基于光電編碼器的位移測量系統(tǒng)及其仿真設(shè)計

1、傳感器課程設(shè)計光電編碼器摘 要在控制領(lǐng)域中,經(jīng)常需要進行各種位移量的測量。在實際的工業(yè)位置控制領(lǐng)域中，為了提高控制精度，準確地對控制對象進行檢測是十分重要的。傳統(tǒng)的機械測量位移裝置已遠遠不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需要，而數(shù)字式傳感器光電編碼器,能將角位移量轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的電脈沖輸出, 主要用于機械位置和旋轉(zhuǎn)速度的檢測，具有精度高，體積小等特點，因此本設(shè)計決定采用光電編碼器進行位移檢測。 本設(shè)計為采用光電編碼器來實現(xiàn)位移測量及其仿真，實現(xiàn)測量來自外部的不同的位移值及顯示。具體應(yīng)用 光電編碼器進行位移測量，同時以LCD液晶顯示模塊顯示。本設(shè)計采用的光電編碼器輸出電壓為5V，輸出信號經(jīng)四倍頻電路處理后送入單

2、片機進行計數(shù)處理，最后送入LCD模塊顯示。本文從位移測量原理入手，詳細闡述了位移測量系統(tǒng)的工作過程，以及硬件電路的設(shè)計、顯示效果。本文吸收了硬件軟件化的思想，實現(xiàn)了題目要求的功能。關(guān)鍵詞：位移測量，光電編碼器，單片機，LCD顯示模塊AbstractIn the control field, a variety of displacement measurements often need to be carried out. In actual industry position control domain, to increase the control precision, carrie

3、s on the examination to the controlled member is accurately very important.The traditional machinery survey displacement installs has not been able to satisfy the modern production by far the need, but the digital sensor electro-optic encoder, can transform the angular displacement into with it corr

4、espondence electricity pulse output, mainly uses in the mechanical position and the velocity of whirl examination, has the precision to be high, volume small and so on characteristics, therefore this design decided that uses the electro-optical encoder to carry on the displacement to examine.This de

5、sign to use the electro-optical encoder to realize the displacement survey and the simulation, realizes the survey from the exterior different displacement value and the demonstration. Makes concrete using the electro-optical encoder carries on the displacement to survey, simultaneously by LCD liqui

6、d crystal display module demonstration. This design uses the electro-optical encoder output voltage is 5V, the output signal after four doubling circuit processing sends in the monolithic integrated circuit to carry on counting processing, finally sends in the LCD module demonstration. In this paper

7、, detailed working process of displacement measurement system is started with principle of displacement measurement, and hardware circuit design and display. This paper has absorbed the idea of hardware and software to achieve with the subject required functionality. Key words: The displacement surv

8、eys, electro-optical encoder, microcontroller, LCD display module目 錄第一章 緒論·····································

9、3;···········1.1位移測量及其傳感器簡介··································1.2國內(nèi)外位移測量技術(shù)簡介

10、··································第二章 原理說明及方案選擇··············

11、;·····················2.1 位移測量理論的簡要介紹··························&#

12、183;·······2.2 方案選擇及原理········································

13、83;·鑒相原理·············································用軟件實現(xiàn)脈沖的鑒相和計數(shù)

14、3;··························用硬件實現(xiàn)脈沖的鑒相和計數(shù)·····················

15、83;·····用單片機內(nèi)部計數(shù)器實現(xiàn)可逆計數(shù)·······················2.3 位移測量參數(shù)及電路參數(shù)分析················&

16、#183;·············2.3.1MCS-51的定時器/計數(shù)器簡介····························2.3.2定時器模式選擇位··

17、83;··································第三章 系統(tǒng)電路的設(shè)計·············

18、3;··························3.1 硬件電路的設(shè)計······················

19、;····················· 單片機的選擇···························

20、3;············· AT89C51的介紹···································

21、;····· 光電編碼器的選擇·····································3.1.4 JXW-12A簡介····

22、;····································3.2 軟件的設(shè)計············&#

23、183;··································第四章 顯示部分··············

24、·································4.1 LED顯示器···············&#

25、183;································第五章 仿真實現(xiàn)················

26、································5.1 PROTEUS仿真軟件簡介···············&

27、#183;·······················5.2 KEIL與PROYEUS的聯(lián)合使用······················

28、3;···········結(jié)論······································&#

29、183;·······················謝辭··························

30、····································參考文獻·············&#

31、183;············································第一章 緒論1.1位移測量及其傳感器簡介位移是線位移和角位移的統(tǒng)

