四自由度平台设计（角）位移传感器
随着科学技术的不断发展，各行各业对于角位移测量都有更高的要求。本课题想要构建一个控制精度高、响应速度快、控制简单易行、并且有一定负载能力和刚度的四自由度平台。本设计主要研究基于MSP430F149的角位移传感器系统，并配合伺服电机部分构建位移及转角控制系统。整个系统包括MSP430主控系统、液晶显示控制系统、光电编码器等。操作者将编码器连接到伺服电机上，编码器随着电机进行旋转，输出的数据经过锁存器进行锁存,最终主控芯片对数据进行处理并控制液晶将角度显示出来。关键词 四自由度平台，角位移传感器，单片机目 录
1 引言 2
1.1 位移传感器研究背景 2
1.2 位移传感器的发展现状及趋势 2
1.3 课题研究的内容 4
2 系统的总体设计 4
2.1 角位移传感器的系统方案选择 4
2.2 角位移传感器的系统总体框图 7
2.3 系统的整体工作流程 7
3 系统硬件总电路设计 7
3.1 系统硬件总电路构成 8
3.2 主控芯片的硬件设计 8
3.3 绝对式光电编码器的硬件设计 9
3.4 74HC573锁存器的硬件设计 10
3.5 LCD1602液晶显示器的硬件设计 10
4 系统软件程序的设计 11
4.1 IAR System开发软件 12
4.2 光电编码器控制部分软件设计 14
4.3 74HC573控制部分软件设计 15
4.4 LCD1602控制部分软件设计 16
4.4 上位机的软件设计 18
5 系统调试 19
5.1 系统软件调试 19
5.2 未上电调试 20
5.3 上电调试 20
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献 23
附录A 角位移传感器原理图 24
附录B 系统程序 25
1 引言
传感器技术是现代科学技术的前沿，是集测量技术、半导体技术
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
> 5.1 系统软件调试 19
5.2 未上电调试 20
5.3 上电调试 20
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献 23
附录A 角位移传感器原理图 24
附录B 系统程序 25
1 引言
传感器技术是现代科学技术的前沿，是集测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、材料科学等众多学科并互相交叉影响的高新技术，是现代信息科技的三大支柱之一。角位移传感器是一种位移传感器，它采用非接触式的专利设计，把对角度这一物理量的测量转化成为对其他物理量的测量[1]。
1．1 位移传感器研究背景
从上个世纪开始，位移传感器的发展前后经历了两个阶段。第一个阶段为经典位移传感器阶段，第二个则为半导体位移传感器阶段。在20世纪80年代前，科学家们根据经典电磁学，通过把不好定量测量并处理的位移、速度、流量等众多物理量转化为可以方便定量测量，并方便做信息的传输并处理的电学量[2]。近20多年以来, 位移传感器种类越来越多, 它应用领域也在不断扩大,并且同时传感器中也越来越多的运用创新技术,例如基于OEM的LVDT技术[3,4]、超声波技术、时栅技术[5]等,位移传感器这一技术已取得了实质性的进展。并且由于技术的不断进步不断创新, 各种传感器性能也显著提高, 而且成本日益降低, 从而极大地扩展了传感器的应用范围, 使它逐渐形成了一个飞速增长的新兴产业。
1．2 位移传感器的发展现状及趋势
随着近些年各国的航空航天等军事领域,以及工业自动控制和农业现代化的不断创新发展,行行业业对位移传感器的需求量也日益增加,并且同时要求位移传感器进一步进行技术的不断创新,有更多的新技术、新材料的运用,从而来满足不同应用场合、不同的环境条件的需求。在这之中，具有代表性的新技术主要如下几种。
1.2.1 导电塑料在位移传感器上的应用
21世纪初，由于导电塑料的偶然发现,并随着研究的不断深入,这一材料的应用也变得越来越广泛。日本、美国等国家相继开始将导电塑料作为敏感材料应用在非常精密的角度传感器中,并且将导电塑料制成电阻膜的形式,从而使得原来老式的传感器式的角度传感器的结构变得简单精炼,并克服了老式的绕线式电位器位移传感器的分辨能力较差、摩擦的阻力较大和碳膜式电位器位移传感器的电噪声较大、耐磨性能差而且使用寿命较短等的不足。由于其输出精度显著提高,并有且具备极强的抗噪声能力还有超长的机械寿命,被大量应用于火炮、导弹等军事武器当中,而且已经广泛的应用到了许多民用的领域。例如其中的德国VOLFA位移传感器的测量长度为50～1000mm,重复性为±0.013mm,线性为±0.05％,寿命最高长达为5000万次,并且噪声很低,无断解像度[6]。
