鋼板表面粗糙度檢測系統(tǒng)改1234

1、表面粗糙度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) XL摘 要表面粗糙度是反映零件表面光滑程度的物理量。它是在切削過程中，由刀具在工件表面上留下的刀痕而產(chǎn)生的。目前廣泛應(yīng)用觸針式輪廓儀可以實(shí)現(xiàn)粗糙度部分參數(shù)的評定，但存在測量精度較低、測量參數(shù)較少、測量結(jié)果輸出不直觀等缺點(diǎn)，已不能滿足現(xiàn)代工件測量要求。本文根據(jù)表面粗糙度的定義，基于微機(jī)開發(fā)出的表面粗糙度測量儀，除能解決傳統(tǒng)儀器目前存在的問題外，還具有測量速度快，自動(dòng)化程度高和良好的操作優(yōu)點(diǎn)，而且通用性強(qiáng)，價(jià)格便宜，將具有較大的應(yīng)用價(jià)值和市場潛力?；趩纹瑱C(jī)的表面粗糙度參數(shù)測量儀，就是通過設(shè)計(jì)編寫表面粗糙度參數(shù)測量的軟件控制程序, 使得儀器的測試更加靈活，多樣化，只要加上必

2、要的硬件設(shè)備就可以根據(jù)用戶需要構(gòu)成測試儀器。關(guān)鍵詞：單片機(jī)，表面粗糙度，檢測，計(jì)算目 錄1 緒論11.1 文獻(xiàn)綜述11.2 立題意義21.3 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀31.4 表面粗糙度測量技術(shù)的發(fā)展41.5 本文研究內(nèi)容52 粗糙度檢測的基本原理62.1 表面粗糙度的概念62.2 表面粗糙度的測量參數(shù)62.3 反射式光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu)72.4 反射式光纖位移傳感器輸出特性72.5 粗糙度測量原理83 粗糙度測量儀的方案總體設(shè)計(jì)103.1 硬件方案設(shè)計(jì)103.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)114 粗糙度測試儀硬件及軟件設(shè)計(jì)124.1 信號(hào)調(diào)理電路124.2 單片機(jī)及其外圍擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)124.3 軟件設(shè)計(jì)

3、175 調(diào)試與驗(yàn)證255.1 調(diào)試分析過程255.2 調(diào)試故障及原因分析266結(jié)論27參考文獻(xiàn)29附錄 電路圖32附錄 程序清單331 緒論1.1 文獻(xiàn)綜述介紹了表面粗糙度的概念和表面粗糙度測量儀的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的一種新的表面粗糙度測量儀1，即利用傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合。在切削加工過程中，由于刀具和被加工表面間的相對運(yùn)動(dòng)軌跡(即刀痕)、刀具和被加工表面間的摩擦、切削過程中切屑分離時(shí)表層金屬材料的塑性變形以及工藝系統(tǒng)的高頻振動(dòng)等原因，零件表面會(huì)出現(xiàn)許多間距較小的、凹凸不平的微小的峰、谷。這種零件被加工表面上的微觀幾何形狀誤差稱為表面粗糙度2。表面粗糙

4、度不同于主要由機(jī)床、夾具、刀具幾何精度以及定位夾緊方面的誤差等因素引起的表面宏觀幾何形狀誤差，也不同于主要由機(jī)床、刀具、工件的振動(dòng)、發(fā)熱、回轉(zhuǎn)不平衡等因素造成的介于宏觀和微觀幾何形的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)4，通常按波距或波距與波幅的比值來劃分。波距小于lmm的屬于表面粗糙度；波距在110mm的屬于表面波度；波距大于10mm的屬于形狀誤差。波距與波幅h的比值小于40時(shí)屬于表面粗糙度5；比值在401000時(shí)屬于表面波度；比值大于1000時(shí)屬于形狀誤差6。表面粗糙度是機(jī)械零件的一個(gè)重要的精度指標(biāo)，對零件的性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響。零件表面粗糙度會(huì)直接影響零件的耐磨性、疲勞強(qiáng)度、配合性質(zhì)、抗腐蝕性以及密封性等。因此，關(guān)

5、于表面粗糙度測量的研究一直在持續(xù)，傳統(tǒng)的測量方法有光切法、針描法、比較法、干涉法和印模法等多種，主要是使用電動(dòng)廓儀、樣板、干涉顯微鏡、光切顯微鏡等多種計(jì)量儀器和工具。目前廣泛應(yīng)用觸針式輪廓儀可以實(shí)現(xiàn)粗糙度部分參數(shù)的測量評定，但存在測量精度較低，測量參數(shù)較少，測量結(jié)果的輸出不直觀等缺點(diǎn)，已不能滿足現(xiàn)代工件的測量要求，開發(fā)研制新型的表面粗糙度測量儀來滿足現(xiàn)代精密工件的測量要求是很有必要的，基于微機(jī)開發(fā)出的表面粗糙度測量儀，除能解決傳統(tǒng)儀器目前存在的問題外，還具有測量速度快，自動(dòng)化程度高和良好的操作性等優(yōu)點(diǎn)，而且通用性強(qiáng)，價(jià)格便宜，將具有較大的應(yīng)用價(jià)值和市場潛力 20?；谖C(jī)技術(shù)的表面粗糙度參數(shù)測

