基于单片机的光栅式位移测量仪的设计

唐山学院测控系统原理课程设计题目光栅式位移测量仪的设计系(部)机电工程系班级姓名学号指导教师2015年03月02日至03月13日共两周2015年03月13日测控系统原理课程设计任务书一、设计题目、内容及要求1、设计题目：光栅式位移测量仪的设计2、设计内容：运用所学单片机、传感器原理及应用和测控系统原理与设计等方面的知识，设计出一台以AT89C52为核心的光栅式位移测量仪，位移测量采用光栅式位移传感器，完成位移信号的采集、处理及显示接口电路等部分的软、硬件设计，要求采用ADC0808实现A/D转换，由LCD显示测量位移。光栅式位移测量仪要求如下：1）16³1字符型LCD显示2）量程：0～50mm。3）精度：0.3%F.S。3、设计要求：1）硬件部分包括前置信号处理单元（放大电路，调制解调电路、滤波电路等）、A/D转换、微处理器（MCU）、键盘、显示等；2）前置信号处理单元误差分析，认真查阅组成各功能电路需要的芯片、电阻等元件的数据手册或相关规范说明，分析信号处理单元主要误差来源及大小，按照误差合成和分配的算法，计算主要误差的大小，最终满足精度要求。3）软件部分包括键盘扫描、A/D转换、数字滤波、标度变换、显示等；4）用PROTEUS软件仿真实现；5）用Protel画出系统的硬件电路图；6）撰写设计说明书一份(不少于2000字)，阐述系统的工作原理和软、硬件设计方法，重点阐述系统组成框图、硬件原理设计和软件程序流程图。说明书应包括封面、任务书、目录、摘要、正文、参考文献(资料)等内容，以及硬件电路图和软件程序框图等材料。二、设计原始资料Proteus及KEIL51仿真软件，及软件使用说明。三、要求的设计成果（课程设计说明书、设计实物、图纸等）设计说明书一份(不少于2000字)。四、进程安排1.2015年3月2日资料查阅2.2015年3月3，4日总体设计，硬件设计3.2015年3月5，6日绘制电路图3.2015年3月9，10日绘制软件程序流程图，编写软件4.2015年3月11日软、硬件仿真调试5.2015年3月12，13日撰写设计说明书五、主要参考资料1．王福瑞等．《单片微机测控系统设计大全》．北京航空航天大学出版社，19992．《现代测控技术与系统》韩九强清华大学出版社2007.93．《智能仪器》程德福，林君主编机械工业出版社2005年2月4．《测控仪器设计》浦昭邦，王宝光主编机械工业出版社20015．基于AT89C51单片机的数字电压表的设计，黄亮，电子制作，2006．10，25-276．《误差理论与数据处理》，费业泰.机械工业出版社，20107.KeilC51帮助文档指导教师（签名）：教研室主任（签名）：测控系统原理课程设计任务书1摘要这次课程设计选用的题目为光栅式位移传感器，光栅式位移传感器是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，经常用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。光栅式位移传感器在现代工业中的作用是十分巨大的，不仅进一步完善了代加工工业的精度，同时也提高了其工作效率。随着国内加工业、制造业等工业越来越成熟，对加工的精度要求也日益提高。因此，越来越多的企业选择在各种机床上安装光栅式位移传感器，例如：铣床、磨床、车床、线切割、电火花等。其工作环境相对来说并不很苛刻，操作也很简单。本设计用光栅位移传感器实现测量来自外部的不同的位移值并显示。具体应用AT89C51单片机为核心，光栅位移传感器对进行位移测量，同时以LCD液晶显示模块显示。检测的位移信号输出经滤波、放大、整形后，经四倍频电路处理送入单片机进行计数运算，最后送入LCD模块显示。关键字：位移测量，光栅位移传感器，单片机，LCD显示模块测控系统原理课程设计任务书2目录一.系统的工作原理...................................................11.1光栅位移传感器的原理..........................................11.2系统整体设计框图..............................................1二.系统硬件设计.....................................................22.1放大电路设计..................................................22.2整形电路设计..................................................32.3细分辨向电路的设计............................................42.4单片机及其附属电路............................................52.5LCD液晶显示屏的设计..........................................72.5.1LCD显示模块LCDM........................................72.5.2设计中LCD液晶屏的连线..................................8三.系统软件设计.....................................................93.1系统程序流程图................................................9四.