32、稱。位移測量在機械工程中應(yīng)用很廣，在機械工程中不僅經(jīng)常要求精確地測量零部件的位移和位置，而且力、扭矩、速度、加速度、流量等許多參數(shù)的測量，也是以位移測量為基礎(chǔ)的。 位移是向量，除了確定其大小之外，還應(yīng)確定其方向。一般情況下，應(yīng)使測量方向與位移方向重合，這樣才能真實地測量出位移量的大小。如測量方向和位移方向不重合，則測量結(jié)果僅是該位移在測量方向的分量。 位移測量時，應(yīng)當根據(jù)不同的測量對象，選擇適當?shù)臏y量點、測量方向和測量系統(tǒng)。位移測量系統(tǒng)是由位移傳感器、相應(yīng)的測量放大電路和終端顯示裝置組成。位移傳感器的選擇恰當與否，對測量精度影響很大，必須特別注意。 針對位移測量的應(yīng)用場合，可采用不同用途的位移

33、傳感器。表1.1-1中列出了較常見的位移傳感器的主要特點和使用性能。本設(shè)計使用了其中可直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的角度編碼器中的光電編碼器。光電編碼器是一種高精度的角位移傳感器。它在角度測量、位移測量和速度測量中有著廣泛的應(yīng)用。因其具有直接輸出數(shù)字量、響應(yīng)快、精度高、抗干擾能力強、分辨率高、輸出穩(wěn)定等特點,其應(yīng)用范圍不僅僅局限于角位移,角速度測量等場合,在直線位移,尤其是大位移測量領(lǐng)域也越來越廣泛的應(yīng)用。本課題即是用單片機與光電編碼器來實現(xiàn)大位移的測量。1.2 國內(nèi)外位移測量技術(shù)簡介第九屆CIMT2005中國國際機床展覽會上展示了當今世界位移測量技術(shù)最新的發(fā)展和最新型的位移傳感器，并將數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床

34、推向更高精度、更高速度、更高可靠、更高效率的發(fā)展，也將數(shù)顯技術(shù)和數(shù)顯量具推向一個新的高度。其中最新發(fā)展主要體現(xiàn)在三個方面：（1）絕對式光柵尺在控制系統(tǒng)中逐步取代現(xiàn)在通用的增量式光柵尺，并廣泛應(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)和數(shù)控機床。（2）單場掃描光柵尺將逐步取代現(xiàn)在通用的四場掃描光柵尺。（3）目前普遍采用的增量式容柵測量系統(tǒng)是不能防水的，在不改變數(shù)顯卡尺的柵式結(jié)構(gòu)條件下采用變電感的測量系統(tǒng)，就能防水，容柵的防護等級也提高了。另外在增量式碼道旁邊再增加絕對式碼道，采用絕對式編碼技術(shù)通電后不需要對零，在點位測量時也不會產(chǎn)生超速錯誤。今后普及型的量具仍會采用容柵測量系統(tǒng)，而防水型的都會采用電磁感應(yīng)測量系統(tǒng)?，F(xiàn)代

35、位移測量系統(tǒng)普遍采用光柵、磁柵、感應(yīng)同步器、球柵和容柵等柵式測量系統(tǒng)，都是應(yīng)用了重復(fù)周期的結(jié)構(gòu)設(shè)計，位移的測量都是采用增量測量方法，也就是在確定初始點后要用讀出從初始點到所在位置的增量數(shù)（步距）來確定位置。因此設(shè)備在開機后每個軸需要移動一個位置尋找參考標記。近幾年來為了解決開機后機床各個軸在不移動的情況下，光柵尺就能夠提供當前絕對位置的數(shù)據(jù)，德國HEIDENHAIN、日本三豐（MITUYOYO）、西班牙FAGOR等公司都開發(fā)了絕對式光柵尺，并成功用于數(shù)控機床，配備了絕對式光柵尺的機床或生產(chǎn)線在重新開機后立刻重新獲得各個軸的絕對位置以及刀具的空間指向，因此可以立刻從中斷處開始繼續(xù)原來的加工程序，

