課程設(shè)計（論文）直流電機(jī)驅(qū)動水平導(dǎo)軌運動位移檢測【全套圖紙】

1、課程設(shè)計設(shè)計題目： 直流電機(jī)驅(qū)動水平導(dǎo)軌運動位移檢測（承重30kg）設(shè) 計 者： 班 級： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 全套圖紙，加153893706 目 錄一、設(shè)計任務(wù)書11.1設(shè)計的目的11.2 設(shè)計題目及內(nèi)容11.3 設(shè)計報告的要求11.4 設(shè)計步驟1二、設(shè)計總體方案介紹22.1 系統(tǒng)設(shè)計22.2 系統(tǒng)工作原理22.3 設(shè)計系統(tǒng)參數(shù)2三、機(jī)械傳動部分設(shè)計23.1 工作臺設(shè)計23.2 導(dǎo)軌設(shè)計33.2.1導(dǎo)軌選擇33.2.2 滾動導(dǎo)軌的主要參數(shù)設(shè)計計算與校核33.3 絲杠設(shè)計53.3.1 確定絲杠副的導(dǎo)程53.3.2 確定額定靜載荷53.3.3 確定預(yù)期額定動載荷63.3.4 確定滾珠絲杠副的軸

2、徑7 3.3.5 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號93.3.6 螺旋絲杠副材料的選取93.3.7 確定預(yù)緊力93.3.8 確定滾珠絲杠副的主要尺寸93.3.9 滾珠絲杠的主要尺寸93.3.10 滾珠螺母的主要尺寸103.3.11 滾道法向截形圖103.3.12 滾珠螺母安裝與連接尺寸103.4絲杠副的校核113.4.1 軸向彈性接觸變形量計算113.4.2 絲杠強(qiáng)度的計算113.4.3 穩(wěn)定性的計算113.4.4 臨界轉(zhuǎn)速的計算123.4.5 校核結(jié)果123.5 校核選取123.6 校核軸承133.6.1 計算當(dāng)量動載荷p133.6.2 穩(wěn)定性的計算13 3.7 驅(qū)動力矩的計算133.8 電機(jī)的選擇1

3、4 3.9 減速器的選擇14 3.10 聯(lián)軸器的設(shè)計14四、硬件電路設(shè)計154.1 電機(jī)驅(qū)動電路154.2 測量電路設(shè)計164.2.1光柵傳感器測量原理164.2.2測量的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)174.2.3辨向及細(xì)分電路174.3 顯示電路18五、軟件程序設(shè)計185.1 直流伺服電機(jī)驅(qū)動程序185.2 柵位移速度測量程序21六、課程小結(jié)23七、參考文獻(xiàn)23一、 設(shè)計任務(wù)書1.1設(shè)計的目的1. 培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，獨立進(jìn)行機(jī)電控制系統(tǒng)(產(chǎn)品)的初步設(shè)計工作，并結(jié)合設(shè)計或試驗研究課題進(jìn)一步鞏固和擴(kuò)大知識領(lǐng)域。2. 培養(yǎng)學(xué)生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運用各種標(biāo)準(zhǔn)和工具書籍以及編寫技術(shù)文

4、件的能力，提高計算、繪圖等基本技能。1.2 設(shè)計題目及內(nèi)容本次課程設(shè)計的題目：直流電機(jī)驅(qū)動水平導(dǎo)軌運動位移檢測機(jī)構(gòu)（承重30kg）。設(shè)計的內(nèi)容主要為：單片機(jī)組成的小型檢測或控制系統(tǒng)設(shè)計。主要包括機(jī)構(gòu)設(shè)計（機(jī)械裝配圖）、硬件電路設(shè)計（電路原理圖）、軟件程序設(shè)計。1.3 設(shè)計報告的要求1. 提供完整的機(jī)械裝配圖（不小于 a1）；零件的裝配關(guān)系、零件的形狀要表示，裝配尺寸標(biāo)注。2. 電原理圖（不小于 a4）；包括傳感器信號檢測放大、單片機(jī)信號采集處理、信號的輸出（顯示輸出及控制信號輸出，如電機(jī)的驅(qū)動等）3. 軟件程序；4. 并要提供文字報告（不少于 3 千字），主要內(nèi)容應(yīng)包括設(shè)計的目的、設(shè)計的基本思