6、量儀，就是通過設(shè)計(jì)編寫表面粗糙度參數(shù)測量的軟件控制程序, 使得儀器的測試更加多樣化，靈活，只要加上必要的硬件設(shè)備就可以根據(jù)用戶需要構(gòu)成測試儀器。1.2 表面粗糙度測量技術(shù)表面粗糙度和零件的性能和工作壽命密切相關(guān)，因此，人們認(rèn)識(shí)到測量表面粗糙度的重要性，在很長一段時(shí)間之前。然而，由于技術(shù)水平，技術(shù)工藝落后，只能單靠觸覺和視覺估計(jì)。在生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展以后，開始采用了比較顯微鏡進(jìn)行比較測量，但這些原始測量方法只能對表面微粗糙度做出一個(gè)定性的評估。測得的表面粗糙已有很長一段時(shí)間，在一般情況下，表面粗糙度測量方法可以分為兩大類：接觸和非接觸式表面粗糙度測量技術(shù)。 (1)接觸式針式輪廓是使用最廣泛的非接觸

7、式測量儀器，一般采用金剛石針尖，為了上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)桿控制探針沿表面，以正確反映實(shí)際的側(cè)面輪廓曲線。其優(yōu)點(diǎn)是：重現(xiàn)性好，分辨率高，結(jié)果可靠，測量范圍大，其水平和垂直分辨率20nm及0.lnm。它還作為對比其他方法粗糙度測量技術(shù)。目前正在手寫筆的形狀，大小，形狀，接觸力的動(dòng)態(tài)特性，手寫筆，儀表和智能將不斷提高。最大的缺點(diǎn)：探頭經(jīng)常劃傷的表面進(jìn)行測量。因此，這種類型的針式表面輪廓并不適用于輕金屬，塑料和超精加工表面。(2)非接觸式由于接觸測量儀器的缺點(diǎn)，光學(xué)技術(shù)已經(jīng)引進(jìn)一側(cè)的表面粗糙度測量，以實(shí)現(xiàn)非接觸式測量。典型的方法有以下幾種：光散射法-它是如何工作的：當(dāng)粗糙的表面上的激光入射角，散射光強(qiáng)度

8、分布，正態(tài)分布，角分布的表面粗糙度之間有一定的關(guān)系?？梢詼y量表面粗糙度的對象，并根據(jù)他們的角分布。光散射法的特點(diǎn)是：測量速度快，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單。但是，因?yàn)樗梢詼y量平均特征的側(cè)面，它不能放棄的表面形貌，是一個(gè)參數(shù)測量技術(shù)。光學(xué)探測方法-光學(xué)探測方法的類型，基本上是一個(gè)小的聚焦光斑事件被測物表面，模擬機(jī)械觸筆測量的。 干涉顯微鏡法-光波干涉，光束發(fā)射束在工件表面的一側(cè)，另一束射向參考鏡，兩束光再相遇后反射光的光照條件下拍攝，形成的干涉條紋。相對曲率的條紋反映在被測物表面的高度差的會(huì)徽概念。1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)書及主要技術(shù)指標(biāo)要求介紹了表面粗糙度的概念和表面粗糙度測量儀的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，設(shè)計(jì)基

9、于虛擬儀器開發(fā)的一種新的表面粗糙度測量儀，即利用傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，在計(jì)算機(jī)上用LabVIEW可視化的虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)開發(fā)出新的表面粗糙度測量系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容安排可以分為三部分：第一部分主要是硬件電路方案的設(shè)計(jì)、元器件的選擇等。具體的硬件電路包括傳感器測量電路以及數(shù)據(jù)采集電路和數(shù)據(jù)傳輸電路等。在實(shí)驗(yàn)板上每一個(gè)硬件電路焊接完成后，每一部分單獨(dú)調(diào)試，在各個(gè)部分調(diào)試成功后，聯(lián)調(diào)整個(gè)硬件電路，最后做出分析，得出結(jié)論。第二部分是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示和存儲(chǔ)。第三部分在上兩部分都調(diào)試成功的前提下，進(jìn)行模擬調(diào)試，得出設(shè)計(jì)最終結(jié)果。2 粗糙度檢測的基本原理本文

