表面粗糙度測量儀設(shè)計

1、機械工程測試技術(shù)課程設(shè)計表面粗糙度測量儀設(shè)計院 （系）： 專 業(yè)： 班 級： 學(xué) 生： 學(xué) 號： 完 成 日 期： 目 錄摘要.2第1章 緒論31.1 立題意義31.2 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀31.3 虛擬儀器測試技術(shù)發(fā)展31.4 表面粗糙度測量技術(shù)的發(fā)展4第2章 粗糙度的基本概念52.1 表面粗糙度的概念52.2 表面粗糙度的測量參數(shù)52.3 反射式光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu)52.4 反射式光纖位移傳感器輸出特性52.5 粗糙度測量原理5第3章 粗糙度測量儀的總體方案設(shè)計63.1 下位機硬件方案設(shè)計63.1.1 傳感器的選擇73.1.2 光纖傳感器特性實驗73.1.3 單片機數(shù)據(jù)采集和傳輸電路的

2、設(shè)計73.2 下位機軟件系統(tǒng)設(shè)計7第4章 粗糙度測試儀的下位機設(shè)計84.1 信號調(diào)理電路84.2 單片機及其外圍擴展電路的設(shè)計84.2.1 單片機介紹84.2.2 時鐘電路設(shè)計94.2.3 復(fù)位電路的設(shè)計104.2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計134.2.5 串行通信的設(shè)計154.3 下位機軟件設(shè)計154.3.1 主程序設(shè)計154.3.2 ADC0809轉(zhuǎn)換程序設(shè)計154.3.3 串口通信程序設(shè)計16第5章 粗糙度測試儀的上位機設(shè)計175.1 VISA簡介175.2 VISA庫中的串口通訊函數(shù)175.3 串行通信程序設(shè)計185.3.1 串行通信初始化的設(shè)計185.3.2 串口寫入程序設(shè)計195.3

3、.3 串口讀取節(jié)點程序設(shè)計205.4 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計205.5 數(shù)據(jù)存儲21結(jié)論22社會經(jīng)濟效益分析22參考文獻23致 謝24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現(xiàn)粗糙度部分參數(shù)的評定，但存在測量參數(shù)較少、測量精度較低、測量結(jié)果輸出不直觀等缺點，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，利用反射式光纖傳感器的特點，應(yīng)用光纖位移傳感器，設(shè)計了一個基于虛擬儀器技術(shù)表面粗糙度測量儀。本儀器除能解決傳統(tǒng)儀器目前存在的問題外，還具有測量速度快、自動化程度高和良好的人機界面等優(yōu)點。文章介紹了表面

4、粗糙度的相關(guān)知識和反射式光纖位移傳感器的工作原理，本設(shè)計系統(tǒng)分為上位機和下位機，下位機用于測量和采集數(shù)據(jù)，通過串口把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，上位機用于對下位機采集到的數(shù)據(jù)進行處理，得出測量物體的表面粗糙度，對此數(shù)據(jù)進行顯示和存儲。關(guān)鍵詞：單片機；光纖位移傳感器；表面粗糙度；第一章 緒論1.1立題意義表面粗糙度是機械零件的一個主要精度指標，對零件的性能會產(chǎn)生重要的影響。零件表面粗糙度會直接影響零件的配合性質(zhì)、疲勞強度、耐磨性、抗腐蝕性以及密封性等。因此，關(guān)于表面粗糙度測量的研究一直沒有停止，傳統(tǒng)的測量方法有比較法、針描法的、光切法、干涉法和印模法等多種，主要是使用樣板、電動廓儀、光切顯微鏡、干涉顯微鏡

5、等多種工具和計量儀器。目前廣泛應(yīng)用觸針式輪廓儀可以實現(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，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，基于虛擬儀器技術(shù)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，自動化程度高和良好的人機界面等優(yōu)點，而且價格便宜，通用性強，將具有較大的市場潛力和應(yīng)用價值。基于虛擬儀器技術(shù)的表面粗糙度參數(shù)測量儀，就是通過設(shè)計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

