基于绝对式光电编码器的智能测角系统设计

基于绝对式光电编码器的智能测角系统设计[摘要]光电检测技术是一种非接触测量的高新技术，它以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载荷有被检测物体信息的光辐射进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大、滤波检测等检测电路中提取出有用信息，在经A/D变换接口输入计算机进行处理，最后显示或技术打印输出所需检测物体的几何量等参数。目前，单片机以其高可靠性、高性能价格比、低电压、低功耗等优势，广泛应用于工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化、通讯设备、宇航设备和各种消费类产品中。光电编码器，是一种通过光电转换将转角和位移转换为各种代码形式的数字脉冲传感器。根据绝对式光电编码器的工作原理与设计方案论证，给出了系统总体方案。MCS-51系列单片机在工业控制系统中已广泛应用。PC机往往需要与单片机进行通讯，以构成分布式计算机控制系统。设计本系统的目的为了快速处理编码器输出信号，直观的显示测量结果。[关键词]光电编码器单片机测角系统软件实现目录第一章绪论............................................................4第二章绝对式光电编码器的工作原理与设计方案论证........................72.1系统的组成与总体结构............................................72.2光电编码器的工作原理............................................72.2.1光栅检测的简单概述.........................................72.2.2光电测角原理..............................................102.2.3光电编码器原理及应用......................................112.3信号处理电路的方案论证.........................................152.3.1电平转换电路的方案论证与选择..............................152.3.2上位机与下位机通讯的方案论证与选择........................192.3.3PC机界面显示方案论证与选择..............................20第三章绝对式光电编码器信号处理电路及软件的实现........................213.1绝对式光电编码器控制系统.......................................223.1.1微机系统的扩展............................................233.1.2接口电路设计..............................................273.2电平转换电路及数据采集的实现...................................313.3串并转换接口的实现..............................错误!未定义书签。3.4数据处理程序的实现以下4点......................错误!未定义书签。第四章串行通讯的实现..................................................324.1通讯接口的设计.................................................364.2软件实现.......................................................364.2.1波特率的选择与计算........................................364.2.2单片机通讯软件设计........................................36第五章实验结果分析....................................................38结论...............................................................39参考文献...............................................................40致谢................................................错误!未定义书签。附录...............................................................41第一章绪论随着现代科学技术以及复杂的自动控制系统和信息处理理论和技术的提高，光电信号变换与检测技术的不断涌现，综合性的自动化、智能化的光电系统得到进一步发展，形成了包括光学、电子学和计算机科学的高度知识集中的新学科——光学精密机械电子学（Optomechatronics）。这种跨学科的边缘技术就是光电技术。现在，光电技术已广泛的应用于工业、农业、文教、卫生、国防、科研和家庭生活等领域——即光辐射的检测问题。因此，光电检测技术是光电技术的核心和重要组成部分。光电检测技术是一种非接触测量的高新技术，它以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载荷有被检测物体信息的光辐射进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大、滤波检测等检测电路中提取出有用信息，在经A/D变换接口输入计算机进行处理，最后显示或技术打印输出所需检测物体的几何量等参数。