10、應(yīng)用光纖位移傳感器測量物體表面粗糙度的系統(tǒng)之前,做一個(gè)簡短的介紹表面粗糙度的知識(shí),和表面粗糙度的概念、表面粗糙度測量基準(zhǔn)、表面粗糙度測量原理應(yīng)遵循的表面粗糙度和評價(jià)的參數(shù)定義的和有更全面的認(rèn)識(shí)和理解。這些基本的定義是設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理程序的理論依據(jù)。2.1 反射式光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu)傳感器通常是由光源光纖和接收光纖構(gòu)成。位移傳感器中光纖采用Y型結(jié)構(gòu)，即兩束光纖的一端合并為光纖探頭，另一端分叉為兩束，分別為光源光纖和接收光纖，光纖只起傳輸信號(hào)的作用。當(dāng)光源發(fā)出的光，經(jīng)光源光纖照射到位移反射體后，被反射的光又經(jīng)接收光纖輸出，被光敏器件接收。其輸出光強(qiáng)決定于反射體距光纖探頭的距離，當(dāng)位

11、移變化時(shí)則輸出光強(qiáng)作相應(yīng)的變化。通過對光強(qiáng)的檢測而得到位移量。圖2-1為反射式光纖位移傳感器原理圖。圖2-1 反射式光纖位移傳感器的原理圖2.2 反射式光纖位移傳感器輸出特性反射式光線位移傳感器如圖2-1所示，光源發(fā)出的光經(jīng)發(fā)送光纖射向被測物體的表面（反射面）上，反射光有接收光纖收集，并傳送到光探測器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，通過電信號(hào)的大小就可以測得物體距離探頭的位移。由于光學(xué)纖維的大小有一定的光圈,當(dāng)結(jié)束時(shí)的光纖探針測量一個(gè)、發(fā)射光線反射光纖不能接收光纖,光信號(hào)接收光;當(dāng)測表面逐漸遠(yuǎn)離光纖探針,光纖光測表面發(fā)射的面積越來越大,和接收光纖照明區(qū)域也結(jié)束越來越大,一個(gè)線性增長的輸出信號(hào);當(dāng)收購是所有的

12、光光纖,輸出信號(hào)到達(dá)一個(gè)位移輸出信號(hào)曲線（圖2-2）上的“光峰點(diǎn)”、光峰點(diǎn)這段曲線之前,前斜坡區(qū);當(dāng)測表面繼續(xù)遠(yuǎn)離它,部分反映出光的反射式光纖沒有接受,因?yàn)榻邮展饫w更遙遠(yuǎn)的由地面接收光強(qiáng)光敏元件的逐漸減少,輸出信號(hào)的逐漸減弱,斜坡區(qū)的曲線之后。在邊坡的位移curve-output地區(qū)之前,輸出信號(hào)強(qiáng)度增長的非?？?這一區(qū)域可用于微米級(jí)的位移測量。在斜坡區(qū),疲軟的信號(hào)和調(diào)查和測量表面之間的距離成反比,可以用于距離較遠(yuǎn)和敏感性,線性度和準(zhǔn)確度不高的測量。在光峰面積、信號(hào)達(dá)到最大值,其大小取決于表面的狀態(tài)被測量所以這個(gè)區(qū)域可用于對表面狀態(tài)行光學(xué)測量，即可用于粗糙度的測量。圖2-2為位移電壓輸出特性圖

13、。 圖2-2 電壓位移輸出特性2.3 粗糙度測量原理如前所述，在峰值點(diǎn)附近，輸出對距離的變化不敏感，而對粗糙度的變化最敏感，這正是測量粗糙度十分需要的特性。這里挑選了7塊研磨樣板，其Ra值都是精確標(biāo)定已知的。取其中Ra值最小的樣板為基準(zhǔn)，細(xì)調(diào)距離d使輸出電壓為最大，并將此距離固定。再將其他研磨樣板依次換上分別測出其輸出電壓，作為輸出與Ra的關(guān)系如圖所示：圖2-3 粗糙度和電壓的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中分別對每塊樣板測出電壓十次取平均值。有關(guān)數(shù)據(jù)如下表所示：表2-1 不同樣板表面粗糙度與輸出電壓數(shù)據(jù)表樣板編號(hào)123456Ra（um）0.0050.020.030.040.0450.05輸出電壓（V）4.693.

14、052.581.951.691.43按表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對Ra值和輸出電壓進(jìn)行曲線擬合，得出擬合曲線方程。 (2-1)式中Ra的單位為；輸出電壓的單位為V。得出這種擬合曲線方程后，將用同樣加工方法得到的任意工件放在這種儀器上測量，就能得出這種工件的表面粗糙度。3 粗糙度測量儀的方案總體設(shè)計(jì)書（主要技術(shù)指標(biāo)）本設(shè)計(jì)是基于虛擬儀器開發(fā)的一種新的表面粗糙度測量儀，即利用傳統(tǒng)的表面粗糙度測量儀與虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合。具體是利用光纖位移傳感器進(jìn)行粗糙度的測量，然后經(jīng)過單片機(jī)計(jì)算，得到結(jié)果總體方案包括硬件和軟件設(shè)計(jì)以及上位機(jī)的設(shè)計(jì)。下圖是總體方案功能框圖。 圖3-1 總體方案功能框圖3.1 硬件方案設(shè)計(jì)硬件方案的

