单片机的位移测量仪设计
（一）、引言………………………………………………………………………………1
1．目的和意义1
2．课题的现状及发展情况 1
3．设计原理及方案要点1
（二）、主体 2
1．总体方案说明 2
2．硬件设计 3
3．软件设计12
4. 测试及性能分析12
（三）、总结 13
二、谢辞14
三、参考文献14
附录A14
附录B19
一、正文
（一）引言
1.目的和意义
在工业自动控制系统中，需要对各物理量进行测量并进行控制，而采用单片机可很方便地用来进行现场测试与控制并进行信号的传输，X-Y工作台的位移测量仪被广泛应用在光学精密测量机器和高精度的数控机床上，位移检测的精度和稳定性对控制系统起着关键作用。使用光栅尺作为位置测量系统的传感元件，利用光栅尺输出信号为数字量，不受温度、时间的影响，抗干扰能力强，能够动态而高精度地测量直线位移。
2．课题的现状及发展情况
X-Y工作台的位移测量系统被广泛应用在光学精密测量机器和高精度的数控机床上，位移检测的精度和稳定性对控制系统起着关键作用。《基于单片机的位移测量仪设计》是以正交解码脉冲记数处理电路HCTL-2032与单片机STC89C52RC为核心器件，通过精密光栅尺将位移信号转换电信号，经信号变换电路将电信号转换为方波信号，采用逻辑辨向电路，对光栅的正相、反向移动做出准确的判断，并采用2个计数器分别对正反两路信号进行计数，然后，用STC89C52RC单片机进行数据处理，最后送数码管显示或通过单片机串行口送入PC机并在界面上显示，也能送入其它设备作为机械运动精确定位。基于光栅 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
尺的位移控制系统在现代数控机床上的应用已较普遍，而随着数控机床的迅猛发展，对于此位移测量系统的运用也将越来越广。
3.设计原理及方案要点
3．1设计原理
使用光栅尺作为位移传感器，把位移的变化转换为电信号，经信号变换电路将电信号转换为方波信号，采用逻辑辨向电路，对光栅尺的正相、反向移动做出准确的判断，并采用2个可逆计数器分别对正反两路信号进行计数，然后，用单片机STC89C52RC进行数据处理，最后送LCD显示，机械运动产生的位移被准确的测量出来。
3．2方案要点
（1）以STC89C52RC单片机为核心控制器件，完成《基于单片机的位移测量仪设计》的设计。主要技术要求有：
1）精密测量位移，可往返测量。
2）测量结果通过LCD显示，也可通过单片机串行口送入PC机并在界面上显示，也能送入其它设备作为机械运动精确定位。
3）测量精度1μm。
（2）硬件电路的设计。硬件电路主要包含单片机STC89C52RC，计数器，细分与辨向电路，信号转换电路，振荡电路，电源电路，驱动电路和光栅尺。
（3）软件设计。软件部分主要包括信号采集子程序，数据处理和显示程序组成。其中信号采集子程序完成对信号的读入和转化；数据处理程序完成对采集数据的先行化处理；显示子程序是对电路运行结果进行循环显示，从而实现硬件、软件相结合，最终达到设计的要求。
（二）主体
1.总体方案说明
按照《基于单片机的位移测量仪设计》的技术要求，运用单片机技术控制技术，模拟电子技术、数字电子技术、、PROTE、电子测量、电子产品结构工艺等知识进行设计，首先画出结构框图，再利用PROTEL画出设计的电路原理图的初稿,选择合适的元器件,进行必要的试验，修改与确定电路原理图,撰写毕业设计论文，内容有本仪器的设计目的,设计方法,设计思路、框图、原理图、PCB图、装配图、元器件清单、单片机编程，解决在设计过程中遇到的问题，完成该位移测量仪的设计。
（1）查阅相关资料
STC89C52RC单片机的技术指标。掌握STC89C52RC单片机外围扩展器件I/O端口、串行通信端口等器件的工作原理及使用方法，电子设备的抗干扰技术，PCB板设计等；典型的单片机应用程序（定时、显示控制、输入检测等）；测量仪器仪表的技术要求，抗干扰技术；线路板设计；所需测量仪器及其技术指标等。
（2）总体设计
根据《基于单片机的位移测量仪设计》的技术要求及功能，内容包括硬件电路的组成及各部分的作用、框图、所需元器件、初步画出电路图，进行必要的试验，修改与确定电路，进行单片机编程。
（3）试验
根据设计电路，首先在面包板上进行部分电路试验，在初步达到设计功能后再设计PCB板。
（4）修改与确定电路，编写单片机程序，完成基于单片机的位移测量仪设计。
2.硬件设计
