，以光柵尺作為傳感器傳輸數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)作為核心，LCD1602作為顯示屏顯示移動(dòng)的距離，所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)單，工作可靠，體積小和制作成本低的特點(diǎn)。該測(cè)量可以作為反饋系統(tǒng)做后期的檢測(cè)和修正。在高精度數(shù)控雕刻機(jī)中，敏感元件即為光柵，以光柵數(shù)字量信號(hào)作為輸出類型，它的數(shù)字量信號(hào)不受溫度和時(shí)間的影響，且抗干擾能力強(qiáng)。它是一種定值式的傳感器，光柵刻線的精度便能體現(xiàn)出它的準(zhǔn)確性，不僅在靜態(tài)，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中也能夠高精度的測(cè)量它的直線位移，并且角位移也能測(cè)量，它是一種比較實(shí)用而且理想的測(cè)量工具。意義：做成的該數(shù)控雕刻機(jī)與直線光柵位移尺有效的結(jié)合起來(lái)，從三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，從而可以得到檢測(cè)的數(shù)值與設(shè)定的數(shù)值差，這樣可以有效的進(jìn)行調(diào)整，后面再加入反饋系統(tǒng)，更加可以有效地提高數(shù)控雕刻機(jī)的精確度和準(zhǔn)確性。改進(jìn)后的數(shù)控雕刻機(jī)能快速進(jìn)行反饋調(diào)整，輸入數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)更加接近。且為了提高我國(guó)雕刻技術(shù)水平，必須提高我國(guó)數(shù)控雕刻機(jī)的占有率，在國(guó)內(nèi)外提高占有率的唯一辦法是提高雕刻機(jī)的雕刻機(jī)雕刻精準(zhǔn)性，雕刻機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)是其中的重要環(huán)節(jié)之一，檢測(cè)就需要用光柵尺作為傳感器，雕刻機(jī)雕刻雖不隨實(shí)際變化而變化，但其中加工的時(shí)候，有很多變量直接影響或間接的影響加工精度，所以為了提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，很有必要為雕刻機(jī)安裝檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)，從而通過(guò)反饋系統(tǒng)調(diào)整。讓精度的準(zhǔn)確性更加完美和高效。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)要求2.1.1光柵尺位移測(cè)量工作原理如圖所示，這便是光柵尺位移測(cè)量的工作原理的簡(jiǎn)略圖，當(dāng)光線透過(guò)光柵后再經(jīng)過(guò)透鏡由光電管接收感應(yīng)的信號(hào)，由此而產(chǎn)生了圖右所示的莫爾條紋。光柵的組成部分分為5種，發(fā)射光的光源是必要的，能將光線聚集的凸透鏡，主光柵，顯示刻度的標(biāo)尺光柵，最后一個(gè)是能感應(yīng)光的光電信號(hào)。工作原理主要就是主光柵和標(biāo)尺光柵倆個(gè)相對(duì)傾斜且折疊的放置，形成一個(gè)很小的角，保持能在正面上看上去，倆個(gè)光柵尺有線紋的交叉。當(dāng)開(kāi)光電源后，在光源的照射下，倆光柵尺交叉點(diǎn)所在附近的區(qū)域沒(méi)黑色重復(fù)在一起且有明暗相間的便是莫爾條紋，所形成的莫爾條紋與光柵線紋幾乎相互垂直。隨著標(biāo)尺光柵在主光柵上的移動(dòng)，其莫爾條紋也會(huì)跟著移動(dòng)。在光源的照射下，且當(dāng)標(biāo)尺光柵移動(dòng)時(shí)，在莫爾條紋上的光強(qiáng)度會(huì)變化，大致會(huì)呈現(xiàn)正弦或余弦的曲線變化，經(jīng)過(guò)光電原價(jià)時(shí)，產(chǎn)生的光電流的變化也會(huì)近似于正弦或余弦曲線。對(duì)正弦和余弦信號(hào)進(jìn)行放大、整形，就形成了脈沖，也就是TTL電平。光柵輸出的信號(hào)一般有倆種，倆種都是方波，這倆種信號(hào)的區(qū)別便是倆路的相角相差90，可以記錄這倆種方波測(cè)量光柵尺移動(dòng)的位移和大小。