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1、课 程 设 计 说 明 书 课 程 设 计 任 务 书 班级（专业） 11生产过程自动化1班 设计人 一、课程设计题目：数字式转角测量仪及电动驱动系统二、设计要求1.利用如旋转式编码器进行转角测量，误差1密位。2.电子显示转角,显示4位按密位显示。3.设计电源电压5V，误差5%。4.设计电动驱动系统。5.选择电动机。6.画出整个系统。7.设计主要包括主体方案，各子系统工作论证，实验验证方案，实验数据，误差测试方案，能实践验证的尽量实践验证，不能验证的说明原因，并写出理论验证方法。可以仿真的写出仿真方法，将仿真数据或图形写入设计报告。8.谢辞实事求是，不要有过多套话。9.英文资料要符合或牵扯设计
2、内容。三、时间安排：1.设计前准备：半天2.总体框架设计：1天3.各分模块设计：1.5天4.总设计参数校核：1天5.设计报告书写1天四、参考资料：1.杨志忠数字电子技术教材. 高等教育出版社2.张友汉数字电子技术基础教材. 高等教育出版社3.周良权数字电子技术基础教材. 高等教育出版社4.周良权模拟电子技术教材. 高等教育出版社5.胡宴如模拟电子技术教材. 高等教育出版社6. B.Xiang, C.S.Wang,et.Study and Design of a 3-Lamp Cold Light Lifting Retractor.2011 3rd International conferen
3、ce on computer design and applications(ICCDA 2011).V-2,427430.7. GB50034-2004,Designing standard for building lightingJ.8. Instruction for YB4180 series transistor characteristics graphics instrument. Yang: Jiangsu Yangzhong Lvyang electrical equipment Co.LTD,2004.9.Wenpeng Na.The Selection and Appl
4、ication of General Integrated Circuit. Beijing. peoples wile yesons press, 2004:129151.10.China metrology press. New Edition for Collection of Electronic Circui. Beijing. China Metrology Press,2002:五、要求课程设计自 2012年 12 月 17 日起 至 2012年 12 月 21 日止 自动化 专业教研室主任 年 月 日 机电工程二 系、系主任签章 年 月 日指导教师评语：指导教师：年 月 日目
5、录1 引言12测量原理23课题设计方案23.1旋转编码器33.1.1旋转编码器的选择33.1.2旋转编码器的设计43.2数字显示设计73.2.1译码器73.2.2七段式LED数码管83.3电源设计93.4其它器件的选择设计113.5各元件的安装123.6电路接线134应用中问题分析及改进措施144.1应用中问题分析144.2改进措施14谢辞16参考文献17外文资料181引言角度测量技术按照被测角性质可以分为静态角度测量和动态角度测量两种。静态角度测量技术已经日趋成熟，各种测试理论和方法日益完善，国内的技术水平已经达到国际先进水平。而实现动态角度的高精度测量，是测角技术领域的一个难点，已经受到国
6、内外很多机构和学者的关注，由于动态测角在实现上相对于静态而言需要更大的观测角度范围，自动化和测量精度要求高，许多科研人员便通过电子技术实现了角度的较精确测量。数字编码器是将角位移转换为数字编码的一种传感器，其与数字系统连接，将输入量转换成数字量输出。用编码器作为信号检测的方法，已经广泛用于数控机床、纺织机械、冶金机械、石油机械、矿山机械、印刷包装机械、塑料机械、试验机、电梯、伺服电机、航空等工仪器仪表业等自动化领域。这里，转角测量是以旋转编码器为主要元器件，通过光电控制实现位置的确定从而测量转角。汽车驾驶模拟器，对方向盘旋转角度的测量选用光电编码器作为传感器；扭转角度仪，利用编码器测量扭转角度
7、变化，如扭转实验机、渔竿扭转钓性测试；摆锤冲击实验机，利用编码器计算冲击时摆角变化。为工业建设提高了更精确的测量数据，不断提高转角测量精度，具有重要研究意义。2测量原理转角测量仪主要是通过电机旋转前后，旋转编码器对应的二进制码差量来进行角度测量的。绝对编码器光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线编排，这样，在编码器的每一个位置，通过光源照射排布在码盘上的感光元件读取刻线所代表的二进制角度值，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对式编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。当圆盘旋转一个节距时，在发光元
