圓度誤差自動測量儀設計

1、圓度誤差自動測量儀設計摘要本文主要介紹了目前的圓度誤差檢測方法的原理和特點，著重討論了近年來出現(xiàn)的新型圓度誤差檢測手段，以及五種圓度誤差的算法。其次介紹了系統(tǒng)硬件的選擇以及系統(tǒng)原理的設計圖（protel），主要包括單片機、傳感器、濾波裝置、放大電路、程序存儲器、靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器、A/D轉(zhuǎn)換芯片、I/O接口的擴展、報警裝置以及鍵盤和LED顯示器接口。最后介紹了軟件的流程圖，主要包括總體流程圖、A/D轉(zhuǎn)換流程圖、中斷服務流程圖、LED顯示器流程圖以及報警裝置流程圖。關鍵詞：圓度誤差；單片機；傳感器；芯片；流程圖。The design of automatic measurement apparatu

2、s of roundness error AbstractThis paper describes the principles and characteristics of the current method of roundness error detection, emerged in recent years focused on the new roundness error detection means, and the roundness error of five algorithms. Secondly, the choice of hardware are introd

3、uced as well and the design(protel) of system principles, including microcontroller, sensors, filtering device, amplifier circuit, program memory, static data storage, A / D converter chip, I / O expansion interface, alarm devices and keyboard and LED display interface.Finally, the software flow cha

4、rt, including the overall flow, A / D conversion flow chart, flow chart of the interrupt service, LED display and alarm flow diagram.Keywords: Roundness ;SCM;Sensor;Chip;Flow chart.目錄摘要IAbstractII1 緒論11.1 課題背景11.2 圓度誤差檢測方法現(xiàn)狀與展望11.3 本文主要研究內(nèi)容42 圓度誤差的算法52.1最小二乘圓法52.2最小外接圓法62.3最小區(qū)域法72.4最大內(nèi)切圓法82.5全局尋優(yōu)算法9

5、3 硬件系統(tǒng)設計93.1 微型計算機硬件系統(tǒng)93.2 硬件的選擇103.2.1 微處理器的選擇103.2.2 傳感器的選擇123.2.3 程序存儲器EPROM的擴展及芯片選取133.2.4靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器的擴展及芯片選取143.2.5 I/O擴展及芯片選取153.2.6 A/D轉(zhuǎn)換芯片的選取173.2.7 通訊方式的選擇183.2.8 鍵盤接口及LED顯示器接口的設計204 軟件的設計214.1 軟件總體流程圖的設計214.2 A/D轉(zhuǎn)換流程圖設計234.3 中斷服務流程圖設計244.4 LED顯示器流程圖設計254.5 報警流程圖設計26結論26參考文獻271 緒論1.1 課題背景圓度誤差是機

6、械零件常見的形狀誤差之一，幾何學上圓的定義為：“與一定點等距離的點的軌跡就是圓”，也稱真圓或理想圓。但是，在機械零件的加工中，切削出真圓很困難。這是因為，在給定的剖面內(nèi)，由于切削過程中機床主軸回轉(zhuǎn)不平衡、刀具在切削中與主軸之間的摩擦、切削元件的徑向跳動，以及金屬撕裂、材料應變和制造過程中的剩余表面應力等，所有這些因素都會引起工件半徑的變化，帶來圓度誤差。圓度誤差的存在，直接影響零部件的工作精度(配合精度、旋轉(zhuǎn)精度)和互換性，并將產(chǎn)生摩擦、振動、噪聲等，因而降低了它們的使用壽命。因此，準確檢測圓度誤差對于提高加工精度、保證零部件的工作精度和互換性具有重要的意義。1.2 圓度誤差檢測方法現(xiàn)狀與展望

7、由于在加工過程中機床主軸回轉(zhuǎn)不平衡、刀具與主軸之間的受力、材料應變等諸多因素，回轉(zhuǎn)類零件不可避免地產(chǎn)生圓度誤差，直接影響回轉(zhuǎn)類零件的互換性和配合精度，加劇互配件的磨損、震動，降低了其使用性能和壽命。而提高零件圓度誤差的前提是及時有效地檢測加工零件的圓度誤差。圓度誤差檢測方法的發(fā)展經(jīng)歷了從接觸式測量到非接觸式測量，從離線測量到在線測量，從被動測量到主動測量。具體方法有：基于半徑變化量測量的圓度儀、分度頭法、與激光技術相結合的激光衍射法、激光三角法；基于坐標測量的三坐標測量機、計算機視覺技術圓度檢測法；生產(chǎn)車間普遍使用的兩點、三點近似圓度誤差檢測法；基于圖像處理的測量方法；測量技術與虛擬技術結合的

8、虛擬圓度測量儀器；基于誤差分離技術的圓度測量法；在線測量法及主動測量法等等。(1)圓度儀圓度儀是圓度檢測的權威手段，具有精密的回轉(zhuǎn)軸系，測量精度很高，大多屬接觸式測量。主要分為轉(zhuǎn)軸式和轉(zhuǎn)臺式，分別適于測量尺寸較大和較小的零件。被測零件置于測量臺上，調(diào)整被測輪廓軸線與圓度儀的回轉(zhuǎn)主軸同軸。測頭與被測輪廓接觸，并做相對運動形成一理想圓，將實際輪廓與理想圓比較，得到實際輪廓的半徑變化量，再通過數(shù)據(jù)處理算出圓度誤差值。影響圓度儀測量精度的主要因素有被測零件在儀器上的安裝誤差、儀器主軸回轉(zhuǎn)誤差、測頭安裝誤差等，濾波器的傳輸頻率、測頭半徑和測量力等對測量精度也有一定影響。圓度儀的主軸回轉(zhuǎn)精度一般為0.02