6、器。1.2光纖傳感技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使人類社會從高度工業(yè)化向信息化轉(zhuǎn)變。在信息化時代，人類將主要依靠對信息資源的開發(fā)及其變換、傳輸和處理進行社會活動。傳感器是感知、獲取、檢測和轉(zhuǎn)化信息的窗口，是實現(xiàn)信息化時代的主要技術(shù)基礎(chǔ)。光纖與激光、半導(dǎo)體光探測器一樣，是一種新興的光學(xué)技術(shù)，形成了光電子學(xué)新的領(lǐng)域。是20世紀后半期重大發(fā)明之一。光纖傳感技術(shù)是七十年代末期發(fā)展起來的一項新技術(shù)，它是纖維光學(xué)在非通信領(lǐng)域的應(yīng)用。光纖傳感技術(shù)是一門多科性學(xué)科，涉及知識面很廣，如纖維光學(xué)、光電器件、電磁學(xué)、流體力學(xué)、彈性力學(xué)以及電子線路和微機應(yīng)用等等。光纖傳感器以其高靈敏度、抗電磁干擾、耐腐蝕、

7、可繞曲、體積小、結(jié)構(gòu)簡單以及光纖傳輸線路的相容性等獨特的優(yōu)點，受到世界各國廣泛的重視，并具有十分廣闊的發(fā)展前景。光纖傳感器的基本原理是將光源發(fā)出的光經(jīng)光纖送入調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界被測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)如光的強度、波長(顏色)、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)光纖送入光探測器、解調(diào)器而獲得被測參數(shù)。光纖傳感器按其傳感原理分為兩類：一類是傳光型(或稱非功能型)光纖傳感器；另一類是傳感型(或稱功能型)光纖傳感器。光纖傳感技術(shù)優(yōu)于其他傳感技術(shù)的原因在于它是在光纖通信的基礎(chǔ)上發(fā)展的。光纖通信擁有一個廣闊的市場，能提供一系列低價格的器件，更重要的是，它形成

8、一門能為光纖傳感器所使用的基礎(chǔ)科學(xué)。1.3擬儀器虛測試技術(shù)發(fā)展虛擬儀器（Virtual Instrument）簡稱VI。VI是計算機技術(shù)在儀器科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類 , 它是適應(yīng)卡式儀發(fā)展而提出的。傳統(tǒng)儀器主要由控制面板和內(nèi)部處理電路組成 , 而卡式儀器由于自身不帶儀器面板 , 所以必須借助計算機強大的圖形環(huán)境 , 建立圖形化的虛擬面板 , 完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析和顯示。VI集成了當今的各領(lǐng)域高新技術(shù) , 包括計量測試理論、傳感技術(shù)、一次儀表和二次儀表、計算機等相關(guān)技術(shù) , 運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)令硬件盡可能軟化 , 軟件盡可能集成化 , 其重心不僅是相應(yīng)的

9、軟件系統(tǒng) , 還應(yīng)該包含硬件裝置、測量方法和手段等的整個測試系統(tǒng) , 甚至還包含了被測對象。VI 應(yīng)是對用戶開放的 ,允許用戶介入并定義其若干功能VI是指通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C與功能化模塊硬件結(jié)合起來 , 用戶可以通過友好的圖形界面來操作計算機 , 就像操作自己定義、自己設(shè)計的一臺單個儀器一樣 , 從而完成對被測量的采集、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲等工作。VI以透明方式將計算機資源和儀器硬件的測控能力相結(jié)合 , 實現(xiàn)儀器的功能運作。應(yīng)用程序?qū)⒖蛇x硬件 如 GPIB、VXI、RS-232、DAQ 和可重復(fù)使用源碼庫函數(shù)等軟件結(jié)合實現(xiàn)模塊間的通信、定時與觸發(fā) ,源碼庫函數(shù)為用戶構(gòu)造自己的VI系統(tǒng)

10、提供基本的軟件模塊。1.4表面粗糙度測量技術(shù)的發(fā)展表面粗糙度與零件的工作性能和使用壽命都有著密切的關(guān)系，因此人們在很早以前就認識到測量表面粗糙度的重要性。但是由于技術(shù)工藝水平的落后，最早只能單純依靠人的視覺和觸覺來估計，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，人們又采用了比較顯微鏡進行對比測量，但是這些比較原始的測量方法只能對表面微觀不平度作出定性的綜合評定。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和“信息時代”的到來，機械、光學(xué)工業(yè)對加工表面的質(zhì)量要求越來越高。這主要是因為表面粗糙度不僅對機械性能、物理性能、集成電路成品率有影響，而且它還影響計算機磁盤存儲器磁頭和磁盤的耐磨性和壽命，同時也影響磁盤信號的讀出幅度和信噪比。