15、設(shè)計(jì)主要包括測量部分和單片機(jī)部分的設(shè)計(jì)。測量部分主要包括傳感器的選擇，單片機(jī)部分主要包括數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)計(jì)算部分設(shè)計(jì)。3.1.1 傳感器的選擇本設(shè)計(jì)選用CSY-G型光電傳感器實(shí)驗(yàn)儀所提供的傳光型光纖，它由兩束光纖混合后，組成Y型光纖，半圓分布即雙D型，一束光纖端部與光源相接發(fā)射光束，另一束端部與光電轉(zhuǎn)換器相接接收光束。兩光束混合后的端部是工作端亦稱探頭，它與被測體相距X，由光源發(fā)出的光通過光纖傳到端部射出后再經(jīng)被測體反射回來，由另一光纖接收光信號(hào)，再由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電量，而光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的電量大小與間距X有關(guān)。3.1.2 光纖傳感器特性實(shí)驗(yàn)由于光纖傳感器探頭由于系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)具有非線性和

16、測量儀器本身的誤差，輸人位移或粗糙度和輸出電壓之間沒有確定的函數(shù)關(guān)系。因此往往事先測量一組數(shù)據(jù)，然后使用此數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到一條擬合曲線。 表3-1 采集數(shù)據(jù)電壓位移位移(mm)00.20.40.60.811.21.41.6電壓(V)00.320.892.93.894.544.554.353.343.1.3 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集和傳輸電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用的單片機(jī)是AT89C52。選用的A/D轉(zhuǎn)換器是ADC0809，ADC0809是目前比較常用的一種逐次比較式8路模擬量輸入、8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選1的模擬開關(guān)，由C、B、A的編碼來決定所選通道。輸出可直接連到單片機(jī)的

17、數(shù)據(jù)總線上，可對0-5V模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)主要包括主程序、A/D轉(zhuǎn)換。下面詳細(xì)介紹下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)思想。軟件總體流程圖如圖3-2所示。 圖3-2 系統(tǒng)軟件總體流程圖4 粗糙度測試儀硬件及軟件設(shè)計(jì)（單元電路的設(shè)計(jì)） 根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案的要求，本章詳細(xì)論述系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)。整體電路圖見附錄，軟件程序見附錄二。4.1 信號(hào)調(diào)理電路 信號(hào)調(diào)理電路的功能主要是完成對光纖傳感器輸出的微弱不穩(wěn)定信號(hào)進(jìn)行放大濾波，使其輸出電壓信號(hào)滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求，在05V范圍內(nèi)。由于反射式光纖位移傳感器的輸出電壓信號(hào)很小。因此在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，就要對信號(hào)進(jìn)行電壓放大以達(dá)到轉(zhuǎn)換要求。故而在傳

18、感器和A/D轉(zhuǎn)換電路之間加入了一級(jí)有源放大電路，使輸出電壓為05V，從而為后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換電路提供必要條件。圖4-1為電壓放大電路電路圖。圖中的放大倍數(shù)為100倍可滿足設(shè)計(jì)要求。 圖4-1 電壓放大電路電路圖4.2 單片機(jī)及其外圍擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)外圍擴(kuò)展電路主要包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、A/D轉(zhuǎn)換電路。4.2.1 .單片機(jī)介紹(1)單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用領(lǐng)域 單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域。此外，單片機(jī)在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。 單片機(jī)有8位、16位甚至32位機(jī)，但8位單片機(jī)以它的價(jià)格低廉、

19、品種齊全、應(yīng)用軟件豐富、支持環(huán)境充分、開發(fā)方便等特點(diǎn)而占著主導(dǎo)地位。 MCS-51系列高檔8位單片機(jī)是Intel公司1980年推出的產(chǎn)品，而AT89C51芯片是MCS-51系列單片機(jī)中的代表產(chǎn)品，它內(nèi)部集成了功能強(qiáng)大的中央處理器，包含了硬件乘除法器、21個(gè)專用控制寄存器、4kB的程序存儲(chǔ)器、128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、4組8位的并行口、兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器、一個(gè)全雙工的串行口以及布爾處理器。圖4.2為單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。圖4-2 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 AT89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable R

20、ead Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C52是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。(2)AT89C52特性 其主要特性是：可與MCS-51 兼容；8K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 ；壽命：1000寫/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年；全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz；三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定；128*8位內(nèi)部RAM；32可編程I/O線；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；5個(gè)中斷

21、源；可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路；VCC：供電電壓；GND：接地。圖4-3為AT89C52的管腳圖。圖4-3 AT89C52管腳圖4.2.2 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 89C52的時(shí)鐘可以兩種方式產(chǎn)生，一種是內(nèi)部方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路；另一種方式為外部方式。本系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘電路。下面介紹內(nèi)部時(shí)鐘方式。內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成震蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。圖4-4是89C52片內(nèi)振蕩器電路。89C52雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外接元件，圖4