36、這就大大地提高了數(shù)控機床的有效加工時間。絕對式測量是現(xiàn)代測量技術(shù)發(fā)展的趨勢，在位移移傳感器上會得到普遍的應(yīng)用，日本三豐公司已將增量式容柵數(shù)顯卡尺用新一代絕對式容柵數(shù)顯卡尺替代，新推出的防水數(shù)顯卡尺也采用絕對式電磁感應(yīng)測量系統(tǒng)。日本KF-G公司正在研發(fā)絕對式磁柵尺，即將推出新產(chǎn)品。英國-ALCMM公司也在推出絕對式球柵傳感器?？傊^對式直線傳感器有顯著優(yōu)點，是當前發(fā)展起來的新一代產(chǎn)品，將使數(shù)控機床反饋控制系統(tǒng)提高到一個新的高度。本設(shè)計使用的是光柵式光電軸角編碼器。光柵式光電編碼器正向著高分辨力的方向發(fā)展。如日本尼康公司生產(chǎn)的2HR32400 軸角編碼器, 每轉(zhuǎn)可輸出1296萬個脈沖(0.1),可

37、謂日本的最高分辨力。我國在光電軸角編碼器的開發(fā)方面上也已經(jīng)取得了長足的進展,1985年航天部一院計量站研制的精密數(shù)顯轉(zhuǎn)臺,分辨力0.01;1995年中科院長春光機所和中國計量科學(xué)研究院聯(lián)合研制出的角度基準,分辨力0.001,精度P+V=0.05(誤差修正后);成都光電所研制的JC21精密測角儀的增量式光電軸角編碼器分辨力達到了0.02,測角精度R0.04。目前市場上有銷售的光電編碼器按現(xiàn)有產(chǎn)品的主要構(gòu)成元件分類，可分為晶體管式、集成電路式和單片機式。晶體管式所采用的元件主要是晶體管，有的晶體管式轉(zhuǎn)速測量儀設(shè)有記憶電路，其數(shù)碼管無閃爍現(xiàn)象，顯示效果較好，而且測量速度較高。顧名思義集成電路式轉(zhuǎn)速測

38、量儀，所采用的元件是集成電路元件。由于集成電路具有重量輕、體積小、功耗小等優(yōu)點，而且集成電路元件內(nèi)設(shè)有顯示電路，這使得轉(zhuǎn)速測量儀實現(xiàn)小型化。單片機的出現(xiàn)使得這種儀表的設(shè)計變得更加靈活。 第二章 原理說明及方案選擇2.1 位移測量理論的簡要介紹在位移控制系統(tǒng)中,為了提高控制精度,準確測量控制對象的位移是十分重要的。目前,檢測位移的方法有兩種：（1）使用位置傳感器,測量到的位移量由變送器經(jīng)A/ D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,送至系統(tǒng)進行進一步處理。此方法雖然檢測精度高,但在多路、長距離位置監(jiān)控系統(tǒng)中,由于其成本昂貴、安裝困難,因此并不適用。（2）使用光電編碼器。光電編碼器是高精度控制系統(tǒng)常用的位移檢測傳感器。

39、當控制對象發(fā)生位置變化時,光電編碼器便會發(fā)出A、B 兩路相位差90°的數(shù)字脈沖信號。正轉(zhuǎn)時A 超前B 為90°,反轉(zhuǎn)時B 超前A 為90°。脈沖的個數(shù)與位移量成比例關(guān)系,因此,通過對脈沖計數(shù)就能計算出相應(yīng)的位移。該方法不僅使用方便、測量準確,而且成本較低,在電力拖動系統(tǒng)中經(jīng)常采用這種位置測量方法。2.2 方案選擇及原理使用光電編碼器測量位移,準確無誤的計數(shù)起著決定性作用。由于在位置控制系統(tǒng)中,電機既可以正轉(zhuǎn),又可以反轉(zhuǎn),所以要求計數(shù)器既能實現(xiàn)加計數(shù),又能實現(xiàn)減計數(shù)。相應(yīng)的計數(shù)方法可以用軟件實現(xiàn),也可以用硬件實現(xiàn)。使用軟件方式對光電編碼器的脈沖進行方向判別和計數(shù)降低