硬件部分主要采用单片机STC89C52RC、光栅传感器、串口通信芯片MAX232、液晶显示器LCD1602、正交解码脉冲计数处理电路HCTL-2032、三端稳压MC7805T等。
利用单片机AT89S52与正交解码脉冲记数处理电路HCTL-2032为核心器件的位移测量仪硬件框图如图l所示。
1）单片机STC89C52RC
用STC89C52RC单片机作为核心控制器件，该单片机与8051兼容，工作频率0～33MHZ，片内8K字节Flash程序存储器，擦写次数10万次以上，片内512字节RAM数据存储器，3个硬件16位定时器，1个全双工异步串行口。
（1）P0.0～P0.7：该八条端口线其中每条线由一个输出锁存器，两个三态缓冲器，输出驱动电路和输出控制电路组成。P0口可作为普通I/O口使用。P0口作I/O口使用时，是一个准双向口。P0口的第二功能是当单片机需要扩展外部存储器时，P0口作地址/数据总线使用。
（2） P1.0～P1.7：该八条端口线每条线结构与P0口的每条线相似，但该端口无第二功能，作输出线使用时无需上拉电阻。
（3）P2.0～P2.7：该八条端口线每条线结构与P0口的每条线也相似，第一功能与P0口相同，只是作输出口时不需外接上拉电阻；当系统外扩存储器时，P2口 作系统扩展的地址总线口使用，输出高8位的地址A7～A15，与P0口第二功能相配合。
（4） P3.0～P3.7：该八条端口线是一个多用途的准双向口。第一功能作为普通I/O口使用，其功能与P1口相同。第二功能是作控制和特殊功能口使用。
P3口第二功能：
P3口密位 第二功能 功能
2）光栅传感器
将光源、2块长光栅(动尺和定尺)、光电检测器件组合在一起构成的光栅传感器通常称为光栅尺。光栅尺输出的是电信号，动尺移动一个栅距，输出的电信号便变化一个周期，它是通过对信号变化周期的测量来测出动尺与定尺的相对位移。通常使用的光栅尺输出信号为方波信号。输出方波信号的光栅尺有A相、B相和Z相3个电信号，A相与B相信号周期相同，均为W，相位差900。Z相信号可以作为校准信号以消除累积误差。图3给出了动尺移动时，A、B信号的变化情况。正相运动时A相超前B相90。，反相运动时B相超前A相900。根据A、B相超前与滞后，可确定正、反相运动。本文采用的是奥地利生产的MS60光栅尺，栅距W为0.5μm。
1．目的和意义1
2．课题的现状及发展情况 1
3．设计原理及方案要点1
（二）、主体 2
1．总体方案说明 2
2．硬件设计 3
3．软件设计12
4. 测试及性能分析12
（三）、总结 13
二、谢辞14
三、参考文献14
附录A14
附录B19
一、正文
（一）引言
1.目的和意义
在工业自动控制系统中，需要对各物理量进行测量并进行控制，而采用单片机可很方便地用来进行现场测试与控制并进行信号的传输，X-Y工作台的位移测量仪被广泛应用在光学精密测量机器和高精度的数控机床上，位移检测的精度和稳定性对控制系统起着关键作用。使用光栅尺作为位置测量系统的传感元件，利用光栅尺输出信号为数字量，不受温度、时间的影响，抗干扰能力强，能够动态而高精度地测量直线位移。
2．课题的现状及发展情况
X-Y工作台的位移测量系统被广泛应用在光学精密测量机器和高精度的数控机床上，位移检测的精度和稳定性对控制系统起着关键作用。《基于单片机的位移测量仪设计》是以正交解码脉冲记数处理电路HCTL-2032与单片机STC89C52RC为核心器件，通过精密光栅尺将位移信号转换电信号，经信号变换电路将电信号转换为方波信号，采用逻辑辨向电路，对光栅的正相、反向移动做出准确的判断，并采用2个计数器分别对正反两路信号进行计数，然后，用STC89C52RC单片机进行数据处理，最后送数码管显示或通过单片机串行口送入PC机并在界面上显示，也能送入其它设备作为机械运动精确定位。基于光栅 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
尺的位移控制系统在现代数控机床上的应用已较普遍，而随着数控机床的迅猛发展，对于此位移测量系统的运用也将越来越广。
3.设计原理及方案要点
3．1设计原理
使用光栅尺作为位移传感器，把位移的变化转换为电信号，经信号变换电路将电信号转换为方波信号，采用逻辑辨向电路，对光栅尺的正相、反向移动做出准确的判断，并采用2个可逆计数器分别对正反两路信号进行计数，然后，用单片机STC89C52RC进行数据处理，最后送LCD显示，机械运动产生的位移被准确的测量出来。
3．2方案要点
（1）以STC89C52RC单片机为核心控制器件，完成《基于单片机的位移测量仪设计》的设计。主要技术要求有：