圖見(jiàn)2-12-12.1.2光柵尺、單片機(jī)、PC的一體化本設(shè)計(jì)用了AT89C52作為單片機(jī)核心，光柵尺作為傳感器，PC作為數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，形成了一體化的系統(tǒng)，這樣就會(huì)使制作、操作、讀取數(shù)據(jù)等方面就會(huì)非常簡(jiǎn)便，基本設(shè)計(jì)的實(shí)物做好以后，只需要PC上輸入幾個(gè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)系統(tǒng)所得到的數(shù)據(jù)馬上就會(huì)顯示在PC上，進(jìn)行比對(duì)之后，就能發(fā)現(xiàn)該數(shù)控雕刻機(jī)的精準(zhǔn)度，所以本設(shè)計(jì)是一個(gè)非常適合檢測(cè)任何數(shù)控雕刻機(jī)精準(zhǔn)度的實(shí)物方案。因此在數(shù)控雕刻機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域如此廣泛的今天，檢測(cè)系統(tǒng)的一體化已經(jīng)是必須的需求。圖2-22-22.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.2.1硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)用AT89C52單片作為核心來(lái)采集光柵尺位移信號(hào)，光柵移動(dòng)后產(chǎn)生的信號(hào)為T(mén)TL電平信號(hào)。得到的TTL電平輸入進(jìn)單片機(jī)后，由51單片機(jī)的倆個(gè)可編程的定時(shí)器計(jì)數(shù)器T1、T0來(lái)處理，我們?cè)O(shè)計(jì)的只需用計(jì)數(shù)器就可以了，對(duì)輸入方波信號(hào)計(jì)數(shù)和累加，得到的數(shù)值再乘以0.02便是位移距離了。經(jīng)過(guò)換算后顯示在LCD1602上，該顯示器相比于其他的，有很好的有點(diǎn)，比如處理速度快、穩(wěn)定性好、性價(jià)比高、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。（1）硬件電路硬件電路的設(shè)計(jì)采用類似于頻率計(jì)的設(shè)計(jì)電路方法，主要有長(zhǎng)度型線性光柵尺、52單片機(jī)、LCD1602、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、串口電路等的設(shè)計(jì)。單片機(jī)的主要設(shè)計(jì)就是光柵尺與單片機(jī)的傳輸過(guò)程中中斷設(shè)計(jì)。（2）工作過(guò)程KA-300光柵尺通電后，在讀數(shù)頭滑動(dòng)的情況下有倆種TTL電平信號(hào)輸出，倆者相差90，任意選一個(gè)信號(hào)即可，輸出的信號(hào)是方波信號(hào)，文章后面的圖片可查證，方波接單片機(jī)的T1或者T0中任意一個(gè)，內(nèi)部的計(jì)數(shù)器對(duì)輸入的信號(hào)計(jì)數(shù)，當(dāng)讀數(shù)頭不動(dòng)時(shí)，無(wú)信號(hào)輸入，中斷停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的個(gè)數(shù)計(jì)算和換算后由單片機(jī)輸出到LCD1602顯示，這時(shí)的數(shù)據(jù)顯示就是得到的位移距離。KA-300柵距是0.02mm，分辨率分為三種，分別為0.5、1、5um，可以根據(jù)需求進(jìn)行隨意調(diào)換，工作溫度在045，電纜線長(zhǎng)度為3m，電源電流分別為+5V5%與80mA。圖2-3圖2-32.2.2軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)方面采用KeilC51寫(xiě)采集光柵信號(hào)的程序，我們寫(xiě)的C語(yǔ)言程序要變成CPU可讀懂的機(jī)器碼，執(zhí)行機(jī)器碼有倆種方法，手工匯編和機(jī)器匯編，目前大多數(shù)用的便是機(jī)器匯編了，而最近來(lái)說(shuō)，各仿真廠商全部支持Keil的推廣，Keil是目前最流行的MCS-51系列單片機(jī)軟件。Keil軟件有強(qiáng)大的匯編功能，它提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境將這些部分組合在一起。運(yùn)行Keil軟件需要Pentium以上的CPU，16MB或更多RAM、20MB以上空閑的硬盤(pán)空間、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。因此我們一定要掌握好這個(gè)軟件，做到融會(huì)貫通。