9、0.2，對微米級的測量基本可忽略，但對亞微米級測量會有一定影響。Taloround 73UHRP型圓度儀和Mitutoyo圓度儀的主軸回轉(zhuǎn)精度高達0.01，屬目前世界最高水平。如在現(xiàn)有硬件水平上加上使用補償軟件，圓度儀的測量精度可提高到納米級。一方面通過提高主軸回轉(zhuǎn)精度、采用數(shù)字濾波技術，加入誤差分離方法、提高自動調(diào)心功能(調(diào)心精度達5)等手段，向高精度高效率的方向發(fā)展，并增添譜分析功能，使測量與加工相聯(lián)系，起到質(zhì)量控制作用。另一方面向多功能方向發(fā)展，除圓度外還可檢測圓柱度、同軸度、垂直度、直線度、平面度等。國內(nèi)有些單位利用圓度儀的高精度回轉(zhuǎn)軸系，改造了早期進口的舊型圓度儀，提高了測量精度和效

10、率。(2)基于分度裝置的圓度誤差測量方法這是在分度頭或分度臺等分度裝置上通過極坐標方式測量。被測工件置于分度裝置上并調(diào)整工件軸線盡可能與回轉(zhuǎn)軸線同軸，指示器或傳感器測頭與被測輪廓最高點接觸或?qū)φ?用于非接觸測量頭)后，被測工件由分度裝置帶動回轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過一個設定角度，測量出該測點相對起始測點的半徑變化量，得到一系列測量點極坐標值，再按選定圓度誤差評定方法通過圖解法或計算法確定圓度誤差值。該方法受測量點數(shù)及回轉(zhuǎn)軸同軸度影響，測量精度不高，適于測量一般精度的零件圓度誤差。(3)基于直角坐標的圓度誤差檢測方法用坐標測量儀器的直角坐標系測量圓度誤差，調(diào)整放置在儀器工件臺上被測零件的軸線位置，使其平行于直

11、角坐標系的豎軸，再測出被測截面輪廓所選測點的坐標，按選定圓度評定方法處理坐標數(shù)據(jù)，求出圓度誤差值。最具代表性的是用三坐標測量機測量圓度誤差，如測量方法合理，可達到圓度儀的檢測精度。但因不是專門的圓度測量儀器，需確定初始坐標、選擇測量點數(shù)等，引入了多種人為因素，增加了測量不確定度。由于結構限制，大部分截面不能連續(xù)掃描，測量過程煩瑣耗時。(4)二點、三點圓度誤差測量法該方法屬于特征參數(shù)測量法，所得到的圓度誤差值不符合誤差定義，僅為一種近似檢測。但由于所用測量設備簡單，操作方便，在生產(chǎn)中廣泛使用。二點法也叫直徑法，測量工具有千分尺、卡尺、弓字尺及指示器或傳感器加固定支座等，圓度誤差值等于最大最小直徑

12、差的一半，僅適用于對偶數(shù)棱圓的測量，多用于測量橢圓度。三點法是在兩個固定支承和一個可在測量方向上移動的測量頭之間的測量，有頂式和鞍式測量兩種。頂式測量有對稱和非對稱之分。所測圓度誤差等于最大示值差與反映系數(shù)的比值，反映系數(shù)是兩固定支承的夾角、測頭測量角和被測輪廓棱數(shù)的函數(shù)。單一夾角的三角法會產(chǎn)生一定的諧波抑制，在被測輪廓棱數(shù)不確定時可采用兩點三點組合法測量圓度誤差，以盡可能減少諧波丟失。采用三點法測量時，兩固定支承常用V形塊代替，因V形塊與被測工件是面接觸，降低了測量精度。但E Gleason和H Schwenket用球體本身的高精度表面做測量基準，利用三點法原理，實現(xiàn)了球體圓度誤差的高精度測

13、量。2新型圓度誤差檢測方法上述均屬常用的圓度誤差測量方法，目前出現(xiàn)了以下新型圓度檢測手段。(1)基于計算機視覺技術的圓度檢測方法該方法的優(yōu)點是非接觸、測量速度快，閱題是受像素值限制，測量精度不離，不適于檢測高精度產(chǎn)品；測量精度高時，算法變得復雜，檢測實時性降低；受視場限糊，只適合測量小型工件。按攝像方位不同分為基于工件正截面圖像的攝取和基于工件軸截面的攝像。前者主要用于檢測端面是圓輪廓或圓孔的小工件的圓度，由CCD、PSD等攝取工件正截面的正投影圖像，再對圖像進行一系列預處理(包括濾波去噪、圖像增強等)后，提取出輪廓邊緣，最后用一定的圓度評定方法計算圓度誤差，不存在回轉(zhuǎn)誤差。后者由CCD圖像傳

14、感器獲取軸截面圖像，通過濾波去噪、圖像加強等處理后提取出軸截面圖像的輪廓信息，再用直徑法或坐標法算出圓度誤差。(2)基于激光技術的圓度誤差測量方法此類方法的優(yōu)點是非接觸測量，不損傷工件表面質(zhì)量，可用于高速在線測量。包括激光衍射法、激光掃描法和激光三角法，都基于半徑變化量測量。激光衍射法將被測回轉(zhuǎn)工件裝夾在頂尖上并以兩頂尖回轉(zhuǎn)軸線作為測量基準，激光通過棱緣與被測工件的狹縫后形成衍射條紋，用接收元件接收衍射條紋的光強信號，通過測量衍射條紋平均間距得到不同測點處狹縫的寬度變量，確定圓度誤差值。測量精度約為0.4，屬于離線測量。激光掃描法與激光衍射法的系統(tǒng)結構相似，只是接收的信號不同，掃描法接收的是光