1）精密测量位移，可往返测量。
2）测量结果通过LCD显示，也可通过单片机串行口送入PC机并在界面上显示，也能送入其它设备作为机械运动精确定位。
3）测量精度1μm。
（2）硬件电路的设计。硬件电路主要包含单片机STC89C52RC，计数器，细分与辨向电路，信号转换电路，振荡电路，电源电路，驱动电路和光栅尺。
（3）软件设计。软件部分主要包括信号采集子程序，数据处理和显示程序组成。其中信号采集子程序完成对信号的读入和转化；数据处理程序完成对采集数据的先行化处理；显示子程序是对电路运行结果进行循环显示，从而实现硬件、软件相结合，最终达到设计的要求。
（二）主体
1.总体方案说明
按照《基于单片机的位移测量仪设计》的技术要求，运用单片机技术控制技术，模拟电子技术、数字电子技术、、PROTE、电子测量、电子产品结构工艺等知识进行设计，首先画出结构框图，再利用PROTEL画出设计的电路原理图的初稿,选择合适的元器件,进行必要的试验，修改与确定电路原理图,撰写毕业设计论文，内容有本仪器的设计目的,设计方法,设计思路、框图、原理图、PCB图、装配图、元器件清单、单片机编程，解决在设计过程中遇到的问题，完成该位移测量仪的设计。
（1）查阅相关资料
STC89C52RC单片机的技术指标。掌握STC89C52RC单片机外围扩展器件I/O端口、串行通信端口等器件的工作原理及使用方法，电子设备的抗干扰技术，PCB板设计等；典型的单片机应用程序（定时、显示控制、输入检测等）；测量仪器仪表的技术要求，抗干扰技术；线路板设计；所需测量仪器及其技术指标等。
（2）总体设计
根据《基于单片机的位移测量仪设计》的技术要求及功能，内容包括硬件电路的组成及各部分的作用、框图、所需元器件、初步画出电路图，进行必要的试验，修改与确定电路，进行单片机编程。
（3）试验
根据设计电路，首先在面包板上进行部分电路试验，在初步达到设计功能后再设计PCB板。
（4）修改与确定电路，编写单片机程序，完成基于单片机的位移测量仪设计。
2.硬件设计
硬件部分主要采用单片机STC89C52RC、光栅传感器、串口通信芯片MAX232、液晶显示器LCD1602、正交解码脉冲计数处理电路HCTL-2032、三端稳压MC7805T等。
利用单片机AT89S52与正交解码脉冲记数处理电路HCTL-2032为核心器件的位移测量仪硬件框图如图l所示。
1）单片机STC89C52RC
用STC89C52RC单片机作为核心控制器件，该单片机与8051兼容，工作频率0～33MHZ，片内8K字节Flash程序存储器，擦写次数10万次以上，片内512字节RAM数据存储器，3个硬件16位定时器，1个全双工异步串行口。
（1）P0.0～P0.7：该八条端口线其中每条线由一个输出锁存器，两个三态缓冲器，输出驱动电路和输出控制电路组成。P0口可作为普通I/O口使用。P0口作I/O口使用时，是一个准双向口。P0口的第二功能是当单片机需要扩展外部存储器时，P0口作地址/数据总线使用。
（2） P1.0～P1.7：该八条端口线每条线结构与P0口的每条线相似，但该端口无第二功能，作输出线使用时无需上拉电阻。
（3）P2.0～P2.7：该八条端口线每条线结构与P0口的每条线也相似，第一功能与P0口相同，只是作输出口时不需外接上拉电阻；当系统外扩存储器时，P2口 作系统扩展的地址总线口使用，输出高8位的地址A7～A15，与P0口第二功能相配合。
（4） P3.0～P3.7：该八条端口线是一个多用途的准双向口。第一功能作为普通I/O口使用，其功能与P1口相同。第二功能是作控制和特殊功能口使用。
P3口第二功能：
P3口密位 第二功能 功能
2）光栅传感器
将光源、2块长光栅(动尺和定尺)、光电检测器件组合在一起构成的光栅传感器通常称为光栅尺。光栅尺输出的是电信号，动尺移动一个栅距，输出的电信号便变化一个周期，它是通过对信号变化周期的测量来测出动尺与定尺的相对位移。通常使用的光栅尺输出信号为方波信号。输出方波信号的光栅尺有A相、B相和Z相3个电信号，A相与B相信号周期相同，均为W，相位差900。Z相信号可以作为校准信号以消除累积误差。图3给出了动尺移动时，A、B信号的变化情况。正相运动时A相超前B相90。，反相运动时B相超前A相900。根据A、B相超前与滞后，可确定正、反相运动。本文采用的是奥地利生产的MS60光栅尺，栅距W为0.5μm。
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