光柵式位移測量儀設(shè)計(jì)

1、唐山學(xué)院課程設(shè)計(jì)<>1、 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莫爾條紋也移動，經(jīng)過光電器件轉(zhuǎn)換使黑白相間的條紋轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號。 （a）長光柵結(jié)構(gòu) （b）莫爾條紋的形成 圖1 莫爾條紋的原理電信號再經(jīng)過放大器放大、整形電路整形，細(xì)分、辨向等電路，最終送到單片機(jī)對移動的莫爾條紋進(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： 四倍頻細(xì)分辨向

2、 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 LCD屏顯示圖2 系統(tǒng)整體框圖光柵尺移動產(chǎn)生莫爾條紋，光柵傳感器檢測后產(chǎn)生近似正弦波的電信號。該電信號經(jīng)過放大、整形電路將正弦信號變成方波，再經(jīng)四細(xì)分、辨向電路實(shí)現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)變，省去了模-數(shù)轉(zhuǎn)換的部分使電路簡單，編程容易。細(xì)分信號輸入到單片機(jī)T0口進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過程序運(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)格便宜的差動輸入功能的四運(yùn)算放大器?？晒ぷ髟?/p>

3、單電源下，電壓范圍是3.0V-32V。  LM324的特點(diǎn)：1.短跑保護(hù)輸出 2.真差動輸入級 3.可單電源工作：3V-32V 4.低偏置電流：最大100nA（LM324A） 5.每封裝含四個運(yùn)算放大器。 6.具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ堋?#160;7.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  2.2整形電路設(shè)計(jì) 圖5可以把幅值為0.7v15v的正弦波轉(zhuǎn)換為方波。NE5532為一個滯回比較器，把正弦波轉(zhuǎn)化為有正負(fù)值的方波，再接一級LM311，可以

4、使方波只有5v和0v電壓值。NE5532A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)動能力和相當(dāng)高的小信號和電源帶寬。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)動繼電器，開關(guān)電壓高達(dá)50V，電流高達(dá)50mA。圖5 整形電路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

5、率，需要對莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分，為記錄光柵上移過的條紋數(shù)目和判斷光柵的移動率等，光電轉(zhuǎn)換器件采用4極硅光電池來接收莫爾條紋信號。調(diào)整莫爾條紋的寬度B，使它正好與2個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，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個硅光電池來接收莫爾條紋信號，則輸出的2路信號在相位上相差90°，W光柵的柵距，x標(biāo)尺光柵位移量。2個硅光電池輸出的2路信號：UaU0UmSIN() UbU0UmSIN(90°) U0UmCOS()位移為矢量，有方向和大小，判向電路輸出的加法和

6、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只讀程序存儲器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(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)用場合。  AT89C52有40個引腳（引腳圖如圖7），32個外部雙向

7、輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計(jì)數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2 個讀寫口線，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存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash存儲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： · 兼容MCS51指令系統(tǒng)      &#

8、160; · 8k可反復(fù)擦寫(>1000次）Flash ROM   · 32個雙向I/O口        · 256x8bit內(nèi)部RAM · 3個16位可編程定時/計(jì)數(shù)器中斷        · 時鐘頻率0-24MHz   · 

9、;2個串行中斷        · 可編程UART串行通道   · 2個外部中斷源        · 共6個中斷源   · 2個讀寫中斷口線        · 3級加密位 ·

10、0;低功耗空閑和掉電模式        · 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)的脈沖信號輸入端進(jìn)行計(jì)數(shù)。2.5 LCD液晶顯示屏的設(shè)計(jì)液晶顯示器簡稱LCD（Liquid Crystal Diodes）是利用液晶經(jīng)過處理后能夠改變光線傳輸方向的特性，達(dá)到顯示字符或

11、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)動接口，一般是直接使用專用的LCD顯示驅(qū)動器和LCD顯示模塊LCDM 。LCDM是把LCD顯示屏、背景光源、線路板和驅(qū)動集成電路等部件構(gòu)造成一個整體，作為一個獨(dú)立部件使用。其特點(diǎn)是功能較強(qiáng)、易于控制、接口簡單，在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用較多。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下頁圖所示。LCDM一般帶有內(nèi)部顯示RAM和字符發(fā)生器，只要輸入ASCII碼就可以進(jìn)行顯示。實(shí)物圖見圖9。 圖9 LCD模塊外觀圖10 液晶顯示器基本結(jié)構(gòu)液晶屏其結(jié)構(gòu)如圖

12、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。這是一種電場效應(yīng)，夾在兩塊導(dǎo)電玻璃電極之間的液晶經(jīng)過一定處理后，其內(nèi)部的分子呈90°的扭曲，這種液晶具有旋光特性。當(dāng)線形偏振光通過液晶層時，偏振面回旋轉(zhuǎn)90°。當(dāng)給玻璃電極加上電壓后，在電場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。當(dāng)去掉電場后液晶分子又恢復(fù)其扭曲結(jié)構(gòu)。把這樣的液晶放在兩個偏振之間，改變偏振片的相對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)時間為毫秒級，域值電壓為320V，功耗為5100mW/cm2.2.

