基于絕對(duì)式光電編碼器的智能測(cè)角系統(tǒng)設(shè)計(jì)精要

1、基于絕對(duì)式光電編碼器的智能測(cè)角系統(tǒng)設(shè)計(jì)辯論人：毛友導(dǎo) 師：郝允慧 講師專(zhuān) 業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué) 院：信息工程學(xué)院2022/7/91系統(tǒng)組成 設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的目的為了快速處理編碼器輸出信號(hào)，直觀(guān)的顯示測(cè)量結(jié)果。輸出信號(hào)號(hào)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換以后輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)處理以后的信號(hào)那么應(yīng)由顯示裝置顯示結(jié)果。系統(tǒng)主要由顯示電路、儲(chǔ)存電路、鍵盤(pán)電路、CPU控制電路、數(shù)字量輸出、數(shù)據(jù)采集電路六局部組成。2022/7/92電平轉(zhuǎn)換電路的選擇 選擇MAX232驅(qū)動(dòng)器/接收器，MAX232只要單一的+5V電源電壓就可以工作。該器件內(nèi)有一個(gè)電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電源電壓變成為產(chǎn)生RS-232C輸入電壓所需的電壓。

2、由于所有的RS-232應(yīng)用中幾乎都需要線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器和接收器，MAX232把接收器和驅(qū)動(dòng)器包含在一個(gè)封裝中。在RS-232C的不同應(yīng)用場(chǎng)合又需要不同數(shù)目的驅(qū)動(dòng)器和接收器，為了減少器件的數(shù)量，MAXIM提供RS-232C驅(qū)動(dòng)器/接收器不同的各種型號(hào)，給使用提供了極大方便。2022/7/93上位機(jī)與下位機(jī)通訊的方案的選擇 串行通信:通信的發(fā)送方和接收方之間數(shù)據(jù)信息在單根數(shù)據(jù)線(xiàn)上傳輸，以每次一個(gè)二進(jìn)制的0、1為最小單位逐位進(jìn)行傳輸。串行數(shù)據(jù)傳送所具有的特點(diǎn)是，數(shù)據(jù)傳送按位順序進(jìn)行，最少只需要一根傳輸線(xiàn)即可完成，比并行通信節(jié)省傳輸線(xiàn)。串行通信與并行通信相比，還有比較顯著的特點(diǎn)：傳輸距離長(zhǎng)，可以從幾米到幾千米

3、；在長(zhǎng)距離內(nèi)，串行數(shù)據(jù)傳送速率會(huì)比并行數(shù)據(jù)傳送速率快；串行通信的通信時(shí)鐘頻率比較容易提高；串行通信的抗干擾能力十分強(qiáng)，其信號(hào)間的互相干擾可以完全忽略。但是就傳送速度來(lái)說(shuō)，串行通信比并行通信慢得多，并行通信時(shí)間為T(mén)，那么串行時(shí)間為NT。正是由于串行通信的接線(xiàn)少、本錢(qián)低，因此它在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。以下圖為串行通訊。2022/7/94絕對(duì)式光電編碼器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2022/7/95單片機(jī)復(fù)位電路AT89C51復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只需給AT89C51單片機(jī)的復(fù)位引腳RST加上大于2個(gè)機(jī)器周期即24個(gè)時(shí)鐘振蕩周期的高電平就可使AT89C51單片機(jī)復(fù)位。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，

4、當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)如程序跑飛或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于鎖死狀態(tài)時(shí)，也需按復(fù)位鍵讓RST腳置高電平，使AT89C51單片機(jī)擺脫“跑飛或“鎖死狀態(tài)而重新啟動(dòng)。以下圖為按鍵電平復(fù)位和按鍵脈沖復(fù)位。2022/7/96外部I/O口的擴(kuò)展 在A(yíng)T89C51應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)本身提供給用戶(hù)使用的輸入、輸出口線(xiàn)并不多，只有P1口和局部的P3口線(xiàn)。因此，在大局部AT89C51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都不可防止的要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。由于A(yíng)T89C51的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和I/O口是統(tǒng)一編址的，因此用戶(hù)可以把外部64K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM空間的一局部作為擴(kuò)展外圍的I/O的地址空間。這樣，單片機(jī)就可以像訪(fǎng)問(wèn)外部RAM存儲(chǔ)器那

