電渦流式金屬板材測(cè)厚儀的設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 電渦流式金屬板材測(cè)厚儀的設(shè)計(jì)院 系自動(dòng)化學(xué)院專(zhuān) 業(yè)測(cè)控技術(shù)與儀器班 級(jí)學(xué) 號(hào)2姓 名錢(qián)曉偉指導(dǎo)教師劉利秋負(fù)責(zé)教師劉利秋沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院2008年6月專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)摘 要本論文闡述的是電渦流式金屬板材測(cè)厚儀的設(shè)計(jì)。本課題利用電渦流傳感器、單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一種金屬板材測(cè)厚儀，它能實(shí)現(xiàn)不同金屬板材的厚度測(cè)量、厚度合格檢驗(yàn)及其超標(biāo)報(bào)警，通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行待測(cè)金屬板材種類(lèi)輸入、厚度合格檢驗(yàn)時(shí)的設(shè)定厚度和誤差等級(jí)設(shè)置，并用LED顯示，給出合格檢驗(yàn)時(shí)超標(biāo)與否的指示燈提示及蜂鳴超標(biāo)報(bào)警提示。本系統(tǒng)由兩部分組成：硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)利用電渦流傳感器及其測(cè)量電路測(cè)量不同材質(zhì)和厚度的

2、金屬板，得到不同電壓，經(jīng)放大后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)。單片機(jī)通過(guò)軟件編程對(duì)被測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，結(jié)果送往LED顯示器進(jìn)行顯示，并外接蜂鳴器和指示燈實(shí)現(xiàn)超標(biāo)報(bào)警。軟件系統(tǒng)用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程，采用模塊化設(shè)計(jì)思想。該系統(tǒng)通過(guò)聯(lián)調(diào)后，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期各種功能，符合設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：電渦流傳感器；金屬板材測(cè)厚儀；合格檢驗(yàn)；單片機(jī)；LED顯示AbstractThis paper introduces the design of metallic material thickness based on eddy current sensor. The task uses eddy current sensor,

3、Single Chip Micyoco system to design metallic material thickness meter. The system can realize the functions of thickness measurement, pass examination and its overrun alarm. The input of the quality of metallic planking to be measured the preseting of object thickness and error grade when pass exam

4、inating all can be done through key board. The relative information is displayed on LED readtine. When pass examinating,buzzer and light prompting of overrun or not are given. The system design contains two parts: hardware design and software design. The hardware system uses eddy current sensor and

5、its measuring circuit to measure different kind of metallic plankings to get different voltage value.After amplified, the voltage is tramcformed to digital signal and then is sent to SCM. Through softwere programming, the measured data is processed and the result is displayed on LED in SCM system. T

6、he overrun alarm is realized by buzzer and light in dicator. Assemble language is used in the software system and modularization design idea is adopted. This system realizes all desired functions and coincides with demand after system debugging.Keywords: eddy current sensor; planking thickness meter

7、; pass examination; Single Chip Micyoco; LED display目 錄第1章 緒論11.1 課題產(chǎn)生的背景11.2 本課題的主要任務(wù)及內(nèi)容21.3 本課題的任務(wù)分析與實(shí)現(xiàn)31.4 本論文的主要內(nèi)容安排3第2章 電渦流式金屬板材測(cè)厚儀的基本原理52.1概述52.2電渦流傳感器測(cè)厚原理52.2.1 電渦流傳感器測(cè)量原理52.2.2 電渦流傳感器測(cè)厚原理10第3章 金屬板材測(cè)厚儀的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)123.1 金屬板材測(cè)厚儀的硬件設(shè)計(jì)方案123.2 傳感器及其測(cè)量電路的設(shè)計(jì)133.3 放大電路的設(shè)計(jì)133.4 單片機(jī)系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)143.4.1 單片機(jī)的選擇143.

8、4.2 單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)173.4.3 鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)213.4.4 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)223.4.5 顯示電路的設(shè)計(jì)233.4.6 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)25第4章 電渦流式金屬板材測(cè)厚儀的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)274.1 測(cè)厚儀的軟件設(shè)計(jì)方案274.2 鍵處理子程序的設(shè)計(jì)294.3 數(shù)據(jù)采集子程序的設(shè)計(jì)304.4 數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計(jì)314.5 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定子程序的設(shè)計(jì)354.6 顯示子程序的設(shè)計(jì)374.6 報(bào)警子程序的設(shè)計(jì)37第5章 系統(tǒng)調(diào)試與分析405.1 硬件調(diào)試405.2 軟件調(diào)試415.3 軟件與硬件系統(tǒng)調(diào)試425.4 測(cè)試結(jié)果分析43結(jié)論46社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析47參考文獻(xiàn)48致 謝49附錄 電

9、渦流式金屬板材測(cè)厚儀硬件系統(tǒng)原理圖50附錄 電渦流式金屬板材測(cè)厚儀軟件程序清單51附錄 電渦流式金屬板材測(cè)厚儀元器件清單74第1章 緒論1.1 課題產(chǎn)生的背景厚度是工業(yè)生產(chǎn)中最常見(jiàn)和最基本的工業(yè)參數(shù)之一，是與人類(lèi)的生活、工作關(guān)系最密切的物理量，也是各學(xué)科與工程研究設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到和必須精確測(cè)量的物理量。所以厚度的測(cè)量問(wèn)題是一個(gè)經(jīng)常遇到的問(wèn)題。厚度測(cè)量方法有很多：簡(jiǎn)單的厚度測(cè)量可以用卷尺或直尺來(lái)完成，要求精度高的用游標(biāo)卡尺來(lái)完成，一些金屬的厚度還可以用傳感器來(lái)測(cè)量，具體用什么方法測(cè)厚要根據(jù)所測(cè)物體的大小、形狀、材質(zhì)以及測(cè)量精度來(lái)定。在進(jìn)行金屬的厚度測(cè)量時(shí)，經(jīng)常遇到金屬表面有非金屬涂層或油污等雜質(zhì)使

10、接觸測(cè)量不準(zhǔn)確或無(wú)法進(jìn)行，而且在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的在線測(cè)量也使得接觸式測(cè)量變得困難，這就使得非接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)顯現(xiàn)出來(lái)。電渦流傳感器是20世紀(jì)70年代以來(lái)得到迅速發(fā)展的一種傳感器，它利用電渦流效應(yīng)進(jìn)行工作。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、頻響范圍寬、不受油污等介質(zhì)的影響，并能進(jìn)行非接觸測(cè)量，可用廣泛用來(lái)檢測(cè)金屬材質(zhì)的厚度。隨著在線檢驗(yàn)精度和效率要求的不斷提高， 對(duì)測(cè)量金屬板材設(shè)備提出了越來(lái)越高的要求。所以今天對(duì)測(cè)量金屬板材設(shè)備的要求實(shí)際上是對(duì)高精度自動(dòng)化測(cè)量設(shè)備的要求。 近年來(lái)，精密測(cè)量技術(shù)發(fā)展迅速，成果喜人。例如在線測(cè)量技術(shù)，已可進(jìn)行加工狀態(tài)的實(shí)時(shí)測(cè)量與顯示，及時(shí)檢測(cè)加工是否出現(xiàn)異常狀況，從而可大幅度提高生