本文章的主要設(shè)計(jì)部分就是如何把方波進(jìn)行計(jì)數(shù)和如何把計(jì)數(shù)得到的數(shù)值轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)CD1602上顯示，計(jì)數(shù)則就是開(kāi)中斷，連續(xù)累加，無(wú)上限制。顯示方面則保留倆個(gè)小數(shù)點(diǎn)，第一個(gè)小數(shù)是除以10求余，第二個(gè)是除以100求余，以此類推。各位和十位方面則就是余商。這樣大致的程序方面就出來(lái)了，還有其他的就是一串口電路的設(shè)計(jì)，延遲設(shè)計(jì)等。所以，選用Keil軟件是必須的。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)本次采用AT89C52單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)脈沖信號(hào)，最小系統(tǒng)有時(shí)鐘系統(tǒng)與復(fù)位系統(tǒng)倆種，能進(jìn)行最簡(jiǎn)單的電路，由單片機(jī)、電源、晶體振蕩器、復(fù)位電路等構(gòu)成。它有負(fù)責(zé)處理信號(hào)、外接口和控制，是本系統(tǒng)的處理單元和控制單元，并且它是其他所有軟件的載體。AT89C52是一種微控制器，它的特點(diǎn)是低功耗但卻有高性能的CMOS 8位的系統(tǒng)，含有可編程Flash儲(chǔ)存器，內(nèi)存為8K。之所以它是高密度非易失性儲(chǔ)存器制造技術(shù)，它能與工業(yè)的80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。程序儲(chǔ)存器是可以在Flash系統(tǒng)上編程的，因此使用大部分的常規(guī)編程器。單芯片中，存在8位CPU和Flash系統(tǒng)可編程，使得89C51可以在大部分的嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中有著靈活和高效的解決方案。時(shí)鐘系統(tǒng)接法為其中的XTAL1和XTAL2接振蕩器的輸入和輸出端口，在XTAL1和XTAL2外面并聯(lián)一個(gè)晶振，晶振的大小為12MHz，聯(lián)后接地。復(fù)位電路系統(tǒng)接法則為其中的RST為復(fù)位的輸入端口，外面連接中，電容和開(kāi)關(guān)并聯(lián)后接電源，電阻則是一端RST端，一端接地，就構(gòu)成了復(fù)位電路。供電端口為VCC（40腳）和VSS（20腳），分別接+5V電源的正負(fù)端。P0P3則為可編程通用I/O腳，功能用途由軟件定義，本設(shè)計(jì)中P0端口外接LCD1602顯示屏，P3.2口接輸入的TTL電平，P2.4、P2.5、P2.6接顯示屏的RS、RW、E端。其管腳如下圖2-4所示：2-4在本設(shè)計(jì)中，P0端口被用來(lái)控制顯示屏的各個(gè)顯示數(shù)字端口，與對(duì)應(yīng)的管腳相連接。任何一個(gè)單片機(jī)都必須要有一個(gè)時(shí)鐘電路才能工作，復(fù)位電路則是將顯示的錯(cuò)誤信息進(jìn)行修正成開(kāi)始的狀態(tài)，本設(shè)計(jì)選用內(nèi)部時(shí)鐘方式和按鍵電平復(fù)位電路，形成最小電路。如圖2-5、2-62-5時(shí)鐘電路、2-6復(fù)位電路3.2液晶LCD1602顯示電路LCD1602液晶顯示模塊是一種專門(mén)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣式LCD。它有倆種樣式，一種是帶背光的，另一種是不帶背光的，本設(shè)計(jì)的LCD基控制器采用HD44780，這倆種LCD中，帶背光的比較厚，而在應(yīng)用上倆者是一樣的，無(wú)任何區(qū)別。它有倆種接口，一種是14引腳的，一種是16引腳的，本設(shè)計(jì)中采用了16引腳，其各引腳接口說(shuō)明如下所示：表 1 LCD1602引腳接口說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫(xiě)選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極1602液晶模塊的讀寫(xiě)操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過(guò)指令編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令：指令1：清顯示，指令碼01H,光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置。