李敏;丁红昌;曹国华
【摘 要】光电编码器以其分辨率高、测量精度高、形式多样等优点,被广泛运用于现代工业、航天航空领域.在工程中对光电编码器信号的采集一般使用专用PCI卡,这无形中增加了工程的成本,本文介绍了一种基于AT89S52单片机的绝对式光电编码器的接口装置及软件设计,该装置使用LCM12684作为显示模块,实现了对绝对式光电编码器的数据采集、处理及输出.糖果制造
【期刊名称】《机械研究与应用》
【年(卷),期】2012(000)005
上海化科【总页数】5页(P121-124,127)
【关键词】绝对式光电编码器;51单片机;数据采集;LCM12864口环
【作 者】李敏;丁红昌;曹国华
【作者单位】长春理工大学机电工程学院,吉林长春130022;长春理工大学机电工程学院,吉林长春130022;长春理工大学机电工程学院,吉林长春130022
【正文语种】中 文
【中图分类】TM503
1 引言
光电编码器是集光、机、电为一体的检测装置，因其具有测量精度高、抗干扰性强、适用性强等特点已广泛应用于现代工业及航天航空领域。相对于增量式编码器，绝对式编码器以转角位置对应唯一数字编码、无累积误差以及具有记忆功能而广受欢迎，光电编码器信号输出形式以SSI(同步串行)RS－485接口较多，这种信号模式通常情况下不能为PC机直接接收。国际上普遍将编码器数据采集和角度信息处理电路集成在计算机上的PCI卡上，通过PCI总线将数据传输给计算机[1]，这种PCI卡具有较高的成本和较复杂的电路。笔者以AT89S52单片机为核心，介绍了一种低成本的对绝对式光电编码器信号进行采集、传输、显示的接口装置。
2 AT89S52及编码器介绍
2.1 AT89S52 性能介绍
AT89S52是一种低功耗、高性能8位COMS微控制器，采用5V供电，具有8K在系统可编程Flash存储器，可方便下载或修改系统程序，256字节的RAM，32位I/O口，1个6向量2级中断结构，全双工串行口，1个看门狗定时器，3个16位定时器/计数器。其内部结构如图1所示。
其中，P0口是1个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。当P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据时，P0口也被作为低8位地址/数据复用，这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节;在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1、P2口是具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口也是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用。文中P0口用于数据输出，P1口用于系统编程，P2口为人机交互界面控制端口，P3口使用第二功能。
2.2 绝对式编码器工作原理介绍
绝对式光电编码器结构如2图所示，主要由光源、码盘、光栅、光敏元件及处理电路组成[2]。在码盘的一侧装有光源及准直装置，另一侧装有狭缝盘及光敏元件。当码盘与狭缝盘发生相对运动时，光源发出的光线被切割调制成明暗相间的莫尔条纹，光敏元件将其转换为电信号，再通过电路系统进行放大、整形及译码等处理，最终以数字量的形式输出。绝对式光电编码器数字量的输出主要有二进制码和格雷码两种，相对于二进制码，格雷码是位变化码有效地避免了错码，提高了光电编码器信号的可靠度，因此，格雷码被广泛应用于绝对式编码器编码中[3]。
3 系统设计及实现
3.1 系统整体设计
基于AT89S52单片机的光电编码器接口装置采用高性能、低功耗8位COMS微控制器作为系统核心处理器件，通过数据采集电路将光电编码器信号转化为单片机能识别的电平信号，使用看门狗电路保证单片机程序的正常运行，同时设计了能与PC上位机连接的输出电路，便于扩展应用。系统整体结构简图如图3所示。
由图3可知，系统由数据采集电路、看门狗电路、输出电路和人机交互界面组成。其中，人机交互界面由键盘和液晶显示模块组成，键盘根据需要使用4个独立式键盘用于实现系统的参数设定及功能切换，液晶显示模块采用带中文字库的LCM12864液晶显示模块。数据采集电路采用MAX202用于光电编码器信号与单片机信号之间的转换，看门狗电路主要由MAX813组成，实现手动复位与自动复位。为利于数据的后续处理，系统采用MAXIM公司专为RS－232标准串行口设计的MAX232电平转换芯片。
图1 AT89S52单片机内部结构框图
CCSVC
发光管图2 光电编码器结构简图
图3 系统结构框图
具体工作时，数据采集电路将光电编码器信号采集并传送给CPU，CPU对数据进行处理后输送给LCM13864液晶显示模块，同时将采集的数据信号通过数据输出电路传输到PC上位机中。
3.2 数据采集电路的实现
通常情况下，为满足高速、稳定、长距离信号传输的要求，光电编码器输出信号一般采用RS－485协议的电平，因而在光电编码器与单片机通信的过程中要将符合RS－485协议信号的电平转化为能为单片机接收的电平信号。目前能满足这种要求的芯片按通信方向可分为两类:全双工和半双工。为满足不同编码器的需求，笔者选用具备全双工或半双工自适应功能的转换芯片MAX202CSE。
MAX202是MAXIM公司为在复杂环境下进行RS－232通信设计的芯片，其内部含有2个驱动器，2个接收器。每个发送器输出端和接收器输入端都设有保护，能保证 120KB/s的传输速率。同时，MAX202还提供了额外保护装置防止静电，它的RS－232输入端和输出端能承受高压放电测试，适应各种复杂条件下的通信工作。
MAX202使用单一的+5V电源工作，正常工作时需外接0.1uF电容，同时为增加电路的抗干扰性，该系统在数据采集电路上加了2个TLP521光耦，数据采集电路如图4所示。
图4 光电编码器数据采集电路图
3.3 看门狗电路的实现
在恶劣工业环境应用中，系统的稳定性或抗干扰性是评价其可靠性的重要标志之一。虽然AT89S系列单片机内部集成了看门狗电路，但为进一步保证系统的可靠性，本系统增加了外部看门狗电路。选择成本低、性能好的MAX813看门狗芯片作为看门狗电路核心元件，其电路如图5所示。
图5 看门狗电路图大功率led天花灯
MAX813具有以下几个特点:①独立的看门狗计时器，在1.6s内看门狗输入无变化则产生复位输出信号;②掉电复位，当掉电或者电压低于1.25V时，产生复位输出信号;③上电复位，上电时能自动产生200ms脉宽的复位脉冲;④具有手动复位功能，当手动复位端输入低电平时，产生复位信号输出。
