基于单片机的容栅数显高度尺优化设计

作者:顾鑫;朱晓锦;陈凯 刊名:仪表技术 上传者:郭莲

【摘要】介绍了一种采用AT89S51单片机针对容栅数显高度尺实现自动化测量的方案。在容栅数显高度尺原有结构基础上进行优化改造,划线爪的定位采用无刷直流行星齿轮减速电机驱动同步齿形带方式实现;利用AT89S51单片机作为微处理器,设计了一个控制系统,包括了数据采集模块、LCD显示屏模块、电机驱动模块以及键盘输入模块的设计。该方案实现了当高度尺进行划线时,可以通过键盘选择增量式或绝对式的方式输入目标高度数据,并且可以实现计算功能(加减运算),划线爪根据设定的目标值实现自动定位。另外,当高度尺用于工件高度测量时,只需将划线爪替换成一个带有反馈信号的接触式测头,便可实现自动测量;实际使用过程中,简单方便的功能较好地提高了工作效率。

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0引言容栅数显高度尺是由尺身、数显组件、尺框、划线爪和底座等单元组成,主要用于工件的高度测量和精密划线场合使用[1],但作为手动量具,使用时每次都得拧紧尺框紧固螺钉,将尺框紧固住,并且还得调整微动装置进行微调[2],从而导致其使用效率不高。本文旨在针对常规容栅数显高度尺进行优化改造设计,增加尺寸数据计算功能、目标尺寸位置自定位功能,以及高度自动测量功能,这样不仅能够方便操作者使用,还可以减少不必要的人为误差,较大程度上提高了工作效率。1机械结构的改造设计在容栅数显高度尺原有的结构上,进行了机械结构的改造,主要是将电机作为驱动元件,采用同步齿形带传动方式,将电机的旋转运动转化为直线运动;由于采用了无刷直流行星齿轮减速电机,它具有自锁功能,从而避免了每次使用时尺框手动锁紧。进行结构改造的零部件主要由带轮支架1、带轮支架2、皮带轮、同步齿形带、联轴器、轴承、短销和电机底座等组成,具体结构如图1所示。图1改造后的高度尺结构2总体方案的设计在对容栅数显高度尺进行结构改造的基础上,利用AT89S51单片机作为CPU,设计一个控制系统,系统的总体框架图如图2所示。图2系统总体框图控制方案如下:当作为划线使用时,安装上划线爪,根据操作者在键盘上输入的位置数据,与当前数显高度尺位置数据进行比较,单片机控制无刷直流电机驱动同步齿形带,带动容栅数显高度尺的数显组件运动,从而带动划线爪的定位;容栅传感器作为高度反馈的检测装置完成闭环控制,以实现精确定位,定位完毕后操作者就可以直接划线。当作为高度测量功能使用时,自行设计了一个带有反馈信号的接触式测头,取下划线爪,安装上该测头,操作者按下测量高度确定按键后,测头自动往下移动;待接触到工件后,测头内的反馈信号传送给单片机,单片机控制电机立刻停止,操作者可以在LCD显示屏上直接读取测量结果。3控制系统的硬件部分设计系统的硬件电路如图3所示,主要包括单片机系统、数据采集电路、LCD显示电路、电机驱动电路和键盘输入电路等几个部分。图3系统硬件电路3.1数据采集电路容栅传感器是一种可以测量大位移的电容式数字传感器,本文选用的容栅传感器部分采用的是桂林量具刃具有限责任公司生产的一款数显高度尺自带的模块,带数据输出接口,分辨率达0.01mm,测量范围为0~200mm。容栅传感器本身带有4个信号线接口,分别为电源线(-1.5V)、同步时钟线(CLK)、串行数据输出线(DATA)和地线(0V)。在同步时钟线上CLK信号的一个周期内,串行数据输出线DATA信号分为2组,每组各24位二进制数,需要采集的是后24位的数据。单片机要实现容栅传感器的数据采集亟需解决两个问题:第一,容栅传感器与单片机之间的电平转换,第二,8位单片机如何获取容栅传感器输出的一组24位二进制数据[3-4]。如图3的信号转换电路所示,电阻R2、三极管Q2、反向器U1D和反向器U1E对串行数据输出信号进行电平转换;其中,三极管作为开关,经过三极管的信号再通过2个反向器对其整形。同样,类似的电路,电阻R1、三极管Q1和反向器U1A对同步时钟信号进行转换,输出分别用DATA1、CLK1表示。如图3的数据采集电路所示,MC14053是三组二路模拟开关,通过选用其中的一组,将它的模拟开关控制信号端C连接在单片机的P1.2上,其对应的二路端口分别是端口Z1与单片机的TXD端连接,端口Z0与CLK1连接。MC14557是1到64位可变长度的移位寄存器,按照接法将它接成24位移位寄存器来使用,将DATA1接在它的输入端上,并将它的输出端Q端与AT89S51单片机的RXD端相连。这样,当P1

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