光柵式位移測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)

1、唐山學(xué)院課程設(shè)計(jì)1 一、系統(tǒng)工作原理1.1 光柵位移傳感器的原理光柵位移傳感器通過(guò)主光柵 （即標(biāo)尺光柵） 與位移部件固定連接， 隨著主光柵和副光柵（即指示光柵）進(jìn)行相對(duì)位移，柵線間夾角為，則光柵組透光部分呈菱形，綜合效果是一組等間距亮帶，即形成了莫爾條紋。 光柵位移傳感器位移時(shí)莫爾條紋也移動(dòng)， 經(jīng)過(guò)光電器件轉(zhuǎn)換使黑白相間的條紋轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號(hào)。（a）長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)（ b）莫爾條紋的形成圖 1 莫爾條紋的原理電信號(hào)再經(jīng)過(guò)放大器放大、整形電路整形，細(xì)分、辨向等電路，最終送到單片機(jī)對(duì)移動(dòng)的莫爾條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)，運(yùn)算后送到lcd屏顯示。1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)整體框圖如圖2 所示：圖 2 系統(tǒng)整體

2、框圖光柵尺移動(dòng)產(chǎn)生莫爾條紋， 光柵傳感器檢測(cè)后產(chǎn)生近似正弦波的電信號(hào)。該電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、 整形電路將正弦信號(hào)變成方波，再經(jīng)四細(xì)分、 辨向電路實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變，省去了模- 數(shù)轉(zhuǎn)換的部分使電路簡(jiǎn)單，編程容易。細(xì)四倍頻細(xì)分辨向單片機(jī)計(jì)數(shù)運(yùn)算放大整形電路光柵傳感器位移信號(hào)lcd屏顯示唐山學(xué)院課程設(shè)計(jì)2 分信號(hào)輸入到單片機(jī)t0 口進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)程序運(yùn)算，再由lcd屏顯示出運(yùn)算結(jié)果。二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 放大電路設(shè)計(jì)采用同向比例放大電路，如圖3：圖 3 同向比例放大電路同相比例放大電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比較常用，放大倍數(shù)易于調(diào)整。采用 lm324系列運(yùn)算放大器（引腳圖如圖4），是價(jià)格便宜的差動(dòng)輸入功

3、能的四運(yùn)算放大器?？晒ぷ髟趩坞娫聪?，電壓范圍是3.0v-32v。lm324的特點(diǎn)：1. 短跑保護(hù)輸出2. 真差動(dòng)輸入級(jí)3. 可單電源工作： 3v-32v 4. 低偏置電流：最大100na（lm324a ）5. 每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器。6. 具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ堋?. 共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源8. 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列圖 4 lm324 引腳圖9. 輸入端具有靜電保護(hù)功能唐山學(xué)院課程設(shè)計(jì)3 2.2 整形電路設(shè)計(jì)圖 5 可以把幅值為 0.7v 15v 的正弦波轉(zhuǎn)換為方波。ne5532為一個(gè)滯回比較器，把正弦波轉(zhuǎn)化為有正負(fù)值的方波，再接一級(jí)lm311 ，可以使方波只有 5v 和 0v 電壓值。ne5532a

4、 是一種雙運(yùn)放高性能低噪聲運(yùn)算放大器。相比較大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器，如1458，它顯示出更好的噪聲性能，提高輸出驅(qū)動(dòng)能力和相當(dāng)高的小信號(hào)和電源帶寬。 這使該器件特別適合應(yīng)用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設(shè)備，儀器控制電路和電話通道放大器。lm311的電壓比較器設(shè)計(jì)運(yùn)行在更寬的電源電壓：從標(biāo)準(zhǔn)的15v運(yùn)算放大器到單 5v電源用于邏輯集成電路。其輸出兼容rtl,dtl和 ttl以 mos 電路。此外，他們可以驅(qū)動(dòng)繼電器，開關(guān)電壓高達(dá)50v，電流高達(dá) 50ma 。圖 5 整形電路唐山學(xué)院課程設(shè)計(jì)4 2.3 細(xì)分辨向電路的設(shè)計(jì)四細(xì)分辨向電路如下，圖6：圖 6 四細(xì)分辨向電路為了提高系統(tǒng)分辨率， 需要對(duì)莫爾條紋進(jìn)行細(xì)