11、產(chǎn)效率。面對(duì)我國(guó)高速發(fā)展的電子測(cè)量?jī)x器市場(chǎng)，電子測(cè)量?jī)x器有關(guān)企業(yè)將加快技術(shù)進(jìn)步和市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的步伐，努力做好國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的開(kāi)拓工作，真正把中國(guó)的電子測(cè)量?jī)x器產(chǎn)業(yè)做強(qiáng)、做大，將更多、更好、更新的電子測(cè)量?jī)x器產(chǎn)品提供給廣大用戶(hù)。 總之，測(cè)量技術(shù)必須實(shí)現(xiàn)高精度化，同時(shí)也要求實(shí)現(xiàn)高速化和高效率化，因此，非接觸測(cè)量和高效率測(cè)量也必然成為新世紀(jì)精密測(cè)量技術(shù)的重要發(fā)展方向。隨著大規(guī)模集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，以及人工智能在測(cè)試技術(shù)方面的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)電子測(cè)量?jī)x器在原理、功能、精度及自動(dòng)化等方面都發(fā)生了巨大的變化，逐步形成了一種完全突破傳統(tǒng)概念的新一代測(cè)試儀器智能儀器。目前，不僅大多數(shù)傳統(tǒng)電子儀器已有相應(yīng)換代

12、的智能化產(chǎn)品，而且還出現(xiàn)了一些全新的儀器類(lèi)型和測(cè)試系統(tǒng)，儀器智能化已成為現(xiàn)代電子儀器發(fā)展的主流方向。單片機(jī)自20世紀(jì)70年代問(wèn)世以來(lái)，作為微計(jì)算機(jī)一個(gè)很重要的分支，應(yīng)用廣泛，發(fā)展迅速，已對(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生了巨大的影響。尤其是美國(guó)Intel公司生產(chǎn)的MCS51系列單片機(jī)，由于其有集成度高、處理功能強(qiáng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易于使用等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)已得到廣泛的應(yīng)用，在智能儀器儀表、工業(yè)檢測(cè)控制、電子電力、電機(jī)一體化方面取得了令人矚目的成果。由于單片機(jī)的飛速發(fā)展，從而產(chǎn)生了各式各樣的以單片機(jī)為核心的測(cè)量?jī)x器。1.2 本課題的主要任務(wù)及內(nèi)容本課題主要以單片機(jī)為中心，設(shè)計(jì)電渦流式傳感器測(cè)量電路、單片機(jī)系統(tǒng)電

13、路及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種金屬板材厚度的測(cè)量、厚度合格檢驗(yàn)及其超標(biāo)報(bào)警。能由鍵盤(pán)進(jìn)行待測(cè)金屬板材種類(lèi)輸入、厚度合格檢驗(yàn)時(shí)的設(shè)定厚度和誤差等級(jí)設(shè)置，通過(guò)LED顯示厚度測(cè)量值，給出合格檢驗(yàn)時(shí)超標(biāo)與否的指示燈提示及蜂鳴超標(biāo)報(bào)警提示。設(shè)計(jì)測(cè)厚儀的硬件電路系統(tǒng)，包括模擬電路部分（傳感器及其測(cè)量電路、信號(hào)調(diào)理電路等）和數(shù)字電路部分（單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路、鍵盤(pán)電路及LED顯示電路等）。設(shè)計(jì)單片機(jī)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)厚儀設(shè)定功能和完成系統(tǒng)聯(lián)調(diào)本次設(shè)計(jì)的電渦流式金屬板材測(cè)厚儀應(yīng)符合以下技術(shù)指標(biāo)：1 鍵盤(pán)設(shè)定厚度“測(cè)量”或厚度合格“檢驗(yàn)”的功能選擇；鍵盤(pán)進(jìn)行待測(cè)金屬板材種類(lèi)輸入、厚度合格檢驗(yàn)時(shí)的設(shè)定厚度和誤差等級(jí)設(shè)置

14、。2 實(shí)現(xiàn)多種（系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)至少演示兩種）金屬板材的厚度測(cè)量。厚度測(cè)量范圍：010.0mm，測(cè)量精度可達(dá)0.1mm。厚度測(cè)量值采用LED顯示：XX.Xmm。3 實(shí)現(xiàn)厚度的合格檢驗(yàn)功能，給出厚度合格檢驗(yàn)合格指示或不合格指示（超厚指示或超薄指示）及其蜂鳴報(bào)警提示?；诖巳蝿?wù)，本課題中利用電渦流傳感器進(jìn)行不同金屬板材的厚度測(cè)量，其內(nèi)容主要分為軟件和硬件兩部分。在遵循軟硬件相結(jié)合的原則下，先熟悉軟件環(huán)境，然后進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)，再根據(jù)設(shè)計(jì)的硬件進(jìn)行軟件編程，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，并對(duì)各模塊進(jìn)行調(diào)試，再焊接電路板，最后軟硬件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試和故障的排除。1.3 本課題的任務(wù)分析與實(shí)現(xiàn)針對(duì)本課題基于單片機(jī)的電渦流式金屬

15、板材測(cè)厚儀器的設(shè)計(jì)任務(wù)，進(jìn)行分析得到：電渦流傳感器測(cè)量不同厚度不同材質(zhì)金屬板時(shí)輸出電壓各不相同，但是在傳感器與實(shí)驗(yàn)臺(tái)距離不變的情況下對(duì)同一種金屬進(jìn)行測(cè)量時(shí)，電渦流傳感器測(cè)量電路的輸出電壓與金屬板材的厚度是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即通過(guò)對(duì)電渦流傳感器測(cè)量電路輸出電壓的測(cè)量就可以知道金屬板材的厚度。因此本課題利用電渦流傳感器輸出的電壓信號(hào)作為測(cè)量依據(jù)。它經(jīng)過(guò)放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入到單片機(jī)中，單片機(jī)再通過(guò)軟件編程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并送往LED進(jìn)行顯示，并外接按鍵、接蜂鳴器和指示燈進(jìn)行功能選擇、待測(cè)金屬板材種類(lèi)輸入、厚度合格檢驗(yàn)時(shí)設(shè)定厚度和誤差等級(jí)設(shè)置及其超限報(bào)警多項(xiàng)任務(wù)的完成，即可圓滿(mǎn)完成設(shè)計(jì)的要求。要求