5、想、有關(guān)的計算、程序及說明等。1.4 設(shè)計步驟1. 對設(shè)計任務(wù)進(jìn)行分析，確定總體設(shè)計方案；2. 根據(jù)要求，對工作臺和導(dǎo)軌進(jìn)行相應(yīng)的計算與選擇；3. 對傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計計算；4. 選擇電動機(jī)和聯(lián)軸器；5. 繪制裝配圖與零件圖；6. 選擇傳感器；7. 硬件選擇與電路設(shè)計并繪制電路原理圖；8. 程序設(shè)計；9. 檢查并編寫說明書。二、 設(shè)計總體方案介紹2.1 系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)框圖的設(shè)計方案如下圖2.2 系統(tǒng)工作原理本系統(tǒng)由單片機(jī)控制驅(qū)動電路驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動螺旋絲杠轉(zhuǎn)動，從而變旋轉(zhuǎn)運動為直線運動，工作臺沿導(dǎo)軌水平移動；光柵傳感器檢測到工作臺的位移信號并將信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，在傳感器與單

6、片機(jī)之間，由信號處理電路對信號進(jìn)行放大、整流、濾波、細(xì)分和辨向等處理；最后經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部程序處理后由顯示裝置顯示位移與速度值；另外，控制開關(guān)可以通過單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。三、 機(jī)械傳動部分設(shè)計3.1 工作臺設(shè)計由已知條件得系統(tǒng)承重30kg，且為一維工作臺，故選擇應(yīng)用為數(shù)控機(jī)床，選擇dzh100單坐標(biāo)工作臺。下表為其具體參數(shù)：型號行程載重量(n)精度等級重復(fù)定位精度定位精度運行直線度臺面運行平行度dzh100100300p40.0050.0250.0150.025單位：mm 參考dzh100型標(biāo)準(zhǔn)工作臺，可確定以下參數(shù)： 工作行程：150mm；工作臺尺寸：150mm150mm8mm；3.2 導(dǎo)

7、軌設(shè)計3.2.1 導(dǎo)軌選擇因為滾動導(dǎo)軌具有以下優(yōu)點：摩擦阻力小，運動輕便靈活；磨損小，能長期保持精度；動、靜摩擦系數(shù)差別小，低速時不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，運動均勻平穩(wěn)。所以本系統(tǒng)選擇滾動導(dǎo)軌。為保證系統(tǒng)做到導(dǎo)向精度高，剛度大，耐磨性好，精度保持性好，運動靈活而平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好。初步選擇mgn 12h型號直線導(dǎo)軌。該種導(dǎo)軌體積小，質(zhì)量輕，特別適用于小型設(shè)備使用；滑塊，導(dǎo)軌，鋼珠，保持器及其他配件均具有防銹功能；采用哥德型四點接觸設(shè)計，可承受各方向的負(fù)荷，具備剛性強(qiáng)，精度高等特點；有鋼珠保持器設(shè)計，在精度允許下具備互換性。3.2.2 滾動導(dǎo)軌的主要參數(shù)設(shè)計計算與校核1. 先確定運動件的長度l m

8、gn 12h導(dǎo)軌的滑塊組總長度為45.4mm，工作臺的邊長為150mm，工作臺共安裝兩條導(dǎo)軌，每條導(dǎo)軌安裝兩個滑塊組，245.4mm=90.8mm150mm，故運動件的長度l滿足設(shè)計要求。 承導(dǎo)件的長度l為工作臺邊長、工作行程和結(jié)構(gòu)余量之和，即150mm+100mm+10mm=260mm。2. 滾動體參數(shù)計算在一般情況下，滾珠的直徑3-6mm，由于本系統(tǒng)機(jī)構(gòu)尺寸較小，承載不大，故選用d=3mm的滾珠。對于一般承載的滾動體，其數(shù)量z可按下式計算：式中，f導(dǎo)軌運動件承受的力； d滾珠直徑；式中，工作臺所承載的重量； 工作臺的體積； 工作臺的材料密度； g重力加速度，取g=；由于工作臺質(zhì)量較小，故可

