数字传感器课程设计.doc

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1、东北石油大学课 程 设 计课 程 传感器课程设计 题 目 数字传感器应用电路设计 院 系 电气信息工程学院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 2013年7 月 16日任务书课程 传感器课程设计题目 数字式传感器应用电路设计专业 姓名 学号 主要内容：设计一种基于单片机AT89C51的光电编码器位置检测系统。该系统包括信号调理电路和信号采集电路。在信号调理电路设计中，包括差分信号转换、信号隔离、整型滤波、四倍频、鉴相电路设计。在信号采集电路设计中利用AT89C51单片机的计数器对脉冲个数进行采集，同时使用LCD1602芯片对计数结果进行显示，实现动态显示各组编码器的位置数据。基本要求：1、

2、使用数字式传感器作为信号采集元件，测出机床的位移数据，并显示出来；2、说明所用传感器的基本工作原理、画出应用电路电路图、写明电路工作原理、注明元器件选取参数、进行方案比较。主要参考资料：1 张福学. 应用传感器手册M. 北京: 电子工业出版社 ,19882 黄贤武. 传感器原理与应用M. 成都: 电子科技大学出版社 ,20063 张福学. 传感器应用及其电路精选M.北京: 电子工业出版社 ,19914 葛一楠,杨显富.基于CPLD 的光电脉冲码盘信号四倍频电路设计 J.成都大学学报: 2004,23(3) :34-37.完成期限 2013.7.122013.7.16 指导教师 专业负责人 20

3、13年 7 月 12 日摘 要随着数字化技术的迅速发展和广泛的渗透，对信号的检测、控制和处理，必然进入数字化阶段。原来利用模拟式传感器和A/D转换器转换成数字信号，由于A/D转换器的转换精度受到参考电压精度而不可能很高，系统的总精度也将受到限制，而数字式传感器可以解决这个问题。数控机床中对精度的要求很高，所以速度位移速度检测的传感器主要是数字式传感器。针对数控机床在实际使用中对位移速度信号检测的要求，设计了一种基于单片机AT89C51的光电编码器位置检测系统。该系统包括信号调理电路和信号采集电路。在信号调理电路设计中，包括差分信号转换、信号隔离、整型滤波、四倍频、鉴相电路设计。在信号采集电路设

4、计中利用AT89C51单片机的计数器对脉冲个数进行采集，同时使用LCD1602芯片对计数结果进行显示，实现动态显示各组编码器的位置数据。优点是：原理构造简单、易于实现；分辨率高，抗干扰能力较强，可靠性较高。关键词：数字式传感器；数控机床；光电编码器；信号采集；AT89C51目 录一 、设计要求1二、设计方案及其特点11、方案说明12、方案论证2三、增量式光电编码器工作原理3四、电路的工作原理4五、单元电路设计和器件选择61、单元电路设计62.系统需要的元器件清单9六、总结9参考文献11数字传感器应用电路设计一 、设计要求随着数控机车的普遍应用，在机械加工行业中的地位日益突出，而数控系统的速度位

5、移信号检测是伺服系统的重要组成部分，是保证位置控制精度的重要环节。检测信号常做为数控机车的闭环或半闭环控制的反馈环节，闭环或半闭环控制的数控机床的精度主要由检测装置的精度决定。因此设计数控机床位移速度信号调理与采集系统设计在数控机床的实际应用中不仅提高了对数控机车的速度位置信号检测精度，同时实现了对数控机车的高精度控制。而就精度方面而言，数字式传感器要由于模拟式传感器，且数字式传感器的输出信号更方便主控芯片的处理。光电编码器位置检测系统包括信号调理电路和信号采集电路。在信号调理电路设计中，包括差分信号转换、信号隔离、整型滤波、四倍频、鉴相电路设计。在信号采集电路设计中利用AT89C51单片机的

