张洁--位移测量系统的毕业设计

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摘 要

在控制领域中,经常需要进行各种位移量的测量。在实际的工业位置控制领域中，为了提高控制精度，准确地对控制对象进行检测是十分重要的。传统的机械测量位移装置已远远不能满足现代生产的需要，而数字式传感器光电编码器,能将角位移量转换为与之对应的电脉冲输出, 主要用于机械位置和旋转速度的检测，具有精度高，体积小等特点，因此本设计决定采用光电编码器进行位移检测。

本设计为采用光电编码器来实现位移测量及其仿真，实现测量来自外部的不同的位移值及显示。具体应用AT89C51单片机为核心，光电编码器进行位移测量，同时以LCD液晶显示模块显示。本设计采用的光电编码器输出电压为5V，输出信号经四倍频电路处理后送入单片机进行计数处理，最后送入LCD模块显示。

本文从位移测量原理入手，详细阐述了位移测量系统的工作过程，以及硬件电路的设计、显示效果。本文吸收了硬件软件化的思想，实现了题目要求的功能。

关键词：位移测量，光电编码器，单片机，LCD显示模块

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Abstract

In 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, carries 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 correspondence 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 design 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 at89C51 monolithic integrated circuit is the core, the electro-optical encoder carries on the displacement to survey, simultaneously by LCD liquid 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, 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 surveys, electro-optical encoder, microcontroller, LCD display

module

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目 录

第一章 绪论2222222222222222222222222222222222222222222222222

1.1位移测量及其传感器简介2222222222222222222222222222222222 1.2国内外位移测量技术简介2222222222222222222222222222222222 第二章 原理说明及方案选择22222222222222222222222222222222222

2.1 位移测量理论的简要介绍2222222222222222222222222222222222 2.2 方案选择及原理222222222222222222222222222222222222222222 2.2.1鉴相原理222222222222222222222222222222222222222222222 2.2.2用软件实现脉冲的鉴相和计数222222222222222222222222222 2.2.3用硬件实现脉冲的鉴相和计数222222222222222222222222222 2.2.4用单片机内部计数器实现可逆计数22222222222222222222222 2.3 位移测量参数及电路参数分析222222222222222222222222222222 2.3.1MCS-51的定时器/计数器简介2222222222222222222222222222 2.3.2定时器模式选择位2222222222222222222222222222222222222 第三章 系统电路的设计 2222222222222222222222222222222222222222

3.1 硬件电路的设计2222222222222222222222222222222222222222222 3.1.1 单片机的选择 22222222222222222222222222222222222222222 3.1.2 AT89C51的介绍2222222222222222222222222222222222222222 3.1.3 光电编码器的选择 2222222222222222222222222222222222222 3.1.4 1XP8001-1简介2222222222222222222222222222222222222222 3.2 软件的设计22222222222222222222222222222222222222222222222 第四章 显示部分22222222222222222222222222222222222222222222222

4.1 LED显示器 222222222222222222222222222222222222222222222222 4.2 LCD显示器 222222222222222222222222222222222222222222222222 4.2.1 LCD的分类及特点 22222222222222222222222222222222222222 4.2.1笔段式LCD液晶显示器的驱动22222222222222222222222222222 4.2.2 LCD显示模块LCDM（LIQUID CRYSTAL DISPLAY MODULE）222222 4.3 LCD显示器的驱动接口 22222222222222222222222222222222222222 第五章 仿真实现222222222222222222222222222222222222222222222222

5.1 PROTEUS仿真软件简介222222222222222222222222222222222222222 5.2 KEIL与PROYEUS的联合使用2222222222222222222222222222222222 结论22222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 谢辞22222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 参考文献2222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 附录一 系统电路原理图22222222222222222222222222222222222222222222 附录二 程序清单22222222222222222222222222222222222222222222222222 附录三 仿真电路图222222222222222222222222222222222222222222222222

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第一章 绪论

1.1位移测量及其传感器简介

位移是线位移和角位移的统称。位移测量在机械工程中应用很广，在机械工程中不仅经常要求精确地测量零部件的位移和位置，而且力、扭矩、速度、加速度、流量等许多参数的测量，也是以位移测量为基础的。

位移是向量，除了确定其大小之外，还应确定其方向。一般情况下，应使测量方向与位移方向重合，这样才能真实地测量出位移量的大小。如测量方向和位移方向不重合，则测量结果仅是该位移在测量方向的分量。

位移测量时，应当根据不同的测量对象，选择适当的测量点、测量方向和测量系统。位移测量系统是由位移传感器、相应的测量放大电路和终端显示装置组成。位移传感器的选择恰当与否，对测量精度影响很大，必须特别注意。