16、達(dá)到的各項(xiàng)指標(biāo)及實(shí)現(xiàn)方法如下：(1) 利用電渦流式傳感器進(jìn)行金屬板材的厚度測(cè)量。(2) 將傳感器測(cè)量系統(tǒng)輸出電壓放大以便于對(duì)其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。 (3) 將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。 (4) 利用軟件編程設(shè)計(jì)按鍵實(shí)現(xiàn)儀器功能、材質(zhì)選擇和檢驗(yàn)厚度設(shè)定等功能(5) 利用軟件編程實(shí)現(xiàn)蜂鳴器和發(fā)光二極管合格指示和超低限報(bào)警。 (6) LED顯示測(cè)量或檢驗(yàn)結(jié)果。 1.4 本論文的主要內(nèi)容安排本文主要介紹了電渦流式金屬板材測(cè)厚儀的設(shè)計(jì)思想、電路原理、方案論證以及元器件的選擇等內(nèi)容,整體上分為硬件部分設(shè)計(jì)和軟件部分設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容安排可以分為三部分：第一部分是硬件設(shè)計(jì)，包括方案的設(shè)計(jì)、元器件的選擇等。具體

17、的硬件電路包括渦流變換器電路、差放電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、89C52單片機(jī)的外圍電路以及LED顯示電路的設(shè)計(jì)。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。第二部分是軟件設(shè)計(jì)，軟件采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，軟件設(shè)計(jì)的思想主要是自頂向下，模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)子模塊逐一設(shè)計(jì)，分別再進(jìn)行調(diào)試，最后再聯(lián)調(diào)整個(gè)程序，判斷是否達(dá)到預(yù)期的要求，做出結(jié)論。第三部分在軟硬件模塊調(diào)試都成功的前提下，進(jìn)行硬、軟件聯(lián)調(diào)和故障診斷，這是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。論文具體內(nèi)容安排如下：第1章是緒論，扼要介紹了該課題的產(chǎn)生背景、主要任務(wù)及內(nèi)容、任務(wù)的分析與實(shí)

18、現(xiàn)、論文的主要內(nèi)容安排；第2章主要介紹的是電渦流式金屬板材測(cè)厚儀的基本原理的概述、電渦流傳感器測(cè)量原理及電渦流傳感器測(cè)厚原理；第3章具體介紹了電渦流式金屬板材測(cè)厚儀的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括傳感器測(cè)量電路的設(shè)計(jì)、放大電路的設(shè)計(jì)、單片機(jī)的選擇、數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)、顯示電路的設(shè)計(jì)、鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)和報(bào)警電路的設(shè)計(jì)；第4章闡述了該金屬測(cè)厚儀的軟件設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)采集子程序的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計(jì)、鍵處理子程序的設(shè)計(jì)、顯示子程序的設(shè)計(jì)和報(bào)警子程序的設(shè)計(jì)； 第5章為系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析，說(shuō)明了硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和整機(jī)聯(lián)調(diào)的過(guò)程并介紹了調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題和解決辦法。第2章 電渦流式金屬板材測(cè)厚儀的基本原理2.1

19、概述厚度測(cè)量方法有很多，但可以分為兩大類(lèi)：接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。一些表面干凈、光滑的物體如鏡片，木盒等物體可以用直尺或卡尺等測(cè)量工具進(jìn)行接觸式測(cè)量。而一些金屬板材如鐵片、銅片等，他們的表面經(jīng)常會(huì)有油污或附有一層油漆或雜質(zhì)，使得接觸式測(cè)量不準(zhǔn)確也不方便，而金屬板材都具有電渦流效應(yīng)且渦流效應(yīng)的產(chǎn)生是不需要接觸的，我們可以由此設(shè)計(jì)電渦流傳感器來(lái)測(cè)量金屬厚度。選擇電渦流傳感器來(lái)測(cè)厚不僅僅是因?yàn)樗梢圆唤佑|測(cè)量金屬厚度，還因?yàn)殡姕u流傳感器的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，只要一個(gè)渦流線圈就可以進(jìn)行測(cè)量，技術(shù)上很容易實(shí)現(xiàn)。而且通過(guò)改變渦流線圈的直徑和傳感器的激勵(lì)頻率就可以在很大程度上改變傳感器的靈敏程度和測(cè)量時(shí)的線性區(qū)間

20、，實(shí)用性很強(qiáng)。同時(shí)電渦流傳感器還不受油污等介質(zhì)的影響，對(duì)于一些表面不清潔的板材也可測(cè)量。所以用電渦流傳感器可以很容易實(shí)現(xiàn)金屬板材厚度測(cè)量的要求。2.2電渦流傳感器測(cè)厚原理在工程科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域里，傳感器是一種能把特定的被測(cè)量信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件或裝置。其中電渦流式傳感器是一種利用磁路磁阻變化引起傳感器線圈的電感變化來(lái)檢測(cè)非電量的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。它可用來(lái)廣泛檢測(cè)量位移、振動(dòng)、厚度、轉(zhuǎn)速、溫度、硬度等參數(shù)。由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、壽命長(zhǎng)，并具有良好的性能與寬廣的適用范圍，適合在較惡劣的工作環(huán)境中工作，因而在計(jì)量技術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。2.2.1 電渦流傳感器

21、測(cè)量原理如圖2.1所示，有一通以交變電流的線圈。由于電流的存在，線圈周?chē)彤a(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。若有金屬置于該磁場(chǎng)范圍內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流，也將產(chǎn)生一個(gè)新磁場(chǎng)，與方向相反，力圖削弱原磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致線圈的電感量、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。這些參數(shù)變化與導(dǎo)體的幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、線圈的幾何參數(shù)、電路的頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中一個(gè)參數(shù)改變，余者皆不變，就能構(gòu)成測(cè)量該參數(shù)的傳感器。圖2.1 電渦流傳感器的基本原理電渦流傳感器是建立在電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)上工作的。根據(jù)電磁場(chǎng)的理論，導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、導(dǎo)體厚度，以及線圈與導(dǎo)體之間的距離、線圈的激勵(lì)頻率等參數(shù)，都將通過(guò)電渦流效