5、分，為記錄光柵上移過(guò)的條紋數(shù)目和判斷光柵的移動(dòng)率等， 光電轉(zhuǎn)換器件采用4 極硅光電池來(lái)接收莫爾條紋信號(hào)。調(diào)整莫爾條紋的寬度b，使它正好與 2 個(gè)硅光電池的寬度相同。則可直接獲得在相位上依次相差90的 2 路信號(hào)，進(jìn)行 4 倍細(xì)分。位移除了有大小的屬性外， 還具有方向的屬性。 為了辨別標(biāo)尺光柵位移的方向，本設(shè)計(jì)采用的是 2 個(gè)硅光電池來(lái)接收莫爾條紋信號(hào)，則輸出的 2 路信號(hào)在相位上相差 90，w 光柵的柵距， x標(biāo)尺光柵位移量。2 個(gè)硅光電池輸出的2 路信號(hào)：uau0umsin(xw360) ubu0umsin(xw36090) u0umcos(xw360) 唐山學(xué)院課程設(shè)計(jì)5 位移為矢量， 有

6、方向和大小， 判向電路輸出的加法和減法計(jì)數(shù)脈沖表示位移的方向和大小。2.4 單片機(jī)及其附屬電路系統(tǒng)中的單片機(jī)采用at89c52系列，at89c52是一個(gè)低電壓，高性能cmos 8 位單片機(jī)， 片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 flash 只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ ram ），器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8 位中央處理器和 flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的 at89c52單片機(jī)可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合。at89c52有 40 個(gè)引腳（引腳圖如圖7），32 個(gè)外部雙向輸入 /

7、 輸出（i/o ）端口，同時(shí)內(nèi)含 2 個(gè)外中斷口， 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2 個(gè)全雙工串行通信口，2 個(gè)讀寫口線， at89c52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和flash 存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。圖 7 at89c52引腳圖at89c52有 pdip 、pqfp/tqfp 及 plcc 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。主要功能特性：2兼容 mcs51 指令系統(tǒng)28k 可反復(fù)擦寫 (1000 次）flash rom 232個(gè)雙向 i/o 口唐山學(xué)院課程設(shè)計(jì)6 2256x8bit 內(nèi)部 ram 2

8、3 個(gè) 16 位可編程定時(shí) / 計(jì)數(shù)器中斷2時(shí)鐘頻率 0-24mhz 22 個(gè)串行中斷2可編程 uart 串行通道22 個(gè)外部中斷源2共 6 個(gè)中斷源22 個(gè)讀寫中斷口線23 級(jí)加密位2低功耗空閑和掉電模式2軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能單片機(jī)的連接圖如圖8：圖 8 單片機(jī)連線圖at89c52的復(fù)位電路和晶振電路在圖8 的左上角，晶振為12mhz 。圖中 p2口連接 lcd液晶顯示屏，作為屏幕的數(shù)據(jù)接口 （其他有關(guān) lcd屏的連接在下一節(jié)中介紹）， p34 接四細(xì)分后的脈沖輸出，作為單片機(jī)的脈沖信號(hào)輸入端進(jìn)行計(jì)數(shù)。唐山學(xué)院課程設(shè)計(jì)7 2.5 lcd 液晶顯示屏的設(shè)計(jì)液晶顯示器簡(jiǎn)稱lcd （liquid

9、 crystal diodes）是利用液晶經(jīng)過(guò)處理后能夠改變光線傳輸方向的特性，達(dá)到顯示字符或者圖形的目的。其特點(diǎn)是體積小、重量輕、功耗極低、 顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)， 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中有著日益廣泛的應(yīng)用。2.5.1 lcd 顯示模塊 lcdm在實(shí)際應(yīng)用中，用戶很少直接設(shè)計(jì)lcd 顯示器驅(qū)動(dòng)接口，一般是直接使用專用的 lcd 顯示驅(qū)動(dòng)器和 lcd 顯示模塊 lcdm 。lcdm 是把 lcd 顯示屏、背景光源、線路板和驅(qū)動(dòng)集成電路等部件構(gòu)造成一個(gè)整體，作為一個(gè)獨(dú)立部件使用。其特點(diǎn)是功能較強(qiáng)、易于控制、接口簡(jiǎn)單，在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用較多。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖所示。lcdm 一般帶有內(nèi)部顯示 ram 和

10、字符發(fā)生器，只要輸入ascii 碼就可以進(jìn)行顯示。實(shí)物圖見(jiàn)圖9。圖 9 lcd 模塊外觀圖 10 液晶顯示器基本結(jié)構(gòu)唐山學(xué)院課程設(shè)計(jì)8 液晶屏其結(jié)構(gòu)如圖10，液晶顯示器 lcd 是一種極低功耗顯示器，其應(yīng)用特別廣泛。目前常用的 lcd 是根據(jù)液晶的扭曲 -向列效應(yīng)原理制成的。這是一種電場(chǎng)效應(yīng)，夾在兩塊導(dǎo)電玻璃電極之間的液晶經(jīng)過(guò)一定處理后，其內(nèi)部的分子呈90的扭曲，這種液晶具有旋光特性。 當(dāng)線形偏振光通過(guò)液晶層時(shí)，偏振面回旋轉(zhuǎn) 90。當(dāng)給玻璃電極加上電壓后，在電場(chǎng)的作用下液晶的扭曲結(jié)構(gòu)消失，其旋光作用也隨之消失， 偏振光便可以直接通過(guò)。 當(dāng)去掉電場(chǎng)后液晶分子又恢復(fù)其扭曲結(jié)構(gòu)。把這樣的液晶放在兩個(gè)