11、不言而喻，納米級存儲密度需要有低于納米級粗糙度的表面作為基片，否則無法實現(xiàn)信息提取。因此，為實現(xiàn)更高的表面加工質(zhì)量，相應(yīng)要求更高的表面粗糙度測量手段。對于物體表面粗糙度測量技術(shù)的研究由來已久，一般來說，根據(jù)是否與被測表面接觸，表面粗糙度測量方法可分為兩大類：接觸式和非接觸式。第二章 粗糙度的基本概念2.1表面粗糙度的概念表面粗糙度是反映零件表面微觀幾何形狀誤差的一個重要指標，它主要是由于在加工過程中刀具和零件表面之間的摩擦，切削分離時的塑性變形和金屬撕裂，以及工藝系統(tǒng)中存在的高頻振動等原因所形成的。表面粗糙度不包括由機床幾何精度方面的誤差等所引起的表面宏觀幾何形狀誤差，也不包括在加工過程中由機

12、床、刀具、工具系統(tǒng)的強迫振動等所引起的介于宏觀和徽觀幾何形狀誤差之間的波紋度，以及氣孔、沙眼等。形狀誤差、波紋度和粗糙度這三類表面幾何形狀偏差在一個表面上并非孤立存在，大多數(shù)加工表面常受其綜合影響。實際上，三者只有分級的不同，沒有原則上的區(qū)別。2.2表面粗糙度的測量參數(shù)在保證零件尺寸、形狀和位置精度的同時，對表面粗糙度也有相應(yīng)的要求。而對表面粗糙度僅依據(jù)某一單獨的評定參數(shù)是無法滿足這種多方面的要求，在研究工作中就出現(xiàn)了大量不同的評定參數(shù)，為要表征這些評定參數(shù)所需的一些術(shù)語、定義就多達60多個，這種錯綜復(fù)雜的情況，在尺寸公差中是沒有的，也比一般結(jié)合件的公差和配合復(fù)雜的多，而這也正是近年來國際上各

13、個工業(yè)國家積極研究的領(lǐng)域，幾乎每年都在開展這方面的研究工作。為了與國際接軌，我國又先后對標準進行了修訂。修訂后的標準GB/T 131-1993表面粗糙度符號、代號及其注法，GB/ T1031-1995表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值，它們等效采用國際標準ISO1302-1992技術(shù)制圖標注表面特征的方法及參照采用國際標準ISO 468-1982表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值和給定要求的通則。新國標的發(fā)布實施將有利于積極采用國際標準和提高產(chǎn)品質(zhì)量，有助于促進表面粗糙度量儀和檢測方法的發(fā)展與統(tǒng)一，使表面粗糙度術(shù)語、評定參數(shù)與國際上絕大多數(shù)國家取得一致，促進國際間的技術(shù)交流和對外貿(mào)易。根據(jù)表面粗糙度評定參數(shù)的發(fā)展，結(jié)

14、合我國科技和生產(chǎn)發(fā)展的情況，特別是為了適應(yīng)與國際接軌的要求，我國于1995年修訂的國標GB/T 1031-1995表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值，規(guī)定了表面粗糙度高度參數(shù)為 ， ，分別是： 輪廓算數(shù)平均偏差( )；輪廓最大高度( ) ；微觀不平度十點高度( )。在取樣長度L內(nèi)輪廓偏距絕對值的算術(shù)平均值；在取樣長度L內(nèi)輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間的距離； 在取樣長度內(nèi)5個最大的輪廓峰高的平均值與5個最大的輪廓谷深的平均值之和。本文將以 為參數(shù)進行粗糙度的測量。 2.3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

15、束，分別為光源光纖和接收光纖，光纖只起傳輸信號的作用。當光源發(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。其輸出光強決定于反射體距光纖探頭的距離，當位移變化時則輸出光強作相應(yīng)的變化。通過對光強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2.4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)換成電信號輸出，通過電信號的大小就可以測得物體距離探頭的位移。由于光纖有一定大小的孔徑，當光纖探頭端部緊貼被

