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1、常 州 工 学 院 毕 业 设 计开 题 报 告引 言 在 工 业 自 动 化 、 航 空 、 航 海 、 军 事 、 建 筑 、 交 通 等 领 域 要 进 行 角 度 测 量 ， 测量 角 度 的 主 要 方 法 有 ： 机 械 测 量 方 法 、 电 磁 测 量 方 法 、 光 学 测 量 方 法 、 光 电 测 量方 法 等 1 。 机 械 测 量 方 法 简 单 、 成 本 低 ， 但 其 设 备 体 积 庞 大 、 测 量 精 度 不 够高 、 实 时 性 差 ， 属 于 接 触 测 量 。 几 何 光 学 测 量 方 法 精 度 高 ， 但 实 现 起 来 复 杂 ， 需要 设
2、计 高 精 密 的 光 路 ， 而 且 ， 往 往 需 人 工 干 预 才 能 测 量 。 而 采 用 霍 尔 效 应 原 理 ，利 用 集 成 电 路 制 造 技 术 的 磁 感 应 角 度 传 感 器 AS5040 具 有 精 度 高 、 体 积 小 、 重 量轻 、 功 耗 低 、 抗 干 扰 能 力 强 以 及 可 维 护 性 好 等 优 点 ， 具 有 广 泛 的 应 用 领 域 。课 题 的 现 状 ：尽 管 在 目 前 市 场 上 的 编 码 器 中 ， 光 电 编 码 器 占 有 很 大 的 份 额 ， 但 由 于 磁 旋 转编 码 器 的 一 些 独 特 优 点 ， 加 上
3、其 成 本 低 廉 ， 近 年 来 在 高 精 度 测 量 和 控 制 领 域 的 应用 不 断 增 加 。 特 别 是 对 机 器 人 、 数 控 机 床 、 测 量 仪 、 直 接 驱 动 电 机 和 高 密 度 侍 服盘 读 写 机 来 说 ， 已 经 是 必 不 可 少 的 组 件 ， 因 此 磁 旋 转 编 码 器 已 经 成 为 发 展 高 技 术产 品 的 关 键 技 术 之 一 。 有 关 专 家 指 出 ， 随 着 小 型 化 、 高 分 辨 率 、 高 可 靠 性 产 品的 不 断 推 出 ， 磁 性 编 码 器 的 应 用 领 域 将 更 加 广 阔 。角 度 传 感 器
4、 又 称 轴 角 编 码 器 在 自 动 化 控 制 、 交 通 运 输 、 航 空 航 天 、 国 防 军 事工 业 等 领 域 有 着 极 其 广 泛 的 应 用 ， 常 用 轴 角 编 码 器 的 结 构 原 理 有 机 械 式 测 量 、 光电 测 量 、 电 磁 测 量 等 。 机 械 测 量 方 法 简 单 ， 但 设 备 体 积 庞 大 、 测 量 精 度 低 、 实 时性 差 ， 属 于 接 触 测 量 。 光 电 采 用 AS5040的 新 型 磁 旋 转 编 码 器 是 一 种 利 用 霍 尔效 应 的 编 码 器 ， 属 于 非 接 触 测 量 。1.1 编 码 器 的
5、特 点 及 用 途编 码 器 是 通 过 把 机 械 角 度 物 理 量 的 变 化 转 变 成 电 信 号 的 一 种 装 置 ； 在 传 感 器 的分 类 中 ， 他 归 属 于 角 位 移 传 感 器 。根 据 编 码 器 的 这 一 特 性 ， 编 码 器 主 要 用 于 测 量 转 动 物 体 的 角 位 移 量 ， 角 速 度 ，角 加 速 度 ， 通 过 编 码 器 把 这 些 物 理 量 转 变 成 电 信 号 输 出 给 控 制 系 统 或 仪 表 ， 控制 系 统 或 仪 表 根 据 这 些 量 来 控 制 驱 动 装 置 。1.2. 编 码 器 的 主 要 应 用 场 合