1.2.2 LVDT式位移传感器
LVDT式位移传感器因为它的结构简单并且其抗恶劣环境好且工作稳定可靠等优点, 所以在很长一段时间一直得到位移传感器使用者的喜爱和应用。后来随着近30年OEM技术应用于传感器技术并且随着LVDT信号处理电路的不断开发,这使得传感器走向了智能化、集成化的道路。例如德国的米铱、美国的Schaevitz还有英国Micro-Epsilon等国际性的大公司在研发LVDT传感器这一行业走在了世界的前沿,其中研发的传感器最高精度可以达到0.05％,且其绝对误差才1um,重复性有0.1um，在中国也有这样研发的公司，例如阜新祥锐传感器有限责任公司、上海鑫杰传感测控科技有限公司、北京汇金祥科技有限公司等等多家单位研发生产LVDT式传感器,不但技术成熟,而且已经开发出一体化、小型化的LVDT式传感器了[6]。
1.2.3 激光位移式传感器
激光位移式传感器对位移的测量采用的不仅仅是非接触式的测量方式，并且其具有较高的测量精度。朱万彬[7]等人研究了一种将激光位移式传感器测量工件上点的二维坐标利用起来，来实现物体形状的高精度的测量。主要方法是通过一维电位移平台来带动激光位移传感器进行扫描物体的表面，然后把测量得到的数据进行处理，最终可以得到物体的表面形状。吉林大学根据个被测物体表面的不同特征功能，对激光位移式传感器进行进一步的研究与创新，并且着重分析了被测物体表面倾斜角、粗糙度、表面曲率等因素对于测量结果的影响规律，最终找出相应的措施来减少测量误差。
1.2.4 栅式位移传感器
栅式位移传感器是位移测量中应用最广泛的，重庆大学开展了对光栅位移传感器、感应同步器和时栅位移传感器的原理交叉融合的研究还有对新型时栅位移传感器的研究[9]。在详细的分析了位移测量方法之后，他们将光栅技术和感应同步器技术交叉融合在一起并提出了一种新的行波形成方法，根据这些方法最终设计并且研制出了三种新型时栅式位移传感器，这三种新型时栅式位移传感器一个方面是对现在的利用电磁场的场式时栅位移传感器的进一步完善并且改进；另一个方面可以将场式时栅这种研究的思想发展到光场当中去。最后经过误差分析，最终明确了影响时栅位
1 引言 2
1.1 位移传感器研究背景 2
1.2 位移传感器的发展现状及趋势 2
1.3 课题研究的内容 4
2 系统的总体设计 4
2.1 角位移传感器的系统方案选择 4
2.2 角位移传感器的系统总体框图 7
2.3 系统的整体工作流程 7
3 系统硬件总电路设计 7
3.1 系统硬件总电路构成 8
3.2 主控芯片的硬件设计 8
3.3 绝对式光电编码器的硬件设计 9
3.4 74HC573锁存器的硬件设计 10
3.5 LCD1602液晶显示器的硬件设计 10
4 系统软件程序的设计 11
4.1 IAR System开发软件 12
4.2 光电编码器控制部分软件设计 14
4.3 74HC573控制部分软件设计 15
4.4 LCD1602控制部分软件设计 16
4.4 上位机的软件设计 18
5 系统调试 19
5.1 系统软件调试 19
5.2 未上电调试 20
5.3 上电调试 20
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献 23
附录A 角位移传感器原理图 24
附录B 系统程序 25
1 引言
传感器技术是现代科学技术的前沿，是集测量技术、半导体技术
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
> 5.1 系统软件调试 19
5.2 未上电调试 20
5.3 上电调试 20
结 论 21
致 谢 22
参 考 文 献 23
附录A 角位移传感器原理图 24
附录B 系统程序 25
1 引言
传感器技术是现代科学技术的前沿，是集测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、材料科学等众多学科并互相交叉影响的高新技术，是现代信息科技的三大支柱之一。角位移传感器是一种位移传感器，它采用非接触式的专利设计，把对角度这一物理量的测量转化成为对其他物理量的测量[1]。