22、應(yīng)與磁效應(yīng)與線圈參數(shù)（線圈阻抗，電感L和品質(zhì)因數(shù)）發(fā)生聯(lián)系?；蛘哒f(shuō)，線圈參數(shù)是導(dǎo)體參數(shù)的函數(shù)。固定其中若干參數(shù)不變，就能按渦流大小測(cè)量另外一個(gè)參數(shù)，電渦流傳感器就是按此原理構(gòu)成的。電渦流傳感器對(duì)金屬導(dǎo)體進(jìn)行測(cè)量時(shí)，在被測(cè)導(dǎo)體中形成的電渦流可等效為一短路環(huán)電流，從而線圈與被測(cè)金屬體可等效為相互耦合的兩個(gè)線圈，等效電路如圖2.2所示：圖2.2 等效電路為線圈電阻；為線圈電感；為短路環(huán)電阻；為短路環(huán)電感；為激勵(lì)電壓；為線圈與短路環(huán)間的互感，值會(huì)隨著它們間距離的減小，也就是被測(cè)導(dǎo)體厚度的增加而增大。在等效電路中，由基爾霍夫定律得：（2.1）解上面方程組有：（2.2）（2.3）電渦流傳感器探頭內(nèi)線圈在受

23、到被測(cè)金屬體影響后的等效阻抗為：（2.4）線圈的等效電感為（2.5）由式（2.5）可見(jiàn)，由于渦流的影響，線圈阻抗的實(shí)數(shù)部分增大，虛數(shù)部分減小，因此線圈的品質(zhì)因數(shù)下降。阻抗由變?yōu)?，常稱(chēng)其變化部分為“反射阻抗”。由式（2.5）可得（2.6）式中 無(wú)渦流影響時(shí)線圈的Q值； 短路環(huán)的阻抗。值的下降是由于渦流損耗所引起，并與金屬材料的導(dǎo)電性和距離直接有關(guān)。當(dāng)金屬導(dǎo)體是磁性材料時(shí)，影響值的還有磁滯損耗與磁性材料對(duì)等效電感的作用。在這種情況下，線圈與磁性材料所構(gòu)成磁路的等效磁導(dǎo)率的變化將影響。當(dāng)距離減小時(shí)，由于增大而使式（2.5）中之變大。由式（2.4）（2.6）可知，線圈金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的阻抗、電感和品質(zhì)因數(shù)

24、都是該系統(tǒng)互感系數(shù)平方的函數(shù)。而互感系數(shù)又是距離的非線性函數(shù)，因此當(dāng)構(gòu)成電渦流式傳感器時(shí)，都是非線性函數(shù)。但在一定范圍內(nèi)，可以將這些函數(shù)近似地用一線性函數(shù)來(lái)表示，于是在該范圍內(nèi)通過(guò)測(cè)量、或的變化就可以線性地獲得位移的變化。例如由式（2.5）可見(jiàn)，渦流傳感器探頭內(nèi)線圈在受到被測(cè)導(dǎo)體影響后，等效電感減小，線圈阻抗發(fā)生了變化. 探頭線圈受到了渦流的阻抗反射作用后，由電磁場(chǎng)理論中的諾埃曼公式有： （2.7）其中=，是空氣介質(zhì)磁導(dǎo)率；和分別為和的長(zhǎng)度元；按線圈匝數(shù)串聯(lián)計(jì)算；按單匝線圈計(jì)算并決定于金屬導(dǎo)體幾何尺寸；為測(cè)量線圈至被測(cè)金屬導(dǎo)體表面的距離。若測(cè)量初始距離為，那么距離與被測(cè)金屬厚度值有： 的關(guān)系，

25、因此有：（2.8）式（2.8）代入式（2.5）知：受到渦流阻抗反射作用后的線圈電感，是被測(cè)金屬導(dǎo)體厚度 的映射函數(shù)。在利用電渦流傳感器測(cè)量位移時(shí)如圖2.3，激勵(lì)線圈與被測(cè)金屬體之間的距離的變化引起互感發(fā)生變化，其等效電感變化。當(dāng)線圈與金屬體之間的距離比較遠(yuǎn)時(shí)，電渦流對(duì)線圈電感的影響可以忽略不計(jì)，線圈中電感最大，諧振頻率最低，輸出最大。隨著距離的減小，渦流逐漸增強(qiáng)，線圈的電感減小，從而使諧振頻率增高，于是輸出幅值下降。距離x電渦流傳感器金屬板材工作平臺(tái)圖2.3 電渦流測(cè)位移的原理由于電渦流傳感器是利用線圈與被測(cè)金屬之間的電耦合進(jìn)行工作的，因而被測(cè)金屬作為“實(shí)際傳感器”的一部分，其材料性質(zhì)、尺寸與

26、形狀都與傳感器特性密切相關(guān)。被測(cè)金屬的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率對(duì)傳感器的靈敏度有影響。一般來(lái)說(shuō)，被測(cè)金屬的電導(dǎo)率越高，靈敏度也越高。磁導(dǎo)率則相反。被測(cè)金屬的大小與形狀與靈敏度也密切相關(guān)，從分析知，若被測(cè)金屬為平面，在渦流環(huán)的直徑為線圈直徑的1.8倍處，電渦流密度已衰減為最大值的5%。為充分利用電渦流效應(yīng)，被測(cè)金屬的厚度不應(yīng)小于線圈直徑的1.8倍。當(dāng)被測(cè)金屬的直徑為線圈直徑的一半時(shí)，靈敏度將減小一半；更小時(shí)，靈敏度下降更嚴(yán)重。2.2.2 電渦流傳感器測(cè)厚原理電渦流測(cè)厚儀有兩種方式：高頻反射式和低頻透射式，下面介紹這兩種方式測(cè)量金屬板材厚度的基本原理及其應(yīng)用特點(diǎn)：低頻透射式電渦流傳感器如圖2.4所示。需要選

27、取低頻激勵(lì)，但此時(shí)的響應(yīng)曲線隨厚度的減小而非線性變大。低頻透射式電渦流傳感器由初級(jí)線圈（發(fā)射線圈）和次級(jí)線圈（接收線圈），它們分別位于被測(cè)金屬的兩側(cè)。當(dāng)選取的激勵(lì)頻率一定時(shí)，不同材料的不同，貫穿深度也不同，由此將造成輸出電壓曲線形狀的變化。為了保證使同一傳感器測(cè)量不同材料的線性度和靈敏度一致，可采用改變激勵(lì)頻率的方法來(lái)達(dá)到。例如測(cè)量紫銅時(shí)采用500；測(cè)量黃銅和鋁材時(shí)采用2，這樣傳感器的線性度和靈敏度基本上仍能保持在標(biāo)定狀態(tài)下工作。此外，當(dāng)測(cè)量厚度大的金屬鍍層或板材時(shí)，需要貫穿深度大，選用低頻激勵(lì)，其線性就好。為克服金屬板移動(dòng)過(guò)程中上下波動(dòng)及板材不夠平整的影響，常在板材上下兩側(cè)對(duì)稱(chēng)放置兩個(gè)特性相