15、強信號，折算出相應的半徑變化量。激光三角反射法利用光的反射原理來測量工件半徑變化量，激光發(fā)射點和接收點在工件同一側，結構簡單緊湊。由于光斑尺寸小，還能反映工件的細節(jié)信號，在采樣頻率足夠高時，可通過設定不同的濾波頻帶，同時測量圓度誤差和光潔度。前兩種方法的局限是接收屏占據(jù)空間較大，檢測范圍受限，尤其是衍射法為提高檢測精度，棱緣與被測工件問形成的狹縫要足夠小，實際測量時調(diào)整不便。激光反射法量程較大，但測量數(shù)據(jù)受噪聲干擾明顯，消噪是重點解決問題。(3)虛擬圓度誤差測量儀結合測量技術和虛擬技術，將由硬件設備完成的功能由計算機軟件來實現(xiàn)，所謂“軟件即儀器”。該方法降低了測量成本，信號處理靈活，便于功能擴

16、展，目前基本用于離線測量。(4)基于誤差分離技術的圓度測量方法該方法分為多點法和多步法兩大類。多點法使用多個傳感器，按一定位置分布在被測對象周圍同時采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理后，可分離采樣數(shù)據(jù)中的圓度誤差與主軸回轉(zhuǎn)誤差，得到更準確的圓度誤差值，或提取出主軸回轉(zhuǎn)誤差。包括兩點法、對徑法、三點法、四點法等，三點法應用較廣，成為機電部標準。為解決誤差分離中存在的諧波抑制問題，出現(xiàn)許多改進的多點法誤差分離測量法，如角位移傳感器三點法、角位移傳感器與線位移傳感器混合法等。多步法也稱轉(zhuǎn)位法，即被測工件或回轉(zhuǎn)軸相對測頭一次或多次轉(zhuǎn)過設定角度后分別測量，再通過數(shù)據(jù)處理，分離主軸回轉(zhuǎn)誤差。包括反向法、改進反向法、兩步法

17、、多步法及在多步法基礎上提出的全諧波誤差分離方法。多步法可通過采用頻域解法或時域解法先行提取圓度誤差或得到主軸回轉(zhuǎn)誤差。針對諧波抑制問題，有學者研究出聯(lián)合多步測量法，可實現(xiàn)在屬于形狀誤差的頻帶內(nèi)基本無諧波抑制。多步法需多次重新定位，操作煩瑣，適用于主軸回轉(zhuǎn)精度圓度檢測設備的誤差分離，比較適合在線檢測，但多測頭的安裝精度及和傳感器的諧調(diào)性也會影響測量精度。(5)圓度誤差在線主動檢測在線主動測量是在機床上或加工過程中進行的測量，結果實時反饋給機床控制系統(tǒng)，及時調(diào)整加工動作。主動測量儀是一種在線主動測量裝置，由測量裝置、驅(qū)動裝置和控制儀組成，與機床控制系統(tǒng)組合成磨削過程主動測星控制系統(tǒng)。新型主動測量

18、儀可利用半徑變量測量法測得圓度誤差，并可圖像顯示誤差頻譜圖。與傳統(tǒng)圓度儀相比，檢測效率高，可通過實時顯示監(jiān)控各工藝因素，反映機床運行狀況，顯示圓度波峰數(shù)。圓度誤差的在線主動測量借助機床主軸作為回轉(zhuǎn)軸，必須分離主軸回轉(zhuǎn)誤差，以減少主軸回轉(zhuǎn)誤差對測量精度的影響。(6)其它圓度誤差檢測方法Stanislaw Adamczak等根據(jù)磨擦生熱原理，采用紅外線技術測量運動中配合件外表面溫度分布來評定工件圓度誤差、波紋度誤差等，屬于破壞性檢測，主要用于反應工件工作中的使用狀態(tài)。EricMarsh等提出，如采用誤差分離技術將軸向和徑向的主軸回轉(zhuǎn)誤差從圓度誤差中分離出來，可實現(xiàn)在任一角度上對球體高精度圓度測量。

19、Marcin Bauza等將輪廓儀用到圓度誤差檢測中，提出了一種實時接觸式的高頻圓度誤差在線檢測方法，精度優(yōu)于05，測量時間不超過1s，但受測量臺及測量頭尺寸限制，只能測量小型工件。Mu ChenChen提出用機器視覺的方法來檢測非連續(xù)圓輪廓工件的圓度誤差。隨著科技發(fā)展，圓度檢測設備在硬件上會達到更高的精度等級，結合系統(tǒng)軟件開發(fā)和誤差分離技術，可實現(xiàn)納米級的圓度檢測，滿足高精度的檢測需求。非接觸檢測手段可實現(xiàn)符合精度要求的特種材料產(chǎn)品無損圓度誤差測量。通過開發(fā)簡單、快捷、滿足精度要求的實時檢測系統(tǒng)，提高主動檢測能力，保證產(chǎn)品質(zhì)量，減少誤收誤廢率，可提升企業(yè)競爭力。同時，還應研究大型圓柱工件和微