16、測件時，發(fā)射光纖中的光不能反射到接收光纖中去，接收光中無光信號；當被測表面逐漸遠離光纖探頭時，發(fā)射光纖照亮被測表面的面積越來越大，因而接收光纖端面上被照亮的區(qū)域也越來越大，有一個線性增長的輸出信號；當整個接收光纖被全部照亮?xí)r，輸出信號就達到了位移一輸出信號曲線（圖2.2）上的“光峰點”，光峰點以前的這段曲線叫前坡區(qū);當被測表面繼續(xù)遠離時，有部分反射光沒有反射進接收光纖，而且由于接收光纖更加遠離被測表面，接收到的光強逐漸減小，光敏元件的輸出信號逐漸減弱，進入曲線的后坡區(qū)。在位移-輸出曲線的前坡區(qū)，輸出信號的強度增加得非?？欤@一區(qū)域可以用來進行微米級的位移測量。在后坡區(qū)，信號的減弱約與探頭和被測

17、表面之間的距離平方成反比，可用于距離較遠而靈敏度、線性度和精度要求不高的測量。在光峰區(qū)，信號達到最大值，其大小取決于被測表面的狀態(tài)。所以這個區(qū)域可用于對表面狀態(tài)進行光學(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。圖2.2 電壓位移輸出特性2.5粗糙度測量原理如前所述，在峰值點附近，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值都是精確標定已知的。取其中Ra值最小的樣板為基準，細調(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

18、關(guān)系實驗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123456Ra（um）0.0050.020.030.040.0450.05Ra（um）4.693.052.581.951.691.43按表的實驗數(shù)據(jù)對Ra值和輸出電壓進行曲線擬合，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。第三章 粗糙度測量儀的總體方案設(shè)計本設(shè)計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行粗糙度的測量，然后經(jīng)過單片機數(shù)據(jù)采集，串口通信傳輸?shù)接嬎銠C，最

19、后在LabVIEW平臺上顯示測量結(jié)果?？傮w方案包括下位機硬件和軟件設(shè)計以及上位機的設(shè)計。下圖是總體方案功能框圖。 圖3.1 總體方案功能框圖3.1下位機硬件方案設(shè)計下位機硬件方案的設(shè)計主要包括測量部分和單片機部分的設(shè)計。測量部分主要包括傳感器的選擇和表面粗糙度樣板的選擇，單片機部分主要包括數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)傳輸部分設(shè)計。3.1.1傳感器的選擇本設(shè)計選用CSY-G型光電傳感器實驗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

20、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，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光纖傳感器特性實驗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)00.20.40.60.81.01.21.41.6電壓(V)00.320.892.913.894.544.554.353.343.1.3單片機數(shù)據(jù)采集和傳輸電路的設(shè)計本系統(tǒng)采用的單片機是AT89C52。選用的A/D轉(zhuǎn)換器是

21、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的數(shù)據(jù)總線上，可對0-5V模擬信號進行轉(zhuǎn)換。傳輸部分是基于RS-232通信協(xié)議，通過MAX232芯片和計算機串口相連進行數(shù)據(jù)傳輸。3.2下位機軟件系統(tǒng)設(shè)計軟件系統(tǒng)主要包括主程序、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸。下面詳細介紹下位機的軟件設(shè)計思想。軟件總體流程圖如圖3.2所示。開始程序初始化數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸計算機結(jié)束圖3.2 系統(tǒng)軟件總體流程圖4粗糙度測試儀的下位機設(shè)計4.1信號調(diào)理電路 信號調(diào)理電路的功

22、能主要是完成對光纖傳感器輸出的微弱不穩(wěn)定信號進行放大濾波，使其輸出電壓信號滿足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很小。因此在進行A/D轉(zhuǎn)換時，就要對信號進行電壓放大以達到轉(zhuǎn)換要求。故而在傳感器和A/D轉(zhuǎn)換電路之間加入了一級有源放大電路，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)計要求。圖4.1 電壓放大電路電路圖4.2單片機及其外圍擴展電路的設(shè)計單片機外圍擴展電路主要包括時鐘電路、復(fù)位電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)傳輸電路。4.2.1單片機介紹 1.單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用領(lǐng)域 單