28、同的傳感器和。由圖2.4可知，板厚。工作時(shí)，兩個(gè)傳感器分別測(cè)得和。由于此種方式的貫穿厚度與激勵(lì)頻率有關(guān)，而激勵(lì)又不能太低，故低頻透射式電渦流傳感器適用測(cè)量厚度不大的金屬涂圖，在較厚的金屬板材厚度測(cè)量中不太適用。Dx1x2金屬板材圖2.4 低頻透射式電渦流傳感器測(cè)量金屬厚度原理圖而高頻反射式電渦流傳感器測(cè)厚度的原理圖如下2.5所示。這時(shí)金屬板材中渦流環(huán)的損耗與金屬板材的厚度成正比。由于金屬板材中的渦流是由發(fā)射線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)所激勵(lì)，所以是根據(jù)能量守恒定律，渦流損耗功率的變化，必然影響到發(fā)射線圈所建立起來(lái)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，這時(shí)，金屬板材接收線圈感應(yīng)到由發(fā)射線圈所建設(shè)起來(lái)的、并受金屬板材厚度變化所影響的

29、這個(gè)感應(yīng)強(qiáng)度，在接收線圈中就感應(yīng)出與變化相對(duì)應(yīng)的感生電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬板材厚度的測(cè)量。傳感器和基準(zhǔn)面的距離是固定的，將被測(cè)物體放在基準(zhǔn)面上以后，可測(cè)量出渦流傳感器與被測(cè)物體間的距離，于是可以求出被測(cè)物體的厚度 。d電渦流傳感器金屬板材工作平臺(tái)xh 圖2.5 高頻反射渦流傳感器測(cè)量厚度原理圖此類(lèi)傳感器適宜金屬板材的厚度測(cè)量，且特性曲線接近線性，可根據(jù)測(cè)量時(shí)的精度要求對(duì)其進(jìn)行分段線性化，分段越多測(cè)量精確度越高。第3章 金屬板材測(cè)厚儀的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測(cè)量與儀器帶來(lái)了巨大的沖擊和革命性的影響。而且隨著微處理器在體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低等方面的進(jìn)一步發(fā)展

30、，電子測(cè)量與儀器和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合愈加緊密，形成了一種全新的微型計(jì)算機(jī)化儀器。本次畢設(shè)設(shè)計(jì)的就是一個(gè)簡(jiǎn)單的智能儀器。3.1 金屬板材測(cè)厚儀的硬件設(shè)計(jì)方案在儀器設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要考慮控制任務(wù)較多，接口復(fù)雜，另一方面也要考慮成本問(wèn)題。綜合這兩方面的因素，選用了MCS-51系列中的89C52單片機(jī)作為核心元件。該硬件部分主要是信號(hào)測(cè)量電路和單片機(jī)系統(tǒng)電路兩部分組成。電渦流傳感器測(cè)量電路的輸出信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路輸入到單片機(jī)中，同時(shí)單片機(jī)外接按鍵電路控制單片機(jī)的程序運(yùn)行以及參數(shù)設(shè)定，使得儀器按要求工作。最后的結(jié)果用外接的LED顯示再配合蜂鳴器和發(fā)光二極管達(dá)到報(bào)警功能，使得儀器更加人性化。在設(shè)計(jì)測(cè)厚儀時(shí)，

31、利用電渦流傳感器測(cè)量電路輸出電壓作為初始信號(hào)。為了能將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理顯示，需要接A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，而ADC0809的工作電壓為05V，大于傳感器輸出電壓，所以還需要接差放電路。完成數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換后對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理就可以用單片機(jī)配合軟件編程來(lái)完成。本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。電渦流傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換AT89C52 LED顯示鍵盤(pán)輸入報(bào)警電路被測(cè)對(duì)象復(fù)位電路圖3.1 單片機(jī)硬件方案系統(tǒng)框圖3.2 傳感器及其測(cè)量電路的設(shè)計(jì)電渦流傳感器是建立在電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)上，傳感器探頭內(nèi)的線圈產(chǎn)生的時(shí)變磁場(chǎng)通過(guò)被測(cè)成塊的金屬導(dǎo)體后，金屬導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生渦流，根據(jù)渦流的大小可以判斷

32、金屬的厚度。渦流傳感器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸測(cè)量金屬板厚度、非金屬板金屬鍍層厚度、導(dǎo)體表面非導(dǎo)體鍍層厚度，及金屬體內(nèi)部的無(wú)損探傷。反射式渦流傳感器對(duì)金屬厚度測(cè)量的過(guò)程，也就是傳感器探頭中的線圈與金屬體間的非電量位移參數(shù)，對(duì)線圈的電量參數(shù)的一個(gè)反射過(guò)程。 通過(guò)對(duì)線圈變化電參量的監(jiān)測(cè)，可以完成對(duì)反射金屬體的厚度測(cè)量。被測(cè)金屬導(dǎo)體變化的厚度信號(hào)，通過(guò)渦流傳感器轉(zhuǎn)換為變化的電感信號(hào)，還需進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為便于測(cè)量的電信號(hào)。本次設(shè)計(jì)使用了諧振電路。如圖3.2所示，通過(guò)電渦流傳感器測(cè)量電路后電感變化轉(zhuǎn)換成電壓輸出。N放大電路圖3.2 測(cè)量電路的設(shè)計(jì)3.3 放大電路的設(shè)計(jì)在很多實(shí)際測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)中所測(cè)量的各物理信號(hào)經(jīng)傳感器輸出

33、后一般情況都比較弱或是與經(jīng)處理后顯示的范圍不相符，而且其中還包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對(duì)這種信號(hào)的放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，習(xí)慣上將具有這種特點(diǎn)的放大器稱(chēng)為放大器或儀表放大器。本課題中的被測(cè)物理量經(jīng)電渦流傳感器及其測(cè)量電路輸出的電壓信號(hào)比較微弱。而ADC0809的正常工作電壓是05V，所以必須在ADC0809前加入一個(gè)前置放大電路實(shí)現(xiàn)電壓的放大，如圖3.3；放大倍數(shù)為1020倍，使輸出電壓為05V，以便于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換。圖3.3 放大電路原理圖3.4 單片機(jī)系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)3.4.1 單片機(jī)的選擇單片機(jī)自從問(wèn)世以來(lái)，它一直是工業(yè)檢測(cè)、控制