指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H。指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無(wú)效。指令4：顯示開(kāi)關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開(kāi)與關(guān)，高電平表示開(kāi)顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標(biāo)的開(kāi)與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無(wú)光標(biāo) B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。指令5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo)。指令6：功能設(shè)置命令 DL：高電平時(shí)為4位總線，低電平時(shí)為8位總線 N：低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示 F: 低電平時(shí)顯示5x7的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示5x10的點(diǎn)陣字符。指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置。指令8：DDRAM地址設(shè)置。指令9：讀忙信號(hào)和光標(biāo)地址 BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。指令10：寫(xiě)數(shù)據(jù)。與HD44780相兼容的芯片時(shí)序如下表3所示：表 3 基本操作時(shí)序表讀狀態(tài)輸入RS=L，R/W=H，E=H輸出D0D7=狀態(tài)字寫(xiě)指令輸入RS=L，R/W=L，D0D7=指令碼，E=高脈沖輸出無(wú)讀數(shù)據(jù)輸入RS=H，R/W=H，E=H輸出D0D7=數(shù)據(jù)寫(xiě)數(shù)據(jù)輸入RS=H，R/W=L，D0D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖輸出無(wú)本設(shè)計(jì)中采用液晶LCD1602顯示輸入方波A的頻率，其D0D7與單片機(jī)的P0端口連接端E、RS、RW分別與單片機(jī)P2.4、P1.7、P1.6連接，此電路原理簡(jiǎn)單，電路連接方便，如圖2-7所示。2-7圖7液晶LCD1602顯示電路3.3控制電路設(shè)計(jì)控制方面本文采用KA-300直線型光柵尺位移產(chǎn)生的脈沖作為方波輸入采用定時(shí)器里的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)控制光柵尺的位移程度來(lái)改變計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)的多少，得到的數(shù)值與0.02mm這個(gè)定值相乘，移動(dòng)光柵尺讀數(shù)頭，如圖所示，產(chǎn)生TTL，控制電路采用復(fù)位電路進(jìn)行復(fù)位。圖2-8、2-9所示2-8復(fù)位控制電路 2-9光柵尺讀數(shù)頭3.4串口電路設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算后通過(guò)九針串口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC電腦之間的傳輸，形成一個(gè)獨(dú)立模塊向外傳輸數(shù)據(jù)，如圖2-10所示2-10串口電路設(shè)計(jì)4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1資源分配情況I/O口所起到的作用P0LCD1602數(shù)據(jù)接口P1.6LCD1602 RW接口P1.7LCD1602 RS接口P2.4LCD1602 E接口P3.2頻率測(cè)量接口圖表1-14.2程序流程框圖4.2.1主程序流程框圖2-114.2.2LCD1602接收數(shù)據(jù)流程圖2-12讀操作算法流程圖2-寫(xiě)操作算法流程圖4.3直線位移光柵尺傳感器檢測(cè)本設(shè)計(jì)采用KA-300長(zhǎng)度線性光柵尺作為傳感器，該光柵尺是從原有的舊雕刻機(jī)上拆卸下來(lái)的，對(duì)于它的好與壞并不清楚，因此要用示波器檢測(cè)是否可用，用杜邦線將電源接九針串口7號(hào)孔，2號(hào)孔接地。