傳感器課程設計報告

1、 摘 要：光電編碼器是一種位移一數字轉換器, 它具有精度高、頻響快、噪聲小、無磨損、可靠性高等特點絕對編碼器二進制輸出的每一位都必須有一個獨立的碼道。一個編碼器的碼道數目決定了該編碼器的分辨力。在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從20到2n-1的唯一的2進制編碼（格雷碼），這就稱為n位絕對編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。本課程設計的主要目的是設計一個實用的信號顯示電路，將絕對型光電編碼器獲得的2進制編碼翻譯、顯示為對應的角度。所使用的編碼器是長春第一光學有限公司生產的JXW-12A型絕對型光電編碼器。關鍵詞：絕對式光電編碼器；譯碼顯示

2、電路；EEPROM上海交通大學 電子信息與電氣工程學院地 址：東川路800號郵 編：200240目錄1. 概述21.1 編寫說明 1.2 名詞定義 1.3 設計用傳感器介紹 2. 系統總述52.1 任務與要求 2.2 系統設計思路 3. 單片機子系統設計6 3.1芯片介紹 3.2硬件擴展 3.3軟件設計 4. 譯碼顯示子系統設計11 4.1芯片介紹 4.2數碼管參數 4.3 PCB版5. 致謝26. 參考文獻27. 開發(fā)環(huán)境27.1 硬件開發(fā) 7.2 軟件開發(fā)7.3元器件清單 8. 設計感想和后續(xù)設想29. 附錄 各系統原理圖28第18頁 上海交通大學 電子信息與電氣工程學院1. 概述1.1

3、編寫說明本設計報告主要介紹一種方便簡潔的絕對式光電編碼器的信號譯碼顯示電路，其具有制造成本低廉，重復制造容易，材料利用率高，安全可靠等顯著特點。本次設計采用長春第一光學有限公司JXW-12A型光電編碼器，電路主要完成對其輸出的約20V高電平信號的降壓、譯碼、顯示功能。1.2 名詞定義光電編碼器：光電編碼器是一種集光、機、電為一體的數字化檢測裝置，可以定義為：一種通過光電轉換，將輸至軸上的機械、幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器，它主要用于速度（角速度）或位置（角度）的檢測。1.3 設計用傳感器介紹本次設計采用長春第一光學有限公司JXW-12A型光電編碼器。工作原理：圖1-1如圖1-1，當軸帶

4、動碼盤旋轉時，經發(fā)光元件發(fā)出的紅外光被碼盤狹縫切割成斷續(xù)光線，通過光電交換原理，經過電路處理，把角位移轉換成一組電信號，該組電信號表示軸的絕對位置性能特點：1. 輸出型式：電壓輸出和集電極開路輸出兩種型式2. 輸出碼制：循環(huán)二進制和自然二進制兩種碼制，用戶通過控制線可自選3. 進位方向：從軸頭方向看順時針加和減進位兩種，用戶通過控制線可自選4. 具有鎖存功能，鎖存與否，用戶通過控制線可自選5. 電源電壓5V、12V、15V、24V可選6. 編碼器最高分辨率為360°/2n用途及特點：該產品是一種絕對式光電編碼器，它能夠測量角位移，旋轉速度等等，并能將所測結果以自然二進制碼輸出，因此，

5、廣泛應用于自動化測量、自動化控制等系統中。特點：1、 該編碼器為絕對式軸角編碼器，零位固定，單值函數，抗干擾能力強；2、 該編碼器結構上采用防塵、防潮等措施，耐沖擊、耐振動、性能好、體積小、重量輕。產品型號及編號：圖1-2注：輸出型式 C：集電極開路輸出 E：電壓輸出基本參數：位數分割數角分辨率測量范圍準確度8256360°/28±1009512360°/29101024360°/210112048360°/211表1-1電氣參數：輸出形式電源電壓（V）輸出信號消耗電流（mA）波形上升下降時間（ms）響應頻率（kHz）高電壓（V）低電壓（V）允

6、許注入電流（mA）E型電壓輸出5<200方波<2050121524C型集電極開路輸出5<40121524表1-2注：1. 電源電壓：5±0.25V12±1.2V15±1.5V24±2.4V2. 允許注入電流40mA為單路信號的允許注入電流接線表：信 腳號 號位數123456789111098表1-3信 腳號 號位數10111213141517181911CPCN1CN20V機殼1098表1-4注：1、 CP為選通鎖存控制信號，接0V或懸空時，不鎖存，接VCC時，鎖存編碼器此時輸出信號2、 CN1為輸出碼制控制信號，接0V或懸空時，循環(huán)二

