单片机的光栅尺直接读取与显示
摘 要在当今国际市场上关于光栅尺测量系统占有很大的比重。随着计算机技术和微电子的发展，在自动控制、仪器仪表、数控机床及计量仪器等领域,使采用光栅传感器作为长度角度检测元件的自动检测技术得到了普遍应用。本文的目的是利用常见的51单片机对光栅尺进行位置读取并在LCD显示。采用STC12C5A60S2单片机对光栅尺位移进行测量，通过对光栅尺信号进行细分实现高分辨力测量。方案设计上，与常见的几种处理方法进行了对比；论述了光栅尺原理；进行了系统硬件设计，包括光栅尺接口、单片机最小系统、显示屏接口等。软件设计部分首先通过采用查询式方法编程判断光栅尺移动方向，然后跳转相应脉冲计数程序，利用单片机内部的计时器中断功能作为脉冲计数结束标志。还包括单片机参数设置，数据处理，液晶屏显示等几部分。论文完成了单片机脉冲计数及方向判断及显示，基本达到设计要求，该设计方案简单易行，计数稳定，成本低廉，效率高。
目录
第一章 绪论 1
1.1背景、目的和意义 1
1.2光栅尺的国内外研究现状 2
1.3论文的主要内容 2
第二章 方案及硬件设计 4
2.1硬件总体方案设计 4
2.2 STC12C5A60S2简介 5
2.3 光栅尺 7
2.3.1JCXF系列光栅尺 7
2.3.2光栅尺的辨向原理 8
2.3.3检测与数据处理 8
2.4 液晶显示屏简介 9
2.4.1模块选择及硬件接线 9
第三章 软件设计 11
3.1软件设计总体方案 11
3.1.1 运用PCA捕获模式读取 11
3.1.2 运用外部中断读取 13
3.1.3方案对比 13
3.2主要程序及其注解 14
第四章 实验结果 17
4.1液晶屏显示实验结果 17
第五章 结论及展望 20
5.1全文总结 20
5.2展望 20
结束语 21
致 谢 22
参考文献 23
第一章 绪论
1.1背景、目的和
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
意义
由于电子技术的不断进步和发展,电量的特点也不再局限，渐渐发展出很多特点比如：便于传输、转换、处理、显示等。因此将非电量转换成可以处理的电量的输出是常用的传感器的主要功能。运动控制对于精确控制运动部件的运动参数的要求越来越高，甚至成了运动控制的主要目的。并且一般情况下都采取的是闭环控制方法，为此运动控制配有的传感器测量的运动参数的精确度要求十分严格。因为只有这样才能实现闭环系统的完整性。这一点在高性能的数字控制系统如：伺服系统和调速系统中表现的尤为明显。提高系统性能的关键技术之一是实现电机转速和位置的数字检测。作为实现运动控制功能的系统的重要元器件之一的传感器，它的精度可以说是能直接影响运动控制系统的精度。在运动控制系统中常有唯一的被测量比如说加速度、力矩、速度等；电流、脉冲、二进制编码等也可以通过传感器来输出。位置和速度传感器并不是单一的模式，它有模拟式、数字式两种形式；当然它也有其他的划分的方法，比如：如果把它划分为直线型和旋转型则属于按运动形式划分的；而划分为光电效应、压电效应则属于按信号产生的转换原理划分的。
因为单片机有比较小的体积、比较低的成本和它的性价比也比较好、可靠性比较高等特点，所以它被于很多行业所青睐比如说嵌入式、工业、交通、智能家电、移动设备等行业。平时我们使用的单片机分为两种结构：冯诺依曼和哈佛结构两种结构。哈佛结构单片机的典型代表就是传统的8051系列的单片机。但是根据单片机的功能用途通常情况下也会将单片机划分为两大类：通用型和专用型。只不过相对于专用型而言，通用型无论性能还是适应性方面都更占优势，可以实现各种功能。而专用型的功能就比较狭隘顾名思义它是按照某个特定的需求而专门设计的。
光栅尺，亦可以被称为光栅尺位移测量传感器或者光栅尺传感器，它是一种基于光栅的莫尔条纹原理和光的透射、反射原理而运行的一种用于反馈的测量仪器。在数控机床的闭环伺服控制系统中我们可以经常看到它的应用，当然它也有其他方面的应用比如关于检测角位移或者直线位移方面。它在检测范围，检测精度，响应速度等方面具有广，高，快的特点。
液晶屏有着与大规模集成电路类似的加工工艺，所以它的基本配置是一个像素一个半导体开关。，它之所以可以连续进行控制，并且每个节点都相对独立不互相干扰，是因为它的每个像素是都直接通过点脉冲控制的，这样的设计不仅可以精确控制并且显示精度，而且可以提高显示屏的反应速度。