22、-5是內(nèi)部時(shí)鐘方式的電路。外接晶體（在頻率穩(wěn)定性不高，而盡可能要求廉價(jià)時(shí)，可選用陶瓷諧振器）以及電容CX1和CX2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響振蕩頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性，起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。晶體可在1.2MHz12MHz之間任選，電容CX1和CX2的典型值在20pF100pF之間選擇，但在60pF70pF時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。典型值通常選擇為30pF左右。外接陶瓷諧振器時(shí)，CX1和CX2的典型值約為47pF。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體或陶瓷振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證振蕩

23、器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用溫度穩(wěn)定性能好的NPO高頻電容。本設(shè)計(jì)考慮到打印機(jī)的時(shí)序的要求，晶陣采用11.0592MHz。圖4-4 89C52片內(nèi)振蕩器電路圖 圖4-5內(nèi)部時(shí)鐘方式的電路圖4.2.3 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)89C52的復(fù)位輸入引腳RET（即RESET）為89C52提供了初始化的手段。有了它可以使程序從指定處開始執(zhí)行，即從程序存儲(chǔ)器中的0000H地址單元開始執(zhí)行程序。在89C52的時(shí)鐘電路工作后，只要在RET引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部則初始復(fù)位。只要RET保持高電平，則89C52循環(huán)復(fù)位。只有當(dāng)RET由高電平變成低電平以后，89C52才從0000H

24、地址開始執(zhí)行程序。本系統(tǒng)的復(fù)位電路是采用按鍵復(fù)位的電路，如圖4-6所示，是常用復(fù)位電路之一。當(dāng)89C52的ALE及PSEN兩引腳輸出高電平，RET引腳高電平到時(shí)，單片機(jī)復(fù)位。通過按動(dòng)按鈕產(chǎn)生高電平復(fù)位稱手動(dòng)復(fù)位。上電時(shí)，剛接通電源，電容C相當(dāng)于瞬間短路，+5V立即加到RET/VPD端，該高電平使89C52全機(jī)自動(dòng)復(fù)位，這就是上電復(fù)位；若運(yùn)行過程中需要程序從頭執(zhí)行，只需按動(dòng)按鈕即可。按下按鈕，則直接把+5V加到了RET/VPD端從而復(fù)位稱為手動(dòng)復(fù)位。復(fù)位后，P0到P3并行I/O口全為高電平，其它寄存器全部清零，只有SBUF寄存器狀態(tài)不確定。平復(fù)位電路4.2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)逐次逼近型A/

25、D轉(zhuǎn)換器是目前品種最多、應(yīng)用最廣的ADC器件。它有兩個(gè)類別，一是單芯片集成化A/D轉(zhuǎn)換器，另一是混合集成化A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0809轉(zhuǎn)換器是單芯片集成化A/D轉(zhuǎn)換器，是8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的。ADC0809由單一5V電源供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8位模擬多路開關(guān)，可對8路05V的輸入模擬電壓分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換約需時(shí)間100s（相應(yīng)的時(shí)鐘頻率為640KHz），片內(nèi)具有多路開關(guān)的地址譯碼器和鎖存電路，高阻抗斬波器，比較器，輸出緩沖鎖存器，可以直接接到單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線上。ADC0809內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，故時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)由單片機(jī)提供（接10腳CLOCK端）。本課

26、題使用的單片機(jī)時(shí)鐘頻率為12MHz，若與單片機(jī)接口時(shí)，可利用其地址鎖存允許信號(hào)ALE（2000KHz）經(jīng)2個(gè)D觸發(fā)器四分頻獲得500KHz的時(shí)鐘，恰好滿足0809對時(shí)鐘頻率的要求。圖4-7為ADC0809的引腳圖。圖4-7 ADC0809管腳圖該芯片共有28個(gè)引腳，具體引腳功能如下：輸入引腳IN0IN7是8路模擬量輸入端，接收要轉(zhuǎn)換的模擬數(shù)據(jù)；輸出引腳 D0D7為數(shù)據(jù)輸出端，其功能是將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)由此端輸出；通道控制單元A、B、C為8路輸入通道的選通單元，每次只能選通一條通道。C、B、A的編碼由單片機(jī)提供， 地址通道編碼見表4-1；START為啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)的控制端，在一個(gè)正脈沖作用之后，

27、轉(zhuǎn)換器就開始工作。； 表4-1 地址編碼ALE為地址鎖存信號(hào)輸入端，當(dāng)ALE為高電平時(shí)，允許C、B、A所示的通道被選中，并將該通道的模擬量接入A/D轉(zhuǎn)換器；時(shí)鐘信號(hào)CLK是時(shí)鐘信號(hào)輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器要求的時(shí)鐘頻率為640KHz，如果高于此頻率，轉(zhuǎn)換器無法正常工作；參考電壓端口REF(+)和REF(-)是用來提供A/D轉(zhuǎn)換的量化單位。一般REF(+)=5V，REF(-)=0V；輸出允許控制信號(hào)OE，當(dāng)OE為高電平時(shí)，允許從A/D轉(zhuǎn)換器鎖存器中讀取數(shù)字量；標(biāo)志信號(hào)EOC是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢時(shí)，EOC端輸出高電平，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，因此EOC可作為CPU的中斷或查詢信號(hào)；電源端