40、了系統(tǒng)控制的實時性,尤其當使用光電編碼器的數(shù)量較多時,且其可靠性也不及硬件電路。但其外圍電路比較簡單,所以在計數(shù)頻率不高的情況下,使用軟件計數(shù)仍有一定的優(yōu)勢。對編碼器中輸出的兩路脈沖進行計數(shù)主要分兩個步驟:首先要對編碼器輸出的兩路脈沖進行鑒相,即判別電機是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn);其次是進行加減計數(shù),正轉(zhuǎn)時加計數(shù),反轉(zhuǎn)時減計數(shù)。鑒相原理脈沖鑒相的方法比較多,既可以用軟件實現(xiàn),也可以用一個D 觸發(fā)器實現(xiàn)。圖1 是編碼器正反轉(zhuǎn)時輸出脈沖的相位關(guān)系。圖2.2-1 編碼器輸出波形由圖1 中編碼器輸出波形可以看出,編碼器正轉(zhuǎn)時A 相超前B 相90°,在A 相脈沖的下降沿處,B 相為高電平;而在編碼器反轉(zhuǎn)時

41、,A 相滯后B 相90°,在A 相脈沖的下降沿處,B 相輸出為低電平。這樣,編碼器旋轉(zhuǎn)時通過判斷B 相電平的高低就可以判斷編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。用軟件實現(xiàn)脈沖的鑒相和計數(shù)編碼器輸出的A 向脈沖接到單片機的外部中斷INT0 ,B 向脈沖接到I/ O 端口P1. 0 ,如圖2 所示。當系統(tǒng)工作時,首先要把INT0 設(shè)置成下降沿觸發(fā),并開相應(yīng)中斷。當有效脈沖觸發(fā)中斷時,執(zhí)行中斷處理程序,判別B 脈沖是高電平還是低電平。若是高電平,則編碼器正轉(zhuǎn),加1 計數(shù);若是低電平,則編碼器反轉(zhuǎn),減1計數(shù)。圖2是軟件方法的計數(shù)與判向電路。圖2.2-2 軟件方法的計數(shù)與判向電路2.2.3用硬件實現(xiàn)脈沖的鑒相和計

42、數(shù)硬件計數(shù)在執(zhí)行速度上有軟件計數(shù)不可比擬的優(yōu)勢,通常采用多個可預(yù)置4 位雙時鐘加減計數(shù)器74LS193 級聯(lián)組成的加減計數(shù)電路。如圖3 所示,P0、P1、P2、P3 為計數(shù)器的4 位預(yù)置數(shù)據(jù)端,與數(shù)據(jù)輸入鎖存器相接;QA、QB、QC、QD 為計數(shù)器的4 位數(shù)據(jù)輸出端,與數(shù)據(jù)輸出緩沖器相接;MR為清零端,與上電清零脈沖相接;PL 為預(yù)置允許端,由譯碼控制電路觸發(fā);CU 為加脈沖輸入端,CD 為減脈沖輸入端;TCU 為進位輸出端;TCD 為借位輸出端。圖2.2-3 加減計數(shù)芯片74LS193當CU 和CD 中一個輸入脈沖時,另一個必須處于高電平,才能進行計數(shù)工作。而從編碼器直接輸出的A、B 兩路脈

43、沖不符合要求,不能直接接到計數(shù)器的輸入端,但可以利用這兩路脈沖之間的相位關(guān)系對其進行鑒相后再計數(shù)。圖4 給出了光電編碼器實際使用的鑒相與雙向計數(shù)電路,鑒相電路用1 個D 觸發(fā)器和2 個與非門組成,計數(shù)電路用3 片74LS193 組成。當光電編碼器順時針旋轉(zhuǎn)時, A 相超前B 相90°,D 觸發(fā)器輸出Q(W1) 為高電平,Q(W2) 為低電平,與非門N1 打開, 計數(shù)脈沖通過(W3) , 送至雙向計數(shù)器74LS193 的加脈沖輸入端CU ,進行加法計數(shù);此時,與非門N2 關(guān)閉,其輸出為高電平(W4) 。當光電編碼器逆時針旋轉(zhuǎn)時, A 相比B 相延遲90°,D 觸發(fā)器輸出Q(W