9、以忽略不計。由此可以計算得：f=300n4=75n；z5；由于滾動體的尺寸和形狀精度直接影響到導(dǎo)軌運動的直線性，故對其應(yīng)提出較高的要求。一般要求直徑的變化均應(yīng)小于0.5m。本系統(tǒng)為精密工作臺，定位精度要求為0.25m，故滾動體的尺寸一致性要求為小于0.2m。3. 滾動體強(qiáng)度計算滾動導(dǎo)軌的強(qiáng)度計算主要是滾動體與導(dǎo)軌面間受力后的接觸強(qiáng)度，核算每個滾動體所承受的最大壓力是否超過導(dǎo)軌材料接觸強(qiáng)度所允許的最大壓力，即。每個滾動體的許用載荷可由下面公式計算：式中，k假定許用應(yīng)力，mpa，查表得k=0.6； 導(dǎo)軌硬度修正系數(shù)，查表得=0.30； d滾動體的直徑，cm；計算得最大許用壓力：；最大壓力：；故滿足

10、的條件，設(shè)計滿足強(qiáng)度要求。4. 滾動導(dǎo)軌的剛度校核滾動導(dǎo)軌的剛度計算，實際上就是接觸變形的計算。式中，導(dǎo)軌的變形，m； 滾珠柔度系數(shù)，m/n，查表得； 一個滾珠所受的載荷，計算得；計算得導(dǎo)軌的變形：=1.2m。由于變形較小，可以接受，故設(shè)計滿足剛度要求。5. 滾珠導(dǎo)軌所需要的外力滾珠導(dǎo)軌所需的外力可按下式計算：式中，滾珠與導(dǎo)軌接觸處的預(yù)加載荷，對于精密機(jī)械一般f0取10n；作用在運動件上的外載荷，；滾動摩擦系數(shù)；滾珠直徑，；滾珠數(shù)目，；v形槽半角，()，；外載荷fw的作用角度，()，；計算得：即推動該導(dǎo)軌至少需要120n的外力。3.3 絲杠設(shè)計該系統(tǒng)的主要設(shè)計參數(shù)為：工作行程100mm； 工作

11、臺導(dǎo)軌靜摩擦系數(shù) =0.2移動負(fù)載質(zhì)量30kg； 工作臺及附件的質(zhì)量3kg（空載質(zhì)量）3.3.1 確定絲杠副的導(dǎo)程由工作臺最高移動速度，電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速，傳動比等確定當(dāng)電動機(jī)與滾珠絲杠副直聯(lián)時，求出的要取較大值，取整數(shù)。本課程設(shè)計中，依照要求，初定絲杠導(dǎo)程3.3.2 確定額定靜載荷軸向載荷計算公式： 其中，負(fù)載重量+工作臺及附件的重量 滑動導(dǎo)軌上的滑動摩擦系數(shù)（約為0.10.2），此處取=0.2當(dāng)載荷與轉(zhuǎn)速接近正比變化，各種轉(zhuǎn)速使用機(jī)會均等時，可采用下列公式計算由于是恒力恒速度，所以有：當(dāng)量載荷：當(dāng)量轉(zhuǎn)速： (自己選取)3.3.3 確定預(yù)期額定動載荷按滾珠絲杠副的預(yù)期工作時間計算式中 當(dāng)量轉(zhuǎn)速（

