1、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(guò)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(duì)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(shí)莫爾條紋也移動(dòng)，經(jīng)過(guò)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(hào)。 （a）長(zhǎng)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(hào)再經(jīng)過(guò)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(duì)移動(dòng)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 單片機(jī)計(jì)數(shù)運(yùn)算 放大整形電路

2、光柵傳感器位移信號(hào) LCD屏顯示圖2 系統(tǒng)整體框圖光柵尺移動(dòng)產(chǎn)生莫爾條紋，光柵傳感器檢測(cè)后產(chǎn)生近似正弦波的電信號(hào)。該電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、整形電路將正弦信號(hào)變成方波，再經(jīng)四細(xì)分、辨向電路實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變，省去了模-數(shù)轉(zhuǎn)換的部分使電路簡(jiǎn)單，編程容易。細(xì)分信號(hào)輸入到單片機(jī)T0口進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)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(jiǎn)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(dòng)輸入功能的四運(yùn)算放大器。可工作在單電源下，電壓范圍是3.0V-3

3、2V。  LM324的特點(diǎn)：1.短跑保護(hù)輸出 2.真差動(dòng)輸入級(jí) 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(gè)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(gè)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(jí)LM311，可以使方波只有5v和0v電壓值。NE

4、5532A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(dòng)能力和相當(dāng)高的小信號(hào)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(dòng)繼電器，開(kāi)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)分辨率，需要對(duì)莫爾條紋進(jìn)行細(xì)分，為記

5、錄光柵上移過(guò)的條紋數(shù)目和判斷光柵的移動(dòng)率等，光電轉(zhuǎn)換器件采用4極硅光電池來(lái)接收莫爾條紋信號(hào)。調(diào)整莫爾條紋的寬度B，使它正好與2個(gè)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(hào)，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(gè)硅光電池來(lái)接收莫爾條紋信號(hào)，則輸出的2路信號(hào)在相位上相差90°，W光柵的柵距，x標(biāo)尺光柵位移量。2個(gè)硅光電池輸出的2路信號(hào)：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減法計(jì)數(shù)脈沖表示位移的方向和大小

6、。 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(gè)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(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǎng)合。  AT89C52有40個(gè)引腳（引腳圖如圖7），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)

7、含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，2 個(gè)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(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)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、 8k可反復(fù)擦寫(>1000次）Flash ROM   · 32個(gè)雙向I/O口        · 256x8bit內(nèi)部RAM · 3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷        · 時(shí)鐘頻率0-24MHz   · 2個(gè)串行中斷 

9、60;      · 可編程UART串行通道   · 2個(gè)外部中斷源        · 共6個(gè)中斷源   · 2個(gè)讀寫中斷口線        · 3級(jí)加密位 · 低功耗空閑和掉電模式

10、0;       · 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(hào)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(jiǎn)稱LCD（Liquid Crystal Diodes）是利用液晶經(jīng)過(guò)處理后能夠改變光線傳輸方向的特性，達(dá)到顯示字符或者圖形的目的。其特點(diǎn)是體積小、重

11、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(dòng)接口，一般是直接使用專用的LCD顯示驅(qū)動(dòng)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(dòng)集成電路等部件構(gòu)造成一個(gè)整體，作為一個(gè)獨(dú)立部件使用。其特點(diǎn)是功能較強(qiáng)、易于控制、接口簡(jiǎn)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(yè)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(jiàn)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10，液晶顯示器LCD是一種極低

12、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(chǎng)效應(yīng)，夾在兩塊導(dǎo)電玻璃電極之間的液晶經(jīng)過(guò)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(guò)液晶層時(shí)，偏振面回旋轉(zhuǎn)90°。當(dāng)給玻璃電極加上電壓后，在電場(chǎng)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(guò)。當(dāng)去掉電場(chǎng)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(gè)偏振之間，改變偏振片的相對(duì)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(shí)間為毫秒級(jí)，域值電壓為320V，功耗為5100mW/cm2.2.5.2設(shè)計(jì)中LCD液晶屏的連線基

13、于LCD顯示塊低功耗、短響應(yīng)時(shí)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(dòng)。所選的LCD型號(hào)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(gè)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(shuō)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(gè)10歐姆電阻用于限流。液晶3端為液晶對(duì)比度調(diào)節(jié)端，通過(guò)一個(gè)10K歐姆電位器接地來(lái)調(diào)節(jié)液晶顯示對(duì)比度。液晶4端為向液晶控制器寫數(shù)據(jù)/寫命令選擇端，接單片機(jī)的P3.0口。液晶5

14、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(hào)，是操作時(shí)必需的信號(hào)，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(duì)外部計(jì)數(shù)芯片來(lái)說(shuō)，使用軟件方法電路相對(duì)要簡(jiǎn)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(kāi)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13 系統(tǒng)整體電路圖總結(jié)兩周的測(cè)控

15、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(lè)，也有辛酸。我們選的設(shè)計(jì)題目是“光柵位移測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)”，大家都覺(jué)得這個(gè)題目是比較簡(jiǎn)單的。其實(shí)不然，做了之后，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)電路雖然簡(jiǎn)單，但我們認(rèn)為它真正困難的地方是程序設(shè)計(jì)，不過(guò)在我們同心努力下最終完成了。我們剛選該題目時(shí)，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(shí)，應(yīng)用到實(shí)踐中去還比較少。不過(guò)，我們倆人也沒(méi)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(qǐng)教指導(dǎo)老師。通過(guò)不斷努力，終于把設(shè)計(jì)的思路和模型定了下來(lái)，并最終完成了設(shè)計(jì)。 本文對(duì)單片機(jī)用于位移測(cè)量

16、的理論、原理進(jìn)行了系統(tǒng)的分析、比較，并對(duì)每種測(cè)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(gè)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(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，較完全的開(kāi)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(dòng)能力的特點(diǎn)，直接由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)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(cè)量方法在測(cè)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(cè)量方法，保證了在位移測(cè)量中獲得較高的精度。應(yīng)用范圍廣泛，可通過(guò)擴(kuò)展進(jìn)行二次開(kāi)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)程序和初始化程序，并對(duì)這些程序在

17、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(guò)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(cè)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(cè)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(cè)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，2010 7. Keil C51幫助文

18、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(kāi)關(guān)按鍵開(kāi)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 #define RS_SET RS=1#de

19、fine 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(shí)子程序*/void delay(ui

20、nt 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(shí)1mS DelayUs2x(245); DelayUs2x(245); bit LCD_Check_Busy(void) DataPort= 0xFF; RS_CLR; RW_SET; EN_CLR; _nop_(); EN_SET; return (bit)(DataPort & 0x80); /*-

21、 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