23、片機廣泛應(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。單片機有8位、16位甚至32位機，但8位單片機以它的價格低廉、品種齊全、應(yīng)用軟件豐富、支持環(huán)境充分、開發(fā)方便等特點而占著主導(dǎo)地位。MCS-51系列高檔8位單片機是Intel公司1980年推出的產(chǎn)品，而AT89C51芯片是MCS-51系列單片機中的代表產(chǎn)品，它內(nèi)部集成了功能強大的中央處理器，包含了硬件乘除法器、21個專用控制寄存器、4kB的程序存儲器、128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器、4組8位的并行口、兩個16位的可編程定時/計數(shù)器、一個

24、全雙工的串行口以及布爾處理器。圖4.2為單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。 圖4.2 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖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：0Hz-24Hz；三級程序存儲器鎖定；128*8位內(nèi)部RAM；32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；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復(fù)位電路的設(shè)計89C52的復(fù)位輸入引腳RET（即RESET）為89

25、C52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，即從程序存儲器中的0000H地址單元開始執(zhí)行程序。在89C52的時鐘電路工作后，只要在RET引腳上出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平時，單片機內(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RET由高電平變成低電平以后，89C52才從0000H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89C52的ALE及PSEN兩引腳輸出高電平，RET引腳高電平到時，單片機復(fù)位。通過按動按鈕產(chǎn)生高電平復(fù)位稱手動復(fù)位。上電時，剛接通電源，電容C相當于瞬間短路，+5V立即加到RET/VPD端

26、，該高電平使89C52全機自動復(fù)位，這就是上電復(fù)位；若運行過程中需要程序從頭執(zhí)行，只需按動按鈕即可。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。圖 4.6 按鍵電平復(fù)位電路4.2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計逐次逼近型A/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

27、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進行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換約需時間100µs（相應(yīng)的時鐘頻率為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的數(shù)據(jù)總線上。ADC0809內(nèi)部沒有時鐘電路，故時鐘信號應(yīng)由單片機提供（接10腳CLOCK端）。本課題使用的單片機時鐘頻率為12MHz，若與單片機接口時，可利用其地址鎖存允許信號ALE（2000KHz）經(jīng)2個D觸發(fā)器四分頻獲得500KHz的時鐘，恰好滿足0809對時鐘頻率的要求。圖4.7為ADC0809的引腳圖。圖4.7 ADC0809管腳圖該芯片共有

28、28個引腳，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的編碼由單片機提供， 地址通道編碼見表4.1；START為啟動A/D轉(zhuǎn)換信號的控制端，在一個正脈沖作用之后，轉(zhuǎn)換器就開始工作。；編碼通道ABC000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ALE為地址鎖存信號輸入端，當ALE為高電平時，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；時鐘信號

29、CLK是時鐘信號輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器要求的時鐘頻率為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OE，當OE為高電平時，允許從A/D轉(zhuǎn)換器鎖存器中讀取數(shù)字量；標志信號EOC是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標志信號，當A/D轉(zhuǎn)換完畢時，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；電源端 VCC接地端GND。ADC0809工作時序如圖4.8所示。由于本設(shè)計只要求一路模擬信號輸入即可，因此C、B、A引腳并聯(lián)接地便選通了IN0口，可以滿足設(shè)計要求。圖4.

30、8為ADC0809工作時序圖： 圖4.8 ADC0809工作時序圖圖4.9為ADC0809和單片機連接圖： 圖4.10 89C51單片機串行口內(nèi)部結(jié)構(gòu) 51單片機內(nèi)部有SCON和PCON兩個特殊功能寄存器，專門用于控制串行口的工作方式和波特率。其中串行口控制寄存器SCON各位的定義如下圖所示：圖4.11 SCON各位定義表4.2 串行口控制寄存器SCON各位的定義SM0 SM1工作方式選擇工作方式波特率0 0方式0移位寄存器0 1方式110位異步收發(fā)波特率可變，由T1控制1 0方式211位異步收發(fā)或1 1方式312位異步收發(fā)波特率可變，由T1控制 圖4.9 ADC0809和單片機連接圖4.2.