20、小尺度工件形位誤差的檢測方法，以及跨尺度檢測。1.3 本文主要研究內(nèi)容本課題研究圓度誤差自動測量儀設計,以實現(xiàn)零件外圓表面圓度誤差的在線測量、顯示誤差數(shù)據(jù)并報警及數(shù)據(jù)的在線上傳。主要包括元件選擇、硬件系統(tǒng)設計、系統(tǒng)原理圖設計、軟件流程圖設計。2 圓度誤差的算法2.1最小二乘圓法如圖21所示，最小二乘圓是實際輪廓上各點到該圓的距離的平方和為最小的圓。以被測實際輪廓的雖小二乘圓作為理想圓，其最小二乘圓圓心至輪廓的最大距離與最小距離之差即為圓度誤差。圖 2-1 最小二乘圓法如圖21所示為用直角坐標和表示的極坐標圖，坐標原點為；設最小二乘方圓的中心為O，其直角坐標為(、)；半徑為R，由幾何關系和公式推

21、導可得：(i=1,2,3,n) 式中，被測實際輪廓上各點至坐標原點的距離。被測實際輪廓上各點至最小二乘圓圓心的距離為：在編制程序時，首先利用對話方式輸入采樣點數(shù)n，基本半徑，讀數(shù)。，計算出被測實際輪廓上各點至測量中心即坐標原點的距離： (i=1,2,3,n)代人公式，即可分別計算出。、以及的值，最后利用排序的方法找出中的最大值。與最小值，則根據(jù)定義，最小二乘法的圓度誤差為：2.2最小外接圓法最小外接圓法主要用來評定外表面的圓度誤差，并用最小外接圓尺寸來確定其配合性質(zhì)。為保證最小外接圓尺寸準確，調(diào)整傳感器時，必須用一標準尺寸心軸調(diào)整傳感器。它是以與實際輪廓相接觸的最小外接圓作為圓度誤差的評定基準

22、，其圓度誤差值為外接圓半徑R與實際輪廓上各點至最小外接圓中心的最小半徑之差，即 。判別晟小外接圓的準則有兩個： 外接圓與誤差曲線有三點接觸(簡稱符合三角形準則)，如圖2-2(a)所示。 外接圓與誤差曲線上兩點接觸，且兩點連線通過圓心(簡稱符合直線準則)。如圖2-2(b)所示。 (a) (b)圖 2-2最小外接圓法首先用直線準則判定。并在最小二乘法基礎上，求出各的點中的峰值點及的峰谷點，如圖2所示 再從峰值點中求該點與其相差間各點的弦長： 用排序法求出，并驗算是否為，若為，則雖小外接圓半徑為：其圓心坐標為：若不為，則求各點至此心的距離。其中必有一個點的距離為最大且大于，則以此點及最大弦長兩點構成

23、的三點作一個圓。若此圓將各點包容在內(nèi)，則此圓為最小外接圓。該圓的方程根據(jù)解析幾何可聯(lián)立方程： (1) (2) (3)將、 式聯(lián)解并整理得：(4） (5) (6)然后，找出實際輪廓上各點至最小外接圓中心的最小距離，則最小外接圓法圓度誤差：2.3最小區(qū)域法在求出最小外接圓的基礎上，判斷點在外接圓三個點的12、23或31區(qū)間中的某一個區(qū)間內(nèi)，在另外兩個區(qū)間內(nèi)的各點找另一個點，這兩個谷點與三個峰點，可以構成兩個按峰-谷-峰-谷或谷-峰-谷-蜂的組合，每個組合分別用兩峰、兩谷構成兩個同心圓其中必有一組同心圓滿足最小條件。四點求圓心坐標的公式如下所示。先設兩峰點坐標為、，兩谷點為 、。分別求出兩組圓心，驗

24、算哪一個滿足最小條件，最小區(qū)域法圓度誤差()為：2.4最大內(nèi)切圓法最大內(nèi)切圓法可用于評定內(nèi)表面的圓度誤差，它是以與實際輪廓相接觸的最大內(nèi)接圓作為圓度誤差的評定基準，并用最大內(nèi)切圓尺寸來確定配合性質(zhì)。為保證其尺寸之準確，傳感器需用標準環(huán)規(guī)調(diào)整，內(nèi)孔圓度測量已不能在分度頭上進行，只能在分度臺上進行。其圓度誤差值為實際輪廓上各點至最大內(nèi)切圓中心的最大半徑與最小半徑之差，即：判別最大內(nèi)切圓的準則有兩個： 內(nèi)切圓與誤差曲線上三點接觸，且圓心落在三個接觸點形成的三角形內(nèi)(筒稱符合三角形準則)，如圖2-3(a)所示。(a) (b)圖 2-3 最大內(nèi)切圓法 內(nèi)切圓與誤差曲線上兩點接觸且圓心在該條直線上(簡稱符

25、合直線準則)，如圖2-3(b)所示。求內(nèi)孔的最大內(nèi)切圓圓度誤差時，先求最小二乘法圓心和圓度誤差及最小外接圓圓心，進而求出最小區(qū)域法圓度誤差。若兩個正好過圓心的直徑上，則=，否則必有一谷點離最小區(qū)域法圓度誤差的圓的距離為最小，剛以此谷點與滿足最小區(qū)域法的兩個谷點構成三點定一圓，此圓即為最大內(nèi)切圓，再計算各峰點至此圓心距離，其中必有一最大距離存在，則（求圓心公式見46式）。2.5全局尋優(yōu)算法為了克服傳統(tǒng)迭代算法易陷入局部最優(yōu)的缺點，研究人員在計算圓度誤差時引入了全局最優(yōu)化方法。遺傳算法(Genetic Algorithm ，GA)是基于自然選擇和基因遺傳學原理的搜索方法。它首先將尋優(yōu)變量按照一定規(guī)