本设计就是将JCXFDKH系列的光栅尺与STC系列的单片机连接，不用另外连接电路，直接通过软件编程实现单片机的脉冲捕获功能和位移方向判断等功能。整体来说本次实验有以下几个优点：硬件的成本比较低廉、软件的编程相对简易、单片机计数也趋于稳定、通用性较强而且它的外围电路也十分简单。
1.2光栅尺的国内外研究现状
到目前为止,主要有三种方法对光栅尺的移动方向进行检测: (1)计算机软件实现位移脉冲的计录与显示。（2）硬件采集位移脉冲信号，采用辨向放大电路，软件与简单应用算法设计光栅位移的测量; (3)软硬件相结合的方法，硬件用来测量位移，软件用来分频鉴相，简单说来就是利用AVR 单片机对光栅尺脉冲信号进行读取以达到最高精度的测量位移及其分辨率读取,为了实现速度的较高响应，可以利用单片机16位T2计数器来进行硬件计数。最后, 通过单片机的串行端口可以将实验所采集到的脉冲数以及位置数据传送至显示屏或者监控机中通过监控程序进行动态显示，这种方法在计数精度，稳定数据，抗干扰能力方面的优势要大于其它两种方法，只不过该方式在前期用软硬件相结合的软件鉴相、四倍频处理的过程比较复杂。
对光栅尺的研究在国内也是多种多样的的。如：运用单片机内对光栅尺的位移进行测量（《基于单片机的光栅位移测量》刘明，马超.2009），该方法硬件设计部分包括信号采集、变相细分、数据处理和数据显示。软件设计部分主要通过对单片机进行编程来实现数据的处理与显示。
1.3论文的主要内容
除本章绪论外，论文主要讲述的是以下几个内容：
在第二章中讲述的是实验的硬件设计，首先对本次实验所需硬件的设计进行了简单的介绍同时也与不同方案下的硬件设计进行了对比；AT89C51是传统的51单片机它可以利用自身的外部中断的功能来实现对光栅尺移动方向的判断以及对脉冲个数的计数；STC系列的单片机则利用普通单片机没有的，本身集聚的PCA捕获模块来实现这一功能，其次介绍了本次实验所用的STC系列的单片机的基本结构图，所选用的光栅尺的型号，液晶屏的型号以及它们各自的相应参数表。
第三章讲述的是实验所用到的软件设计方面，首先说明了如何对软件进行编程以实现本次实验的目的，以及对大致的软件设计思路进行了说明。其次，对使用单片机的PCA功能实现对光栅尺的位移方向判断以及对光栅尺脉冲计数进行读取的方法进行了解释，并且利过直观的流程图来对软件编程的大概思路进行了说明。最后，就是对此次实验中的主要程序进行注释说明。
目录
第一章 绪论 1
1.1背景、目的和意义 1
1.2光栅尺的国内外研究现状 2
1.3论文的主要内容 2
第二章 方案及硬件设计 4
2.1硬件总体方案设计 4
2.2 STC12C5A60S2简介 5
2.3 光栅尺 7
2.3.1JCXF系列光栅尺 7
2.3.2光栅尺的辨向原理 8
2.3.3检测与数据处理 8
2.4 液晶显示屏简介 9
2.4.1模块选择及硬件接线 9
第三章 软件设计 11
3.1软件设计总体方案 11
3.1.1 运用PCA捕获模式读取 11
3.1.2 运用外部中断读取 13
3.1.3方案对比 13
3.2主要程序及其注解 14
第四章 实验结果 17
4.1液晶屏显示实验结果 17
第五章 结论及展望 20
5.1全文总结 20
5.2展望 20
结束语 21
致 谢 22
参考文献 23
第一章 绪论
1.1背景、目的和
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
意义
由于电子技术的不断进步和发展,电量的特点也不再局限，渐渐发展出很多特点比如：便于传输、转换、处理、显示等。因此将非电量转换成可以处理的电量的输出是常用的传感器的主要功能。运动控制对于精确控制运动部件的运动参数的要求越来越高，甚至成了运动控制的主要目的。并且一般情况下都采取的是闭环控制方法，为此运动控制配有的传感器测量的运动参数的精确度要求十分严格。因为只有这样才能实现闭环系统的完整性。这一点在高性能的数字控制系统如：伺服系统和调速系统中表现的尤为明显。提高系统性能的关键技术之一是实现电机转速和位置的数字检测。作为实现运动控制功能的系统的重要元器件之一的传感器，它的精度可以说是能直接影响运动控制系统的精度。在运动控制系统中常有唯一的被测量比如说加速度、力矩、速度等；电流、脉冲、二进制编码等也可以通过传感器来输出。位置和速度传感器并不是单一的模式，它有模拟式、数字式两种形式；当然它也有其他的划分的方法，比如：如果把它划分为直线型和旋转型则属于按运动形式划分的；而划分为光电效应、压电效应则属于按信号产生的转换原理划分的。