6、常 州 工 学 院 毕 业 设 计数 控 机 床 及 机 械 附 件最 常 用 的 有 两 种 ： 绝 对 值 编 码 器 和 增 量 式 编 码 器 。信 号 输 出 有 正 弦 波 （ 电 流 或 电 压 ） ,方 波 （ TTL、 HTL） , 驱 动 方 式 ： 集 电 极开 路 （ PNP、 NPN） ,推 拉 式 多 种 形 式 ， 其 中 TTL为 长 线 差 分 驱 动 （ 对 称A,A-;B,B-;Z,Z-） ,HTL也 称 推 拉 式 、 推 挽 式 输 出 ， 编 码 器 的 信 号 接 收 设 备 接 口应 与 编 码 器 对 应 。机 器 人 、 自 动 装 配 机
7、、 自 动 生 产 线 。电 梯 、 纺 织 机 械 、 缝 制 机 械 、 包 装 机 械 （ 定 长 ） 、 印 刷 机 械 （ 同 步 ） 、 木 工 机械 、 塑 料 机 械 （ 定 数 ） 、 橡 塑 机 械 。制 图 仪 、 测 角 仪 、 疗 养 器 雷 达 等 。1.3 编 码 器 的 应 用 场 合(1) 数 控 机 床 对 加 工 工 件 自 动 检 测 就 是 通 过 编 码 器 来 进 行 检 测 的 ： 数 控 机 床 刀架 的 对 零 校 准 也 是 通 过 编 码 器 来 实 施 的 。(2) 编 码 器 在 PLC上 的 应 用 ： 一 般 PLC上 都 有 高
8、 速 信 号 输 入 口 ， 编 码 器 可 以 作 为高 速 信 号 输 入 元 件 ， 使 PLC更 加 迅 速 和 精 准 地 实 施 闭 环 控 制 。 而 在 变 频 器 上 其 一般 接 变 频 器 的 PG卡 上 。（ 3） 编 码 器 用 在 电 梯 上 ， 用 于 测 量 电 梯 的 升 降 速 度 和 位 置 。1.4 磁 编 码 器 的 分 类1.4.1 增 量 式 编 码 器增 量 式 编 码 器 是 直 接 利 用 光 电 转 换 原 理 输 出 三 组 方 波 脉 冲 A、 B和 Z相 ； A、B两 组 脉 冲 相 位 差 90º， 从 而 可 方 便 地
9、 判 断 出 旋 转 方 向 ， 而 Z相 为 每 转 一 个 脉冲 ， 用 于 基 准 点 定 位 。 它 的 优 点 是 原 理 构 造 简 单 ， 机 械 平 均 寿 命 可 在 几 万 小 时 以上 ， 抗 干 扰 能 力 强 ， 可 靠 性 高 ， 适 合 于 长 距 离 传 输 。 其 缺 点 是 无 法 输 出 轴 转 动 的绝 对 位 置 信 息 。1.4.2绝 对 式 编 码 器绝 对 编 码 器 是 直 接 输 出 数 字 量 的 传 感 器 ， 在 它 的 圆 形 码 盘 上 沿 径向 有 若 干 同 心 码 道 ， 每 条 道 上 由 透 光 和 不 透 光 的 扇 形
10、 区 相 间 组 成 ， 相 邻 码常 州 工 学 院 毕 业 设 计道 的 扇 区 数 目 是 双 倍 关 系 ， 码 盘 上 的 码 道 数 就 是 它 的 二 进 制 数 码 的 位 数 ，在 码 盘 的 一 侧 是 光 源 ， 另 一 侧 对 应 每 一 码 道 有 一 光 敏 元 件 ； 当 码 盘 处 于 不同 位 置 时 ， 各 光 敏 元 件 根 据 受 光 照 与 否 转 换 出 相 应 的 电 平 信 号 ， 形 成 二 进制 数 。 这 种 编 码 器 的 特 点 是 不 要 计 数 器 ， 在 转 轴 的 任 意 位 置 都 可 读 出 一 个固 定 的 与 位 置 相
