基于单片机AT89S51进行输入设置和输出显示的设计.doc

1、大连理工大学本科课程设计（论文）题目目 录摘 要IAbstractII引 言11 总体的设计框图21.1 总体系统框图21.2 光栅设计图22 各部分设计说明32.1 光栅尺32.1.1 光栅尺设计图32.1.2 光栅尺的简介及原理32.2 莫尔条纹42.2.1 莫尔条纹42.2.2 莫尔条纹的性质52.2.3 检测与数据处理52.2.4 辨向原理63 电路及其程序73.1 电路的介绍73.1.1 单片机的选择及其电路图73.1.2 电源电路图83.1.3 复位电路93.1.4 发光接收及放大电路93.1.5 计数显示电路103.2 程序设计113.2.1 系统流程图113.2.2 程序11-

2、 I -大连理工大学本科课程设计（论文）题目引 言现实社会生活中，无论是基于对工业发展的需求，还是日常生活的需要，亦或是学习实验，往往都涉及到对位移的测量，随着经济和科技的发展，对位移测量的精度要求也日益提高。高测量精度的位移测量器对经济和科技的发展都会起到很大的推动作用，显然，提高位移测量器精度，扩大位移测量器的应用广度也就至关重要了。而目前市场上对位移测量的仪器都存有一定的弊端和局限性，有的测量精度不高，有的读数繁琐易错，有的只能测量静止物体的位移针对以上问题，我们以光栅产生的莫尔条纹为理论依据，并基于单片机AT89S51进行输入设置和输出显示的设计，既方便了使用者的操作，又克服了传统测量

3、位移工具的弊端。 1 总体的设计框图1.1 总体系统框图 图1 光栅测量系统1.2 光栅设计图图2 光栅设计图2 各部分设计说明2.1 光栅尺2.1.1 光栅尺设计图 图3 光栅尺设计图2.1.2 光栅尺的简介及原理光栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的检测。其测高了现在加工时的工作效率。在现在中国加工业、制造业越来越成熟，对加工的精度量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。光栅尺在现代工业的贡献也是非常巨大的，不仅仅将现在加工精度进一步完善

4、，更重要的是提越来越高的时候，在各种机床上，例如：铣床，磨床，车床，线切割、电火花等机床上都可以安装光栅尺，其工作环境要求相对来说不是很苛刻，对操作者的使用来说也十分简单。如图所示：光栅尺位移传感器是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。右图所示的就是光栅尺位移传感器的结构。光栅检测装置结构：光栅检测装置的关键部分是光栅读数头，它由光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成。光栅读数头结构形式很多，根据读数头结构特点和使用场合分为直接接收式读数头(或称硅光电池读数头、镜像式读数头、分光镜式读数头、金属

5、光栅反射式读数头）。常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带，从而便形成了我们所见到的莫尔条纹。2.2 莫尔条纹2.2.1 莫尔条纹莫尔条纹是18世纪法国研究人员莫

6、尔先生首先发现的一种光学现象。从技术角度上讲，莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果，当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹，这种光学现象就是莫尔条纹。以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直的栅纹上，形成明暗相间的条纹。这种条纹称为“莫尔条纹” (图4所示)。严格地说，莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以W表示。 W= /2* sin（/2）= / 图4 莫尔条纹2.2.2 莫尔

7、条纹的性质莫尔条纹的性质（1）方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直（2）莫尔条纹的变化规律两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹距离。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正(余)弦函数，变化周期数与光栅相对位移的栅距数同步。（3）放大作用W表示栅距，B莫尔条纹的纹距（宽度），表示光栅条纹的夹角。则：B=（4）可调性：夹角 条纹间距B 灵活（5）均化误差作用莫尔条纹是由若干光栅条纹共用形成，例如每毫米100线的光栅，10mm宽度的莫尔条纹就有1000条线纹，这样栅距之间的相邻误差就被平均化了，消除了由于栅距不均匀、断裂等造成的误差。2.2.3检测与数据处理光

8、栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。高分辨率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分，目前（2006年）光栅尺位移传感器系统多采用电子细分方法。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量。 在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与判向功能。例如，栅线为50线对/mm的光栅尺，其光栅栅距为0.02mm，若采用四细分后便可得到分辨率为5m的计数脉冲，这在工业普通测控中已达到了很高精度。由于位

9、移是一个矢量，即要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，通常采用由低漂移运放构成的差分放大器。由4个光敏器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为/2，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1:1的方波。然后，通过对方波的相位进行判别比较，就可以得到光栅尺的移动方向。通过对方波脉冲进行计数，可以得到光栅尺的位移和速度。2.2.4 辨向原理在实际应用中，位移具有两个方向，即选定一个方向后，位移有正负之分，因此用一个位移传感器光电元件测定莫尔条纹信号确定不了