针对位移测量的应用场合，可采用不同用途的位移传感器。表1.1-1中列出了较常见的位移传感器的主要特点和使用性能。

表1.1-1 常用位移传感器一览表

型式 滑线式 线位移 电 阻 式 变阻器式 角位移 线位移 角位移 测量范围 1~300mm 0~360° 1~1000mm 0~60r ±0.15%应变 ±0.3%应变 ±0.25%应变 变气隙型 螺管型 ±0.2mm 1.5~2mm 精确度 ±0.1% ±0.1% ±0.5% ±0.5% ±0.1% ±2%~3% ±2%~3% ±1% 直线性 ±0.1% ±0.1% ±0.5% ±0.5% ±1% 特点 分辨力较好，可静态或动态测量。机械结构不牢固 结构牢固，寿命长，但分辨力差，电噪声大 不牢固 使用方便，需温度补偿 满刻输出幅值大，温度灵非粘贴的 应 变 式 半导体的 粘贴的 度 ±20% 敏性高 ±3% 只宜用于微小位移测量 测量范围较前者宽，使用方便可靠，动态性能较差 分辨力好，受到磁场干扰时需屏蔽 电 感 式 自感式 ±0.5％ 0.15 % ~1% 特大型 300~2000mm 差动变压器 ±0.08~75mm ±0.5%

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±1 涡电流式 ±2.5~±250mm % ~3% 同步机 360° ±0.1°~±7° ±1% ±0.5% ＜3% 分辨力好，受被测物体材料、形状、加工质量影响 可在1200r/min转速工作，坚固，对温度和湿度不敏感 ±0.05% 非线性误差与变压比±0.1% 和测量范围有关 受介电常数因环境温微动同步器 旋转变压器 电 容 式 变面积 ±10° ±60° ±0.005% 10~10mm -33±1% 度、湿度而变化的影响 分辨力很好，但测量变间距 10~10mm -30.1% 范围很小，只能在小范围内近似地保存线性 霍尔元件 ±1.5mm 0.5% 2.5μm 结构简单，动态特性好 模拟和数字混合测量感应 直线式 同步 器 旋转式 10~10mm -34~ 250mm 系统，数字显示(直线式感应同步器的分辨力可达1μm) 0~360° o±0.5° 3μm 计量 光栅 长光栅 10~10mm -33~ 1m 同上(长光栅分辨力可达1μm) 圆光栅 0~360° o±0.5” 5μm 磁尺 长磁尺 10~10mm -34~ 1m 测量时工作速度可达12m/min 圆磁尺 角度 接触式 编码 光电式 器 0~360° o±1” 10rad -60~360° o0~360° o10rad -6 分辨力好，可靠性高 本设计使用了其中可直接转换成数字量的角度编码器中的光电编码器。光电编码器是一种高精度的角位移传感器。它在角度测量、位移测量和速度测量中有着广泛的应用。因其具有直接输出数字量、响应快、精度高、抗干扰能力强、分辨率高、输出稳定等特点,其应用范围不仅仅局限于角位移,角速度测量等场合,在直线位移,尤其是大位移测量领域也越来越广泛的应用。本课题即是用单片机与光电编码器来实现大位移的测量。

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图2.2-4 光电编码器输出脉冲的鉴相及其计数

2.2.4用单片机内部计数器实现可逆计数

对以上两种计数方法进行分析可知,用纯软件计数虽然电路简单,但是计数速度慢,难以满足实时性要求,而且容易出错,用外接加减计数芯片的方法,虽然速度快,但硬件电路复杂,由图4 可以看出,要制作一个12 位计数器需要5 个外围芯片,成本较高。我们可以用单片机内部的计数器来实现加减计数。单片机8051 片内有2 个16 位定时器(定时器0 和定时器1) ,单片机8052 还有一个定时器(定时器2) ,这3 个定时器都可以作为计数器使用。但单片机8051 内部的计数器是加1 计数器,所以不能直接应用,必须经过适当的软件编程来实现其“减”计数功能。硬件电路如图5所示。

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图2.2-5 单片机内部计数器加减计数的硬件结构

我们可以把经过D触发器之后的脉冲,即方向控制脉冲（DIR）接到单片机的外部中断INT0端，同时经过反向器后再接到另一个外部中断INT1，并且把计数脉冲A接到单片机的片内计数器T0端即可，相对外部计数芯片来说，使用这种方法电路相对要简单的多。系统工作时，先要把两个中断设置成下降沿触发，并打开相应的中断。当方向判别脉冲（DIR）由低—高跳变时，INT1中断，执行相应的中断程序，进行加计数；而当方向判别脉冲由高—低跳变时，INT0中断，执行相应的中断程序，进行“减”计数（实际是重新复值，进行加计数）。下面是软件编程思路（在C语言环境下来实现计数功能）：

#include int data k=1;

void service_int0() interrupt 0 using 0 { k-- ;/*标志位减1*/ TR0=0 ;/*停止计数*/ TH0= -TH0 ;

TL0= -TL0 ;/*把计数器重新复值，此时相当于减计数*/ TR0=1 ;/*开始计数*/ }

void service_int1() interrupt 2 using 1 { k++ ;/*标志位加1*/ TR0=0 ;/*停止计数*/ TH0= -TH0 ;

TL0= -TL0 ;/*把计数器重新复值，此时相当于加计数*/

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TR0=1 ;/*开始计数*/ }

void timer0(void) interrup 1 using2 { if(k=0) /*反向计数满*/ else if(k=1) /*计数为0*/ else

/*正向计数满*/ }

void main(void)