26、則轉(zhuǎn)換為串結構，然后將達爾文的“適者生存”理論引入了串結構，并且在串之問進行有組織但又隨機的信息交換。伴隨著算法的進行，優(yōu)良的品質(zhì)被逐漸保留并加以組合，從而不斷產(chǎn)生更佳的個體。GA是從多個初始點并行操作，可以有效的防止搜索過程陷入局部最優(yōu)解 。由于GA魯棒性強，能夠有效地解決復雜的非線性最優(yōu)化問題，因此已有學者將GA應用到了圓度誤差的求解過程中?；谶z傳算法的圓度誤差評價利用GA對圓度誤差進行了最小二乘法檢測，克服了傳統(tǒng)圓度最小二乘法評價的局部收斂問題；仿真結果表明GA可在全局范圍內(nèi)有效地評價圓度誤差。粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization ，PSO)是由Ken

27、nedy 和Eberhart于1995年提出的。PSO優(yōu)化算法與GA相似，也是一種基于群體的優(yōu)化算法，盡管與GA相比PSO算法缺乏系統(tǒng)的理論分析方法和深厚的數(shù)學基礎，并且還存在許多不完善和未涉及到的問題，但PSO結構簡單、易于實現(xiàn)。也有學者嘗試性的將其應用在圓度誤差的計算。粒子群優(yōu)化算法及其在圓度誤差評定中的應用提出一種基于PSO的圓度誤差評定方法；實例證明該方法能夠很好地解決圓度誤差評定問題，與遺傳算法具有相當?shù)挠嬎憔?，能夠獲得精度較高的結果。3 硬件系統(tǒng)設計3.1 微型計算機硬件系統(tǒng)計算機硬件體系結構由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備5大部件組成。計算機硬件系統(tǒng)以運算器為核心，

28、輸入、輸出設備與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送都要經(jīng)過運算器。運算器、存儲器、輸入、輸出設備的操作以及它們之間的聯(lián)系都由控制器集中控制。以運算器為中心的計算機系統(tǒng)組成框圖如圖3-1所示。圖3-1 以運算器為中心的計算機框圖控制流數(shù)據(jù)流控制器運算器（ALU）輸入設備輸出設備存儲器3.2 硬件的選擇3.2.1 微處理器的選擇單片微型計算機簡稱單片機，是一種集成在電路芯片；是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫MCU表示單片機；是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器

29、等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。它最早是被用在工業(yè)控制領域。單片機由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。微處理器已經(jīng)

30、無處不在，無論是錄像機、智能洗衣機、移動電話等家電產(chǎn)品，還是汽車引擎控制，以及數(shù)控機床、導彈精確制導等都要嵌入各類不同的微處理器。微處理器不僅是微型計算機的核心部件，也是各種數(shù)字化智能設備的關鍵部件。國際上的超高速巨型計算機、大型計算機等高端計算系統(tǒng)也都采用大量的通用高性能微處理器建造。而且微處理器的種類也是多種多樣的，本文選用的是AT89C51單片機。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)

31、閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖3-2所示。(a) (b)圖3-2 單片機外形及引腳排列主要特性與MCS-51 兼容4K字節(jié)可編程FLASH存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz24MHz三級程序

32、存儲器鎖定1288位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路3.2.2 傳感器的選擇電渦流傳感器能靜態(tài)和動態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導體距探頭表面距離。它是一種非接觸的線性化計量工具。電渦流傳感器能準確測量被測體（必須是金屬導體）與探頭端面之間靜態(tài)和動態(tài)的相對位移變化。在高速旋轉(zhuǎn)機械和往復式運動機械狀態(tài)分析，振動研究、分析測量中，對非接觸的高精度振動、位移信號，能連續(xù)準確地采集到轉(zhuǎn)子振動狀態(tài)的多種參數(shù)。如軸的徑向振動、振幅以及軸向位置。電渦流傳感器以其長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高

33、等優(yōu)點，在大型旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)的在線監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛應用。被測體對電渦流傳感器特性的影響1、被測體材料對傳感器的影響傳感器特性與被測體的電導率、磁導率有關，當被測體為導磁材料（如普通鋼、結構鋼等）時，由于渦流效應和磁效應同時存在，磁效應反作用于渦流效應，使得渦流效應減弱，即傳感器的靈敏度降低。而當被測體為弱導磁材料（如銅，鋁，合金鋼等）時，由于磁效應弱，相對來說渦流效應要強，因此傳感器感應靈敏度要高。2、被測體表面平整度對傳感器的影響不規(guī)則的被測體表面，會給實際的測量帶來附加誤差，因此對被測體表面應該平整光滑，不應存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。一般要求，對于振動測量的被測表面粗糙度要求

34、在0.4um0.8um之間；對于位移測量被測表面粗糙度要求在0.4um1.6um之間。3、被體表面磁效應對傳感器的影響電渦流效應主要集中在被測體表面，如果由于加工過程中形成殘磁效應，以及淬火不均勻、硬度不均勻、金相組織不均勻、結晶結構不均勻等都會影響傳感器特性。在進行振動測量時，如果被測體表面殘磁效應過大，會出現(xiàn)測量波形發(fā)生畸變。4、被測體表面鍍層對傳感器的影響被測體表面的鍍層對傳感器的影響相當于改變了被測體材料，視其鍍層的材質(zhì)、厚薄，傳感器的靈敏度會略有變化。5、被測體表面尺寸對傳感器的影響由于探頭線圈產(chǎn)生的磁場范圍是一定的，而被測體表面形成的渦流場也是一定的。這樣就對被測體表面大小有一定要