13、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。所選的LCD型號為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明如下：液晶1，2端為電源；15、16為背光電源；在15腳串接一個10歐姆電阻用于限流。液晶3端為液晶對比度調(diào)節(jié)端，通過一個10K歐姆電位器接地來調(diào)節(jié)液晶顯示對比度。液晶4端為向液晶控制器寫數(shù)據(jù)/寫命令選擇

14、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，是操作時必需的信號，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。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，相對外部計(jì)數(shù)芯片來說，使用軟件方法電路相對要簡單的多。下圖為程序流程圖：YN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顯示圖12 系統(tǒng)程序流程圖四、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1

15、3 系統(tǒng)整體電路圖總結(jié)兩周的測控系統(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，也有辛酸。我們選的設(shè)計(jì)題目是“光柵位移測量儀的設(shè)計(jì)”，大家都覺得這個題目是比較簡單的。其實(shí)不然，做了之后，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)電路雖然簡單，但我們認(rèn)為它真正困難的地方是程序設(shè)計(jì)，不過在我們同心努力下最終完成了。我們剛選該題目時，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，應(yīng)用到實(shí)踐中去還比較少。不過，我們倆人也沒偷下懶，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，并且請教指導(dǎo)老師。通過不斷努力，終于把設(shè)計(jì)的思路和模型定了下來，并最終完成了

16、設(shè)計(jì)。 本文對單片機(jī)用于位移測量的理論、原理進(jìn)行了系統(tǒng)的分析、比較，并對每種測量方法定性、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位定時計(jì)數(shù)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，較完全的開發(fā)了單片機(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)動能力的特點(diǎn)，直接由單片機(jī)驅(qū)動，簡化了硬件電路。有一定的實(shí)用價(jià)值和較高的性價(jià)比。測量方法在測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)的測量方法，保證了在位移測量中獲得較高的精度。應(yīng)用范圍廣泛，可通過擴(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)

17、程序和初始化程序，并對這些程序在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.參考文獻(xiàn)1王福瑞等單片微機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全北京航空航天大學(xué)出版社，19992現(xiàn)代測控技術(shù)與系統(tǒng) 韓九強(qiáng) 清華大學(xué)出版社 2007.93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測控儀器設(shè)計(jì)浦昭邦，王寶光主編 機(jī)械工業(yè)出版社 20015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 ，25-276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，201

18、0 7. Keil C51幫助文檔 附錄一 元器件清單器件類型器件名數(shù)量單片機(jī)AT89C521集成運(yùn)放LM3242集成運(yùn)放LM3112集成運(yùn)放NE55322電容C7電阻R21開關(guān)按鍵開關(guān)1液晶屏LCD16011與門74LS0811變阻器RV11晶振X11非門74LS044或非門74252附錄二 程序代碼#include<reg52.h>#include<intrins.h>#include<math.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define RS_CLR RS=0 #defin

19、e RS_SET RS=1#define RW_CLR RW=0 #define RW_SET RW=1 #define EN_CLR EN=0#define EN_SET EN=1#define DataPort P2sbit RS = P30; /定義端口 （顯示屏）sbit RW = P31;sbit EN = P32; void LCD_Init(void);void inti() LCD_Init() ;TMOD=0x05 ;/*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/*延時子程

20、序*/void delay(uint xms) uint j; for(;xms>0;xms-) for(j=110;j>0;j-);void DelayUs2x(unsigned char t) while(-t);void DelayMs(unsigned char t) while(t-) /大致延時1mS DelayUs2x(245); DelayUs2x(245); bit LCD_Check_Busy(void) DataPort= 0xFF; RS_CLR; RW_SET; EN_CLR; _nop_(); EN_SET; return (bit)(DataPort

21、& 0x80); /*- 寫入命令函數(shù)-*/ void LCD_Write_Com(unsigned char com) / while(LCD_Check_Busy(); /忙則等待 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_Writ