11、偏振之間，改變偏振片的相對(duì)位置就可得到黑底白字或白底黑字的顯示形式。 lcd 的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)， 域值電壓為 320v，功耗為 5100mw/cm2. 2.5.2 設(shè)計(jì)中 lcd液晶屏的連線基于 lcd顯示塊低功耗、 短響應(yīng)時(shí)間以及適應(yīng)低頻工作的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)者選用lcd顯示器完成顯示部分的功能, 并且使用靜態(tài)驅(qū)動(dòng)。所選的lcd型號(hào)為 1601。1601 是一款最常用也是最便宜的液晶顯示屏。1601 的意思是每行顯示16個(gè)字符，一共可以顯示一行。1601可顯示內(nèi)部字符，也可以顯示自定義字符。1601液晶的引腳圖如圖11所示。圖 11 lcd1601 液晶屏引腳圖接口說(shuō)明如下：液晶 1，2 端為電

12、源； 15、16 為背光電源；在 15 腳串接一個(gè) 10 歐姆電阻用于限流。液晶 3 端為液晶對(duì)比度調(diào)節(jié)端， 通過(guò)一個(gè) 10k歐姆電位器接地來(lái)調(diào)節(jié)液晶顯示對(duì)比度。液晶 4 端為向液晶控制器寫數(shù)據(jù)/ 寫命令選擇端，接單片機(jī)的p3.0 口。液晶 5 端為讀 / 寫選擇端，因?yàn)槲覀儾粡囊壕ёx取任何數(shù)據(jù)，只向其寫入命令和顯示數(shù)據(jù)，因此此端始終選擇寫狀態(tài)，我們直接將它接地。 液晶 6 端為使能信號(hào)，是操作時(shí)必需的信號(hào)，接單片機(jī)的p3.2 口 液晶 714 端為八位數(shù)據(jù)口，接單片機(jī)的p2口。唐山學(xué)院課程設(shè)計(jì)9 三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)把計(jì)數(shù)脈沖接到單片機(jī)的片內(nèi)計(jì)數(shù)器t0 端即可，相對(duì)外部計(jì)數(shù)芯片來(lái)說(shuō)，使用軟件方法

13、電路相對(duì)要簡(jiǎn)單的多。下圖為程序流程圖：圖 12 系統(tǒng)程序流程圖y n 主程序上電初始化系統(tǒng)初始化下降沿觸發(fā)開始計(jì)數(shù)讀取 th0、 tl0 數(shù)據(jù)判斷是否溢出結(jié)束脈沖停止、計(jì)數(shù)停止送 lcd 顯示唐山學(xué)院課程設(shè)計(jì)10 四、系統(tǒng)仿真電路圖用 protues 軟件畫出電路圖，整體電路圖如圖13：圖 13 系統(tǒng)整體電路圖唐山學(xué)院課程設(shè)計(jì)11 總結(jié)兩周的測(cè)控系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，其中包含著快樂(lè)， 也有辛酸。我們選的設(shè)計(jì)題目是“光柵位移測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)”，大家都覺(jué)得這個(gè)題目是比較簡(jiǎn)單的。其實(shí)不然，做了之后，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)電路雖然簡(jiǎn)單，但我們認(rèn)為它真正困難的地方是程序設(shè)計(jì)，不過(guò)在我們同心努力下最終完成了

14、。我們剛選該題目時(shí)， 真的是一頭霧水， 硬件電路不知如何下手， 更何談解決程序那塊，因?yàn)槲覀兯鶎W(xué)的都是單片機(jī)方面的理論知識(shí)，應(yīng)用到實(shí)踐中去還比較少。不過(guò)，我們倆人也沒(méi)偷下懶，迅速分工去查閱和收集資料。我們?nèi)チ藞D書館借一些參考書，上網(wǎng)找一些相關(guān)資料，并且請(qǐng)教指導(dǎo)老師。通過(guò)不斷努力，終于把設(shè)計(jì)的思路和模型定了下來(lái)，并最終完成了設(shè)計(jì)。本文對(duì)單片機(jī)用于位移測(cè)量的理論、原理進(jìn)行了系統(tǒng)的分析、 比較，并對(duì)每種測(cè)量方法定性、 定量的予以闡述， 設(shè)計(jì)了顯示接口電路和應(yīng)用程序。以下從三個(gè)方面進(jìn)行總結(jié) : 硬件電路本系統(tǒng)采用 89c52單片機(jī)，充分利用單片機(jī)內(nèi)部自帶的16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，較完全的開發(fā)了單片