任意選擇6號(hào)孔或8號(hào)孔接示波器，當(dāng)讀數(shù)頭不動(dòng)時(shí)，示波器顯示是一條直線，而當(dāng)滑動(dòng)讀數(shù)頭時(shí)，示波器顯示有方波出現(xiàn)，且當(dāng)讀數(shù)頭滑動(dòng)的越快，方波出現(xiàn)的越密集，可以說(shuō)頻率越來(lái)越高。KA-300光柵尺 讀數(shù)頭不動(dòng)時(shí) 讀數(shù)頭微動(dòng)時(shí) 讀數(shù)頭快速動(dòng)時(shí)5聯(lián)調(diào)與測(cè)試5.1硬件調(diào)試5.1.1 焊接電路焊接電路采用9CM12CM綠油電路板進(jìn)行焊接，焊接過(guò)程中雖在導(dǎo)師指導(dǎo)下焊接難度不大，當(dāng)多數(shù)時(shí)候焊接連接點(diǎn)焊錯(cuò)，導(dǎo)致第一個(gè)電路板報(bào)廢，第二個(gè)電路板雖然部分焊錯(cuò)，但還算是完成。5.1.2 硬件調(diào)試焊接完成后裝入LCD1602進(jìn)行調(diào)試，在網(wǎng)上下了一個(gè)51單片機(jī)顯示的驅(qū)動(dòng)程序，插入LCD后背光燈不亮，而插入右邊一部分卻有背光，經(jīng)過(guò)反復(fù)看線路圖與單片機(jī)開(kāi)發(fā)模板，發(fā)現(xiàn)電源與接地的線路接反了，重新焊接后，再次接入顯示器，背光是亮了，但里面沒(méi)有顯示任何內(nèi)容，也不顯示一排排的黑塊，再次檢查電路也是連接正確的。開(kāi)始懷疑是不是電容或排阻燒壞了，如果要重新去掉再換一個(gè)的話太麻煩，而且很有可能再次導(dǎo)致電路板焊壞，這樣就得重新再制作。帶著問(wèn)題請(qǐng)教了導(dǎo)師和同學(xué)，原來(lái)是沒(méi)有在LCD1602中的VO與電源之間加電位器，不加電位器的話顯示不出對(duì)比度，看不清那一排黑塊。于是加入了電阻為10K的電位器，連接之后發(fā)現(xiàn)還是沒(méi)有黑塊顯示，調(diào)節(jié)電位器的阻值也是沒(méi)有反應(yīng)，而且供電一段時(shí)間后電位器發(fā)熱非?？欤悬c(diǎn)燙手的感覺(jué)，用萬(wàn)用表測(cè)VO端的電壓一直在2.3V左右，調(diào)節(jié)電位器電壓也一直不變，再次上網(wǎng)搜查了一下電位器的連接方法，原來(lái)電位器三端只需接倆端就可以了，中間一端接VO，那倆端任意一端接地，而我這把第三端接了電源，導(dǎo)致電位器一直過(guò)熱，換了個(gè)電位器又去掉電源后，隱約能看到黑塊了，調(diào)了一下電位器后，上方一排黑塊就已經(jīng)顯示出來(lái)了。這樣硬件調(diào)試就成功了。5.2軟件調(diào)試軟件調(diào)試是硬件電路顯示的重要一部分，沒(méi)軟件程序則LCD1602顯示器不會(huì)顯示任何東西，只有一排黑塊，且輸入TTL方波后也不會(huì)有所反應(yīng)，軟件調(diào)試分為以下幾個(gè)程序狀態(tài)：1) 未寫(xiě)主程序，如圖所示，沒(méi)有主程序，上面有，自定義，延時(shí)設(shè)置，LCD1602的基本初始化，定時(shí)器1上的計(jì)數(shù)器開(kāi)關(guān)中斷，輸入TTL后顯示屏不會(huì)有任何顯示。2) 寫(xiě)入主程序，寫(xiě)入主程序后，便能將這些子程序結(jié)合到一起，當(dāng)有TTL出現(xiàn)時(shí)，打開(kāi)中斷開(kāi)始計(jì)數(shù)方波個(gè)數(shù)，得到的數(shù)值乘以0.02后再以保留倆位小數(shù)顯示在顯示器上。主程序：main()uint8 i; init();Int0_Init();count=0;while(1) length=0.02*num;/保留兩位小數(shù) len=length*100; xd2=len%10; xd1=len%100/10; gewei=(uint16) length)%10; shiwei=(uint16) length)%100/10; baiwei=(uint16) length)%1000/100; write_com(0x80+5); write_date(0x30+baiwei); write_date(0x30+shiwei); write_date(0x30+gewei); write_date(.); write_date(0x30+xd2); write_date(0x30+xd1); write_date(m); write_date(m); 這是對(duì)的到數(shù)值進(jìn)行換算后顯示在顯示屏上。