12、r/min） 預(yù)期工作時間(h)見表3-1； 精度系數(shù)。根據(jù)初定的精度等級選取，見表3-2； 可靠性系數(shù)，一般情況下1，在重要場合，要求一組同樣的滾珠絲杠副在同樣的條件下使用壽命超過希望壽命的90%以上時，的選擇見表3-3； 載荷性質(zhì)系數(shù)，根據(jù)載荷性質(zhì)選擇，見表3-4。查相應(yīng)的機(jī)械設(shè)計手冊可得下表：滾珠絲杠副預(yù)期工作壽命 表3-1機(jī)械類型預(yù)期工作時間 /h航空機(jī)械1000測量機(jī)械15000精密機(jī)械20000數(shù)控機(jī)床20000普通機(jī)械500010000普通機(jī)床1000020000根據(jù)上表和實際設(shè)計裝置的情況取絲杠壽命為數(shù)控機(jī)床的最大壽命值：表3-2 精度系數(shù)精度等級1,2,31.04,50.97

13、0.8100.7根據(jù)上表和實際設(shè)計裝置的情況，選取精度等級為4級，即表3-3 可靠性系數(shù)可靠性（%）901950.62960.53970.44980.33990.21根據(jù)上表上表和實際設(shè)計裝置的情況，選取可靠性為98%，即=0.33表3-4 載荷性質(zhì)系數(shù)載荷性質(zhì)無沖擊（很平穩(wěn)）1.01.2輕微沖擊1.21.5沖擊或震動1.52.0根據(jù)上表上表和實際設(shè)計裝置的情況，選取載荷系數(shù)，解得3.3.4 確定滾珠絲杠副的軸徑1. 估計滾珠絲杠的最大允許軸向變形量機(jī)械裝置中移動部件處在不同位置時系統(tǒng)的剛性是不同的，剛度最小處用 表示。當(dāng)滾珠絲杠副軸向有工作載荷作用時，傳動系統(tǒng)便產(chǎn)生彈性變形，且。從而影響了系

14、統(tǒng)的傳動精度，而處系統(tǒng)受影響最大。 空載時，作用在滾珠絲杠副上的最大軸向力工作載荷是靜摩擦力。此時規(guī)定滾珠絲杠副允許的最大軸向變形為：滾珠絲杠本身的拉壓彈性變形及滾珠絲杠副摩擦力矩的變化產(chǎn)生的彈性變形；根據(jù)本設(shè)計的情況：重復(fù)定位精度取0.005mm；定位精度取0.025mm可計算得：以上兩種方法估算的最小值取做值，即：2. 估算滾珠絲杠副的底徑因為兩端固定的滾珠絲杠副絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性最高。適用于高速回轉(zhuǎn)；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兩端軸承均調(diào)整預(yù)緊，絲杠的溫度變形可轉(zhuǎn)化為軸承的預(yù)緊力；適用于對剛度和位移精度要求高及較長的絲杠的滾珠絲杠安裝；軸向剛度最大。故選擇兩端固定的方式。此時， （為導(dǎo)軌靜摩擦

15、系數(shù)，取0.2）式中 導(dǎo)軌靜摩擦力（n） 估算的滾珠絲杠最大允許軸向變形量（mm） 彈性模量，為 兩個固定支承之間的距離（mm）計算得出：3.3.5 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號根據(jù)計算出，及傳動方式、使用情況，在保證，的條件下，選用內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直通雙螺母型墊片預(yù)緊形式，滾珠絲杠副的型號為sfk1402，其公稱直徑為14mm，公稱導(dǎo)程為2mm，螺紋旋向為右。3.3.6 螺旋絲杠副材料的選取 已知絲杠直徑 ，移動負(fù)載質(zhì)量 ；該絲杠為輕載、低速、精度高的傳動，故： 絲杠材料為：45 號鋼； 熱處理為：高、中頻加熱,表面淬火 螺母材料為：zcusn10zn2 ；熱處理為：滲氮、淬火 返向器材料為：