15、機(jī)自身的功能，接口利用了 89c52的 i/o 口具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力的特點(diǎn)， 直接由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)， 簡(jiǎn)化了硬件電路。 有一定的實(shí)用價(jià)值和較高的性價(jià)比。測(cè)量方法在測(cè)量原理上采用了利用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)可逆計(jì)數(shù)的測(cè)量方法，保證了在位移測(cè)量中獲得較高的精度。應(yīng)用范圍廣泛，可通過(guò)擴(kuò)展進(jìn)行二次開發(fā)。程序調(diào)試本系統(tǒng)進(jìn)行了全面的程序設(shè)計(jì)，顯示程序、 中斷服務(wù)程序和初始化程序，并對(duì)這些程序在 keil u4軟件上進(jìn)行編譯和調(diào)試， 并且與 proteus 進(jìn)行了聯(lián)機(jī)仿真，取得了較好的仿真效果。keil的編譯 hex文件還可通過(guò)編程器寫入芯片中。這次的設(shè)計(jì)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求. 唐山學(xué)院課程設(shè)計(jì)12 參考文獻(xiàn)

16、1王福瑞等單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全北京航空航天大學(xué)出版社，1999 2現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)與系統(tǒng)韓九強(qiáng) 清華大學(xué)出版社 2007.9 3智能儀器程德福，林君主編機(jī)械工業(yè)出版社 2005 年 2 月4測(cè)控儀器設(shè)計(jì)浦昭邦，王寶光主編機(jī)械工業(yè)出版社 2001 5基于 at89c51 單片機(jī)的數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)， 黃亮，電子制作，200610 ，25-27 6誤差理論與數(shù)據(jù)處理，費(fèi)業(yè)泰. 機(jī)械工業(yè)出版社， 2010 7. keil c51幫助文檔唐山學(xué)院課程設(shè)計(jì)13 附錄一元器件清單器件類型器件名數(shù)量單片機(jī)at89c52 1 集成運(yùn)放lm324 2 集成運(yùn)放lm311 2 集成運(yùn)放ne5532 2 電容c 7

17、電阻r 21 開關(guān)按鍵開關(guān)1 液晶屏lcd1601 1 與門74ls08 11 變阻器rv1 1 晶振x1 1 非門74ls04 4 或非門7425 2 唐山學(xué)院課程設(shè)計(jì)14 附錄二程序代碼#include #include #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char #define rs_clr rs=0 #define rs_set rs=1 #define rw_clr rw=0 #define rw_set rw=1 #define en_clr en=0 #define en_set en=1 #def

18、ine dataport p2 sbit rs = p30; /定義端口（顯示屏）sbit rw = p31; sbit en = p32; void lcd_init(void); void inti() lcd_init() ; tmod=0 x05 ;/*t0 為 16 位計(jì)數(shù)方式 */ th0=f0 ; tl0=60 ;/*預(yù)置初值 */ tr0=1; / 單片機(jī)計(jì)算脈沖數(shù)顯示uint num;/計(jì)數(shù)變量聲明/* 延時(shí)子程序 */ void delay(uint xms) 唐山學(xué)院課程設(shè)計(jì)15 uint j; for(;xms0;xms-) for(j=110;j0;j-); void

19、 delayus2x(unsigned char t) while(-t); void delayms(unsigned char t) while(t-) /大致延時(shí) 1ms delayus2x(245); delayus2x(245); bit lcd_check_busy(void) dataport= 0 xff; rs_clr; rw_set; en_clr; _nop_(); en_set; return (bit)(dataport & 0 x80); /*- 寫入命令函數(shù)-*/ void lcd_write_com(unsigned char com) / while(

20、lcd_check_busy(); /忙則等待唐山學(xué)院課程設(shè)計(jì)16 delayms(5); rs_clr; rw_clr; en_set; dataport= com; _nop_(); en_clr; /*-寫入數(shù)據(jù)函數(shù) - void lcd_write_data(unsigned char data) /while(lcd_check_busy(); /忙則等待 delayms(5); rs_set; rw_clr; en_set; dataport= data; _nop_(); en_clr; /*-清屏函數(shù) -*/ void lcd_clear(void) lcd_write_com(0 x01); delayms(5); /*-寫入字符函數(shù) -*/ void lcd_write_char(unsigned cha