{TCON=0X05 ;/*设置下降沿中断*/ TMOD=0X05 ;/*T0为16位计数方式*/ IE=0X87 ;/*开中断*/ TH0=0 ;

TL0=0 ;/*预置初值*/ }

此方法采用中断的形式进行计数,硬件电路比较简单,程序也不复杂,执行速度较快。

以上分别介绍了利用软件、外接计数芯片及单片机内部计数器实现对编码器输出脉冲进行计数的方法。利用软件计数,硬件电路简单,但占用了较多的CPU 资源,执行速度较慢。利用外接计数芯片的方法计数,计数速度较快,但要用较多的外围芯片,硬件电路复杂。利用单片机内部计数器实现加减计数,在编码器旋转方向不频繁改变的情况下,计数速度很快,而且外围电路简单,编程也不复杂,只是占用了2 个外部中断和1 个内部计数器。

综上所述选用第三种计数方法，即利用单片机内部计数器实现可逆计数。

2.3 位移测量参数及电路参数分析

在本设计的仿真中，光电编码器产生的A,B相方波用PROTUES中的信号源加不同的起始时间来模拟。一个用原始的，还有一个用延时1/4周期。方向时将两个信号调换就行了。

2.3.1MCS-51的定时器/计数器简介

2个16位的定时/计数器，有多种工作方式。

定时/计数器工作在定时模式时，计数脉冲信号来自单片机的内部，计数速

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率是晶振频率的1/12，当计数器启动后，每个机器周期计数器自动加1。 定时/计数器工作在计数模式时，计数器对外部脉冲进行计数，计数器计P3.4(T0脚）P3.5(T1脚）负跳变次数。每产生一次负跳变，计数器自动加1。 如图2.3-1及表2.3-1

图2.3-1 TMOD寄存器用于定时/计数的操作方式及工作模式指令格式

表2.3-1操作方式选择位

0 0 0 0 0 1 1 0 1 1

工作方式

0 1 2 3

说 明

13位定时器/计数器，由TL0低五位和TH0高八位组成 16位定时器/计数器，由TL0低八位和TH0高八位组成 8位定时器/计数器，由TL0低八位组成

TL0低八位和TH0高八位分别位8位定时器/计数器

2.3.2定时器模式选择位

C/T＝0，定时器模式，每一个机器周期计数器自动加1。

C/T＝1，计数器模式，在单片机T0引脚上每发生一次负跳变，计数器自动加1。 GATE＝0，定时/计数器工作不受外部控制。

GATE＝1，定时/计数器T0的起停受INT0引脚的控制。 1.计算计数初始值 设计数初始值为X：

X=216-td/Tm=216-13105/1=15535

因为系统的晶振频率为fosc=12MHz，则机器周期Tm=12/fosc=1μs。

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则（TH0）=00111100B＝3CH，（TL0）=10101111B=AFH 2.设置工作方式

方式0：M1M0=01； 定时器模式：C/T=1； 定时/计数器启动不受外部控制： GATE=0； 因此，（TMOD）=05H。

关于测速电路的参数，本次设计采用了如下方案：

AT89C51单片机属于CMOS型8位单片机，其在片内的振荡器电路由晶体控制的单极线性反相器组成，同HMOS型所用方法一样，要求用晶体控制的感性阻抗方波振荡器，但也存在一些差别，其一为89C51可在软件的控制下关闭振荡器，其二为89C51的内部时钟电路由XTAL2引脚上的信号来驱动。本次设计中的振荡器可用晶体作为感性电抗与外部电容组成并联共振槽路。晶体的特性与电容值的大小（C1、C2）并不严格，高质量的晶体对任何频率都可取用30pF的电容，对于廉价应用中，可采用陶瓷共振器，这时C1、C2一般取47pF；这里选取频率12MHZ晶振，电容C1、C2为30pF。看门狗电路电路参见图2.3-2

图2.3-2 MAX813L看门狗电路

图中，电阻R1和R2分压产生1.25V电源门限值。当此脚的电压低于1.25V时，即电源电压低于额定值时，PFO将产生一个脉冲信号，可以用于向CPU发出中断申请，使CPU完成应急处理。此功能可完成电源电压的监测。 P1.0喂狗信号，在软件的编制中通过对P1.0的位操作向MAX813L的看门狗输入端输入一个负脉冲。如果程序出现“跑飞”现象，程序将不能正常运行，这个定时发出的脉冲也得不到保障。当单片机超过1.6秒未向MAX813L的看门狗输入端发脉冲信号，MAX813L内部的定时器将会强制将WDO拉到低电平，这个低电平通过MR产生复位信号。单片机复位后从初始状态开始运行，从而保证系统的可靠性，起到了看门狗的作用。此电路同时兼有上电复位和按键复位功能。