35、求。通常，當被測體表面為平面時，以正對探頭中心線的點為中心，被測面直徑應大于探頭頭部直徑的1.5倍以上；當被測體為圓軸且探頭中心線與軸心線正交時，一般要求被測軸直徑為探頭頭部直徑的3倍以上，否則傳感器的靈敏度會下降，被測體表面越小，靈敏度下降越多。實驗測試，當被測體表面大小與探頭頭部直徑相同，其靈敏度會下降到72%左右。被測體的厚度也會影響測量結果。被測體中電渦流場作用的深度由頻率、材料導電率、導磁率決定。因此如果被測體太薄，將會造成電渦流作用不夠，使傳感器靈敏度下降，一般要求厚度大于0.1mm以上的鋼等導磁材料及厚度大于0.05mm以上的銅、鋁等弱導磁材料，則靈敏度不會受其厚度的影響。YD9

36、800系列電渦流位移傳感器能測量被測體(必須是金屬導體)與探頭端面的相對位置。由于其非接觸測量、長期工作可靠性高、靈敏度高、抗干擾能力強、響應速度快、不受油水等介質(zhì)的影響，常被用于對大型旋轉(zhuǎn)機械的軸位移、軸振動、軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)進行長期實時監(jiān)測，可以分析出設備的工作狀況和故障原因，有效地對設備進行保護及進行預測性維修?？蓽y量位移、振幅、轉(zhuǎn)速、尺寸、厚度、表面不平度等。從轉(zhuǎn)子動力學、軸承學的理論上分析，大型旋轉(zhuǎn)機械的運行狀態(tài)主要取決于其核心轉(zhuǎn)軸，而電渦流位移傳感器能直接測量轉(zhuǎn)軸的狀態(tài)，測量結果可靠、可信。故在本文中選用DW41-YD9808型電渦流位移傳感器。此外YD9800系列電渦流位移傳感器“線

37、圈最佳溫度穩(wěn)定性參數(shù)匹配”技術保證良好的探頭溫度穩(wěn)定性；采用新型PPS工程塑料通過“二次注塑”工藝，保證良好的探頭密封性、尺寸穩(wěn)定性和互換性，工作溫度范圍擴展到-50+175；“變形聯(lián)接”工藝組合，更高探頭強度、可靠性；“深度負反饋穩(wěn)定諧振回路”技術，使前置器穩(wěn)定性達到(0.05%/,0.02%/年)；按美國軍用規(guī)范設計生產(chǎn)，前置器可在-50+105環(huán)境下長期連續(xù)工作；前置器電路采用容錯設計，保證任意接線錯誤不會損壞；前置器采用最新電子技術，功耗低于12mA；前置器殼體采用壓鑄工藝、高頻插座內(nèi)凹及接線端子鑲嵌保護、工程塑料隔離絕緣等結構，使前置器更加堅固、安裝使用更加方便；先進的電渦流位移傳感

38、器相頻特性的測試和控制方法，使JX20系列產(chǎn)品在動態(tài)特性方面處于國際領先水平。3.2.3 程序存儲器EPROM的擴展及芯片選取程序存儲器一般采用只讀存儲器，因為這種存儲器在電源關斷后，仍能保持程序（我們稱此特性為非易失性的）在系統(tǒng)上電后，CPU可以取出這些指令予以重新執(zhí)行。只讀存儲器簡稱為ROM（Read Only Memory）。ROM總的信息一旦被寫入之后，就不能隨意更改，特別是不能在程序運行的過程中寫入新的內(nèi)容，故稱之為只讀存儲器。向ROM中寫入信息叫做ROM編程。根據(jù)編程的方式不同，ROM分為以下幾種:掩膜ROM、可編程ROM、EPROM、E2PROM、FlashROM。程序存儲器擴展

39、可以根據(jù)需要使用上述的各種只讀存儲器的芯片。在本文中選用27512EPROM芯片，型號“27”后面的數(shù)字表示其存儲器容量的大小。如果換成字節(jié)容量只需要將該數(shù)字除以8就可以了。圖 3-3 27512與AT89C51接口的信號線連接圖27512與AT89C51接口的信號線連接部分如圖3-3所示。其地址為：0000HoFFFFH3.2.4靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器的擴展及芯片選取MCS-51單片機的內(nèi)部有128個字節(jié)RAM。在實際的應用中，僅靠片內(nèi)RAM往往是不夠用的，必須擴展外部數(shù)據(jù)存儲器。常用的數(shù)據(jù)存儲器有靜態(tài)存儲器（SRAM）和動態(tài)存儲器（DRAM），在單片機應用系統(tǒng)中，外擴展的數(shù)據(jù)存儲器都采用靜態(tài)存儲器

40、。所擴展的數(shù)據(jù)存儲器空間地址，有P2口提供高8位地址，P0分別提供低8位地址和用作8位的雙向數(shù)據(jù)總線。片外數(shù)據(jù)存儲器RAM的讀寫由單片機的RD和WR信號控制，而片外程序存儲器EPROM的輸出允許端由讀選通信號控制。盡管與EPROM共處同一地址空間，但是由于控制信號的不同，所以不會發(fā)生總線沖突。單片機系統(tǒng)中常用的SRAM芯片的典型型號有：6116、6264、62128、62256等。它們都用單一+5V電源供電，雙列直插封裝。在本文中選用62256 SRSM。圖 3-4 62256與AT89C51接口的信號線連接圖62256是32K的低功耗靜態(tài)RAM存儲器，用P0和P2來擴展外部RAM（就是用P0