6、计数器对脉冲个数进行采集，同时使用LCD1602芯片对计数结果进行显示，实现动态显示各组编码器的位置数据。二、设计方案及其特点1、方案说明方案一：使用光栅位移传感器作为机床系统的信号采集传感器。光栅位移传感器由一对光栅副中的主光栅（即标尺光栅）和副光栅（即指示光栅）进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白（或明暗）相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为90o的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示在进给驱动中，光栅尺固定在床身上，其产生的脉冲信号直接反映了拖板的实际位置。 （1） 式中：输出信号的直流分量；交流信

7、号的幅值；光栅的相互位移量。由式（1）可知，利用光栅可以测量位移量的值。方案二：使用光电编码器作为机床系统的信号采集传感器。传感器安装在电机的尾部，通过测量电机的转角实现工作台位移的间接测量。光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。2、方案论证根据需要，方案一光栅式位移传感器是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，其测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，但是成本较高，易损坏。方案二易于实现，机械平均寿命长，分辨率高，抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。所以

8、选用方案三。光电编码器在实际应用中由于外界干扰和环境因素，光电编码器的输出信号那么发生波形畸变，因此要对光电编码器输出信号进行滤波处理，同时为提高测试精度应对信号进行四倍频、鉴相处理。在滤波电路中首先进行差分信号转换将六路输信号转换成三路信号，再次进行信号隔离将三路信号隔离开来以降低信号间的干扰，最后对每路信号进行滤波处理，去除脉冲毛刺。在鉴相倍频电路中，首先对输出信号进行四倍频处理以提高信号采集精度，最后利用异或门和与门对输出信号进行鉴相处理。将通过滤波、倍频、鉴相后的信号做为单片机AT89C52的输入信号，利用单片机AT89C52对光电编码输入信号进行计数，并显示在LCD1602上。设计框

9、图如图1.3所示。光电编码器输入信号信号调节电路四倍频鉴相电路AT89C51LCD显示 图1.1 信号调节与采集设计框图三、增量式光电编码器工作原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1.1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位

10、相差90的信号输出。图3.1光电编码器原理示意图根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移，但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化（速度）的传感方法，它是相对于某个基准点的相对位置增量，不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说，增量式光电编码器输出A、B 两相互差90电度角的脉冲信号（即所谓的两组正交输出信号），从而可方便地判断出旋转方向。同时还有用作

11、参考零位的Z 相标志（指示）脉冲信号，码盘每旋转一周，只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成，如图1.1.2.1所示。码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期；检测光栅上刻有A、B 两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4 节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光栅不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上，光电检测

12、器件就输出两组相位相差90电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转换电路的信号处理，可以得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如图1.1.2.2所示。增量式光电编码器的优点是：原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息。图3.3增量式光电编码器的组成图3.4增量式光电编码器输出波形四、电路的工作原理电路图如图4.1所示。增量式光电编码器输出的六路信号通过滤波与运放等电路的设计将数字信号转化为3路3V 脉冲信号,即A、B、Z三相,接到单片机AT89C51芯片的捕

13、获引脚,通过设置AT89C51单片机的相应寄存器以及编写相应程序,就可以实现电机转速的测量。图4.1总体电路图五、单元电路设计和器件选择1、单元电路设计为了提高测量精度,现在的增量式光电编码器普遍采用差分信号进行输出,如A相输出信号还有一个与之互差180被称作的输出信号,即编码器总共输出6 路信号,如图5.1所示。图5.1 A相输出的差分信号增量式光电编码器的供电电压为24 V ,输出的六路信号的电压等级也为24V该六路输出信号通过滤波与运放等电路的设计将数字信号转化为3路3V 脉冲信号,即A、B、Z三相,接到单片机AT89C51芯片的捕获引脚,通过设置AT89C51单片机的相应寄存器以及编写