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精度高、结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点。近10 几年来，发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品，在数控机床、机器人、雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的应用。光电编码器可以定义为：一种通过光电转换，将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，它主要用于速度或位置（角度）的检测。典型的光电编码器由码盘（Disk）、检测光栅（Mask）、光电转换电路（包括光源、光敏器件、信号转换电路）、机械部件等组成。一般来说，根据光电编码器产生脉冲的方式不同，可以分为增量式、绝对式以及复合式三大类。按编码器运动部件的运动方式来分，可以分为旋转式和直线式两种。由于直线式运动可以借助机械连接转变为旋转式运动，反之亦然。因此，只有在那些结构形式和运动方式都有利于使用直线式光电编码器的场合才予使用。旋转式光电编码器容易做成全封闭型式，易于实现小型化，传感长度较长，具有较长的环境适用能力，因而在实际工业生产中得到广泛的应用，在设计选择了旋转式光电编码器。

（1）增量式编码器

原理及其结构

增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说，增量式光电编码器输出A、B 两相互差90°电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的Z 相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图3.1-5 所示。

图 3.1-5 增量式光电编码器的组成

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码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有A、B 两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4 节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90°电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90°电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如图3.1-6所示。

图 3.1-6 增量式光电编码器输出的波形

增量式光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息。 （2） 绝对式光电编码器 基本构造及特点

用增量式光电编码器有可能由于外界的干扰产生计数错误，并且在停电或故障停车后无法找到事故前执行部件的正确位置。采用绝对式光电编码器可以避免上述缺点。绝对式光电编码器的基本原理及组成部件与增量式光电编码器基本相同，也是由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成。与增量式光电编码器不同的是，绝对式光电编码器用不同的数码来分别指示每个不同的增量位置，它是一种直接输出数字量的传感器。在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有 N 位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N 条码道。绝对式光电编码器原理如图3.1-7 所示。

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图 3.1-7 绝对式光电编码器组成原理

绝对式光电编码器是利用自然二进制、循环二进制（格雷码）、二-十进制等方式进行光电转换的。绝对式光电编码器与增量式光电编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对光电编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。它的特点是：可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源切除后位置信息不会丢失；编码器的精度取决于位数；最高运转速度比增量式光电编码器高。 码盘码制与码盘

绝对式光电编码器的码盘按照其所用的码制可以分为：二进制码、循环码（格雷码）、十进制码、六十进制码（度、分、秒进制）码盘等。四位二元码盘（二进制、格雷码）如图3.1-8 所示。图中黑、白色分别表示透光、不透光区域。

图3.1-8（a）四位二元码盘 图3.1-8（b）四位循环码盘

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图 3.1-8（a）是一个四位二进制码盘，它的最里圈码道为第一码道，半圈透光半圈不透光，对应于最高位C1，最外圈为第n 码道，共分成2n 个亮暗间隔，对应于最低位Cn，n 位二元二进制马盘的缺点是：每个码道的黑白分界线总有一半与相邻内圈码道的黑白分界线是对齐的，这样就会因黑白分界线刻画不精确造成粗误差。采用其他的有权编码时也存在类似的问题。为了消除这种粗误差，可以采用循环码盘（格雷码盘）。

图 3.1-8（b）是一个四位循环码盘，它与二进制码盘相同的是，码道数也等于数码位数，因此最小分辨率也是式（1-2）求得，最内圈也是半圈透光半圈不透光，对应R1 位，最外圈是第n 码道对于Rn 位。与二进制码盘不同的是：第二码道也是一半透光一半不透光，第i码道分为2i-1个黑白间隔，第i 码道的黑白分界线与第i-1 码道的黑白分界线错开360°/ 2i。循环码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化。只要适当限制各码道的制作误差和安装误差，就不会产生粗误差。由于这一原理，使得循环码盘获得广泛的应用。 （3）混合式光电编码器

混合式光电编码器，就是在增量式光电编码器的基础上，增加了一组用于检测永磁伺服电机磁极位置的码道。它输出两组信息：一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能另一组则完全同增量式编码器的输出信息。一般来说，在码盘的最外圈刻有高密度的增量式透光缝隙（发2000，2500，3000PPR），中间分布在四圈圆环上有四个二进制四位循环码，每一个四位二进制码对应圆盘1/4 圆角度，即每1/4 圆由四位二进制循环码分割成16 个等分位置。码盘最里圈仍有发一转信号的线条。混合式光电编码器输出的绝对值信息在一定的精度上与磁极的位置具有对应关系。通常它给出相位相差120 度的三相信号，用于控制永磁伺服电机定子三相电流的相位。混合式光电编码器会输出三路波形信号，U（/U）、V（/V）和W（/W）三相脉冲信号彼此相差120 度，每转的脉冲个数与电机的极对数相一致。根据U、V、W 三相脉冲的高低电平关系可以判断电机磁极的当前位置。其过程是：电机启动前，通过U、V、W 三相脉冲的状态估算出电机磁极位置，即当前的角度，一旦电机旋转起来，光电编码器的增量式部分可以精确地检测出位置值。使用U、V、W 信号来判断磁极位置是有误差的。从旋转码盘读出的光电信号经光电放大器和模拟信号多路转换器，送至 A/D 转换器后者实际上是一种细分插值电路，用以获得高分辨率的测量脉冲。服冲数由一大容量的绝对值二进制可逆计数器计数。该计数器由备用电源供电，确保在断电时，也不丢失数据。在第一次安装机床时，对绝对零点进行调整以后，计数器永远不会被清零，所以它的计数代表了机床的绝对位置。内循环码读出的4316 个位