5、樣訪(fǎng)問(wèn)外部接口芯片，對(duì)其進(jìn)行讀和寫(xiě)操作。在本系統(tǒng)中，選用的是Intel公司的可編程外圍并行接口8255A芯片進(jìn)行I/O擴(kuò)展接口的。8255A是Intel公司生產(chǎn)的可編程輸入輸出接口芯片，它具有3個(gè)8位并行I/O口，具有三種工作方式，可通過(guò)程序改變功能，因而靈活方便，通用性強(qiáng)，可作為單片機(jī)與多種外圍設(shè)備連接時(shí)的中間接口電路。8255A的引腳如下圖。8255A共有40個(gè)引腳，采用雙列直插式封裝。2022/7/97AT89C51單片機(jī)與8255A的接口電路原理圖2022/7/98光電編碼器與單片機(jī)接口電路 絕對(duì)式光電旋轉(zhuǎn)編碼器內(nèi)部集成了RS-422差分線(xiàn)路驅(qū)動(dòng)器和接收器,其數(shù)據(jù)傳輸符合EIA RS-

6、422標(biāo)準(zhǔn),該協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)信號(hào)用差分傳輸方式。由于單片機(jī)的I/口采用TTL電平，應(yīng)選用MAX488芯片實(shí)現(xiàn)TTL電平與編碼器采用的RS-422電平之間的轉(zhuǎn)換。MAX488由+5V電壓供電，是一種適用于R422和RS-485的低功率收發(fā)器。由于絕對(duì)編碼器可以以標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平輸出數(shù)字編碼，因此只要把絕對(duì)編碼器的輸出直接接到AT89C51單片機(jī)的輸入輸出口就可以。系統(tǒng)擴(kuò)展了一塊8255A芯片，所以可以直接將絕對(duì)編碼器的輸出線(xiàn)接到8255A的PA口和PB口。這樣初始化8255A的PA口、PB口為輸入口之后，就可以從8255A的PA口、PB口中讀入瞬時(shí)的角度位置值。電路如下圖：2022/7/99看門(mén)狗電路

7、 系統(tǒng)在工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行時(shí), 抗干擾能力是評(píng)價(jià)其性能的一個(gè)重要指標(biāo)?？撮T(mén)狗電路是自行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的重要保證，本系統(tǒng)用 Xicor公司的 X25045 芯片將EEPROM 、看門(mén)狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控三種功能集中到單個(gè)芯片內(nèi), 大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì),提高了系統(tǒng)的可靠性。X25045與單片機(jī)接口如下圖。2022/7/910鍵盤(pán)電路 輕觸式的機(jī)械開(kāi)關(guān)是一種較長(zhǎng)使用并且本錢(qián)低廉的開(kāi)關(guān)，在沒(méi)有被按下是，其內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)是斷開(kāi)的，不能到點(diǎn)，而當(dāng)它被按下時(shí)，其等效的開(kāi)關(guān)就被接通，從而實(shí)現(xiàn)了電路的導(dǎo)通。另外，由于機(jī)械式開(kāi)關(guān)內(nèi)部由于有一個(gè)彈性部件，所以在按動(dòng)的時(shí)候會(huì)伴隨一系列的抖動(dòng)過(guò)程，這個(gè)抖動(dòng)過(guò)程會(huì)給邏輯判斷帶來(lái)極大

8、的干擾，所以在程序構(gòu)建上通常會(huì)對(duì)按鍵進(jìn)行消抖處理，通常較為常用的是延時(shí)消抖，即通過(guò)一定的延時(shí)將抖動(dòng)階段避開(kāi)，過(guò)了這段時(shí)間再對(duì)電平進(jìn)行判斷，這樣就能使系統(tǒng)得到必要的保障，以下圖為本系統(tǒng)的按鍵輸入電路配置圖： 2022/7/911主程序設(shè)計(jì)2022/7/912數(shù)據(jù)處理程序的實(shí)現(xiàn) 在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，要實(shí)現(xiàn)一下4點(diǎn)： 將9位格雷碼轉(zhuǎn)換成9位自然的二進(jìn)制碼； 將9位自然二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)，并分別表示角度的分和秒； 二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為BCD碼； BCD碼轉(zhuǎn)換為七段顯示碼；2022/7/913二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為壓縮BCD碼2022/7/914單片機(jī)通訊軟件設(shè)計(jì) 由于A(yíng)T89C51單片機(jī)的P3.0和P3.1是其內(nèi)部集成串口模塊的RXD和TXD引腳，所以采用這兩個(gè)管腳實(shí)現(xiàn)和PC機(jī)的通信。在本系統(tǒng)中，將串口的起始位設(shè)置為1，數(shù)據(jù)位設(shè)定為8,停止位設(shè)定為1，波特率設(shè)定為4800，本系統(tǒng)選用的晶振為11.0592MHz的晶振，因?yàn)檫@種頻率的晶振能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)4800的波特率。2022/7/915實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析1.檢測(cè)條件 在測(cè)試時(shí)，選擇了在室溫、濕度小于65%的條件下進(jìn)行測(cè)試，本系統(tǒng)的測(cè)試步驟非常簡(jiǎn)單，只需要給系統(tǒng)開(kāi)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的性能檢測(cè)。2.檢測(cè)結(jié)果 下表為測(cè)試