1．1 位移传感器研究背景
从上个世纪开始，位移传感器的发展前后经历了两个阶段。第一个阶段为经典位移传感器阶段，第二个则为半导体位移传感器阶段。在20世纪80年代前，科学家们根据经典电磁学，通过把不好定量测量并处理的位移、速度、流量等众多物理量转化为可以方便定量测量，并方便做信息的传输并处理的电学量[2]。近20多年以来, 位移传感器种类越来越多, 它应用领域也在不断扩大,并且同时传感器中也越来越多的运用创新技术,例如基于OEM的LVDT技术[3,4]、超声波技术、时栅技术[5]等,位移传感器这一技术已取得了实质性的进展。并且由于技术的不断进步不断创新, 各种传感器性能也显著提高, 而且成本日益降低, 从而极大地扩展了传感器的应用范围, 使它逐渐形成了一个飞速增长的新兴产业。
1．2 位移传感器的发展现状及趋势
随着近些年各国的航空航天等军事领域,以及工业自动控制和农业现代化的不断创新发展,行行业业对位移传感器的需求量也日益增加,并且同时要求位移传感器进一步进行技术的不断创新,有更多的新技术、新材料的运用,从而来满足不同应用场合、不同的环境条件的需求。在这之中，具有代表性的新技术主要如下几种。
1.2.1 导电塑料在位移传感器上的应用
21世纪初，由于导电塑料的偶然发现,并随着研究的不断深入,这一材料的应用也变得越来越广泛。日本、美国等国家相继开始将导电塑料作为敏感材料应用在非常精密的角度传感器中,并且将导电塑料制成电阻膜的形式,从而使得原来老式的传感器式的角度传感器的结构变得简单精炼,并克服了老式的绕线式电位器位移传感器的分辨能力较差、摩擦的阻力较大和碳膜式电位器位移传感器的电噪声较大、耐磨性能差而且使用寿命较短等的不足。由于其输出精度显著提高,并有且具备极强的抗噪声能力还有超长的机械寿命,被大量应用于火炮、导弹等军事武器当中,而且已经广泛的应用到了许多民用的领域。例如其中的德国VOLFA位移传感器的测量长度为50～1000mm,重复性为±0.013mm,线性为±0.05％,寿命最高长达为5000万次,并且噪声很低,无断解像度[6]。
1.2.2 LVDT式位移传感器
LVDT式位移传感器因为它的结构简单并且其抗恶劣环境好且工作稳定可靠等优点, 所以在很长一段时间一直得到位移传感器使用者的喜爱和应用。后来随着近30年OEM技术应用于传感器技术并且随着LVDT信号处理电路的不断开发,这使得传感器走向了智能化、集成化的道路。例如德国的米铱、美国的Schaevitz还有英国Micro-Epsilon等国际性的大公司在研发LVDT传感器这一行业走在了世界的前沿,其中研发的传感器最高精度可以达到0.05％,且其绝对误差才1um,重复性有0.1um，在中国也有这样研发的公司，例如阜新祥锐传感器有限责任公司、上海鑫杰传感测控科技有限公司、北京汇金祥科技有限公司等等多家单位研发生产LVDT式传感器,不但技术成熟,而且已经开发出一体化、小型化的LVDT式传感器了[6]。
1.2.3 激光位移式传感器
激光位移式传感器对位移的测量采用的不仅仅是非接触式的测量方式，并且其具有较高的测量精度。朱万彬[7]等人研究了一种将激光位移式传感器测量工件上点的二维坐标利用起来，来实现物体形状的高精度的测量。主要方法是通过一维电位移平台来带动激光位移传感器进行扫描物体的表面，然后把测量得到的数据进行处理，最终可以得到物体的表面形状。吉林大学根据个被测物体表面的不同特征功能，对激光位移式传感器进行进一步的研究与创新，并且着重分析了被测物体表面倾斜角、粗糙度、表面曲率等因素对于测量结果的影响规律，最终找出相应的措施来减少测量误差。
1.2.4 栅式位移传感器
栅式位移传感器是位移测量中应用最广泛的，重庆大学开展了对光栅位移传感器、感应同步器和时栅位移传感器的原理交叉融合的研究还有对新型时栅位移传感器的研究[9]。在详细的分析了位移测量方法之后，他们将光栅技术和感应同步器技术交叉融合在一起并提出了一种新的行波形成方法，根据这些方法最终设计并且研制出了三种新型时栅式位移传感器，这三种新型时栅式位移传感器一个方面是对现在的利用电磁场的场式时栅位移传感器的进一步完善并且改进；另一个方面可以将场式时栅这种研究的思想发展到光场当中去。最后经过误差分析，最终明确了影响时栅位
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