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置／转，代表了一周的粗计角度检测．它和永磁伺服电机四对磁极的结构相对应，可实现对永磁伺服电机的磁场位置的控制。

综上所述，增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90o，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。考虑到本次课题设计的要求及整个设计所采用的计数算法，另外还有电路系统的简单，元件的经济实惠性，本次设计决定采用增量式编码器，选择了SIEMENS公司的1XP8001-1型号，其光电编码器的输出电压为5V。

3.1.4 1XP8001-1简介

该光电编码器主要由光栅、光源、检读器、信号转换电路、机械传动等部分组成。光栅面上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；分别用两个光栅面感光。由于两个光栅面具有90°的相位差，因此将该输出输入数字加减计算器，就能测量出位移值。其外观如下：

图 3.1-9 1XP8001-1光电编码器外观

表3.1-3 机械参数 电源电压DC（V） 5±0.5 输出形式 推拉式 推挽式 系统输出 12-PIN 12-PIN

放大整形 有 有 分辨率 1024

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表3.1-4 机械参数

允许最大机械转数 频率范围 径向 9000r/min 0.8uS / 160 KHz 60N 允许轴负载 轴向 40N

表3.1-5 环境参数

工作环境 -10~+60 储存温度 -20~+80 耐振动 30m/ S （10~200Hz）（X、Y、Z三个2耐冲击 30m/ S （X、Y、Z三个方向2构造 防尘 防护等级 IP66 重量 0.3KG（电缆除外） 方向各2小时） 各2次）

光电检测装置本身是由电子元器件构成，它对安装环境有一定的技术要求，特别是在较恶劣环境下使用，要采取相应的保护措施，以使光电检测装置工作在其产品要求的技术条件下，才能发挥装置的技术性能。否则光电检测装置的使用寿命及其工作的可靠性都将受到不同程度的影响。结合光电检测装置在生产过程控制中的应用实践，在控制系统设计中；不宜采用光电检测装置的信号作为重要的控制信号，以避免光电装置突然损坏或工作不稳定（环境高温、湿度大、机械振动、外力碰创等）引起其他设备事故。在控制系统中应用PLC程序实适进行过程控制的监控或干涉，以克服了因系统中采用光电装置而存在的各种缺陷，是提高系统可靠性的有效途径。

3.2 软件的设计

系统采用C语言进行程序设计，大大提高了开发调试的工作效率。整个系统程序包括主程序，鉴相计数程序，显示子程序，看门狗程序几个模块组成。程序流程图见图3.2-1。

主程序主要包括系统的初始化：对单片机等硬件的初始化：计数值的读取、处理、计算：调用显示子程序，用于数据的显示。

鉴相计数程序主要用于电机方向的判断和计数脉冲值的处理。系统中电机方向的判断是靠计数器中的捕获模块捕获XA,XB信号来实现的。在程序中，设计一个寄存器保存电机的方向，当电机正转时，捕获模块捕获XA信号有效，在中断服务程序中将电机方向设为正转标志。反之亦然，当电机反转时，捕获XB有效，将电机方向设为反转标志。在主程序中只需根据寄存器的值，就可知道电机的旋转方向。为了防止计数器中正转，反转的计数值发生混乱，每次捕获发生时，在中断服务程序中都将计数器清零，重新计数，保证了电机换向后数据的准确性。

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图3.2-1 程序流程图

结束 延时 喂狗 送LCD模块显示 计数、计算 判断电机方向 Y 中断 电机启动 N 计数器、捕获模块初始化 系统初始化 上电初始化 主程序

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第四章 显示部分

在单片机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称LED；液晶显示器，简称LCD；荧光管显示器。

4.1 LED显示器

LED电子显示屏是由几万--几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素点。目前应用最广的是红色、绿色、黄色。而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。

LED显示屏（LED panel）：LED就是light emitting diode，发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

LED显示块是由发光二极管显示字段组成的显示器，有7段和“米”字段之分，这种显示块有共阳极和共阴极两种。 LED显示器有静态显示和动态显示。但是，LED显示位数增多时，静态显示就无法适应。动态显示时，LED的二极管从导通到发光要有一定的延时，导通时间太小，发光太弱人眼无法看清，但也不能太大，因为毕竟要受限于临界闪烁频率，而且此时间越长，占用CPU时间也越多，另外，显示位增多，也将占用大量的CPU时间，因此动态实质是以牺牲CPU空间换取时间和能耗减少。

LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形和图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。

LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是：亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。

4.2 LCD显示器

液晶显示器简称LCD（Liquid Crystal Diodes）是利用液晶经过处理后能够改变光线传输方向的特性，达到显示字符或者图形的目的。其特点是体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富等特点，在单片机应用系统中有着日益广泛的应用。

4.2.1 LCD的分类及特点

分类：笔段式和点阵式（可分为字符型和图像型）。

4.2.1笔段式LCD液晶显示器的驱动

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在LCD的公共极（一路为背电极）加上恒定的交变方波信号，通过控制段极的电压变化，在LCD两极间产生所需的零电压或二倍幅值的交变电压，以达到LCD亮、灭的控制。在笔段式LCD的段电极与背电极间施加周期地改变极性的电压（通常为4V或5V），可使该段呈黑色。