44、1) 為低電平,Q(W2) 為高電平,與非門N1 關(guān)閉,其輸出為高電平(W3) ;此時,與非門N2 打開,計數(shù)脈沖通過(W4) ,送至雙向計數(shù)器74LS193 的減脈沖輸入端CD ,進行減法計數(shù)。圖4是光電編碼器輸出脈沖的鑒相及其計數(shù)。 圖2.2-4 光電編碼器輸出脈沖的鑒相及其計數(shù)用單片機內(nèi)部計數(shù)器實現(xiàn)可逆計數(shù) 對以上兩種計數(shù)方法進行分析可知,用純軟件計數(shù)雖然電路簡單,但是計數(shù)速度慢,難以滿足實時性要求,而且容易出錯,用外接加減計數(shù)芯片的方法,雖然速度快,但硬件電路復(fù)雜,由圖4 可以看出,要制作一個12 位計數(shù)器需要5 個外圍芯片,成本較高。我們可以用單片機內(nèi)部的計數(shù)器來實現(xiàn)加減計數(shù)。單片機

45、8051 片內(nèi)有2 個16 位定時器(定時器0 和定時器1) ,單片機8052 還有一個定時器(定時器2) ,這3 個定時器都可以作為計數(shù)器使用。但單片機8051 內(nèi)部的計數(shù)器是加1 計數(shù)器,所以不能直接應(yīng)用,必須經(jīng)過適當?shù)能浖幊虂韺崿F(xiàn)其“減”計數(shù)功能。硬件電路如圖5所示。圖2.2-5 單片機內(nèi)部計數(shù)器加減計數(shù)的硬件結(jié)構(gòu)我們可以把經(jīng)過D觸發(fā)器之后的脈沖,即方向控制脈沖（DIR）接到單片機的外部中斷INT0端，同時經(jīng)過反向器后再接到另一個外部中斷INT1，并且把計數(shù)脈沖A接到單片機的片內(nèi)計數(shù)器T0端即可，相對外部計數(shù)芯片來說，使用這種方法電路相對要簡單的多。系統(tǒng)工作時，先要把兩個中斷設(shè)置成下降

46、沿觸發(fā)，并打開相應(yīng)的中斷。當方向判別脈沖（DIR）由低高跳變時，INT1中斷，執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序，進行加計數(shù)；而當方向判別脈沖由高低跳變時，INT0中斷，執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序，進行“減”計數(shù)（實際是重新復(fù)值，進行加計數(shù)）。下面是軟件編程思路（在C語言環(huán)境下來實現(xiàn)計數(shù)功能）：#includeint data k=1;void service_int0() interrupt 0 using 0 k- ;/*標志位減1*/TR0=0 ;/*停止計數(shù)*/TH0= -TH0 ;TL0= -TL0 ;/*把計數(shù)器重新復(fù)值，此時相當于減計數(shù)*/TR0=1 ;/*開始計數(shù)*/void service_int1

47、() interrupt 2 using 1 k+ ;/*標志位加1*/TR0=0 ;/*停止計數(shù)*/TH0= -TH0 ;TL0= -TL0 ;/*把計數(shù)器重新復(fù)值，此時相當于加計數(shù)*/TR0=1 ;/*開始計數(shù)*/void timer0(void) interrup 1 using2 if(k=0)/*反向計數(shù)滿*/else if(k=1)/*計數(shù)為0*/else/*正向計數(shù)滿*/void main(void)TCON=0X05 ;/*設(shè)置下降沿中斷*/TMOD=0X05 ;/*T0為16位計數(shù)方式*/IE=0X87 ;/*開中斷*/TH0=0 ;TL0=0 ;/*預(yù)置初值*/此方法采用中