41、和P2與62256對應的管腳相連接），假設P2.7接WR，P2.6接RD，P2.5接CS，那么就可以確定一個外部RAM的一個地址，想往外部RAM的一個地址寫一個字節(jié)時，地址可以定義XBYTE0x4000，其中WR、CS為低，RD為高，那就是到位的4（0100也就是P2.7和P2.5輸出了低電平，而P2.6輸出了高電平，目的當然是要選通62256并且向62256寫入數(shù)據(jù)），其它位的可以根據(jù)情況自己定。MCS-51單片機系統(tǒng)擴展時，一般使用P0口作為低8位，而P2口作為高8位，它共有16根地址總線，尋址空間為64K。62256引腳功能：A0-A14 地址總線D0-D7 輸入/輸出口CS 端口選擇W

42、E 輸入始能端OE 輸出始能端VCC 電源使能端VSS 接地62256與AT89C51接口的信號線連接部分如圖3-4所示。其地址為：0000H7FFFH3.2.5 I/O擴展及芯片選取在I/O擴展中本文中選用可編程并行接口芯片8255進行擴展。8255是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片，有3個8位并行I/O口。具有3個通道3種工作方式的可編程并行接口芯片（40引腳）。 其各口功能可由軟件選擇，使用靈活，通用性強。8255可作為單片機與多種外設連接時的中間接口電路。8255作為主機與外設的連接芯片，必須提供與主機相連的3個總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時必須具有與外設連接

43、的接口A、B、C口。由于8255可編程,所以必須具有邏輯控制部分，因而8255內(nèi)部結構分為3個部分：與CPU連接部分、與外設連接部分、控制部分。特性：(1)一個并行輸入/輸出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作為CPU總線與外圍的接口；(2)具有24個可編程設置的I/O口,即3組8位的I/O口為PA口,PB口和PC口.它們又可分為兩組12位的I/O口,A組包括A口及C口(高4位,PC4PC7),B組包括B口及C口(低4位,PC0PC3).A組可設置為基本的I/O口,閃控(STROBE)的I/O閃控式,雙向I/O3種模式;B組只能設置為基本I/O或閃控式I/O兩種模式,而這些操作模式完全由控制

44、寄存器的控制字決定。引腳功能：RESET:復位輸入線，當該輸入端處于高電平時，所有內(nèi)部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成輸入方式。CS:芯片選擇信號線，當這個輸入引腳為低電平時,即/CS=0時,表示芯片被選中，允許8255與CPU進行通訊;/CS=1時,8255無法與CPU做數(shù)據(jù)傳輸。RD:讀信號線，當這個輸入引腳為低電平時,即/RD=0且/CS=0時,允許8255通過數(shù)據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數(shù)據(jù)。WR:寫入信號，當這個輸入引腳為低電平時,即/WR=0且/CS=0時,允許CPU將數(shù)據(jù)或控制字寫入8255。D0D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8

45、255與CPU數(shù)據(jù)傳送的通道，當CPU 執(zhí)行輸入輸出指令時，通過它實現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送。PA0PA7:端口A輸入輸出線，一個8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器， 一個8位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器。PB0PB7:端口B輸入輸出線，一個8位的I/O鎖存器， 一個8位的輸入輸出緩沖器。PC0PC7:端口C輸入輸出線，一個8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器， 一個8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器。端口C可以通過工作方式設定而分成2個4位的端口， 每個4位的端口包含一個4位的鎖存器，分別與端口A和端口B配合使用，可作為控制信號輸出或狀態(tài)信號輸入端口。圖 3-5 8255與AT89C51接口的信號

46、線連接圖A1,A0:地址選擇線,用來選擇8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器。當A1=0,A0=0時,PA口被選擇；當A1=0,A0=1時,PB口被選擇；當A1=1,A0=0時,PC口被選擇；當A1=1.A0=1時,控制寄存器被選擇。8255與AT89C51接口的信號線連接部分如圖3-5所示。地址8000為選擇PA口；地址8001為選擇PB口；地址8002為選擇PC口；地址8003為選擇控制寄存器。3.2.6 A/D轉(zhuǎn)換芯片的選取測控系統(tǒng)離不開模擬量與數(shù)字量的互相轉(zhuǎn)換，因此，模/數(shù)與數(shù)/模轉(zhuǎn)換也就成了測控系統(tǒng)的重要內(nèi)容。其中模/數(shù)轉(zhuǎn)換是把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，用A/D表示；反之，數(shù)/模轉(zhuǎn)

47、換則是把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，用D/A表示。AD轉(zhuǎn)換與DA轉(zhuǎn)換在測控系統(tǒng)中形成了兩個模擬量通道，即模擬輸入通道和模擬輸出通道。測控包含“測”與“控”兩個過程。所謂“測”就是實時采集被控對象的物理參量，諸如溫度、壓力、流量、速度、位移和轉(zhuǎn)速等。這些參量通常都是模擬量，即連續(xù)變化的物理量。這里的“連續(xù)”具有雙重含義：意識時間意義上的連續(xù)，即量值隨時間連續(xù)變化：而是數(shù)值意義上的連續(xù)，即量值本身連續(xù)變化。模擬量不能直接送給單片機，必須通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器把他們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，才能送入單片機進行存儲和處理。所謂“控”就是把采集的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機計算、比較處理后得出結論，以對被控對象實施校正控制。但經(jīng)過單片機處理后得

48、到的是數(shù)字量結果，而絕大多數(shù)控制執(zhí)行部件所需要的是模擬量。因此，又需要通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。模擬輸入通道的工作從采集信號開始。由于傳感器采集到得模擬信號幅值通常很小，而且連續(xù)變化的信號容易受到干擾，因此，要對傳感器采集到的原始信號進行放大、采樣、保持、濾波等處理后，才能送給A/D轉(zhuǎn)換器。這一系列的處理過程構成了模擬輸入通道。圖 3-6 AD574A與AT89C51接口的信號線連接圖8位A/D轉(zhuǎn)換芯片采用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換原理，可實現(xiàn)8路模擬信號分時采集，片內(nèi)有8路模擬選通開關，以相應的通道地址鎖存與譯碼電路，轉(zhuǎn)換時間為100us左右。其中多路開關可選8個模擬通道，允許8路模擬