34、應(yīng)用的主角。市場(chǎng)上常用的單片機(jī)有Intel公司的MCS-51系列，日本松下公司的MN6800系列等。其中，MCS-51由于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)具有體積小，可靠性高，功能強(qiáng)，價(jià)格低等特點(diǎn)，很容易形成產(chǎn)品而更受青睞。8031單片機(jī)片內(nèi)不帶程序存儲(chǔ)器ROM，使用時(shí)需外接程序存儲(chǔ)器和一片邏輯電路74LS373，外接的程序存儲(chǔ)器多為EPROM的2764系列。用戶(hù)若想對(duì)寫(xiě)入到EPROM中的程序進(jìn)行修改，必須先用一種特殊的紫外線燈將其照射擦除，之后再可寫(xiě)入。寫(xiě)入到外接程序存儲(chǔ)器的程序代碼沒(méi)什么保密性可言。8051單片機(jī)片內(nèi)有4K ROM，無(wú)須外接存儲(chǔ)器和74LS373，更能體現(xiàn)“單片”的簡(jiǎn)練。但是編的程序無(wú)法燒寫(xiě)

35、到其ROM中，只有將程序交芯片廠代為燒寫(xiě)，并是一次性的，今后都不能改寫(xiě)其內(nèi)容。8751單片機(jī)與8051單片機(jī)基本一樣，但8751單片機(jī)片內(nèi)有4K的EPROM，用戶(hù)可以將自己編寫(xiě)的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)的EPROM中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用，EPROM的改寫(xiě)同樣需要用紫外線照射一定時(shí)間擦除后再燒寫(xiě)。89C51單片機(jī)為EPROM型，在實(shí)際電路中可以直接互換8051單片機(jī)或8751單片機(jī)，不但和8051單片機(jī)指令，管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲(chǔ)器是FLASH工藝的。89C52是由北京集成電路中心（BIDC）設(shè)計(jì)，由美國(guó)的Atmel公司生產(chǎn)八位單片機(jī)。它是一種低功耗高性能的具有8K字節(jié)可電氣燒錄及可擦除的程

36、序ROM的八位CMOS單片機(jī)。該器件是用高密度、非易丟失存儲(chǔ)技術(shù)制造并且與國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)80C51單片機(jī)指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。綜上所述，從使用方便與簡(jiǎn)化電路以及其性?xún)r(jià)比等角度來(lái)考慮，89C52比較合適的。本系統(tǒng)采用CPU為89C52的單片機(jī)，89C52本身帶有8K的內(nèi)存儲(chǔ)器，可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫(xiě)達(dá)幾萬(wàn)次以上，比以往慣用的8031CPU外加EPROM為核心的單片機(jī)系統(tǒng)在硬件上具有更加簡(jiǎn)單、方便等優(yōu)點(diǎn)，而且完全兼容MCS-51系列單片機(jī)的所有功能。89C52管腳圖如圖3.4所示。下面介紹89C52的主要管腳功能如下：圖3.4 89C52管腳圖VCC（40）：電源+5V；VSS（20）：

37、接地；P0口（32-39）：雙向I/O口，既可作低8位地址和8位數(shù)據(jù)總線使用，也可作普通I/O口；P3口（10-17）：多用途端口，既可作普通I/O口，也可按每位定義的第二功能操作；P2口（21-28）：既可作高8位地址總線，也可作普通I/O口；P1口（1-8）： 準(zhǔn)雙向通用I/O口；RST（9）：復(fù)位信號(hào)輸入端；/：地址鎖存信號(hào)輸出端；：內(nèi)外程序存儲(chǔ)器選擇線；XTAL1（19）和XTAL2（18）：外接石英晶體振蕩器。這些引腳按要求接好后單片機(jī)就可以通過(guò)CPU工作了。單片機(jī)的CPU可包括運(yùn)算部件，控制器，程序狀態(tài)字，B寄存器，累加器Acc（或A），位處理器等。運(yùn)算部件由算術(shù)邏輯單元、累加器、

38、暫存寄存器、標(biāo)志寄存器、十進(jìn)制調(diào)整單元組成。它的功能是進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算。它不但對(duì)8位變量進(jìn)行邏輯：“與”、“或”、“異或”、循環(huán)、取補(bǔ)、清零等基本操作，還可以進(jìn)行算術(shù)的加、減、乘、除操作。功能很強(qiáng)的位操作是一般微型計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)ALU所不具備的，它可以對(duì)位變量進(jìn)行置位、清零、求補(bǔ)、測(cè)試轉(zhuǎn)移及邏輯“與”，“或”等操作。對(duì)半字節(jié)（4位）和雙字節(jié)（16位）類(lèi)型數(shù)據(jù)也可進(jìn)行操作。Acc為累加寄存器。但是，對(duì)累加器操作指令中累加器的助記簡(jiǎn)寫(xiě)為A。MCS-51指令系統(tǒng)中大部分單操作指令的操作數(shù)取自累加器A，雙操作數(shù)指令的一個(gè)操作數(shù)取自累加器A。B寄存器用于除法和乘法操作。除法指令中，被除數(shù)取自A，除數(shù)取自B

39、，商數(shù)存放在A中而余數(shù)存放在B中。乘法指令的兩個(gè)操作數(shù)分別取A和B，其積則存放在AB寄存器對(duì)中。對(duì)于其它指令，B寄存器作為暫存器使用。程序存貯器用于存放編好的程序表格和常數(shù)。程序狀態(tài)字寄存器PSW是一個(gè)8位的寄存器，它包含了程序狀態(tài)信息。PSW用于指示指令寄存狀態(tài)供程序查詢(xún)和判別之用。其中被定義的有七位，定義格式如下：CyAcF0RS1RS0OVF1PPSW寄存器具有字節(jié)地址和位地址，即每一個(gè)標(biāo)志位都有一個(gè)地址，可方便地對(duì)其中某一位進(jìn)行操作。我們知道，MCS-51單片機(jī)采用的是程序存儲(chǔ)區(qū)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)分別尋址的方式，各自的空間分別為64K，對(duì)程序存儲(chǔ)區(qū)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)（通用I/O口及專(zhuān)用擴(kuò)展芯片可視

40、為對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的操作）的擴(kuò)展依據(jù)的是單片機(jī)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器操作時(shí)序和訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器操作時(shí)序，也就是說(shuō)，對(duì)于這兩類(lèi)存儲(chǔ)區(qū)的擴(kuò)展，單片機(jī)給出的控制信號(hào)是不同的。擴(kuò)展程序存儲(chǔ)區(qū)的控制信號(hào)為與ALE，由于AT89C52自帶的8K內(nèi)存儲(chǔ)器足夠完成儀器的程序設(shè)計(jì)，所以芯片的內(nèi)/外程序存儲(chǔ)器選擇控制端引腳應(yīng)接高電平（此時(shí)單片機(jī)訪問(wèn)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器）且引腳可以不使用，但是ALE引腳為地址鎖存允許信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)上電正常工作后，ALE引腳不斷輸出正脈沖信號(hào)可經(jīng)分頻后作為A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809的時(shí)鐘信號(hào)。由于單片機(jī)的P0口是作為低8位地址A0A7與8位數(shù)據(jù)D0D7分?jǐn)?shù)共用的，而外部的擴(kuò)展器件均是地址線與數(shù)據(jù)