系统仿真电路图..................................................10总结...............................................................11参考文献...........................................................12附录一元器件清单..................................................13附录二程序代码....................................................14测控系统原理课程设计任务书1一、系统工作原理1.1光栅位移传感器的原理光栅位移传感器通过主光栅（即标尺光栅）与位移部件固定连接，随着主光栅和副光栅（即指示光栅）进行相对位移，栅线间夹角为θ，则光栅组透光部分呈菱形，综合效果是一组等间距亮带，即形成了莫尔条纹。光栅位移传感器位移时莫尔条纹也移动，经过光电器件转换使黑白相间的条纹转换成正弦波变化的电信号。（a）长光栅结构（b）莫尔条纹的形成图1莫尔条纹的原理电信号再经过放大器放大、整形电路整形，细分、辨向等电路，最终送到单片机对移动的莫尔条纹进行计数，运算后送到LCD屏显示。1.2系统整体设计框图系统整体框图如图2所示：图2系统整体框图光栅尺移动产生莫尔条纹，光栅传感器检测后产生近似正弦波的电信号。该电信号经过放大、整形电路将正弦信号变成方波，再经四细分、辨向电路实现模拟信号到数字信号的转变，省去了模-数转换的部分使电路简单，编程容易。细四倍频细分辨向单片机计数运算放大整形电路光栅传感器位移信号LCD屏显示测控系统原理课程设计任务书2分信号输入到单片机T0口进行计数，通过程序运算，再由LCD屏显示出运算结果。二、系统硬件设计2.1放大电路设计采用同向比例放大电路，如图3：图3同向比例放大电路同相比例放大电路结构简单，比较常用，放大倍数易于调整。采用LM324系列运算放大器（引脚图如图4），是价格便宜的差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V。LM324的特点：1.短跑保护输出2.真差动输入级3.可单电源工作：3V-32V4.低偏置电流：最大100nA（LM324A）5.每封装含四个运算放大器。6.具有内部补偿的功能。7.共模范围扩展到负电源8.行业标准的引脚排列9.输入端具有静电保护功能图4LM324引脚图测控系统原理课程设计任务书3同相比例放大电路的输入信号是从集成运放的同相输入端引入，输出信号按比例放大，并与输入信号同相。能获得高输入阻抗，正向输出可用于自举，反相侧的输入端口可用于其它目的。电压放大倍数为。2.2整形电路设计图5可以把幅值为0.7v～15v的正弦波转换为方波。NE5532为一个滞回比较器，把正弦波转化为有正负值的方波，再接一级LM311，可以使方波只有5v和0v电压值。NE5532A是一种双运放高性能低噪声运算放大器。相比较大多数标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器控制电路和电话通道放大器。LM311的电压比较器设计运行在更宽的电源电压：从标准的±15V运算放大器到单5V电源用于逻辑集成电路。其输出兼容RTL,DTL和TTL以MOS电路。此外，他们可以驱动继电器，开关电压高达50V，电流高达50mA。图5整形电路测控系统原理课程设计任务书42.3细分辨向电路的设计四细分辨向电路如下，图6：图6四细分辨向电路为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分，为记录光栅上移过的条纹数目和判断光栅的移动率等，光电转换器件采用4极硅光电池来接收莫尔条纹信号。调整莫尔条纹的宽度B，使它正好与2个硅光电池的宽度相同。则可直接获得在相位上依次相差90°的2路信号，进行4倍细分。位移除了有大小的属性外，还具有方向的属性。为了辨别标尺光栅位移的方向，本设计采用的是2个硅光电池来接收莫尔条纹信号，则输出的2路信号在相位上相差90°，W－光栅的栅距，x－标尺光栅位移量。2个硅光电池输出的2路信号：Ua＝U0＋UmSIN(xW360)Ub＝U0＋UmSIN(xW360＋90°)＝U0＋UmCOS(xW360)位移为矢量，有方向和大小，判向电路输出的加法和减法计数脉冲表示位移的方向和大小。设位移的距离为d，光栅传感器栅距为W，细分数为4，则计数脉测控系统原理课程设计任务书5冲累积数为N，其表达式为（1）。N＝Wd.4（1）若光栅W＝0.05mm（25线／mm）,根据要求量程为d=50mm,N＝4000。2.4单片机及其附属电路系统中的单片机采用AT89C52系列，AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚（引脚图如图7），32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。图7AT89C52引脚图AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性：²兼容MCS51指令系统²8k可反复擦写(1000次）FlashROM²32个双向I/O口测控系统原理课程设计任务书6²256x8bit内部RAM²3个16位可编程定时/计数器中断²时钟频率0-24MHz²2个串行中断²可编程UART串行通道²2个外部中断源²共6个中断源²2个读写中断口线²3级加密位²低功耗空闲和掉电模式²软