16、60mn ； 熱處理為：高、中頻加熱,表面淬火螺紋滾道的法面截形：單圓弧3.3.7 確定預(yù)緊力本課程設(shè)計中采用雙螺母預(yù)緊的方法，把彈性變形控制在最小限度內(nèi)，以減因滾珠絲杠副選擇的是雙螺母預(yù)緊形式，故需確定預(yù)緊力3.3.8 確定滾珠絲杠副的主要尺寸螺紋滾道的主要尺寸基本導(dǎo)程2mm；公稱直徑14mm；接觸角 =45；螺紋升角 ；滾珠直徑；螺紋滾道半徑 ；圓弧偏心距 3.3.9 滾珠絲杠的主要尺寸絲杠大徑;絲杠小徑 ;絲杠接觸點直徑;絲杠牙頂圓角半徑3.3.10 滾珠螺母的主要尺寸螺母螺紋大徑 ;螺母螺紋小徑 3.3.11 滾道法向截形圖3.3.12 滾珠螺母安裝與連接尺寸安裝尺寸為：基本導(dǎo)程2mm

17、；公稱直徑14mm滾珠螺母安裝、連接尺寸212331402663.4 絲杠副的校核3.4.1 軸向彈性接觸變形量計算當(dāng)有預(yù)緊時：式中 軸向載荷； 預(yù)緊力； 滾珠直徑； 工作螺母的滾珠數(shù)目，且有 z為一圈螺紋內(nèi)的滾珠數(shù)目；j為圈數(shù)；k為列數(shù)內(nèi)循環(huán)時：，3.4.2 絲杠強(qiáng)度的計算由于滾動螺旋轉(zhuǎn)動的絲杠所傳遞的轉(zhuǎn)矩主要是螺紋的阻力矩，所以得傳遞力矩：驅(qū)動力矩 式中-軸向載荷 -當(dāng)量摩擦角，且 -螺紋牙型半角 -螺旋升角由第四強(qiáng)度理論可得：查手冊得，螺桿材料（45號鋼）的許用應(yīng)力為屈服極限，所以材料的許應(yīng)應(yīng)力；可知，所以強(qiáng)度校核合格。3.4.3 穩(wěn)定性的計算由于，所以其中-長度系數(shù)，兩端固定取 螺桿的

18、最大工作長度，這里取250mm； 螺桿危險截面的慣性半徑； 螺桿危險截面的軸慣性矩； 危險截面的面積所以得校核合格。3.4.4 臨界轉(zhuǎn)速的計算對于鋼制絲杠為了不發(fā)生共振現(xiàn)象，應(yīng)使絲杠的轉(zhuǎn)速滿足下列關(guān)系式：其中，系數(shù)，與螺桿的端部結(jié)構(gòu)有關(guān)，由于是兩端固定所以查表取 絲杠的兩支承間的最大距離，；由于所以校核合格。3.4.5 校核結(jié)果確定選用內(nèi)循環(huán)滾動螺旋副的型號為sfk14023.5 軸承的選取選用的軸承為角接觸球軸承，可以同時承受徑向載荷和單向的軸向載荷，也可以承受單向的純軸向載荷，因為工作平臺有往返運動，故選擇成對安裝使用。選用型號為7001c其基本尺寸為d=12mm d=28mm b=8mm

19、3.6 校核軸承3.6.1 計算當(dāng)量動載荷p 根據(jù)軸端的的直徑，初步在固定端選用角接觸球軸承7001c，對其進(jìn)行校核，查表得其基本額定動載荷，基本額定靜載荷2550n，基本額定動載荷5200n。由于受到的軸向載荷為66n，所以，查表并插值計算得e=0.396。又因受到的徑向載荷比較小,所以。查表并插值計算得，x=0.44，y=1.42。 計算軸承的當(dāng)量動載荷：其中，為載荷系數(shù)，無沖擊或輕微沖擊時，在這選為1.1。3.6.2 計算軸承的壽命由設(shè)計要求可知，軸的使用壽命要求為，軸承的壽命計算為：-壽命指數(shù)，由于是球軸承，所以；-溫度系數(shù)，因軸承的工作溫度不高，所以。3.7 驅(qū)動力矩的計算由于軸承的