28、VCC接地端GND。ADC0809工作時(shí)序如圖4-8所示。由于本設(shè)計(jì)只要求一路模擬信號(hào)輸入即可，因此C、B、A引腳并聯(lián)接地便選通了IN0口，可以滿足設(shè)計(jì)要求。圖4-8為ADC0809工作時(shí)序圖： 圖4-8 ADC0809工作時(shí)序圖圖4-9為ADC0809和單片機(jī)連接圖： 圖4-9 ADC0809和單片機(jī)連接圖4.3 軟件設(shè)計(jì)4.3.1 主程序設(shè)計(jì) 主程序的基本功能是實(shí)現(xiàn)各子程序的初始化和對各個(gè)模塊程序?qū)崿F(xiàn)調(diào)用。從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)測試系統(tǒng)的流程進(jìn)行控制，以達(dá)到對被測表面進(jìn)行測量的目的。其流程圖如下： 開始系統(tǒng)初始化A/D采樣中斷計(jì)算程序結(jié)束YN 圖4-13 主程序流程圖/*TS12864A-3 端口

29、定義*/#define LCD_data P0 /數(shù)據(jù)口sbit LCD_RS = P10; /寄存器選擇輸入 sbit LCD_RW = P11; /液晶讀/寫控制sbit LCD_EN = P25; /液晶使能控制sbit LCD_PSB = P12; /串/并方式控制sbit wela = P26;sbit dula = P27;main()uchar i; uchar AD_i=50,TEM_i=100,Max=0,Min=0,Eve=0,Fangcha=0; char ADtemp,ADtemp0; /定義中間變量uchar CCdata40=0; TMOD=0x01; TH0=(6

30、5536-50000)/256;+CCdata14+CCdata15+CCdata16+CCdata17+CCdata18+CCdata19+CCdata20)1;4.3.2 ADC0809轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換子程序主要的作用是將傳感器轉(zhuǎn)換出來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)，而A/D轉(zhuǎn)換器的作用就是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖4-14所示。開始初始化啟動(dòng)ADC0809讀出A/D轉(zhuǎn)換值保存結(jié)果返回 圖4-14 ADC0809轉(zhuǎn)換流程圖 發(fā)送一個(gè)字節(jié) unsigned char BitCounter=8; unsigned char temp;

31、 do temp=Data; Scl=0; _nop_(); if(temp&0x80)=0x80) Sda=1; else Sda=0;Scl=1;temp=Data1;Data=temp;BitCounter-; while(BitCounter); Scl=0; 讀入一個(gè)字節(jié)并返回 Sda=1; do Scl=0; _nop_(); Scl=1; _nop_(); if(Sda) temp=temp|0x01; else temp=temp&0xfe; if(BitCounter-1) temp1=temp1; temp=temp1; BitCounter-; while(BitCoun

32、ter);return(temp); 寫入DA數(shù)模轉(zhuǎn)換值 Start(); Send(AddWr); /寫入芯片地址 Ack(); Send(0x40); /寫入控制位，使能DAC輸出 Ack(); Send(Data); /寫數(shù)據(jù) Ack(); Stop(); 讀取AD模數(shù)轉(zhuǎn)換的值，有返回值 Start(); /寫入芯片地址 Send(AddWr); Ack(); Send(0x40|Chl);/寫入選擇的通道，本程序只用單端輸入，差分部分需要自行添加 /Chl的值分別為0、1、2、3，分別代表1-4通道/顯示上半屏內(nèi)容設(shè)置 for(i=0;i32;i+) lcd_wcmd(0x80 + i

33、); /SET 垂直地址 VERTICAL ADD lcd_wcmd(0x80); /SET 水平地址 HORIZONTAL ADD for(j=0;j16;j+) lcd_wdat(*img); img+; /顯示下半屏內(nèi)容設(shè)置 for(i=0;i32;i+) lcd_wcmd(0x80 + i); /SET 垂直地址 VERTICAL ADD lcd_wcmd(0x88); /SET 水平地址 HORIZONTAL ADD for(j=0;j16;j+) lcd_wdat(*img); img+;5 調(diào)試與驗(yàn)證調(diào)試與分析的過程包括硬件電路的調(diào)試、程序的調(diào)試及它們的聯(lián)機(jī)調(diào)試過程。一旦系統(tǒng)的工