31、4串行通信的設(shè)計串行口主要由數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器、輸出控制門、數(shù)據(jù)接收緩沖器SBUF、接收控制器和輸入移位寄存器組成。其中數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器和數(shù)據(jù)接收緩沖器共用一個地址，由于數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器只能寫入，不能讀出，而數(shù)據(jù)接收緩沖器只能讀出，不能寫入，所以會造成操作混亂。串行口是通過管腳TXD和RXD與外界進行通信的，如下圖4.10所示： 圖4.10 89C51單片機串行口內(nèi)部結(jié)構(gòu) 51單片機內(nèi)部有SCON和PCON兩個特殊功能寄存器，專門用于控制串行口的工作方式和波特率。其中串行口控制寄存器SCON各位的定義如下圖所示：圖4.11 SCON各位定義表4.2 串行口控制寄存器SCON各位的定義SM0 SM1工作

32、方式選擇工作方式波特率0 0方式0移位寄存器0 1方式110位異步收發(fā)波特率可變，由T1控制1 0方式211位異步收發(fā)或1 1方式312位異步收發(fā)波特率可變，由T1控制電源控制寄存器PCON各位的名稱如圖所示，其字節(jié)地址位87H，不能尋址。最高位SMOD為串行口波特率倍增位，當SMOD=1時，串行口波特率加倍，單片機復(fù)位時SMOD=0。表4.3 電源控制寄存器PCON位名稱SMODGF1GF0 PDIDL本課題采用的是串口工作方式2，為11位（即1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位可編程位和1位停止位）的異步通信。發(fā)送數(shù)據(jù)的過程為：先發(fā)送起始位0，再由低位到高位發(fā)送8位數(shù)據(jù)位，然后發(fā)送可編程位TB8，

33、最后發(fā)停止位。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后由硬件置位TI，向CPU發(fā)中斷請求信號，在中斷服務(wù)程序中，應(yīng)由軟件給TI清零，這樣才能再次進行下一幀數(shù)據(jù)串行發(fā)送。接收數(shù)據(jù)的過程為：當REN=1時，CPU開始對RXD不斷采樣，一旦采樣到負跳變時，便開始接收8位數(shù)據(jù)，當8位數(shù)據(jù)接收完后，將可編程位（第9位數(shù)據(jù)）裝入RB8。當SM2=0且RB8=1時，數(shù)據(jù)幀才有效。本課題實現(xiàn)的是PC機與單片機之間的通信，由于PC機采用的是RS-232C電平，而單片機采用的是TTL電平。所以需要電平轉(zhuǎn)換。因此采用MAX232芯片實現(xiàn)。下圖為PC機和單片機通信原理圖：圖4.12 單片機與PC機通信連接圖4.3下位機軟件設(shè)計4.3.1主程序

34、設(shè)計主程序的基本功能是實現(xiàn)各子程序的初始化和對各個模塊程序?qū)崿F(xiàn)調(diào)用。從而實現(xiàn)對整個測試系統(tǒng)的流程進行控制，以達到對被測表面進行測量的目的。其流程圖如下：開始系統(tǒng)初始化A/D采樣中斷串口通信子程序結(jié)束YN圖4.13 主程序流程圖4.3.2ADC0809轉(zhuǎn)換程序設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換子程序主要的作用是將傳感器轉(zhuǎn)換出來的模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機可以處理的數(shù)字信號，而A/D轉(zhuǎn)換器的作用就是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便于計算機進行處理。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)換流程序4.3.3串口通信程序設(shè)計串口通信是把ADC0809

35、轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機，由LabVIEW對所得到的數(shù)據(jù)進行分析和處理。由于LabVIEW接收串口數(shù)據(jù)只能接收字符串的形式，因此把待發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字符串的形式。流程圖如下所示：開始串口初始化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等待計算機命令數(shù)據(jù)發(fā)送返回NY圖4.15 串口通信流程圖第五章 粗糙度測試儀的上位機設(shè)計5.1 VISA簡介LabVIEW提供了功能強大的VISA庫。VISA(Virtual Instrument Software Architecture)虛擬儀器軟件規(guī)范，是用于儀器編程的標準I/O函數(shù)庫及其相關(guān)規(guī)范的總稱。VISA庫駐留于計算機系統(tǒng)中，完成計算機與儀器之間的連接，用以實現(xiàn)對儀器的程序控制，其實