48、斷的形式進行計數(shù),硬件電路比較簡單,程序也不復(fù)雜,執(zhí)行速度較快。以上分別介紹了利用軟件、外接計數(shù)芯片及單片機內(nèi)部計數(shù)器實現(xiàn)對編碼器輸出脈沖進行計數(shù)的方法。利用軟件計數(shù),硬件電路簡單,但占用了較多的CPU 資源,執(zhí)行速度較慢。利用外接計數(shù)芯片的方法計數(shù),計數(shù)速度較快,但要用較多的外圍芯片,硬件電路復(fù)雜。利用單片機內(nèi)部計數(shù)器實現(xiàn)加減計數(shù),在編碼器旋轉(zhuǎn)方向不頻繁改變的情況下,計數(shù)速度很快,而且外圍電路簡單,編程也不復(fù)雜,只是占用了2 個外部中斷和1 個內(nèi)部計數(shù)器。綜上所述選用第三種計數(shù)方法，即利用單片機內(nèi)部計數(shù)器實現(xiàn)可逆計數(shù)。2.3 位移測量參數(shù)及電路參數(shù)分析在本設(shè)計的仿真中，光電編碼器產(chǎn)生的A,B

49、相方波用PROTUES中的信號源加不同的起始時間來模擬。一個用原始的，還有一個用延時1/4周期。方向時將兩個信號調(diào)換就行了。MCS-51的定時器/計數(shù)器簡介于測速電路的參數(shù)，本次設(shè)計采用了如下方案：AT89C51單片機圖2.3-2 MAX813L看門狗電路圖中，電阻R1和R2分壓產(chǎn)生1.25V電源門限值。當此腳的電壓低于1.25V時，即電源電壓低于額定值時，PFO將產(chǎn)生一個脈沖信號，可以用于向CPU發(fā)出中斷申請，使CPU完成應(yīng)急處理。此功能可完成電源電壓的監(jiān)測。P1.0喂狗信號，在軟件的編制中通過對P1.0的位操作向MAX813L的看門狗輸入端輸入一個負脈沖。如果程序出現(xiàn)“跑飛”現(xiàn)象，程序?qū)⒉?/p>

50、能正常運行，這個定時發(fā)出的脈沖也得不到保障。當單片機超過1.6秒未向MAX813L的看門狗輸入端發(fā)脈沖信號，MAX813L內(nèi)部的定時器將會強制將WDO拉到低電平，這個低電平通過MR產(chǎn)生復(fù)位信號。單片機復(fù)位后從初始狀態(tài)開始運行，從而保證系統(tǒng)的可靠性，起到了看門狗的作用。此電路同時兼有上電復(fù)位和按鍵復(fù)位功能。隨著大規(guī)模集成電路（LSI）制造技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機也隨之迅猛發(fā)展，其發(fā)展歷史大致分為三個階段：第一階段（1976年1978年）：初級單片微處理器階段。以Intel公司的MCS-48為代表。此系列的單片機具有8位CPU，并行I/O端口，8位時序同步計數(shù)器，尋址范圍不大于4KB，但是沒有串行口

51、。第二階段（1978年現(xiàn)在）：高性能單片機微處理器階段，如Intel公司MCS-5，Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等，該類型單片機具有串行I/O端口，有多種中斷處理系統(tǒng)，16位時序同步計數(shù)器，RAM，ROM容量加大，尋址范圍可達64KB，有的芯片甚至還有A/D轉(zhuǎn)換接口。由于該系列單片機應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，各公司正大力改進其結(jié)構(gòu)與性能。第三階段（1982年現(xiàn)在）：8位單片機，經(jīng)處理器改良型及16位單片機微處理器階段。在本次設(shè)計中，有多種型號的單片機可供選擇，具體型號如89C2051，89C51，89C52，80C51，89S52單片機都可以較好地完成本次設(shè)計的要求，因此設(shè)計者

52、選用了近來應(yīng)用較為廣泛的89C51型單片機。一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計應(yīng)包含有兩個部分內(nèi)容:第一是系統(tǒng)擴展，即當單片機內(nèi)部的功能單元，如ROM、RAM、I/O 口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等容量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒?，設(shè)計相應(yīng)的電路。第二是系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機、D/A、A/D轉(zhuǎn)換器等，并設(shè)計相應(yīng)的接口電路。因此，系統(tǒng)的擴展和配置應(yīng)遵循下列原則:1.盡可能選擇典型電路，并符合單片機的常規(guī)用法。2.系統(tǒng)的擴展與外圍設(shè)備配置應(yīng)滿足系統(tǒng)功能的要求，并留有適當?shù)挠嗔?，以便進行二次開發(fā)。3.硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)與應(yīng)用軟件方案統(tǒng)一考慮