41、線各自獨(dú)立的，故要根據(jù)單片機(jī)提供的外部程序存儲(chǔ)器操作時(shí)序與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器操作時(shí)序?qū)?shù)據(jù)地址信號(hào)進(jìn)行分離。3.4.2 單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)由單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)原理可知：（1）盡可能采用功能強(qiáng)的芯片，以簡(jiǎn)化電路；（2）留有余地，在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，要考慮到將來(lái)修改、擴(kuò)展的方便。因此在89C52芯片本身的最小系統(tǒng)需求外，還選擇了74LS138進(jìn)行了簡(jiǎn)單的擴(kuò)展。1. 時(shí)鐘電路89C52的時(shí)鐘可以?xún)煞N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

42、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3.5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3.6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(duì)外接電容的值雖然沒(méi)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

43、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)晶陣采用11.0592MHz。圖3.5 89C52片內(nèi)振蕩器電路圖 圖3.6內(nèi)部時(shí)鐘方式的電路圖2. 復(fù)位電路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(kāi)始執(zhí)行，即從程序存儲(chǔ)器中的0000H地址單元開(kāi)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

44、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地址開(kāi)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3.7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(guò)按鍵復(fù)位稱(chēng)手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。本次設(shè)計(jì)采用的是按鍵電平復(fù)位電路。上電時(shí)，RST端經(jīng)電阻與電源接通，若運(yùn)行過(guò)程中需要程序從頭執(zhí)行，只需按動(dòng)按鈕即可。當(dāng)按鍵按下時(shí)，復(fù)位電路工作在按鍵復(fù)位方式，RST端電壓為： （3.1）由于手動(dòng)按鍵復(fù)位的按鍵時(shí)間，其電平一般都

45、能使脈沖寬度維持10ms以上，所以對(duì)單片機(jī)的RST端能持續(xù)提供高電平以確保單片機(jī)可靠的復(fù)位。本課題中為單片機(jī)提供的復(fù)位高電平約為+4.2V，經(jīng)設(shè)計(jì)R1=200，R2=1K，C=22F。89C51RSTGNDCR1R2VCC圖 3.7 按鍵電平復(fù)位電路3. 3-8譯碼器74LS138 譯碼器是種能將每個(gè)輸入的二進(jìn)制代碼譯成對(duì)應(yīng)的輸出高、低電平信號(hào)的邏輯芯片，3-8譯碼器即74LS138中：A、B、C為選擇端即信號(hào)輸入端；E1、E2、E3為使能端，其中E1、E2低電平有效，E3高電平有效。通過(guò)對(duì)這6位控制端的信號(hào)控制，我們就可以得到與之相對(duì)應(yīng)的8個(gè)高低電平信號(hào)（Y0Y7：譯碼器輸出信號(hào)，始終只有一

46、個(gè)為低電平）。圖3.8為譯碼器74LS138的引腳圖。圖 3.8 74LS138引腳圖在本次設(shè)計(jì)中，由于要控制一個(gè)4位數(shù)碼管顯示，所以可以其通過(guò)1個(gè)74LS138來(lái)控制這個(gè)4位數(shù)碼管顯示，這樣就能夠達(dá)到節(jié)省I/O資源，為將來(lái)擴(kuò)展帶來(lái)方便的效用。在實(shí)際系統(tǒng)中，要設(shè)計(jì)成74LS138的聯(lián)接必須做好E1、E2、E3的選擇，當(dāng)E3=1、E1+E2=0時(shí)，譯碼器處于工作狀態(tài)。否則，譯碼器被禁止，所有的輸出端被封鎖在高電平。下表3.1就是1個(gè)74LS138的具體控制碼：表3.1 74LS138的控制碼 控制輸入方式 E3E1+E2A B C0×× × ××

47、1× × ×100 0 0100 0 1100 1 0100 1 1101 0 0101 0 1101 1 0101 1 14. 單向總線驅(qū)動(dòng)器74LS24474LS244為單向總線驅(qū)動(dòng)器，其引腳圖如圖3.9所示。圖3.9 74LS244的引腳圖其中輸入端為1A11A4,2A12A4，輸出端為1Y11Y4，2Y12Y4，三態(tài)允許端為、，要注意的是74LS244的三態(tài)允許端為低電平有效。74LS244可以通過(guò)把一個(gè)引腳置高后，輸出就會(huì)保持現(xiàn)有的狀態(tài)，直到把該引腳清零后才能繼續(xù)變化。3.4.3 鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)鍵盤(pán)也是微型機(jī)算機(jī)系統(tǒng)中最常用的人機(jī)對(duì)話(huà)輸入設(shè)備。在單片機(jī)應(yīng)

48、用系統(tǒng)中，為了控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以及向系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)，應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有按鍵或鍵盤(pán)。常用的鍵盤(pán)接口分為獨(dú)立式按鍵接口和矩陣式鍵盤(pán)接口。矩陣式鍵盤(pán)適用按鍵比較多的場(chǎng)合，它由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上，它的特點(diǎn)是比較節(jié)省I/O端口；獨(dú)立式按鍵就是各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵各接一根輸入線，且該輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。因此，通過(guò)檢測(cè)輸入線上的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個(gè)鍵被按下了。鍵盤(pán)也有工作方式之分：分別為程序掃描方式、定時(shí)掃描方式和中斷掃描方式。本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立式按鍵接口電路，這是因?yàn)楠?dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且本應(yīng)用系統(tǒng)的鍵較少，所以采用獨(dú)立式按鍵

49、接口電路非常合適。本設(shè)計(jì)的獨(dú)立式按鍵如圖3.10所示。其中S1鍵為啟動(dòng)/確定鍵；S2鍵為功能選擇鍵；S3、S4、S5鍵為數(shù)字輸入鍵。如圖3.10所示圖中的上拉電阻保證按鍵斷開(kāi)時(shí)檢測(cè)線上有穩(wěn)定的高電平，當(dāng)某一鍵被按下時(shí)，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)線就變成低電平，而其它鍵相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)線仍為高電平，從而很容易識(shí)別出被按下的鍵。具體的按鍵功能詳見(jiàn)下章軟件設(shè)計(jì)部分。圖3.10 獨(dú)立式按鍵接口電路3.4.4 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)電渦流傳感器測(cè)量電路將厚度轉(zhuǎn)化為電壓輸出，同時(shí)經(jīng)過(guò)放大電路對(duì)電壓信號(hào)放大。最后，信號(hào)被采樣/保持器采樣并保持，使輸入到A/D轉(zhuǎn)換器后的數(shù)字量經(jīng)三態(tài)門(mén)送人總線，以便由AT89C52對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