36、質(zhì)是用于虛擬儀器系統(tǒng)的標準的API。VISA本身不具備編程能力，它是一個高層API，通過調(diào)用底層驅(qū)動程序來實現(xiàn)對儀器的編程，其層次如圖5.1所示。VISA是采用VPP標準的I/O接口軟件，其軟件結(jié)構(gòu)包含三部分，如圖5.1所示。圖5.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序與其他現(xiàn)存的I/O接口軟件相比，VISA的I/O控制功能具有如下幾個特點：適用于各種儀器類型(如VXI儀器、GPIB儀器、RS-232串行儀器、消息基器件、寄存器器件、存儲器器件等儀器)；適用于各種硬件接口類型；適用于單、多處理器結(jié)構(gòu)或分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；適用于多種網(wǎng)絡(luò)機制。VISA的I/O軟件庫的源程序是唯一的，其與操作系統(tǒng)及編程語言無關(guān)，只是提供了標

37、準形式的API文件作為系統(tǒng)的輸出。5.2 VISA庫中的串口通訊函數(shù)本文用到的主要的串口通訊函數(shù)調(diào)用路徑為：FunctionsInstrument I/OVISAVISA AdvancedInterface SpecificSerial中。(1) VISA 配置串口控件 (圖5.2所示圖5.2 VISA 配置串口該控件主要用于串口的初始化。主要參數(shù)意義如下： 啟用終止符使串行設(shè)備做好識別終止符的準備。如值為TRUE（默認），VI_ATTR_ASRL_END_IN屬性將被設(shè)置為識別終止符。如值為FALSE，VI_ATTR_ASRL_END_IN屬性將被設(shè)置為0（無）且串行設(shè)備不識別終止符。 終止

38、符通過調(diào)用終止讀取操作。從串行設(shè)備讀取終止符后讀取操作將終止。 0xA是換行符(n)的十六進制表示。消息字符串的終止符由回車(r)改為0xD。超時設(shè)置讀取和寫入操作的超時值，以毫秒為單位。默認值為10000。VISA資源名稱指定要打開的資源。該控件也可指定會話句柄和類。波特率是傳輸速率。默認值為9600。數(shù)據(jù)比特是輸入數(shù)據(jù)的位數(shù)。 數(shù)據(jù)比特的值介于5和8之間。默認值為8。奇偶指定要傳輸或接收的每一幀所使用的奇偶校驗。停止位指定用于表示幀結(jié)束的停止位的數(shù)量。流控制設(shè)置傳輸機制使用的控制類型。(2) VISA 讀取控件(圖5.3所示) 圖5.3 VISA 讀取控件大數(shù)據(jù)處理功能對其進行分析處理。主

39、要參數(shù)意義如下： VISA資源名稱指定要打開的資源。字節(jié)總數(shù)是要讀取的字節(jié)數(shù)量。VISA資源名稱輸出是由VISA函數(shù)返回的VISA資源名稱的副本。讀取緩沖區(qū)包含從設(shè)備讀取的數(shù)據(jù)。返回數(shù)包含實際讀取的字節(jié)數(shù)。(3) VISA 寫入控件(圖5.4所示)圖5.4 VISA 寫入控件將寫入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入VISA資源名稱指定的設(shè)備或接口中。主要參數(shù)意義如下：VISA資源名稱指定要打開的資源。寫入緩沖區(qū)包含要寫入設(shè)備的數(shù)據(jù)。VISA資源名稱輸出是由VISA函數(shù)返回的VISA資源名稱的副本。返回數(shù)包含實際寫入的字節(jié)數(shù)。5.3 串行通信程序設(shè)計5.3.1 串行通信初始化的設(shè)計首先將VISA配置串口節(jié)點進行初

40、始化。即設(shè)定通信口、波特率、校驗位等?？紤]到可能用到一個或多個串口以及下位機波特率的設(shè)定的變化，這里用了2個Case結(jié)構(gòu)。這里由于計算機只有兩個COM口，所以只設(shè)定了COM1口和COM2口，設(shè)定了4個可選擇的波特率，即1200、2400、4800、9600。下圖是通訊口和波特率設(shè)定程序：圖5.5 通訊口和波特率設(shè)定程序?qū)τ赩ISA配置串口節(jié)點分別用了2個Case結(jié)構(gòu)，屬于嵌套的關(guān)系。外面的Case結(jié)構(gòu)作用是打開串口，里面的Case結(jié)構(gòu)作用是判斷通訊口的設(shè)定是否正確。程序設(shè)計圖如下所示： 圖5.6 串口初始化程序設(shè)計5.3.2 串口寫入程序設(shè)計串口寫入節(jié)點主要作用是上位機向下位機發(fā)送命令，由于下