20、壓力角為，取軸承的滾動摩擦系數(shù)為，所以軸承的摩擦力為：所以軸受到的軸承的摩擦阻力矩的大小為:所以驅(qū)動力矩為:3.8 電機(jī)的選擇由上面算得，系統(tǒng)的驅(qū)動力矩為：所以得電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為：查手冊，因為直流伺服電機(jī)具有下列優(yōu)點：轉(zhuǎn)動慣量小、啟動電壓低、空載電流??；棄接觸式換向系統(tǒng)，大大提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速高達(dá)100 000rpm；無刷伺服電機(jī)在執(zhí)行伺服控制時，無須編碼器也可實現(xiàn)速度、位置、扭矩等的控制；不存在電刷磨損情況，除轉(zhuǎn)速高之外，還具有壽命長、噪音低、無電磁干擾等特點.選取直流伺服電機(jī)的型號為：jsf 60-40-30-df-1000。jsf 60-15-30-cf-1000直流伺服電機(jī)的技術(shù)

21、參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速：3000rpm額定電壓：48v；極 數(shù)：8；額定電流：5.5a；額定轉(zhuǎn)矩：500nmm；3.9 減速器的選擇因為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，設(shè)計絲杠最大轉(zhuǎn)速為1000rpm。故需要選擇減速器。根據(jù)設(shè)計要求，選擇伺服行星減速機(jī)ps 40系列1級減速器。以下為其具體參數(shù)。額定輸出轉(zhuǎn)矩：額定輸入速度：4500rpm平均壽命 ：20000h3.10 聯(lián)軸器的設(shè)計 根據(jù)軸徑的大小、轉(zhuǎn)矩的大小，以及系統(tǒng)的工作條件來選擇連軸器。根據(jù)常用聯(lián)軸器的性能、使用條件等綜合比較，選用彈性套柱銷聯(lián)軸器。彈性套柱銷聯(lián)軸器的使用條件：適用于聯(lián)接載荷平穩(wěn)、需正反轉(zhuǎn)或起動頻繁的傳遞中小轉(zhuǎn)矩、中小功率傳動軸

22、系，工作溫度在-2070的場合。彈性套柱銷聯(lián)軸器的優(yōu)缺點：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，裝配方便，不用潤滑。具有一定的補(bǔ)償兩軸線相對偏移和減振、緩沖性能。但彈性套易摩損，壽命較短。根據(jù)載荷條件，以及軸徑，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)gb/t43232002，選擇tl1型彈性套柱銷聯(lián)軸器：gb/t4323-2002,主動軸端：z型軸孔，c型鍵槽，孔徑為10mm；長度為l=25mm;從動軸端：j型軸孔，a型鍵槽，孔徑為,長度為l=17mm。四、 硬件電路設(shè)計4.1 電機(jī)驅(qū)動電路為了方便控制與調(diào)速，本系統(tǒng)采用直流伺服電機(jī)。由單片機(jī)控制驅(qū)動電路驅(qū)動直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動。利用pwm(脈沖寬度調(diào)制)可實現(xiàn)對電機(jī)的控制。脈沖寬度調(diào)制主要是改

23、變脈沖信號的占空比來實現(xiàn)控制的。當(dāng)增加脈沖的占空比，伺服直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速增加；反之，其速度降低。所以通過控制脈沖的占空比可以控制伺服直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。由上流程圖可知，系統(tǒng)先檢測開關(guān)3（正反轉(zhuǎn)開關(guān)）的信號。如果是0信號（開的狀態(tài)），則發(fā)出正轉(zhuǎn)信號，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，反之電動機(jī)反轉(zhuǎn)。檢測完開關(guān)3，接下來檢測開關(guān)1（加速開關(guān)），若信號為1（關(guān)的狀態(tài)），發(fā)出加速的信號，電動機(jī)加速，若信號為0（開的狀態(tài)），速度保持不變。再檢測開關(guān)2（減速開關(guān)），若信號為1（關(guān)的狀態(tài)），發(fā)出減速的信號，電動機(jī)減速，若信號為0（開的狀態(tài)），速度保持不變。系統(tǒng)一直對三個開關(guān)信號循環(huán)檢測，循環(huán)的執(zhí)行程序。4.2 測量電路設(shè)計本設(shè)計選用