void Int0_Isr() interrupt 0count+;num=count;這是對(duì)所檢測(cè)到的TTL方波逐漸累加。3) 寫(xiě)入的程序生成HEX文件，并放入仿真圖上，由于仿真圖上沒(méi)有類似于光柵尺的器件，則用產(chǎn)生定值的頻率進(jìn)行顯示，LCD1602上的數(shù)值會(huì)不斷增加，且不能停止，當(dāng)頻率越高時(shí)，顯示數(shù)字改變就會(huì)越快，越低則顯示一個(gè)數(shù)值一段時(shí)間才會(huì)接收到下一個(gè)方波改變數(shù)值。得到的結(jié)果如圖所示。5.3仿真Protuse軟件是英國(guó)Labcenterelectronics公司出版的EDA工具軟件。它不但具有其他EDA工具軟件的仿真功能，而且能仿真單片機(jī)及外圍器件。是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。本設(shè)計(jì)需用仿真圖先進(jìn)行設(shè)計(jì)，用頻率計(jì)來(lái)代替光柵尺，經(jīng)過(guò)制作與連線，做成的仿真如圖所示，將軟件編譯好的程序HEX文件放進(jìn)仿真圖的單片機(jī)中，點(diǎn)擊運(yùn)行后lcd1602上顯示如圖所示。圖上因?yàn)椴捎玫氖穷l率計(jì)，所以顯示的數(shù)值一直在增加，就類似于長(zhǎng)度型光柵尺一直在勻速滑動(dòng)，而實(shí)際上光柵尺長(zhǎng)度是在270mm左右，因此顯示的數(shù)值不會(huì)超過(guò)三位數(shù)，而下面的增加了串口，是連接外面的PC端的數(shù)據(jù)通訊接口，串口只需接三個(gè)，一個(gè)接地，剩下倆個(gè)分別接輸入的和輸出的數(shù)據(jù)，這樣數(shù)據(jù)通訊更加準(zhǔn)確和有效。5.4最后調(diào)試與運(yùn)行通過(guò)前面的硬件調(diào)試、軟件調(diào)試、程序的寫(xiě)入、和仿真，認(rèn)為運(yùn)行是可行的，將程序燒進(jìn)51單片機(jī)中，插入電源后，顯示和仿真圖效果一樣。然后用杜邦線連接光柵尺與電路板，移動(dòng)讀數(shù)頭，會(huì)有數(shù)據(jù)顯示，讀數(shù)頭不動(dòng)，數(shù)據(jù)保持不變，再次移動(dòng)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行累加，知道達(dá)到最大值。結(jié)論與展望1) 通過(guò)對(duì)本論文的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)大部分都是圍繞51單片機(jī)而制作的，所有的電路板的焊接，LCD1602的制作與顯示，時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，串口電路，都是單片機(jī)在能運(yùn)行的情況下才能制作與顯示出來(lái)，在網(wǎng)上查及資料以及對(duì)其研究背景和目的充分了解后，發(fā)現(xiàn)所有組合器件中，檢測(cè)系統(tǒng)是必不可少的一部分，它能對(duì)你目前的機(jī)器性能進(jìn)行了解和修正，從而得到更精確的數(shù)據(jù)。數(shù)控雕刻機(jī)是學(xué)習(xí)和制作東西必不可少的工具，擁有了一臺(tái)多功能數(shù)控雕刻機(jī)系統(tǒng)，才稱得上是擁有了真正的財(cái)產(chǎn)。一個(gè)好的系統(tǒng)可以容易地操作不同的程序，如勾輪廓、操作、制作、輸送、切割，甚至細(xì)小的雕刻或無(wú)系統(tǒng)配置變化。換句話說(shuō)，一個(gè)便宜的但不能迅速地追隨當(dāng)今商業(yè)和客戶的不斷變化的需求的數(shù)控雕刻機(jī)系統(tǒng)是無(wú)價(jià)值的。老式的雕刻機(jī)是沒(méi)有一個(gè)較好的檢測(cè)與反饋系統(tǒng)，而一個(gè)好的雕刻機(jī)是必須要有檢測(cè)和反饋系統(tǒng)的，本論文設(shè)計(jì)的基于位置傳感的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一種簡(jiǎn)便高效的檢測(cè)系統(tǒng)，它能快速的檢測(cè)到你所運(yùn)行的位置和距離。解決了數(shù)控雕刻機(jī)的準(zhǔn)確性和后期修正。它檢測(cè)到的位置若和預(yù)設(shè)系統(tǒng)的距離不同，就可以進(jìn)行精確處理，比如調(diào)校一下步進(jìn)電機(jī)，又或者調(diào)雕刻板的距離。由此，CNC雕刻機(jī)以后會(huì)更加完善，雕刻出最完美的東西。