49、量分時輸入，公用一個A/D轉(zhuǎn)換芯片進行轉(zhuǎn)換。地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C3個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇。8為A/D轉(zhuǎn)換器是逐次逼近式，由控制與時序電路、逐次逼近寄存器、樹狀開關以及256R電阻階梯網(wǎng)絡等組成。輸出鎖存器用于存放和輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量。在本文中選用8位A/D轉(zhuǎn)換芯片不能達到精度要求，故選用12位A/D轉(zhuǎn)換芯片AD574A。AD574A是美國模擬器件公司（Analog Devices）的產(chǎn)品，由于芯片內(nèi)有三態(tài)數(shù)據(jù)輸出緩沖器，所以接口時無需外加三態(tài)緩沖器。由于內(nèi)部的緩沖器為12位，所以其轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)既可以一次讀出，也可以分兩次讀出。AD574A與AT89C51接口

50、的信號線連接部分如圖3-6所示。地址8100為啟動轉(zhuǎn)換；地址8101為讀高8位；地址8103為讀低4位。3.2.7 通訊方式的選擇工業(yè)通訊模塊，英文名稱為Communication Module，是指在工業(yè)自動化控制領域中，專為電機傳遞不同訊號的連接器，包含轉(zhuǎn)換RS-232、RS-422/485信號等通訊網(wǎng)絡，以使系統(tǒng)架構中的驅(qū)動、控制與致動組件的串行訊息兼容。通訊方式本文選擇RS 232上傳測量數(shù)據(jù)。RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號，C表示修改次數(shù)

51、。RS-232-C總線標準設有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道。在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。RS-232-C標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C標準規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此

52、一般用于20m以內(nèi)的通信。電氣特性EIA-RS-232C對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。在TXD和RXD上：邏輯1(MARK)=-3V-15V邏輯0(SPACE)=+3+15V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）+3V+15V信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓)=-3V-15V以上規(guī)定說明了RS-232C標準對邏輯電平的定義。對于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“1”（傳號）的電平低于-3V，邏輯“0”（空號）的電平高于+3V；對于控制信號；接通狀態(tài)（ON）即信號有效的電平高于+3V，斷開狀態(tài)(OFF)即信號無效的電平低于-3V，也就是當傳

53、輸電平的絕對值大于3V時，電路可以有效地檢查出來，介于-3+3V之間的電壓無意義，低于-15V或高于+15V的電壓也認為無意義，因此，實際工作時，應保證電平在(315)V之間。EIA RS-232C 與TTL轉(zhuǎn)換：EIA RS-232C 是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件連接，必須在EIA RS-232C 與TTL電路之間進行電平和邏輯關系的變換。實現(xiàn)這種變換的方法可用分立元件，也可用集成電路芯片。目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL電平到EIA電平的轉(zhuǎn)換，而MC148

54、9、SN75154可實現(xiàn)EIA電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換。MAX232芯片可完成TTLEIA雙向電平轉(zhuǎn)換圖3-7 RS232接口電路RS232接口電路如圖3-7所示。3.2.8 鍵盤接口及LED顯示器接口的設計鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳輸命令等功能，是人工干預單片機的主要手段。接盤實際是一組按鍵開關的集合。通常，鍵盤所用的開關為機械彈性開關，均利用了機械觸點的合、斷作用。鍵盤的閉合與否，反映在行線輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平，如果電平斷開的話，那么低電平就表示鍵閉合，所以通過對行線電平的高低狀態(tài)的檢測，便可以確認按鍵按下與否。LED顯示器分為靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示。由于動態(tài)

55、顯示方式具有硬件簡單、I/O口可以少、價格低及省電等優(yōu)點，故選擇動態(tài)顯示方式。LED顯示器動態(tài)顯示需要為各位提供段碼以及相應的位控制，此即通常所說的段控和位控。把LED顯示器段碼表預先存放在存儲器中，使用時通過查表就可以得到段碼。段碼輸出后送到公共段碼線上，也可稱為段控信號。而通過并行口輸出的相互獨立的位碼則是起選通作用的，也稱位控或掃描信號，用于選擇顯示位。段碼的值與數(shù)碼管公共引腳的接法有關。8段數(shù)碼管，顯示十六進制數(shù)的段碼值如表3-1所示。表 3-1 十六進制數(shù)段碼表鍵盤及LED顯示器的連接如圖3-8所示。圖 3-8 鍵盤及LED顯示器與8255的接口電路4 軟件的設計4.1 軟件總體流程圖的設計開 始初始化濾 波信號放大A/D轉(zhuǎn)換報警數(shù)據(jù)處理上傳數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存儲顯示數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)比較結 束否是圖 4-1 總流程圖 4.2 A/D轉(zhuǎn)換流程圖設計執(zhí)行主程序啟動A/D轉(zhuǎn)換P3.2=0?讀高8位讀低4位返 回是否圖 4-2 A/D轉(zhuǎn)換流程圖4.3 中斷服務流程圖設計執(zhí)行主程序執(zhí)行下一條指令有中斷請求關中斷保護現(xiàn)場和斷點返 回是否圖 4-3 中斷服務流程圖取下一條指令開中斷中斷服務關中斷恢復現(xiàn)場開中斷開 始初始化顯示參數(shù)8斷碼完成？