24、光柵傳感器作為計量元件，它具有原理簡單、測量精度高、測量范圍大、易于實現(xiàn)數(shù)字顯示和自動化測量等特點。光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件組成。4.2.1 光柵傳感器測量原理光柵傳感器主要由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭構(gòu)成。其中光柵讀數(shù)頭由led光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅(qū)動線路組成由于兩塊疊放在一起的光柵的相對移動，會產(chǎn)生與之同步移動的莫爾條紋信號。光柵測量就是利用光柵迭合時所形成的莫爾條紋及其變化來實現(xiàn)的。光柵盤上黑白刻線的相對移動，會產(chǎn)生光強(qiáng)度周期性的變化，此光信號經(jīng)光電池轉(zhuǎn)換成為周期性的電信號，對此電信號進(jìn)行一系列處理，即可獲得光柵相對移動的位移量。4.2.2

25、測量的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本設(shè)計的硬件電路主要由單片機(jī)89c51、計數(shù)器、細(xì)分與辨向電路、顯示電路和光柵位移傳感器組成。 實驗中，光柵傳感器由導(dǎo)軌系統(tǒng)承載驅(qū)動。測量時，光柵傳感器輸出相位依次相差90的4 路正弦波信號，它們通過硬件電路進(jìn)行濾波整形、細(xì)分，然后經(jīng)過辨向和計數(shù)，由硬件電路將反映位移的計數(shù)值暫時存放在緩存器中，等待微處理器進(jìn)行采集。微處理器經(jīng)過數(shù)據(jù)總線采集緩存器中的計數(shù)值并送入內(nèi)存，進(jìn)行計算和處理，然后位移數(shù)據(jù)送led 顯示器進(jìn)行顯示。4.2.3 細(xì)分辨向電路單個光電元件接收一固定點的莫爾條紋信號，只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動方向，因而就不能判別運動零件的運動方向，以致不能正確測

26、量位移。采用辨向技術(shù)后，在相距的位置上設(shè)置兩個光電元件1 和2，以得到兩個相位互差90的正弦信號。正向移動時脈沖數(shù)累加，反向移動時，便從累加的脈沖數(shù)中減去反向移動所得到的脈沖數(shù)，這樣光柵傳感器就可辨向。辨向原理圖采用細(xì)分技術(shù)，使光柵每移動一個柵距時輸出均勻分布的n 個脈沖，從而得到比柵距更小的分度值，是分辨率提高到w/n。細(xì)分辨向電路圖4.3 顯示電路本系統(tǒng)的顯示部分采用數(shù)碼管顯示，共用8 個led 數(shù)碼管，其中5 個用來顯示位移值，3 個用來顯示速度值，段選由單片機(jī)的pa0 pa7 輸出，位選由單片機(jī)的pb0pb7 輸出。p2 采集接口，p3 電機(jī)的控制。五、軟件程序設(shè)計5.1 直流伺服電機(jī)

27、驅(qū)動程序k1 bit p1.4 ；加速鍵k2 bit p1.5 ；減速鍵k3 bit p1.6 ；正反鍵clk bit p0.0 ；速度控制信號zf bit p0.1 ；正反控制信號pwmh equ 30h ；調(diào)寬值，定時器所賦值pwml equ 31horg 0000hljmp mainorg 000bh ；中斷1控制周期ljmp timer1org 001bh ；中斷3控制脈寬ljmp timer2org 0030hmain: mov pwmh,#00h mov pwml,#0fh mov tmod,#11h ；兩個定時器都工作在方式1 mov th0,#00h ；65.536mm定時 m

28、ov tl0,#00h mov th1,pwmh ；脈寬 mov tl1,pwml setb ea ；cpu允許中斷 setb et0 ；允許定時器t0中斷 setb et1 ；允許定時器t1中斷 setb tr0 ；定時器t0計數(shù) clr clkloop: jb k3,loopzf ；高電平逆時針轉(zhuǎn)，低電平順時針轉(zhuǎn) clr zf ；針轉(zhuǎn) ljmp loopk1loopzf: setb zfloopk1: jb k1,loopk2 ；k1按下加速 lcall delay mov a,pwml add a,#1 ；調(diào)寬值低4位加1 mov pwml,a mov a,pwmh addc a,#0