11、 对 应 的 数 字 码 。 显 然 ， 码 道 越 多 ， 分 辨 率 就 越 高 ， 对 于一 个 具 有 N位 二 进 制 分 辨 率 的 编 码 器 ， 其 码 盘 必 须 有 N条 码 道 。绝 对 式 编 码 器 是 利 用 自 然 二 进 制 或 循 环 二 进 制 （ 葛 莱 码 ） 方 式 进行 光 电 转 换 的 。 绝 对 式 编 码 器 与 增 量 式 编 码 器 不 同 之 处 在 于 圆 盘 上 透 光 、 不 透 光的 线 条 图 形 ， 绝 对 编 码 器 可 有 若 干 编 码 ， 根 据 读 出 码 盘 上 的 编 码 ， 检 测 绝 对 位 置 。编 码
12、的 设 计 可 采 用 二 进 制 码 、循 环 码 、 二 进 制 补 码 等 。 它 的 特 点 是 ： 可 以 直 接 读 出 角 度 坐 标 的 绝 对 值 ； 没 有 累 积 误 差 ； 电 源 切 除 后 位 置 信 息 不 会 丢 失 。 但 是 分 辨 率 是 由 二 进 制 的 位 数 来 决 定 的 ， 也就 是 说 精 度 取 决 于 位 数 ， 目 前 有 10位 、 14位 等 多 种1.4.3 混 合 式 绝 对 值 编 码 器混 合 式 绝 对 值 编 码 器 ， 它 输 出 两 组 信 息 ： 一 组 信 息 用 于 检 测磁 极 位 置 ， 带 有 绝 对 信
13、 息 功 能 ； 另 一 组 则 完 全 同 增 量 式 编 码 器 的输 出 信 息 。 光 电 编 码 器 是 一 种 角 度 （ 角 速 度 ） 检 测 装 置 ， 它 将 输 入 给 轴 的 角 度 量 ，利 用 光 电 转 换 原 理 转 换 成 相 应 的 电 脉 冲 或 数 字 量 ， 具 有 体 积 小 ， 精 度 高 ， 工 作可 靠 ,接 口 数 字 化 等 优 点 。 它 广 泛 应 用 于 数 控 机 床 、 回 转 台 、 伺 服 传 动 、 机 器 人 、雷 达 、 军 事 目 标 测 定 等 需 要 检 测 角 度 的 装 置 和 设 备 中 。1.5设 计 要
14、求 ：1、 完 成 微 处 理 器 基 本 系 统 电 路 设 计 调 试 ； 微 处 理 器 及 复 位 电 路 ； 调 试 接 口 电 路 ； 键 盘 及 显 示 电 路 ；常 州 工 学 院 毕 业 设 计2、 完 成 基 本 系 统 与 AS5030的 接 口 设 计 调 试 ；3、 实 现 1线 接 口 ， 2线 接 口 、 3线 接 口 与 微 处 理 器 的 通 信 ；4、 能 够 在 微 处 理 器 上 显 示 编 码 器 输 出 角 度 ；5、 完 成 毕 业 设 计 报 告 正 文 。6、 相 关 接 口 电 路 设 计 ；1.6 完 成 的 工 作 内 容 以 及 要 求
15、内 容 ：本 题 设 计 通 过 单 片 机 与 8位 可 编 程 高 速 磁 旋 转 编 码 器 AS5030实 现 对 旋 转 角度 的 测 量 与 显 示 。 系 统 硬 件 主 要 有 89C51 与 AS5030 组 成 。 要 求 三 种 方 式 实 现 串 行 、 3线 读 写 连 接 方 式 、 串 行 双 线 连 接 方 式 、 1线 PWM连 接 方 式 。 系 统 软 件主 要 有 接 收 程 序 、 角 度 转 换 程 序 以 及 显 示 程 序 。要 求 ：1、 实 现 三 种 模 式 显 示 磁 电 编 码 器 角 度2、 实 时 显 示 磁 旋 转 角 度3、 要
16、 求 10位 显 示 精 度 ；4、 作 品 能 够 演 示 第 2章 磁 编 码 器 的 工 作 原 理2.1光 电 编 码 器 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 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