因为单片机有比较小的体积、比较低的成本和它的性价比也比较好、可靠性比较高等特点，所以它被于很多行业所青睐比如说嵌入式、工业、交通、智能家电、移动设备等行业。平时我们使用的单片机分为两种结构：冯诺依曼和哈佛结构两种结构。哈佛结构单片机的典型代表就是传统的8051系列的单片机。但是根据单片机的功能用途通常情况下也会将单片机划分为两大类：通用型和专用型。只不过相对于专用型而言，通用型无论性能还是适应性方面都更占优势，可以实现各种功能。而专用型的功能就比较狭隘顾名思义它是按照某个特定的需求而专门设计的。
光栅尺，亦可以被称为光栅尺位移测量传感器或者光栅尺传感器，它是一种基于光栅的莫尔条纹原理和光的透射、反射原理而运行的一种用于反馈的测量仪器。在数控机床的闭环伺服控制系统中我们可以经常看到它的应用，当然它也有其他方面的应用比如关于检测角位移或者直线位移方面。它在检测范围，检测精度，响应速度等方面具有广，高，快的特点。
液晶屏有着与大规模集成电路类似的加工工艺，所以它的基本配置是一个像素一个半导体开关。，它之所以可以连续进行控制，并且每个节点都相对独立不互相干扰，是因为它的每个像素是都直接通过点脉冲控制的，这样的设计不仅可以精确控制并且显示精度，而且可以提高显示屏的反应速度。
本设计就是将JCXFDKH系列的光栅尺与STC系列的单片机连接，不用另外连接电路，直接通过软件编程实现单片机的脉冲捕获功能和位移方向判断等功能。整体来说本次实验有以下几个优点：硬件的成本比较低廉、软件的编程相对简易、单片机计数也趋于稳定、通用性较强而且它的外围电路也十分简单。
1.2光栅尺的国内外研究现状
到目前为止,主要有三种方法对光栅尺的移动方向进行检测: (1)计算机软件实现位移脉冲的计录与显示。（2）硬件采集位移脉冲信号，采用辨向放大电路，软件与简单应用算法设计光栅位移的测量; (3)软硬件相结合的方法，硬件用来测量位移，软件用来分频鉴相，简单说来就是利用AVR 单片机对光栅尺脉冲信号进行读取以达到最高精度的测量位移及其分辨率读取,为了实现速度的较高响应，可以利用单片机16位T2计数器来进行硬件计数。最后, 通过单片机的串行端口可以将实验所采集到的脉冲数以及位置数据传送至显示屏或者监控机中通过监控程序进行动态显示，这种方法在计数精度，稳定数据，抗干扰能力方面的优势要大于其它两种方法，只不过该方式在前期用软硬件相结合的软件鉴相、四倍频处理的过程比较复杂。
对光栅尺的研究在国内也是多种多样的的。如：运用单片机内对光栅尺的位移进行测量（《基于单片机的光栅位移测量》刘明，马超.2009），该方法硬件设计部分包括信号采集、变相细分、数据处理和数据显示。软件设计部分主要通过对单片机进行编程来实现数据的处理与显示。
1.3论文的主要内容
除本章绪论外，论文主要讲述的是以下几个内容：
在第二章中讲述的是实验的硬件设计，首先对本次实验所需硬件的设计进行了简单的介绍同时也与不同方案下的硬件设计进行了对比；AT89C51是传统的51单片机它可以利用自身的外部中断的功能来实现对光栅尺移动方向的判断以及对脉冲个数的计数；STC系列的单片机则利用普通单片机没有的，本身集聚的PCA捕获模块来实现这一功能，其次介绍了本次实验所用的STC系列的单片机的基本结构图，所选用的光栅尺的型号，液晶屏的型号以及它们各自的相应参数表。
第三章讲述的是实验所用到的软件设计方面，首先说明了如何对软件进行编程以实现本次实验的目的，以及对大致的软件设计思路进行了说明。其次，对使用单片机的PCA功能实现对光栅尺的位移方向判断以及对光栅尺脉冲计数进行读取的方法进行了解释，并且利过直观的流程图来对软件编程的大概思路进行了说明。最后，就是对此次实验中的主要程序进行注释说明。
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