4.2.2 LCD显示模块LCDM（Liquid Crystal Display Module）

在实际应用中，用户很少直接设计LCD显示器驱动接口，一般是直接使用专用的LCD显示驱动器和LCD显示模块LCDM 。

LCDM是把LCD显示屏、背景光源、线路板和驱动集成电路等部件构造成一个整体，作为一个独立部件使用。其特点是功能较强、易于控制、接口简单，在单片机系统中应用较多。其内部结构如下页图所示。LCDM一般带有内部显示RAM和字符发生器，只要输入ASCII码就可以进行显示。如图4.2-1

图4.2-1 LCD模块外观

图4.2-2 液晶显示器基本结构

液晶显示器LCD是一种极低功耗显示器，其应用特别广泛。目前常用的LCD是根据液晶的扭曲-向列效应原理制成的。这是一种电场效应，夹在两块导电玻璃电极之间的液晶经过一定处理后，其内部的分子呈90°的扭曲，这种液晶具有旋光特性。当线形偏振光通过液晶层时，偏振面回旋转90°。当给玻璃电极加上电压后，在电场的作用下液晶的扭曲结构消失，其旋光作用也随之消失，偏振光便可以直接通过。当去掉电场后液晶分子又恢复其扭曲结构。把这样的液晶放在两个偏振之间，改变偏振片的相对位置就可得到黑底白字或白底黑字的显示形式。LCD的响应时间为毫秒级，域值电压为3～20V，功耗为5～100mW/cm2.

LCD常采用交流驱动，通常采用异或门把显示控制信号和显示频率信号合并为交变的驱动信号。当显示控制电极山上波形与公共电极上的方波相位相反时，则为显示状态。显示控制信号由C端输入，高电平为显示状态。显示频率信号是一个方波。当异或门的C端为低电平时，输出端B的电位与A端相反，LCD两端

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呈现交替变化的电压，LCD显示。常用的扭曲-向列型LCD，其驱动电压范围是3～6V。由于LCD是容性负载，工作频率越高消耗的功率越大。而且显示频率升高，对比度会变差，当频率升高到临界高频以上时，LCD就不能显示了，所以LCD宜采用低频工作。

LCD的驱动方式分为静态和时分割驱动两种。不同的LCD显示器要采用不同的驱动方式。静态驱动方式的LCD每个显示器的每个字段都要引出电极，所有显示器的公共电极连在一起后引出。显然显示位数越多，引出线也越多，相应的驱动电路也越多，故适用于显示位数较少的场合。时分割驱动方式实际上是用矩阵驱动法来驱动字符显示。字段引线相当于行引线，公共电极相当于列引线，字符的每一个字段相当于矩阵的一个点。

分时驱动是常用的时分割驱动方法。分时驱动常采用偏压法。

4.3 LCD显示器的驱动接口

驱动接口分为静态驱动和时分割驱动两种接口形式。

静态LCD驱动接口的功能是将要显示的数据通过译码器译为显示码，再变为低频的交变信号，送到LCD显示器。译码方式有硬件译码和软件译码两种，硬件译码采用译码器，软件译码由单片机查表的方法完成。

LCD的时分割驱动接口通常采用专门的集成电路芯片来实现。MC145000和MC145001是较为常用的一种LCD专用驱动芯片。MC145000是主驱动器，MC145001是从驱动器。主、从驱动器都采用串行数据输入，一片主驱动器可带多片从驱动器。主驱动器可以驱动48个显示字段或点阵，每增加一片从驱动器可以增加驱动44个显示字段或点阵。驱动方式采用1/4占空系数的1/3偏压法。

MC145000的B1～B4端是LCD背电极驱动端，接LCD的背电极，即公共电极COM1～COM4。MC145000的F1～F12和MC145001的F1～F11端是正面电极驱动器，接LCD的字段控制端。对于7段字符LCD，B1接a和f字段的背电极，B2接b和g的背电极，B3接e和c的背电极，B4接d和Dp的背电极。F1接d、e、c、f和g的正面电极，F2接a、b、c和DP的正面电极。DIN端是串行数据输入端。DCLK是移位时钟输入端。在DIN端数据有效期间，DCLK端的一个负跳变，可以把数据移入移位寄存器的最高序号位，即MC145000的第48位或MC145001的第44位，并且使移位寄存器原来的数据向低序号移动一位。MC145000的最低位移入MC145001的最高位。串行数据由单片机80C31的P3.0端送出。首先送出MC145001的第一位数据，最后送出MC145000的第48位数据。数据“1”使对应的字段显示，“0”为不显示。MC145000内部显示寄存器各位与显示矩阵的对应关系如表4-10所示。MC145001与MC145000的区别只是少了F12端对应的一列，其它对应关系都一样。