众所周知，人们无论从事科学研究,工程设计或工作生产，都要通过大量测试取得客观事物的正确量值，从而了解事物的本质。但过去多年来，传统的测试技术都是分别用单个仪表对象进行测量，再由人工处理各种测量结果。随着近代工业和科学技术的发展，测试任务和测控对象变的越来越复杂，对测试速度和测试精度的要求也越来越高，这就促使人们不断地研究新的测试理论和方法，新的测试设备，从而推动自动测控科学和仪器仪表技术不断地向新的领域发展。回顾测试仪器的发展史，从30年代到80年代，大致经历了纯机械式仪器、精密机械光学仪器、气动仪器、电动测量仪器（包括模拟式和数字式）及微型技术有机结合的产物，新型传感技术和微型机的成功应用是近代精密仪器的标志。近十年来，微型机在测试仪器中的广泛应用预示着测试仪器正在经历着一个更大更深刻的变革，这就是所谓微型机化仪器的出现。微型机化仪器，也叫智能仪器，此概念是70年代中期的微处理器技术开始应用与测量仪器之中，以代替一部分人工智能的情况下提出来的。由于UP的硬件、软件及其支持芯片，外设已经成熟，使得一些典型的智能仪器，如坐标测量机、表面形貌测量仪、齿轮测量仪、图形测量仪与分析、仪器万能数字测量系统等逐渐趋于成熟并达到相当高的水平。虽然微型机仪器品质繁多，但从微型机为基础这一基本特点出发，有其共性。其基本结构如图1.1图1.1基本结构框图随着大规模集成电路的迅速发展，性能越来越强，价格越来越低，使计算机的广泛应用成为可能，而广泛应用反过来又促进计算机技术不断发展，当今各种类型的计算机不断涌现和发展，有大型智能机、巨型机、小型机和微型机。其中微型机的出现和发展，掀起计算机普及的浪潮。美国英特尔公司1971年首次成功地在一个芯片上实现了中央处理器的功能，这就是四位微处理器Intel14004,并用它制成世界上第一台微型机，从此拉开微型机发展的帷幕。以后，1973年推出8位微处理器，如Inter8080,Z80等；1978年朝大规模集成电路的32位微处理器问世，如英特尔公司的80386，80486等。在短短的十年里，微处理器以及相应的微型计算机经历几代变化，平均两三年就换一代，其发展速度是任何技术所不能比拟的。近年来微型机技术更是飞速发展，加快更新换代，平均每两年芯片集成度可提高一倍，性能提高一倍，价格减少一半，即：计算机将变得体积更小、重量更轻、价格更便宜、更便于使用，并将不断开辟出新的应用领域。PC机的发展趋势是：更小的、更快的、便携的系统将取代部分较大的、笨重的台式系统。微型机从出现到现在不过20余年，因其体积小、轻便、灵巧、使用方便、价格便宜，因而其应用范围急剧扩展，从天空中的航天飞机到家庭生活中的电器，从工业自动控制到办公自动化，以及商业、服务业、农业等等，遍及各个领域，对人类文明进步产生了巨大的影响。将计算机技术与自动测试技术相结合就产生了自动测控系统。它有许多突出的特点，这些特点，主要是依靠计算机的高速的数据处理能力、控制能力和信息存储能力所取得的。归纳如下：1．高速度2．高精确度3．具有自校、自测和自论断的功能4．测量结果的显示方式多样化5．操作简便计算机软件是用户和计算机之间的接口和桥梁，它是指明计算机和发挥计算机效率的一套程序与操作系统、数据库管理系统,应用程序,各种维护和使用手册、程序说明等。在做本论文过程中我设计并实现了绝对式光电编码器的信号处理电路，还实现了单片机与PC机之间串行通讯问题，以便将原始数据交由PC机处理，以进一步提高测量结果精度。本系统具有高度智能化，可靠性和测量精度都比较高，能实现实时在线测量。第二章绝对式光电编码器的工作原理与设计方案论证2.1系统的组成与总体结构设计本系统的目的为了快速处理编码器输出信号，直观的显示测量结果。因而系统首先必须正确实现计算机与传感器的接口，在此特别要提出的是：为了提高编码器抗干扰性能，编码器采用了12VOC门输出，因而编码器每一路输出信号必须加上拉电阻才能有信号输出。输出信号号通过电平转换以后输入计算机，计算机处理以后的信号则应由显示装置显示结果。而单片机与PC机之间实现串行通讯电路部分也应考虑到电平的兼容性问题。详细的设计过程则在第三章阐述。2.2光电编码器的工作原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号,通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。2.2.1光栅检测的简单概述几百年前，法国的丝绸工人发现：两块薄绸子迭合在一起，上下两层薄绸子的经纬线交错，在阳光照射下会产生绚丽的花纹，当薄绸子相对移动时，花纹也跟着晃动，变化。这种花纹状似水波，法文称为Moire，中文译为“莫尔”。莫尔现象在日常生活中到处都能见到。如，阳光照射交叉编插竹竿篱笆，在地面上投下一片明暗相间的花纹彩带，这就是一种莫尔条纹。起初，莫尔条纹只是应用于装饰方面。随着科技的发展，莫尔条纹现象作为一种精确的检测手段，逐渐应用于测试技术中。将两块光栅迭在一起，另使二者光栅线交成很小的夹角，就可以看到所谓的莫尔条纹图案，如图2-1。如果两块长光栅迭合，光栅栅线都为平行排列的直线，则黑条纹是有一系列的交叉线构成的不透光的部分，而白条纹是有一系列的四棱行构成的透光部分。圆光栅莫尔条纹的图案复杂，种类繁多。这里以一种常用圆光栅莫尔条纹为例，作一简要说明。1.长光栅的莫尔条纹长光栅的莫尔条纹，通常分为三种形式：横向莫尔条纹、纵向莫尔条纹和斜向莫尔条纹。两块光栅的栅距为W1和W2，若W1=W2=W，二者迭合时，栅线交角较小，则形成横向莫尔条纹，如图2.2。图2.1莫尔条纹图案图2.2横向莫尔条纹两块光栅栅距很接近，但不相等，二者迭合并保持栅距彼此平行，即交角0，则形成栅线平行的条纹，称为纵向莫尔条纹，如图2.3所示。两块构成纵向莫尔条纹的光栅，如其中一块转动一个很小的角，即θ≠0，则构成斜向莫尔条纹，如图2.4所