29、；調(diào)寬值高4位加1 mov pwmh,a jnc loopk2 ；最大值時 mov pwmh,#0ffhloopk2: jb k2,over ；k2按下減速 lcall delay mov a,pwml clr c subb a,#1 ；調(diào)寬值低4位減1 mov pwml,a mov a,pwmh subb a,#0 ；調(diào)寬值高4位減1 mov pwmh,a jnc over mov pwmh,#00h ；最小值時over: ljmp looptimer1: clr tr1 mov th0,#00h mov tl0,#00h mov th1,pwmh ；賦調(diào)寬值 mov tl1,pwml se

30、tb tr1 clr clk retitimer2: clr tr1 setb clk retidelay: mov r4,#10hd1: djnz r4,d1 ret end4.2.6 光柵位移速度測量程序 mov a, th0 mov 30h, a ；th0存30h mov a, tl0 mov 31h, a ；tl0存31h，計數(shù)器數(shù)值存入數(shù)值空間 mov 32h,#fah ；碼尺分辨率為0.004cm=1/250=fah mov a, 30h jnb acc.7，suan ；判斷存入的定時器值是否為負(fù)數(shù)； cpl a ；是，需要將其轉(zhuǎn)為正數(shù) mov 30h,a mov a,31h cp

31、l a mov 31h,a ；雙字節(jié)除以單字節(jié)改用雙字節(jié)移位減去單字節(jié)進(jìn)行計算suan:mov r0 #08h ；共八個字節(jié) mov 33h,30h ；被除數(shù)放在33h,34h mov 34h,31ht1:clr c ； mov a,34h rlc a mov 34h,a mov a,33h rlc a ；所有被減數(shù)向左移一位 mov 05h,c ；將c狀態(tài)存入05h clr c subb a,32h ；進(jìn)行減法運算 jb 05h,t2 ；若05h為1，說明大于減數(shù)，轉(zhuǎn)t2 jnc t2 ；若c=0，說明被減數(shù)大于減數(shù)，轉(zhuǎn)t2 add a,32h ；若c=1，說明被減數(shù)小于減數(shù)，加減數(shù)為余數(shù)

32、mov 33h,a ；余數(shù)存入33h ajmp t3t2:mov a,34h ；將商置1，隨著34h不斷向左一位 add a,#01h ；最終商存入34h mov 34h,at3:mov 33h,adjnz r0，t1 ；r0是否為0，不為0，繼續(xù)循環(huán) ret sudu:acall wei1 ；調(diào)用位移計算子程序mov 41h,34h ；將位移存入41h、acall d1s ；延遲1s ajmp wei1 ；再次調(diào)用位移計算子程序 mov 42h,34h ；將第二次位移存入42h mov a,41h ；計算兩字節(jié)減法 cjne a,42h,da ；比較兩數(shù)大小，41h存小數(shù),42h存大數(shù) da

33、:jc j1 mov a,43h mov 41h,42h mov 42h,43h j1:mov a,42h ；減法，求出10ms內(nèi)的位移 clr c subb a,41h ；1s位移是acm，將單位為cm/s mov 50h,a ；速度存入50h mov a,34h ；將位移速度值轉(zhuǎn)成10進(jìn)制存入54h mov b,#0ah div ab mov 57h,a mov 56h,b mov a,50h mov b,#0ah div ab mov 55h,a mov 54h,b mov r1, #54h ；顯示位移速度值存儲首址mov r0，#60h ；顯示緩沖區(qū)首址 xian:mov dptr,#tabl ；字形碼初值送dptr mov a ,r1 movc a,a+dptr ；取字形碼數(shù)據(jù) mov r0, a inc r0 inc r1 cjne r0，#64h,xian ；將要顯示的字形碼依次存入顯示緩沖區(qū)led：setb p3.5 ；開放顯示器控制 mov r7，#04h ；顯示位數(shù)r7 mov r0 #60h ；送最低位led1:mov a,r0 m