2) 在網(wǎng)上查找資料，沒(méi)有類似于制作數(shù)控雕刻機(jī)的檢測(cè)與反饋系統(tǒng)，有關(guān)于數(shù)控機(jī)床的光柵尺位移測(cè)量系統(tǒng)，他的測(cè)量雖大致相同，采用的顯示器是用LED顯示，這樣就會(huì)復(fù)雜一點(diǎn)，且精確度不會(huì)太高，必須要倆個(gè)以上的LED才會(huì)顯示小數(shù)點(diǎn)后面的倆位小數(shù)，中間還要加入鎖存器，制作過(guò)程會(huì)繁瑣一點(diǎn)，程序方面子程序會(huì)多一點(diǎn)。本論文的設(shè)計(jì)采用的是LCD1602顯示屏，中間不需要加任何東西，精確度定在小數(shù)點(diǎn)后面?zhèn)z位數(shù)，還可以精確的更高。補(bǔ)充方面的話論文加了一個(gè)串口系統(tǒng)，可以與PC相互傳輸數(shù)據(jù)信息，得到的數(shù)據(jù)可以直接傳輸?shù)絇C上，形成一個(gè)完美的系統(tǒng)連接。本論文用杜邦線將光柵尺與單片機(jī)連接，連接方便，只需記住它的2號(hào)孔接地，6號(hào)孔接TTL，7號(hào)孔接電源即可。3) 本設(shè)計(jì)雖能比較精確的測(cè)得位移的距離，但還存在許多的不足之處，比如在測(cè)量KA-300的方波個(gè)數(shù)上，若移動(dòng)速度比較慢，還比較好測(cè)得數(shù)據(jù)，但當(dāng)滑動(dòng)的速度足夠快時(shí)，頻率足以小于晶振的頻率時(shí)，就很難測(cè)得了，有可能LCD1602上的數(shù)值一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)有任何改變。要完善這方面，倆種方法，一是換一種單片機(jī)，那可能性很小了，二就是設(shè)定讀數(shù)頭滑動(dòng)的速度范圍，加入紅外線傳感器和蜂鳴器，設(shè)定在一段范圍內(nèi)，當(dāng)超過(guò)范圍時(shí)，紅外傳感器將信號(hào)傳入51單片機(jī)，計(jì)算處理測(cè)得速度進(jìn)行判定，然后輸入信號(hào)給蜂鳴器，或者加入一個(gè)LCD，燈光亮就表示速度太快，這樣就可以很精確測(cè)得位移距離而又不受其他干擾源。4) 數(shù)控雕刻機(jī)無(wú)論在國(guó)內(nèi)和國(guó)外都有無(wú)限的發(fā)展前景，本論文只是針對(duì)單一的一個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)與反饋，還可以有更大的開(kāi)展價(jià)值，用一個(gè)單片機(jī)能同時(shí)測(cè)得三個(gè)步進(jìn)電機(jī)的位移距離，在同一個(gè)顯示屏上顯示，這樣能相互比對(duì)比較，擴(kuò)展之后體系更加龐大，數(shù)據(jù)來(lái)源更多，就能對(duì)一個(gè)數(shù)控雕刻機(jī)全部檢測(cè)與反饋，在把數(shù)據(jù)輸入到電腦中，與預(yù)設(shè)的位移距離進(jìn)行比對(duì)，分析出差別后改進(jìn)的更加精準(zhǔn)。再加完善一點(diǎn)，我們可以采用T0或T1的定時(shí)器功能，從讀數(shù)頭滑動(dòng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，再到讀數(shù)頭停止而停止，測(cè)得這段所需的時(shí)間，再將測(cè)得位移計(jì)算就可得平均速度，這樣有利于我們隊(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度就能有所了解，使得反饋系統(tǒng)更加完善。致謝本論文制作花費(fèi)了幾個(gè)月時(shí)間，在這幾個(gè)月時(shí)間內(nèi)，感謝那些給予幫助的人，王俊杰導(dǎo)師和尹靜導(dǎo)師的悉心教導(dǎo)和改正，班級(jí)張濤濤同學(xué)對(duì)程序方面的指教與修改，室友一起幫忙制作和改進(jìn)的電路板。作者：徐冬冬2015年4月7日參考文獻(xiàn)1. 陳杰，黃鴻編.傳感器與檢測(cè)技術(shù)M，北京：高等教育出版社，2004.2. 趙常得.MCS-51/98單片機(jī)原理與應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.3. 沈國(guó)良.電工電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003，113-116.4. 柴鈺.單片機(jī)原理及應(yīng)用M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.2.5. 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