34、作總框圖確定之后，硬件電路和程序的設(shè)計(jì)工作就可以齊頭并進(jìn)。硬件電路的調(diào)試可以先采用某種信號(hào)作為激勵(lì)，然后通過檢查電路能否得到預(yù)期的響應(yīng)來驗(yàn)證電路是否正常。軟件程序是先按模塊分別進(jìn)行子程序調(diào)試，然后對完整的功能程序進(jìn)行調(diào)試檢查。5.1 調(diào)試分析過程本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的仿真系統(tǒng)是由南京偉福實(shí)業(yè)有限公司開發(fā)的偉福仿真器進(jìn)行軟件調(diào)試的，此系統(tǒng)可以開發(fā)應(yīng)用軟件，以及對硬件電路進(jìn)行診斷、調(diào)試等。它的具體功能是可以進(jìn)行CPU仿真，可以單步、跟蹤、斷點(diǎn)和全速運(yùn)行，而且，程序的編譯過程中，可以對設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行自診斷，并自動(dòng)給出故障原因。同時(shí)用戶調(diào)試程序時(shí)，可以通過窗口觀察寄存器的工作狀況，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除編程中可

35、能出現(xiàn)的錯(cuò)誤?？梢钥闯觯摲抡嫦到y(tǒng)是款功能強(qiáng)大，實(shí)用性強(qiáng)的仿真系統(tǒng)。本次畢設(shè)之所以采用偉福仿真系統(tǒng)，就是由于此仿真系統(tǒng)強(qiáng)大的功能，因?yàn)樗柚姆抡嫦到y(tǒng)性能的優(yōu)越，直接影響設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)和調(diào)試的效率。調(diào)試與分析的過程一般包括電路原理的調(diào)試、程序的調(diào)試及它們的聯(lián)機(jī)調(diào)試過程。一旦系統(tǒng)的工作總框圖確定之后，電路原理圖和程序的設(shè)計(jì)工作就可以齊頭并進(jìn)。硬件電路的調(diào)試可以先采用某種信號(hào)作為激勵(lì)，然后通過檢查電路能否得到預(yù)期的響應(yīng)來驗(yàn)證電路是否正常。通常采用的方法是通過編制一些小的調(diào)試程序分別對相應(yīng)各硬件單元電路的功能進(jìn)行檢查，而整個(gè)系統(tǒng)硬件功能必須在硬件和軟件設(shè)計(jì)完成之后才能進(jìn)行。軟件程序也是先按模塊分別調(diào)試，

36、然后再連接起來進(jìn)行總調(diào)。它只有在相應(yīng)的硬件系統(tǒng)中調(diào)試，才能最后證明其正確性。5.1.1 硬件調(diào)試硬件調(diào)試首先要對照硬件電路圖，仔細(xì)檢查電路的走線是否和電路圖一致。用實(shí)驗(yàn)室的萬用表按照設(shè)計(jì)的電路圖檢查。再仔細(xì)檢查各個(gè)芯片是否好用。查看各引腳電平是否符合理論值要求，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行硬件的功能調(diào)試，使其轉(zhuǎn)換電路和顯示電路都能達(dá)到系統(tǒng)要求。5.1.2 軟件調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試主要包括A/D轉(zhuǎn)換程序的調(diào)試，數(shù)據(jù)處理程序的調(diào)試。首先對程序進(jìn)行單步調(diào)試，觀察仿真器窗口，查看輸出結(jié)果、內(nèi)存單元以及各個(gè)特殊寄存器中的值是否正確。如果有錯(cuò)誤，要查找錯(cuò)誤的原因，并及時(shí)進(jìn)行修改。通常來說，如果各子模塊的程序正確，然后把各個(gè)模塊

37、組合起來，全速運(yùn)行，查看程序是否能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)所有功能。若不能實(shí)現(xiàn)，則重新單步運(yùn)行，逐條檢查程序，直到發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，并進(jìn)行改正。5.1.3 軟硬件聯(lián)調(diào)經(jīng)過硬件、軟件單獨(dú)調(diào)試后，進(jìn)行軟硬件綜合聯(lián)調(diào)。首先進(jìn)行分步運(yùn)行，將設(shè)計(jì)的源程序?qū)?yīng)該測試芯片的各個(gè)模塊，測出其工作特性及運(yùn)行狀況。通過聯(lián)調(diào)找出硬件電路和軟件的錯(cuò)誤。5.2 調(diào)試故障及原因分析1.線路錯(cuò)誤由于線路比較復(fù)雜，精神一時(shí)不集中，使單片機(jī)的發(fā)送端和接收端混淆，當(dāng)進(jìn)行硬件調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)一點(diǎn)現(xiàn)象也沒有，經(jīng)過示波器對各個(gè)引腳的測試發(fā)現(xiàn)了問題所在，徑改正硬件正常運(yùn)行。2.發(fā)送命令太快當(dāng)軟件與硬件進(jìn)行聯(lián)調(diào)時(shí)，發(fā)現(xiàn)測量值非常不穩(wěn)定，總是結(jié)果和零之間跳變，經(jīng)檢查發(fā)