14、相应程序,就可以实现电机转速的测量。将编码器输出的六路24V差分信号转为三路5V信号,采用MOTOROLA公司的AM26L32ACD芯片,该芯片供电电压为5V,片内集成四路独立的施密特触发器, 触发器的正负极输入电压 为5V ,将A 相的两路差分信号接入芯片的IA、IB，引的两路差分信号接入芯片的IA、IB，引输出引脚分别输出A、 B 、Z 三路5V脉冲信号电阻R81为匹配电阻。电路原理图如图5.2 所示 。图5.2差分信号转换电路然后将输出的三路5V 数字信号分别通入三个光隔6N137,其作用是使5V信号隔离,从而使输出的5V电压稳定。该电路A为A相输入引脚,OUT为输出引脚, 即A1信号为

15、光隔输出信号,电压为5V ,R86和R89是限流电阻。A 相电路原理图如图5.3 所示(B 相 Z 相与之相同)。图5.3 A相信号隔离电路再次,将A信号接到芯片SN74HC14D的IA引脚,该芯片集成6路反向器,其作用是将A I信号进行整形将整形出的信号接入一个R C 低通滤波电路,滤除高频脉冲毛刺, 提高侧量准确度, 整形滤波后的输出信号为A0， A相电路原理图如图5.4所示 (B相Z相与之相同)。BAV99是一种开关二极管，是半导体二极管的一种，由导通变为截止或由截止变为导通所需的时间比一般二极管短。在此起限幅作用。图5.4 A相整型滤波电路在光电编码器中设计4倍频鉴相电路一般有两种方法

16、:一种是两路输出:一路输出方向,一路输出脉冲;另一种也是两路输:一路输出正向脉冲，一路输出反向脉冲。本文采用的是后一种方法,这种方法可以方便的利用单片机AT89C51对输出脉冲进行计数。原理图如图5.6所示，这里我们采用4个D触发器锁存输入信号 A 、B 的当前状态及原状态， CLK为周期至少小于编码器脉冲最小周期1/4的同步时钟，经三个异或门和两个与门后输出的正反向四倍频计数脉冲AOUT及 BOUT的逻辑表达式为 : AOUT =(Q1Q4 )(Q1Q4)(Q2Q3) BOUT= (Q2Q3)(Q1Q4)(Q2Q3)。图5.6光电编码器四倍频、鉴相电路2.系统需要的元器件清单表1 元器件清单

17、序号元器件类型元器件规格数量备注1电容0.01uF72电阻1K3344电阻0.1K34异或门356与门26D触发器47排针16位18开关19晶振12Mhz110电容30pF211电容22uF112LCD16021136N137114AT89C51115AM26L32ACD116SN74HC14D1六、总结数字传感器应用电路设计。数字式传感器包括栅式数字传感器、编码器、频率输出式数字传感器和感应同步器式的数字传感器。以光电编码器为例设计其信号调理与采集系统，基于中小规模集成电路芯片完成该系统的电路原理设计工作，在信号调理电路设计中，包括差分信号转换、信号隔离、整型滤波、四倍频、鉴相电路设计。在信

18、号采集电路设计中利用AT89C51单片机的计数器对脉冲个数进行采集，同时使用LCD1602芯片对计数结果进行显示，实现动态显示各组编码器的位置数据。差分信号转换、信号隔离、整型滤波电路很好的完成了任务，将六路输出信号转换为三路脉冲信号，四倍频电路对提高传感器精度起到很大作用。通过此次课程设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来数控机车的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。课程设计是我作为一名学生完成一学期学科学习的最后一次作业，它既是对所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一

19、个良好开端，课程设计是我对所学知识理论的检验与总结，能够培养和提高设计者独立分析和解决问题的能力。课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识太理论化了，面对单独的课题的是感觉很茫然。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。参考文献1 张福学. 应用传感器手册M. 北京: 电子工业出版社 ,19882 黄贤武. 传感器原理与应用M. 成都: 电子科技大学出版社 ,20063 张福学. 传感器应用及其电路精选M.北京: 电子工业出版社 ,19914 葛一楠,杨显富.基于CPLD 的光电脉冲码盘信号四倍频电路设计 J.成都大学学报: 2004,23(3) :34-37.