7、進制輸出；接VCC時，自然二進制輸出3、 CN2為加、減進位控制信號，接0V或懸空時，從軸頭方向看順時針旋轉時，加計數；接VCC時，減計數。4、 實驗室提供的型號是24V電源、8位信號。需要降壓才可以接入顯示電路。機械參數：允許最大機械轉數（r/min）啟動力矩（25）（Nm）軸最大負載（N）徑向軸向5000<5×10-32010表1-5外形圖及安裝尺寸：圖1-3注意事項l 編碼器主軸與被測軸連接時，不同度不得大于0.05mm，最好采用彈性聯軸節(jié)聯接l 請不要將編碼器輸出線與動力線繞在一起或同管傳輸，也不宜放在配電盤附近使用l 使用前應對編碼器程序進行檢測，以免發(fā)生故障l 用戶

8、不得隨便拆卸l 儀器應放置在清潔、無腐蝕氣體、相對濕度85%的環(huán)境中l(wèi) 電源線不要反接，否則將燒毀編碼器l 信號線彼此不要搭接，否則將燒毀編碼器的輸出電路2. 系統總述2.1 任務與要求1測試編碼器：測試編碼起的輸出信號，鑒別電線定義和功能2設計信號譯碼和顯示電路；3角度測量特性測試：安裝角度盤，按照不同角度轉動角度盤，觀測輸出信號，記錄；4譯碼測試：分析各個角度位置的輸出編碼，判別碼制，轉換成二進制碼。2.2 系統設計思路如圖所示是整個系統的設計組成。圖1-4圖1-4中，利用8051擴展一片INTEL 2817A（2K*8位）EEPROM，通過編程分別生成兩張2048個角度數的表格（分別對應

9、低2位顯示與高2位顯示）并存入2塊2817A中。在數碼管顯示電路部分，利用編碼器輸出的11位2進制碼作為地址信號輸入2817A的地址線內，2817A將相應地址內存儲的數據輸出，數碼管驅動電路接收數據并顯示出來。3. 單片機子系統的硬件設計這一部分主要完成單片機對存儲器表格的寫入工作。實驗所使用的是8051單片機和2817A存儲器。3.1芯片介紹：8051的管腳圖和芯片管腳配置如下：圖1-52817A的管腳圖和管腳配置如下：圖1-6A0A10： 地址線I/0： 雙向數據線CE： 片選線WE： 寫入使能RDY/BUSY： 忙閑指示3.2硬件擴展：2817A與8051的硬件連接擴展邏輯圖如附錄所示。

10、其擴展方法如下：數據總線2817A的數據線與8051的P0口對應相接構成系統的數據總線。地址總線2817A的地址線的A0A7與8051的P0口經地址鎖存器74LS373鎖存后得到的地址線的低8位對應相接，而2817A的地址線的A8A110與P2.0P2.2對應相接，這樣就構成了系統的地址總線?？刂瓶偩€為實現將外部數據存儲器空間和程序存儲器空間合并的目的，2817A的端與8051的讀指令控制信號與RD信號相“或”后的信號相接。2817A的RDY/BUSY腳與單片機的P1.0口相連接，采用查詢P1.0口的方式對其寫操作進行管理。8051的EA口接地，以使用外部存儲器。ALE接74LS373的11號

11、管腳，使其時鐘頻率和單片機保持一致。單片機的寫選通信號與2817A的WE口相接。由于同時系統只需要擴展一片EEPROM，可以將片選信號直接接地。實驗實際操作時使用的是8051的仿真器，故晶振等其他單片機外部器件不需要再重新連接了。3.3軟件設計實驗設計的基本思路是利用單片機對2817A進行寫操作，將一張2048個數據的表格寫入存儲器內，利用地址線使其輸出四位BCD代碼，作為數碼管驅動芯片的輸入信號進而點亮七段數碼管。編碼器輸出的信號通過放大整形譯碼及電平轉換后即可由計算機讀取也可由計算機控制顯示電路顯示垂直的轉角。本文介紹是使用兩片只讀存貯器實現二進制轉換成BCD碼直接顯示電路。下面敘述只讀存

12、貯器2817A的譯碼原理。因為編碼器的每個位置都輸出一個相應的數碼，11位編碼器可以區(qū)分211個角度。11位編碼器可以顯示的角度的分辨率約為0.1757812°編程求得表格的基本思路和數據處理原理如下圖所示： 使用R0R4作為表格輸入數據的存儲寄存器，用R4、R3存儲所得到的表格輸出數據的高兩位和低兩位。先將R0R4清零，其中R2輸入50H用以對進位時進行四舍五入。每次遞加0.1757812分別存入R0R4中，其中存放位置關系參見圖五。所得到的高兩位和低兩位分別存入兩塊不同2817A中，作為表示角度的表格數據。具體的程序清單及注釋說明文件如下：HIGH部分程序： ORG 0000H