8、件照射下，光敏元件得到“0”或“1”信号。通常将组成编码的圈称为码道，每个码道表示二进制数的一位，其中最外侧的是最低位，最里侧的是最高位。如果编码盘有4个码道，则由里向外的码道分别表示为二进制的2的三次方、2的二次方、2的一次方、2的零次方，4位二进制按照码盘上可形成16个二进制数，因此就将圆盘划分16个扇区， 每个扇区对应一个4位二进制数，如0000、0001、1111。图2.1 六码道码盘如图2.1.1为六码道码盘。电机与码盘同轴相连，电机转动时，码盘随之一起转动，光源通过透镜发生折射，将光线聚集码盘上 电机停止转动时，码盘转到一定的角度，光源对码盘具体位置进行照射识别，从而获得扇区的位置
9、脚，扇区中透光的码道对应的光敏二极管导通，输出高电平“1”，遮光的码道对应的光敏二极管不导通，输出低电平“0”，这样形成与编码方式一致的高、低电平输出，并将数据转化为密位制显示在译码器上。3课题设计方案根据课题设计要求及原理，该转角测量仪主要工作部分是激光旋转编码器和七段译码器，另外有密封外壳等构件。下面详细介绍测量原理、各部分设计方案及论证过程。3.1旋转编码器旋转编码器是角度测量仪的主要工作部分，角度测量是通过旋转编码器的角度变化来实现的。若要得到精确的测量数据，必须要保证编码器设计制作的精确性。3.1.1旋转编码器的选择图3.2.1 旋转编码器旋转式编码器分为增量型编码器和绝对型编码器增
10、量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。比如，打印机扫描仪的定位就用的是增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作
11、。这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确位置），于是我们采用绝对式编码器。绝对编码器以读出方式来分，有接触式和非接触式两种。接触式采用电刷输出，电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”。 绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需掉电记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。由于绝对式编码器在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越
12、多地应用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制中。但因其高精度，输出位数较多，如仍用并行输出，其每一位输出信号必须确保连接很好，对于较复杂工况还要隔离，连接电缆芯数多，由此带来诸多不便和降低可靠性，因此，绝对式编码器在多位数输出型，一般均选用串行输出或总线型输出。旋转编码器又有单圈绝对值编码器和多圈绝对值编码器之分。单圈绝对值编码器，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对值编码器。如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈绝对值编码器。此处，我们采用单
13、圈绝对型旋转编码器，接收元件为光敏感元件。3.1.2旋转编码器的设计1光源 2柱面镜 3码盘 4光敏元件图3.1.2.1 旋转编码器原理结构图形成的码道配置相应的光电传感器，包括光源、透镜、码盘、光敏二极管和驱动电子线路。原理结构如图3.1.2.1（1）发光元件为感光元件提供光源。720-SPLPL85发光二极管。工作电压：3V；发光频率：500nm；功率：14W；工作温度：最高85摄氏度，最低-40摄氏度。工作时与电压源串联一定值电阻。（2）透镜选用半曲面柱体凸透镜，将光源汇聚成一条沿码盘半径方向的直线，汇聚后的光线等于码盘半径。（3）码盘制作编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料。玻璃码盘是在
14、玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，易碎，成本高；金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，易变形，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级；塑料码盘是经济型的，其成本低，不易碎和变形，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。为保障测量仪精度及通光性，我们选用玻璃材料圆盘。码盘是按照一定的编码形式制成的圆盘。码盘（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。如图二进制六码道编码盘，图中空白部分是透光的，用“1”来表示;涂黑的部分是不透光的，用“0”来表示。将环形均分13码道，并按图2.1.1采用印刷工业方式涂黑。码盘尺寸：内径80mm外径200mm厚度约2mm部分二进制与角度（单位：密位）之间的转换如下表1表3-1-1 二进制码角度二进制码角度000000000111700000110010008000010200100190000113001010100001004001011110001015001100120001106001101130011101401101026001111