41、位機即單片機只能處理16進制數(shù)據(jù)，而上位機寫入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)是字符串，兩部分數(shù)據(jù)類型不同，所以需要對寫入緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，即把字符串轉(zhuǎn)換成16進制整型字符串。下圖為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序設(shè)計： 圖5.7 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序為了簡化主程序的結(jié)構(gòu)，把上面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)計成子VI。為使程序更完美，設(shè)計了計算上位機發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)以及清空字節(jié)數(shù)的程序。圖5.8 串口寫入節(jié)點程序設(shè)計5.3.3 串口讀取節(jié)點程序設(shè)計此節(jié)點主要作用是從讀取下位機發(fā)送上來的數(shù)據(jù)，為了保證依次將串口輸入緩存中的數(shù)據(jù)全部讀取，在使用串口讀取節(jié)點前加一個Bytes at Serial Port屬性節(jié)點，來檢驗當前串口輸入緩存中存在的字節(jié)數(shù)，然后串口

42、讀取節(jié)點由此指定節(jié)點數(shù)讀取數(shù)據(jù)。為了便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理，在大循環(huán)上建立移位寄存器，保證每次循環(huán)讀取的值可以保存在數(shù)據(jù)接受區(qū)。在節(jié)點之后加上計算接收數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)和清空字節(jié)數(shù)的程序，可是接收的數(shù)據(jù)更直觀。程序如下圖所示：圖5.9 串口讀取節(jié)點程序設(shè)計5.4 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計數(shù)據(jù)處理是對上位機接收到來自下位機的數(shù)據(jù)進行分析和處理，以得到我們想要的結(jié)果，即本課題所研究的表面粗糙度。下圖為數(shù)據(jù)處理的程序：圖5.10 數(shù)據(jù)處理程序 通過上圖可以看出，接收到的數(shù)據(jù)（十進制數(shù)字符串）經(jīng)過十進制數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換得出十進制數(shù)值，由于下位機經(jīng)過轉(zhuǎn)換發(fā)送上來的數(shù)據(jù)是0-255，此數(shù)值代表的是0-5V的電壓值，所以需要

43、對轉(zhuǎn)換后的數(shù)值乘以0.019，得出的數(shù)值就是所對應(yīng)的電壓值。經(jīng)過公式VI（可以寫入公式,即所對應(yīng)的電壓-粗糙度關(guān)系）得出所測量的粗糙度。5.5 數(shù)據(jù)存儲 數(shù)據(jù)存儲是對每次測量值進行保存，以便于管理。本部分采用的是寫入電子表格文件節(jié)點，對所要保存的粗糙度和所對應(yīng)的電壓值進行保存。程序如圖5.11所示：圖5.11數(shù)據(jù)存儲程序結(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、電動輪廓儀、光切顯微鏡、干涉顯微鏡等多種工具和計量儀器。目前廣泛應(yīng)用觸針式輪廓儀可以實現(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，已不能滿足現(xiàn)代工

44、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，基于虛擬儀器技術(shù)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，自動化程度高和良好的人機界面等優(yōu)點，而且價格便宜，通用性強，將具有較大的市場潛力和應(yīng)用價值。1光纖位移傳感器的特性是：當光源發(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)換成電信號輸出，電信號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)計了表面粗糙度測試儀，為實現(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

45、將會更加的完善。2本文通過對測試樣件的測量對所設(shè)計的粗糙度測試儀進行了實驗驗證，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行粗糙度的測量。3本論文中設(shè)計的粗糙度測試儀是基于虛擬儀器而設(shè)計的，隨著虛擬儀器功能的不斷增強，尤其在測試領(lǐng)域的所具有的優(yōu)勢，可以很好的完成所需的要求。4因為沒有標定的樣板，所以本論文沒有對所設(shè)計的粗糙度測試儀的精度進行具體的標定，因此沒有辦法保證測量的精度。如果有時間，或者調(diào)節(jié)允許，該設(shè)計將會取得更好的效果。 總之，應(yīng)用光纖位移傳感器的輸出特性，基于虛擬儀器技術(shù)的表面粗糙素測試儀可以實現(xiàn)對零件的表面進行測量，可以很好實現(xiàn)對測量結(jié)果的顯示和存儲，便于對測量工件的管理。社會經(jīng)濟效益分析在工業(yè)生產(chǎn)加工中，零件表面粗糙