53、，軟件能實現(xiàn)的硬件功能盡可能用軟件來實現(xiàn)，但需注意的是軟件實現(xiàn)占用CPU的時間，而且，響應(yīng)時間比硬件長。4.單片機外接電路較多時，應(yīng)考慮其驅(qū)動能力，減少芯片功耗，降低總線負載。3.1.2 AT89C51介紹·Vcc：電源電壓·GND：地·P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I0口，也即地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“l(fā)”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在F1ash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)

54、，校驗時，要求外接上拉電阻。·P1口：Pl是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，Pl的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“l(fā)”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。Flash編程和程序校驗期間，Pl接收低8位地址。表3.1-1 P1口引腳功能表端口引腳第二功能P1.5MOSI（用于 ISP 編程）P1.6MISO（用于 ISP 編程）P1.7SCK（用于 ISP 編程）·P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)

55、動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVXDPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVXRi指令）時，P2口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中P2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和其它控制信號7。·P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I0口。P3口輸出緩

56、沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“l(fā)”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I0口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。表3.1-2 P3口引腳功能表端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外中斷 0）P3.3 P3.4T0（定時計數(shù)器 0 外部輸入）P3.5T1（定時計數(shù)器 1 外部輸入）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）·

57、;RST：復(fù)位輸入。當振蕩器工作時，RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。WDT溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置 SFR AUXR 的DISRT0位（地址8EH）可打開或關(guān)閉該功能。DISRT0位缺省為RESET輸出高電平打開狀態(tài)。·ALE：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的16輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對 F1ash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。8

58、如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。該位置位后，只有一條 M0VX 和 M0VC 指令 ALE 才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置 ALE 無效。·：程序儲存允許（）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當 AT89S51 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次有效，即輸出兩個脈沖。當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，沒有兩次有效的信號。·EAVPP：外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加

59、密位 LB1 被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。如 EA 端為高電平（接 Vcc 端），CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。F1ash 存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程電壓 Vpp。·XTALl：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。·XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。光電編碼器是一種集光、機、電為一體的數(shù)字化檢測裝置，它具有分辨率高、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用可靠、易于維護、性價比高等優(yōu)點。近10 幾年來，發(fā)展為一種成熟的多規(guī)格、高性能的系列工業(yè)化產(chǎn)品，在數(shù)控機床、機器人、雷達、光電經(jīng)緯儀、地面指揮儀、高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中得

60、到了廣泛的應(yīng)用。光電編碼器可以定義為：一種通過光電轉(zhuǎn)換，將輸至軸上的機械、幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，它主要用于速度或位置（角度）的檢測。典型的光電編碼器由碼盤（Disk）、檢測光柵（Mask）、光電轉(zhuǎn)換電路（包括光源、光敏器件、信號轉(zhuǎn)換電路）、機械部件等組成。一般來說，根據(jù)光電編碼器產(chǎn)生脈沖的方式不同，可以分為增量式、絕對式以及復(fù)合式三大類。按編碼器運動部件的運動方式來分，可以分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。由于直線式運動可以借助機械連接轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)式運動，反之亦然。因此，只有在那些結(jié)構(gòu)形式和運動方式都有利于使用直線式光電編碼器的場合才予使用。旋轉(zhuǎn)式光電編碼器容易做成全封閉型式，易于實現(xiàn)小型化，傳感長度較長，具有較長的環(huán)境適用能力，因而在實際工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，在設(shè)計選擇了旋轉(zhuǎn)式光電編碼器。長春第一光學(xué)有限公司的JXW-12A型號，其光電編碼器的輸出電壓為5V。JXW-12A該光電編碼器主要由光柵、光源、檢讀器、信號轉(zhuǎn)換電路、機械傳動等部分組成。光柵面上刻有節(jié)距相等的輻射狀透