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MC145000带有系统时钟电路，在OSC IN和OSC OUT之间接一个电阻即可产生LCD显示所需要的时钟信号。这个时钟信号由OSC OUT端输出，接到个片MC145001的OSC IN端。时钟频率由谐振电路的电阻大小决定，电阻越大频率越低。使用470KΩ的电阻时，时钟频率为50Hz。时钟信号经256分频后用作显示时钟，其作用与静态时的方波信号一样，用于控制驱动器输出电平的等级和极性。另外这个时钟还是动态扫描的定时信号每一周期扫描4个背电极中的一个。由于背电极的驱动信号只在主驱动器MC145000发生，所以主从驱动器必须同步工作。同步信号由主驱动器的贞同步输出端FS OUT 输出，接到所有从驱动器的贞同步输入端FS IN。每扫描完一个周期，主驱动器即发一次帧同步信号，并且在这时更新显示寄存器的内容。

基于LCD显示块低功耗、短响应时间以及适应低频工作的特点，设计者选用LCD显示器完成显示部分的功能,并且使用静态驱动。所选的LCD型号为1602。 LCD 1602液晶显示器

1602是一款最常用也是最便宜的液晶显示屏。1602的意思是每行显示16个字符，一共可以显示两行。1602可显示内部字符（包括ASCII字符，如数字、大小写字母、各种符号、日文假名等），也可以显示自定义字符（单或多个字符组成的简单字符，汉字，图案等，最多可定义8个字符）。

1602液晶的引脚图如图4.3-1所示。

图4.3-1 1602液晶引脚图

接口说明如下：

①液晶1，2端为电源；15、16为背光电源；为防止直接加5V电压烧坏背光灯，在15脚串接一个10欧姆电阻用于限流。

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②液晶3端为液晶对比度调节端，通过一个10K欧姆电位器接地来调节液晶显示对比度。首次使用时，在液晶上电状态下，调节至液晶上面一行显示出黑色小格为止。

③液晶4端为向液晶控制器写数据/写命令选择端，接单片机的P3.0口。 ④液晶5端为读/写选择端，因为我们不从液晶读取任何数据，只向其写入命令和显示数据，因此此端始终选择写状态，我们直接将它接地。

① 液晶6端为使能信号，是操作时必需的信号，接单片机的P3.1口 ② 液晶7－14端为八位数据口，接单片机的P2口。

在本课题的设计中，会使用PROTEUS仿真，其中利用单片机AT89C52控制液晶显示器实时显示的原理图如图4.3-2所示。

图4.3-2 1602液晶原理图

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第五章 仿真实现

5.1 PROTEUS仿真软件简介

Proteus 软件是由英国 Labcenter Electronics 公司开发的EDA工具软件，已有近20年的历史，在全球得到了广泛应用。Proteus 软件的功能强大，它集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身，不仅能够对电工、电子技术学科涉及的电路进行设计与分析，还能够对微处理器进行设计和仿真，并且功能齐全，界面多彩，是近年来备受电子设计爱好者青睐的一款新型电子线路设计与仿真软件。

Proteus软件和我们手头的其他电路设计仿真软件最大的不同即它的功能不是单一的。它的强大的元件库可以和任何电路设计软件相媲美；它的电路仿真功能可以和Multisim相媲美，且独特的单片机仿真功能是Multisim及其他任何仿真软件都不具备的；它的PCB电路制版功能可以和Protel相媲美。它的功能不但强大，而且每种功能都毫不逊于Protel，是广大电子设计爱好者难得的一个工具软件。

Proteus是一个基于ProSPICE混合模型仿真器的、完整的嵌入式系统软硬件设计仿真平台。它包含ISIS和ARES应用软件，具体功能分布如图5.1-1所示。

图5.1-1 PROTEUS 功能分布图

Proteus是一个基于ProSPICE混合模型仿真器的、完整的嵌入式系统软硬件设计仿真平台。它包含ISIS和ARES应用软件，具体功能分布如图5.1-1所示。

ISIS——智能原理图输入系统，系统设计与仿真的基本平台。 ARES ——高级PCB布线编辑软件。

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在Proteus中，从原理图设计、单片机编程、系统仿真到PCB设计一气呵成，真正实现了从概念到产品的完整设计。

一个完整的产品设计过程如下：

设计者首先对所设计的产品的电路构成有所了解，再从Proteus原理图库中调用所需库元件，然后通过合适连线即可。单片机内可通过单击单片机芯片加入已编译好的十六进制程序文件或与Keil编译程序，然后运行仿真即可。再运用Proteus的PCB制版功能设计出的电路板，可通过原理图生成网络表后设计布局而成。最后根据设计的PCB加工而成的电路板和安装焊接完成后的实际电路。可见，整个电路从设计到实际电路制作完成，通过Proteus一个软件即可完美实现。并且，它的仿真结果与实际误差很小，非常适合电子设计爱好者和高校学生自学使用，缩短了设计周期，降低了生产成本，提高了设计成功率。

本次毕业设计只运用了Proteus ISIS进行了仿真。

Proteus 软件的ISIS原理图设计界面支持电路仿真模式VSM(虚拟仿真模式)。当电路元件在调用时，我们选用具有动画演示功能的器件或具有仿真模型的器件，当电路连接完成无误后，直接运行仿真按钮，即可实现声、光、动等逼真的效果，以检验电路硬件及软件设计的对错，非常直观。