13、;程序起始位置 LJMP STARTORG 0100HSTART:MOV DPTR,#0000H ;eeprom存儲起點MOV R0,#00H ;初始值MOV R1,#00HMOV R2,#50H ;四舍五入MOV R3,#00HMOV R4,#00HAA: MOV A,R0 ;每次加上0.1757812 ADD A,#12H DA AMOV R0,AMOV A,R1ADDC A,#78HDA AMOV R1,AMOV A,R2ADDC A,#75HDA AMOV R2,AMOV A,R3ADDC A,#01HDA AMOV R3,AMOV A,R4ADDC A,#00HDA AMOV R4,

14、AWAIT:MOV C,P1.0 ;檢測P1.0口是否為高電平，高為ReadyMOV A,#00HADDC A,#00HJZ WAIT MOV A,R4 ;將R4存入eepromMOVX DPTR,AINC DPTR ;eeprom地址加一 MOV R7,DPH ;循環(huán)至2048次CJNE R7,#07H,AA MOV R7,DPL CJNE R7,#0FFH,AA ENDLOW部分程序： ORG 0000H LJMP STARTORG 0100HSTART:MOV DPTR,#0000H MOV R0,#00HMOV R1,#00HMOV R2,#50HMOV R3,#00HMOV R4,#

15、00HAA:MOV A,R0ADD A,#12HDA AMOV R0,AMOV A,R1ADDC A,#78HDA AMOV R1,AMOV A,R2ADDC A,#75HDA AMOV R2,AMOV A,R3ADDC A,#01HDA AMOV R3,AMOV A,R4ADDC A,#00HDA AMOV R4,AWAIT:MOV C,P1.0MOV A,#00HADDC A,#00HJZ WAIT MOV A,R3MOVX DPTR,AINC DPTR MOV R7,DPHCJNE R7,#07H,AA MOV R7,DPL CJNE R7,#0FFH,AA END在具體運行時將兩段程序

16、分別運行于兩塊2817A上即可。4. 譯碼顯示子系統設計譯碼顯示電路主要是使用兩組1.2K和3.6K的電阻分壓獲得降壓后的傳感器信號作為地址信號送給兩片2817A存儲器，由存儲器的數據輸出端輸出相應地址中存儲的角度數據（BCD碼）用以作為數碼管驅動芯片CD4511的輸入信號。最后由CD4511驅動數碼管顯示相應的角度數。4.1芯片介紹CD4511的管腳圖如下： 其功能介紹如下： BI：4腳是消隱輸入控制端，當BI=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數字。LT：3腳是測試輸入端，當BI=1，LT=0 時，譯碼輸出全為1，不管輸入 DCBA 狀態(tài)如何，七段均發(fā)

17、亮，顯示“8”。它主要用來檢測數碼管是否損壞。 LE：鎖定控制端，當LE=0時，允許譯碼輸出。 LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數值。A1、A2、A3、A4、為8421BCD碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。CD 4511的真值表 如下：輸 入 輸 出 LEBILIDCBAabcdefg顯示 XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隱 01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011

18、011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隱 01110110000000消隱 01111000000000消隱 01111010000000消隱 01111100000000消隱 0111111000000消隱 111XXXX鎖 存 鎖存 由于要四位計數，需將計數器級聯，每級輸出接一只 CD4511 和 LED 數碼管。4.2數碼管參數本實驗使用的數碼管是AVR公司的0.39寸紅色高亮共陰數碼管。數碼管引腳圖如下：管腳順序：從數碼管正面看，以第一腳為起點，管腳順序以逆時針方向排

19、列。4.3 PCB版具體的接線原理圖參見附錄。下圖是PCB版截圖：圖中電源信號和傳感器地址信號使用DIP封裝。5. 致謝感謝本次試驗設計過程中劉偉文老師、畢浩然老師的細心指導和建議。感謝我們小組的另兩位同學：王鳴峰同學、袁璟同學。我主要負責前期資料的搜集整理工作，完成焊接工作的是王鳴峰同學，袁璟同學主要負責調試工作。6. 參考文獻傳感器課程設計任務書及指導書上海交通大學精密儀器教研室MCS-51系列單片機系統及其應用蔡美琴等高等教育出版社絕對式光電編碼器信號處理、顯示電路的設計朱丹梧浙江大學光科系傳感器技術（第3版）賈伯年、俞樸、宋愛國東南大學出版社7. 開發(fā)環(huán)境7.1 硬件開發(fā)PROTEL 99SEPC7.2 軟件開發(fā)MEDWIN 中文版MANLEY ME-52H仿真器PC7.3元器件清單8051 1塊INTEL 2817A 2塊CD4511 4塊SM420391K數碼管 4只300歐電阻 29只1.2K電阻 811只3.6K電阻 811只19腳（或20）單排插座 1只2腳電源插座 1只8. 設計感想和后續(xù)設想通過本次課程設計，我和小組內其他兩位同學互相合作，從譯碼顯示電路的原理開始逐步討論，雖然第一個方案沒有實現，但仍然在團隊合作、方案討論方面有很大的收獲。一開始接到項目任務指導書之后，我們小組內進行了方案的討論，主要