50、。數(shù)據(jù)采集電路的核心部件為AT89C52，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。如下圖3.11，它一般由電渦流傳感器、測(cè)量電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、AT89C52等幾部分組成。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣和量化是模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的兩個(gè)必要步驟。被測(cè)對(duì)象電渦流傳感器測(cè)量電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路放大電路AT89C52圖3.11 數(shù)據(jù)采集框圖通過(guò)對(duì)任務(wù)的分析，本課題A/D轉(zhuǎn)換器用的是ADC0809，它是8路8位逐次逼近式轉(zhuǎn)換器，結(jié)果為8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換時(shí)間短方便測(cè)量，并且它的轉(zhuǎn)換精度在0.1%上下，比較適中，適用于一般場(chǎng)合。從電渦流傳感器出來(lái)的信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換和放大處理后的05V（如2.5V）電壓信號(hào)，通過(guò)ADC08

51、09轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)暫存在單片機(jī)指定的單元中等待進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。從放大電路出來(lái)的被測(cè)信號(hào)是模擬信號(hào)，而單片機(jī)只能接收數(shù)字信號(hào)，因此必須在中間加上一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換電路，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。如圖3.12： 放大電路圖3.12 數(shù)據(jù)采集電路圖ADC0809由兩大部分組成，一部分為輸入通道，包括8路模擬開(kāi)關(guān)，三條地址線的鎖存器和譯碼器，可以實(shí)現(xiàn)8路模擬數(shù)據(jù)通道的選擇。第二部分為一個(gè)逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。它由比較器，控制邏輯，輸出三態(tài)鎖存器逐次逼近寄存器和D/A轉(zhuǎn)換器組成，其中的D/A轉(zhuǎn)換器由開(kāi)關(guān)陣譯碼器和256梯型電阻構(gòu)成。ADC0809由單一正5V電源供電；片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多

52、路開(kāi)關(guān)，可對(duì)8路0-5V的輸入雙極性模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換大約需100s；片內(nèi)具有多路開(kāi)關(guān)的地址譯碼器和鎖存電路、高阻抗斬波器、穩(wěn)定的比較器，256R電阻T型網(wǎng)絡(luò)和樹(shù)狀電子開(kāi)關(guān)以及逐次逼近寄存器。輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接接到單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上。且ADC0809具有較經(jīng)濟(jì)的價(jià)格，所以這里的數(shù)據(jù)采集電路選擇ADC0809。在采集電路中，只要將放大電路的輸出端接到ADC0809的某一通道，ADC0809的地址輸入線A,B,C送入低電平，即可選通0通道。另外需要說(shuō)明的是由于ADC0809片內(nèi)無(wú)時(shí)鐘，可利用單片機(jī)AT89C52提供的地址鎖存允許信號(hào)ALE經(jīng)D觸發(fā)器四分頻得到。3

53、.4.5 顯示電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中采用LED共陽(yáng)極4封裝型顯示器顯示。LED顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)常用的輸出器件。它是由若干個(gè)發(fā)光二極管組成，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫(huà)點(diǎn)亮?？刂撇煌慕M合的二極管導(dǎo)通就能顯示出各種字符。它的結(jié)構(gòu)和外型圖如圖3.13所示：+5Vabgdp 圖3.13 共陽(yáng)型數(shù)碼管結(jié)構(gòu)和外型圖共陽(yáng)極顯示器的發(fā)光二極管的陽(yáng)極連接在一起，當(dāng)公共陽(yáng)極接電源+5V時(shí)，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極接低電平時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。通常將控制發(fā)光二極管發(fā)光的8位字節(jié)數(shù)據(jù)編碼稱(chēng)為L(zhǎng)ED顯示的段選碼，要構(gòu)成多位LED顯示時(shí)，除需要段選線外，還需要位選線，以確定段選碼對(duì)應(yīng)的顯示

54、位，位選線控制第幾個(gè)LED顯示，段選線則控制顯示字形。 在多位LED顯示時(shí)，為了簡(jiǎn)化電路，節(jié)省I/O口，降低成本，動(dòng)態(tài)顯示方案具備一定的實(shí)用性，也是目前單片機(jī)數(shù)碼管顯示較為常用的一種顯示方法。本設(shè)計(jì)采用一個(gè)4位LED動(dòng)態(tài)顯示，在位選線和段選線的共同作用下，可以使各個(gè)顯示器顯示各自的字符，當(dāng)然這些字符不是同時(shí)顯示的，但由于人眼存在視覺(jué)暫留，加上發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，由于掃描的速度足夠快，每位顯示的間隔時(shí)間足夠短，就可以給人同時(shí)顯示的感覺(jué)，而不會(huì)有閃爍感。猶如同時(shí)顯示一樣。需要說(shuō)明的是，每個(gè)數(shù)碼管都有一定的發(fā)光驅(qū)動(dòng)電流，而74LS138輸出端口的高電平電壓一般為3.7V左右，而本次畢業(yè)設(shè)計(jì)需要顯示

55、器為4個(gè)數(shù)碼管，所以把它轉(zhuǎn)換成電流平均分配到每個(gè)數(shù)碼管的電流不足以使數(shù)碼管正常發(fā)光，即使發(fā)光，那也是特別難看到，所以這里必須要三極管9012驅(qū)動(dòng)，保證數(shù)碼管能正常發(fā)光。通過(guò)軟件編程，先把所要顯示的數(shù)據(jù)放入存儲(chǔ)單元，然后把數(shù)據(jù)送入段選通對(duì)應(yīng)的地址，再選通某一個(gè)LED，逐步完成8個(gè)LED的顯示。如圖3.14所示：圖3.14 顯示電路硬件連接圖3.4.6 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)分為兩部分，一是發(fā)光二極管的電路設(shè)計(jì)，一是蜂鳴器的電路設(shè)計(jì)。報(bào)警電路由P2.5控制，P2.5口接蜂鳴器和發(fā)光二極管均為低電平有效。其中發(fā)光二極管在使用時(shí)要串聯(lián)一個(gè)電阻，以保證流經(jīng)發(fā)光二極管上的電流不超過(guò)最大的容許電流。系統(tǒng)進(jìn)行厚度合格檢驗(yàn)時(shí)，當(dāng)被測(cè)量的金屬厚度不在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)，則P2.5為低電平，蜂鳴器報(bào)警同時(shí)紅燈亮，如果在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)， P2.5口為高電平不報(bào)警。原