10、位移方向，为了辨别，需要有/2相位差的两个莫尔条纹信号。计量光栅辨向原理电路图如图5所示，在相距B/4位置设置两个光电元件1和2，得到两个相位差/2的莫尔条纹正弦电压信号u1和u2，然后送到辨向电路中去处理。正向移动如图（a）所示的箭头指向A时，经过整形后输出方波信号u1，再经Y1输出脉冲信号u1w，计数器作加法计数；反向移动图(a)所示的箭头指向时，经过整形方波信号u2，再经Y2输出脉冲信号u2w，计数器作减法计数。光栅正向移动时u1超前u2为90，反向移动时u2超前u1为90，故通过电路变相可确定光栅运动方向，进行位移的正确测量。 图5 光栅辨向原理具体辨向过程：在光栅沿A方向移动时，u1

11、经微分电路后产生的脉冲正好发生在u2的“1”电平时刻，从而经与门Y1输出一个计数脉冲。而u1经反相微分后产生的脉冲则与u2的“0”电平相遇，此时Y2被阻塞，无脉冲输出。在光栅作方向移动时，u1的微分脉冲发生在u2的“0”电平处，此时因与门Y1被阻塞而无脉冲输出；而u1反向微分后产生的脉冲则出现在u2的“1”电平处，故与门Y2输出一个计数脉冲。可见，辨向电路的两路输出分别对应着光栅两个不同的移动方向。将Y1，Y2的输出信号分别送入可逆计数器。设光栅作A方向移动时，计数器作加计数，反之则作减计数。若某时刻计数器的输出为N，那么NW就是此时光栅的移动位移。3 电路及其程序3.1 电路的介绍3.1.1

12、 单片机的选择及其电路图单片机：AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes 的的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统的方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中。AT89S51单片机的主要性能参数如图7所示： 图7 AT89S51单片机主要性能参数功能特性概述AT89S51提供以下标准功能：4k 字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个1

13、6位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作一直到下一个硬件复位。电路图如下所示：图7 整体电路图3.1.2 电源电路图 图8 电源电路图如图8所示，稳压电路将生活用电（220v的交流电）经过降压变压器降低电压，得到低压交流电，经过整流电路整流，得到直流电，经过滤波电路得到脉动较小的直流电，再经稳压电路得到稳定的直流电。3.

14、1.3 复位电路 图9 复位电路整个电路初始启动时，5V电压向电容充电，则5V电压和地组成的回路中有电流流通，10K电阻上的电压约为5V，即高电平，使单片机复位；单片机工作过程中，如还需使单片机复位，则按一下开关S1即可。（S1接通时，前面电源提供5V电压，使10K电阻电压仍为5V左右，即可满足单片机的高电平复位的条件）【注】：电阻R2（1K）起限流的作用，放置电流过大影响单片机正常工作。S1自然状态下为断开状态。3.1.4 发光接收及放大电路 图10 发光接收及放大电路接通电源后，发光二极管便发出红外光，其中R=1K是保护电阻，防止发光二极管因电流过大而烧坏。当经过明条纹时，光电接收管受到红

15、外光的照射而导通，光电接收管在导通状态下压降为0，所以两个10K电阻分压，输出电压2.5v；当经过暗条纹时，光电接收管接收不到二极管发出的红外光而截止，回路中没有电流通过，输出电压为0。3.1.5 计数显示电路图11 计数显示电路3.2 程序设计3.2.1 系统流程图 图6 系统流程图3.2.2 程序#includesm1=0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6C,0x7C,0x07,0x7F,0x67;/0-9sm2=0xBF,0x86,0xDB,0xCF,0xE6,0xEC,0xFC,0x87,0xFF,0xE7;/0.-9.void delay0(int i) /延时

16、for(i;i0;i-) ; void main(void) unsigned int cnt,SS,ys,i,j,k,newin; TMOD=0x04; /计数器0工作 TH0=0x00; /计数器高位0 TL0=0x00; /低位设为0 TR0=1; /启动计数器 SS=TL0; cnt=T0; P2=0xdf; /选通数码管 P0=sm10; /数码管初始值为000 P2=0xbf; P0=sm10; P2=0x7f; P0=sm10; /000 while(1) if(SS=TL0) cnt=T0; i=cnt/100; ys=cnt-i*100; j=ys/10; k=ys%10; P2=0xdf; /选通百位 P0=sm1i; P2=0xbf; /选通十位 P0=sm2j; P2=0x7f; /选通个位 P0=sm1k; else newin=T0; i=newin/100; ys=cnt-i*100; j=ys/10; k=ys%10; P2=0xdf; P0=sm1i; P2=0xbf; P0=sm2j; P2=0x7f; P0=sm1k; 参 考 文 献精密仪器设计 薛实福, 李庆祥编著 北京:清华大学出版社,1991单片机原理，接口及应用系统设计 谢维成，杨加国主编 北京电子工业出版社 .14