摘 要

本文主要研究应用于轨道交通的光栅式定位系统，设计出定位系统的实物模型。研究该系统在实际应用中的优势，分析并得出结论。

基于单片机的光栅式定位系统分为两个部分，数据采集部分和电路控制部分。数据采集部分由光栅、齿槽板、光电检测器和压力开关模块组成，利用单片机实现光栅式定位系统的控制部分。本文中数据采集部分使用集成光电检测的光栅式传感器，使用STC89C51芯片来设计定位系统的控制部分。可以满足控制电路的要求。

本文首先分析了光栅莫尔条纹形成的原理及其主要特点，在此基础上分析了光栅位移传感器输出信号模型，并阐述了电路控制部分的功能。

使用英国Lab Center Electronics公司出版的著名EDA工具软件Proteus建立电路仿真模型，接着使用美国Keil Software公司的单片机C语言软件开发系统Keil μVision4进行程序编程，进行联合调试，判断电路设计以及所编写程序正确性。

最后通过液晶显示观察定位系统的实现效果，对实现方案进行分析和总结。

关键词：光栅；莫尔条纹；单片机

Abstract

This paper studies used in rail transport grating positioning system, design mock-positioning system. Research on the system advantages in practical application, analyze and draw conclusions.

Microcontroller based grating positioning system is divided into two parts, the data acquisition part and the circuit control section. Data collection by the grating, alveolar plate, a photodetector and a pressure switch module, using SCM to achieve control section grating positioning system. Data acquisition section of this article using the integrated photo detector grating sensors using STC89C51 chip to design the control section positioning system. Meet the requirements of the control circuit.

This paper analyzes the principles and main characteristics of grating moire fringe formed on the basis of analysis of grating displacement sensor output signal model, and expounded the circuit control part of the function.

Use well-known EDA tools UK Lab Center Electronics published by Proteus circuit simulation model is established, and then use the US company's Keil Software MCU C language software development system Keil μVision4 be programming, joint debugging, circuit design, and determine the correctness of programming .

Finally, the liquid crystal display to achieve results observed positioning system, the realization of the program were analyzed and summarized.

Keywords：grating；moire；SCM

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 光栅传感器简介 1

1.3 本文主要工作及文章结构 2

第2章 光栅传感器的理论研究 3

2.1 光栅传感器的工作原理 3

2.2 莫尔条纹 3

2.2.1 莫尔条纹的形成 3

2.2.2 莫尔条纹放大作用 4

2.2.3 均化误差作用 5

2.3 莫尔条纹信号预处理 5

2.4 莫尔条纹细分和辨向 5

2.5 本章小结 7

第3章 定位系统控制模块仿真电路设计 8

3.1 定位系统控制模块工作原理及结构 8

3.2 89C51简介与单片机最小系统设计 8

3.2.1 89C51单片机简介 8

3.2.2 单片机最小系统设计 10

3.3 压力传感器模块分析与设计 11

3.3.1 压力传感器模块工作原理 11

3.3.2 压力传感器模块仿真设计 12

3.4 LCD12864简介与电路设计 12

3.4.1 LCD12864简介 12

3.4.2 LCD12864液晶显示模块设计 13

3.5光栅传感器信号处理模块 14

3.6控制模块仿真电路 15

3.4 本章小结 16

第4章 定位系统控制模块软件设计 17

4.1 软件设计原理 17

4.2中断子程序设计 17

4.3 位置检测子程序设计 18

4.4 液晶显示部分设计 20

4.4.1 状态信息显示子程序 21

4.4.2 距离显示子程序 21

4.5 本章小结 22

第5章 定位系统控制模块实现 23

5.1 定位系统控制模块电路实现 23

5.2 定位系统控制模块功能调试 24

5.3 本章小结 25

第6章 总结 26

参考文献 27

附 录 28

致 谢 45

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

近年来，我国城市化进程不断推进，交通拥堵问题十分突出，为了方便市民出行，我国迅速发展轨道交通，总里程跃居世界第一。轨道交通定位系统是轨道车辆运行控制系统的重要组成部分，及时准确显示列车运行位置，确保了列车的安全运行^[1]。常见的轨道车辆定位方法有微波定位、接近传感器定位、交叉感应回线定位和光栅定位等。而光栅式传感器具有精度高、稳定性强、不受电磁干扰、受温度影响较小、量程大等突出优点，已经广泛应用于各个领域。本文将光栅传感器应用于轨道交通定位系统。光栅形成的叠栅莫尔条纹具有光学放大和平均误差的作用，因而能提高测量精度^[2]。而且具有较强的抗干扰能力。配合单片机可以实现动态测量，并自动化处理数据^[3]。增加了定位系统的可靠性和实用性，更好的完成定位要求，有利于将轨道交通打造为绿色安全可靠的交通方式。

1.2 光栅传感器简介

光栅传感器是光栅式定位系统的重要组成部分，用于采集定位所需数据信息。光栅传感器是指利用光栅叠栅，产生莫尔条纹测量位移的传感器，实质是利用射线光学和衍射原理。

通过查阅相关资料，了解到目前光栅传感器的制作工艺已经相当成熟，应用已经十分广泛。应用于工业精密测量的光栅尺可以完成本实验中数据采集模块的功能。光栅尺的种类各异，差别基本在于量程和精度，考虑到定位系统是用于轨道交通，测量误差控制在厘米级就已经满足实际使用要求，而光栅尺的精度范围一般在微米级，所以任何一个光栅尺都可以满足设计要求。考虑到成本问题，选用广州信和公司的KA-300光栅尺，分辨率为5。