Proteus ISIS运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路。该软件的特点是：

（1）实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

（2）支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。

（3）提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。

（4）具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

5.2 KEIL与PROTEUS联合使用

Proteus与Keil的联机步骤：

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1.首先，安装PROTEUS和keil软件。

2.把PROTEUS\\MODEL目录下VDM51.DLL文件复制到keil安装目录的\\c51\\bin目录中。

3.修改keil安装目录下的TOOLS.INI文件，在c51字段中加入TDRV5=BIN\\VDM51.DLL（“PROTEUS VSM MONITOR-51 DRIVER”），并保存。（注：不一定要用TDRV5，根据原来字段选用一个不重复的数值就可以了，引号中的名字可随意写。）

4.运行PROTEUS，画出要设计的电路图，在debug菜单中选择Use Remote Debug Monitor选项。

5.在keil中编写相应的程序代码。

6.在keil中Project菜单中选择Options for target'target 1'选项. 7.在弹出的对话框中单击debug选项卡，选择用硬件仿真，在右上方的下三角按钮选择PROTEUS VSM MONITOR-51 DRIVER。

8.单击SETRING按钮在HOST中写127.0.0.1；在PORT中写8000；单击OK按钮。

9.在keil中调试程序，在PROTEUS中观察结果。 Keil仿真程序:

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结 论

本文对单片机用于位移测量的理论、原理进行了系统的分析、比较，并对每种测量方法定性、定量的予以阐述，设计了显示接口电路和应用程序。以下从四个方面进行总结:

硬件电路

单片机用于位移测量种类较多，方法各有不同，在硬件设计上根据使用场合、功能和要求，采用的电路也有差异，单片机有用89C51系列的89C51、89C52等，并对其进行扩展。本系统采用89C51单片机，充分利用单片机内部自带的16位定时计数器进行设计，较完全的开发了单片机自身的功能，接口利用了89C51的P2口具有较大的电流驱动能力的特点，未扩展驱动芯片，直接由单片机驱动，简化了硬件电路。有一定的实用价值和较高的性价比，可用于工业控制中的转速检测、民用电器及其他应用。

测量方法

在测量原理上采用了利用单片机内部计数器实现可逆计数的测量方法，保证了在位移测量中获得较高的精度。应用范围广泛，可通过扩展进行二次开发。

程序调试

本系统进行了全面的程序设计，显示程序、中断服务程序和初始化程序，并对这些程序在Keil U3软件上进行编译和调试，并且与Proteus进行了联机仿真，取得了较好的仿真效果。Keil的编译HEX文件还可通过编程器写入芯片中。这次的设计基本达到了设计的要求.

改进方法和进一步的工作

光电编码器输出的脉冲的计量长、短，其设定值是人为估计的，可以针对具体的应用，根据位移的实际情况来调整单位脉冲的长度设定值。下步工作能制作完整电路工作板，即硬件电路，用示波器测量其参数。更深入的分析其精度和误差。

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谢 辞

三个月的设计，在张春永老师的悉心指导和同学们的热情帮助下完成了，在这里，我要特别感谢我的毕业设计指导老师即张春永老师的耐心指导与帮助，这次的毕业设计不仅让我运用了大学四年所学到的知识，同时我还学到了许多新知识。总之，这次的毕业设计让我受益匪浅！

在临近毕业之际，我还要借此机会向在这四年中给予我诸多教诲和帮助的各位老师表示由衷的谢意，感谢他们四年来的辛勤栽培。不积跬步无以至千里，各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业论文。同时，在论文写作过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有关作者表示谢意。我还有感谢各位同学，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们的帮助和支持，再次我表示深深地感谢！

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参 考 文 献

[1] 陈先锋 实用光电编码器技术[J]. http://www.docin.com/p-36401413.html

[2] 潘明东 光电编码器输出脉冲的几种计数方法[J].电子工程师 第30卷第8期

[3] 卢国纲 位移测量技术及其传感器的最新发展[J].中国科学院自动化研究所 WMEM 4期2005年8月

[4] 李庆祥，徐端颐 实用光电技术[M]．第一版．北京：中国计量出版社，1996，61—67

[5] 赵建玉,梁立新,黄明键 用光电编码器测量直线位移[J]. 山东建材工业学院学报 第14卷第2期 2000年6月

[6] 孙育才 MCS-51系列单片微型计算机及其应用[M].东南大学出版社 2004.10

[7] 何立民 MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京航空航天大学出版社 1990.1

[8] 马淑华，高原 proteus仿真应用[M].北京邮电大学出版社 2006

[9] Measurement of Line Displacement with Photo-electronic Encoder [M].John Wiley & Sons, Chichester,UK, 1992.

[10] 赵负图 国内外最新常用传感器和敏感元器件性能数据手册[M]. 辽宁科学技术出版社 1994

[11] 关积珍，陆家和.2005年我国LED显示屏产业发展综述[J]激光与红外2006.36(12)：1089～1091

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附录一 系统电路原理图

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附录二 程序清单

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附录三 仿真电路图

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ll93.html