38、現(xiàn)單片機(jī)發(fā)送命令太快，快于的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，緩沖區(qū)還沒有值，所以出現(xiàn)跳變。經(jīng)過改慢發(fā)送命令的時(shí)間，使的顯示的以正常。6 結(jié)論傳統(tǒng)的粗糙度測量方法有比較法、針描法的、光切法、干涉法和印模法等，主要是使用樣板、電動(dòng)輪廓儀、光切顯微鏡、干涉顯微鏡等多種工具和計(jì)量儀器。目前廣泛應(yīng)用觸針式輪廓儀可以實(shí)現(xiàn)粗糙度部分參數(shù)的測量評定，但存在測量參數(shù)較少，測量精度較低，測量結(jié)果的輸出不直觀等缺點(diǎn)，已不能滿足現(xiàn)代工件的測量要求，迫切需要開發(fā)研制新型的表面粗糙度測量儀來滿足現(xiàn)代精密工件的測量要求，本次設(shè)計(jì)的表面粗糙度測量儀，除能解決傳統(tǒng)儀器目前存在的問題外，還具有測量速度快，自動(dòng)化程度高和良好的人機(jī)界面等優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格便

39、宜，通用性強(qiáng)，將具有較大的市場潛力和應(yīng)用價(jià)值。1光纖位移傳感器的特性是：當(dāng)光源發(fā)出的光經(jīng)發(fā)送光纖射向被測物體的表面(反射面)上，反射光有接收光纖收集，并傳送到光探測器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，電信號(hào)的大小隨著探頭與被測物體的距離變化而變化。本文應(yīng)用光纖位移傳感器的輸出特性設(shè)計(jì)了表面粗糙度測試儀，為實(shí)現(xiàn)表面粗糙度的精確測量提供了較好的途徑，而且隨著材料技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，該方法將會(huì)更加的完善。2本文通過對測試樣件的測量對所設(shè)計(jì)的粗糙度測試儀進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果證明應(yīng)用光纖位移傳感器的粗糙度測試儀可以很好的進(jìn)行粗糙度的測量。3因?yàn)闆]有標(biāo)定的樣板，所以本論文沒有對所設(shè)計(jì)的粗糙度測試儀的精度進(jìn)行具體的

40、標(biāo)定，因此沒有辦法保證測量的精度。如果有時(shí)間，或者調(diào)節(jié)允許，該設(shè)計(jì)將會(huì)取得更好的效果。 在工業(yè)生產(chǎn)加工中，零件表面粗糙度會(huì)直接影響零件的配合性質(zhì)、疲勞強(qiáng)度、耐磨性、抗腐蝕性以及密封性等。因此，表面粗糙度測試儀在今后的工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)硬件選用了市場上應(yīng)用較多的、光學(xué)性能優(yōu)良、反應(yīng)敏感、光纖位移傳感器，以及性價(jià)比很高的AT89C51芯片和ADC0809等芯片，其中ADC0809是目前比較常用的一種逐次比較式8路模擬量輸入、8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器，這些元件價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定。而軟件的設(shè)計(jì)除能解決傳統(tǒng)儀器目前存在的問題外，還具有測量速度快，自動(dòng)化程度高和良好的人機(jī)界面等優(yōu)點(diǎn)，而且

41、價(jià)格便宜，通用性強(qiáng)，將具有較大的市場潛力和應(yīng)用價(jià)值。本設(shè)計(jì)的成本很小，但自動(dòng)化程度很高。因此，應(yīng)用本設(shè)計(jì)所采用的方法，可以對加工的零件實(shí)現(xiàn)大面積測量，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，該設(shè)計(jì)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益?？傊?，應(yīng)用光纖位移傳感器的輸出特性，表面粗糙素測試儀可以實(shí)現(xiàn)對零件的表面進(jìn)行測量，可以很好實(shí)現(xiàn)對測量結(jié)果的顯示和存儲(chǔ)，便于對測量工件的管理。參考文獻(xiàn)1 賈伯年. 傳感器技術(shù). 東南大學(xué)出版社. 20002 趙茂泰. 智能儀器原理及應(yīng)用. 電子工業(yè)出版社, 20043 原榮. 光纖通信. 北京: 北京電子工業(yè)出版社, 20024 趙繼文. 傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì). 北京: 科學(xué)出版社, 2003

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45、c fiber Technology. Academic Press. 200121 張莉萍. 光纖位移傳感器系統(tǒng)測量粗糙度的研究. 無損檢測, 2004,26(12) :616-618 附錄 電路圖附錄 程序清單#include #include #include #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*TS12864A-3 端口定義*/#define LCD_data P0 /數(shù)據(jù)口sbit LCD_RS = P10; /寄存器選擇輸入 sbit LCD_RW = P11; /液晶讀/寫控制sbit LCD_EN = P25; /液晶使能控制sbit LCD_PSB = P12; /串/并方式控制sbit wela = P26;sbit dula = P27;#define delayNOP(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/uch