機(jī)械裝置性能綜合測(cè)試硬件設(shè)計(jì)論文(共46頁)

1、 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）機(jī)械裝置(zhungzh)綜合測(cè)試下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)摘 要在本設(shè)計(jì)(shj)中，選用(xunyng)光電編碼器、直線位移、壓力、加速度傳感器分別檢測(cè)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的曲柄轉(zhuǎn)角位移、執(zhí)行構(gòu)件直線運(yùn)動(dòng)位移、刀具切削阻力、滑枕的振動(dòng)加速度信號(hào)。而機(jī)械裝置綜合則是下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)的主要目的是就是對(duì)各個(gè)傳感器輸出信號(hào)就行濾波、放大、阻抗匹配以滿足單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的滿量程要求，并將傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別和處理的數(shù)字信號(hào)（傳感器輸出的信號(hào)也有數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)之分，比如加速度傳感器輸出的信號(hào)就是數(shù)字信號(hào)，該信號(hào)只需調(diào)理后就可直接輸入到單片機(jī)I/O口，而其他的光電編碼器、

2、直線位移、壓力傳感器輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)，不僅需要信號(hào)的調(diào)理，也需要A/D轉(zhuǎn)換，把經(jīng)過調(diào)理電路調(diào)理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，而后輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理），硬件設(shè)計(jì)中通訊電路的設(shè)計(jì)采用RS-232通訊接口來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通訊和數(shù)據(jù)的傳輸。 在該設(shè)計(jì)中下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)站有重要的地位，但是機(jī)械裝置與單片機(jī)、上位機(jī)溝通交流的橋梁。硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理有效對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常工作有著決定性作用。關(guān) 鍵 詞：機(jī)械裝置，單片機(jī)，硬件設(shè)計(jì)，傳感器COMPREHENSIVE TESTING MECHANICAL DEVICE HARDWARE DESIGNABSTRACTIn this design, se

3、lection of photoelectric encoder, linear displacement, stress, acceleration sensor were used to detect the crank angle displacement execution mechanism, system implementation of vibration acceleration signal component linear motion displacement, cutting resistance, ram. While the mechanical device i

4、s the main purpose of hardware design is to each sensor output signal line filter, amplifier, impedance matching to meet the full range of requirements of A/D conversion, and converts the analog signal to digital signal output of the sensor of the computer can recognize and process (sensor output si

5、gnal is digital signal and analog signals, such as signal output of the accelerometer is digital signal, the signal is only conditioning can be directly input to the I/O port of the SCM, and the signal of other photoelectric encoder, linear displacement, the pressure sensor output analog signal, not

6、 only need the signal conditioning, also need to A/D conversion, the conditioning simulation signal conditioning circuit is converted into digital signal, and then input to the microcontroller for processing), design of communication circuit hardware design adopts RS-232 communication interface to r

7、ealize the communication between host and client communication and data.在該設(shè)計(jì)中下位機(jī)硬件(yn jin)設(shè)計(jì)站有重要的地位，但是機(jī)械裝置與單片機(jī)、上位機(jī)溝通交流的橋梁。硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理有效對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常工作有著決定性作用。In the design the hardware design station has an important position, the bridge but mechanical devices and microcontroller, computer communication.

8、 The design of hardware system is reasonable and effective work of the whole system has decisive effect.KEY WORDS：A mechanical device, single chip microcomputer, hardware design, sensor目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc389728572 前言(qin yn) PAGEREF _Toc389728572 h 1 HYPERLINK l _Toc389728573 第一章 總體

9、方案的設(shè)計(jì)(shj) PAGEREF _Toc389728573 h 4 HYPERLINK l _Toc389728575 1.1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般(ybn)過程 PAGEREF _Toc389728575 h 4 HYPERLINK l _Toc389728576 1.2 MACROBUTTON AcceptAllChangesInDoc 測(cè)試系統(tǒng)硬件劃分 PAGEREF _Toc389728576 h 5 HYPERLINK l _Toc389728578 1.3 MACROBUTTON AcceptAllChangesInDoc 測(cè)試系統(tǒng)硬件系統(tǒng)總體框圖設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc

10、389728578 h 5 HYPERLINK l _Toc389728579 第二章 傳感器的選擇 PAGEREF _Toc389728579 h 6 HYPERLINK l _Toc389728580 2.1 光電編碼器 PAGEREF _Toc389728580 h 7 HYPERLINK l _Toc389728581 2.2 直線位移傳感器 PAGEREF _Toc389728581 h 8 HYPERLINK l _Toc389728582 2.3 壓力傳感器 PAGEREF _Toc389728582 h 8 HYPERLINK l _Toc389728583 2.4振動(dòng)加速度傳

11、感器 PAGEREF _Toc389728583 h 9 HYPERLINK l _Toc389728584 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc389728584 h 11 HYPERLINK l _Toc389728585 3.1 主控制電路及顯示模塊 PAGEREF _Toc389728585 h 11 HYPERLINK l _Toc389728586 3.1.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc389728586 h 11 HYPERLINK l _Toc389728587 3.1.2 單片機(jī)的時(shí)鐘電路 PAGEREF _Toc389728587 h 12 HYPERL

12、INK l _Toc389728588 3.1.2 單片機(jī)的時(shí)鐘電路 PAGEREF _Toc389728588 h 12 HYPERLINK l _Toc389728590 3.1.4 PCF8591簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc389728590 h 13 HYPERLINK l _Toc389728591 3.1.5 12864顯示模塊 PAGEREF _Toc389728591 h 14 HYPERLINK l _Toc389728592 3.2 信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc389728592 h 15 HYPERLINK l _Toc389728593 3.2.1 角位

13、移信號(hào)調(diào)理 PAGEREF _Toc389728593 h 16 HYPERLINK l _Toc389728594 3.2.2 位移、加速度信號(hào)調(diào)理 PAGEREF _Toc389728594 h 17 HYPERLINK l _Toc389728595 3.2.3 壓力信號(hào)調(diào)理 PAGEREF _Toc389728595 h 17 HYPERLINK l _Toc389728596 3.3 通訊模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc389728596 h 18 HYPERLINK l _Toc389728598 3.3.1 RS-232通訊接口設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc389728598

14、h 18 HYPERLINK l _Toc389728601 3.3.2 USB模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc389728601 h 19 HYPERLINK l _Toc389728604 3.4 供電模塊 PAGEREF _Toc389728604 h 20 HYPERLINK l _Toc389728607 第四章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(shj)與調(diào)試 PAGEREF _Toc389728607 h 22 HYPERLINK l _Toc389728608 4.1 Altium Dsinger Summer09簡(jiǎn)介(jin ji) PAGEREF _Toc389728608 h 23 HY

15、PERLINK l _Toc389728609 4.2 原理圖的設(shè)計(jì)(shj)與調(diào)試 PAGEREF _Toc389728609 h 23 HYPERLINK l _Toc389728610 4.3 PCB的設(shè)計(jì)與調(diào)試 PAGEREF _Toc389728610 h 24 HYPERLINK l _Toc389728611 4.4 常見元器件封裝簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc389728611 h 25 HYPERLINK l _Toc389728612 結(jié)論 PAGEREF _Toc389728612 h 29 HYPERLINK l _Toc389728613 參考文獻(xiàn)31 HYPERLI

16、NK l _Toc389728619 致謝32 HYPERLINK l _Toc389854395 附錄33 TOC o 1-3 h z u PAGE 35前 言測(cè)試技術(shù)屬于(shy)信息科學(xué)范疇，是信息技術(shù)三大支柱之一，測(cè)試技術(shù)是用來檢測(cè)和處理各種信息的一門綜合技術(shù)，在科學(xué)研究，工業(yè)生產(chǎn)，醫(yī)療衛(wèi)生，文化教育等各個(gè)領(lǐng)域都起著相當(dāng)重要的作用1。對(duì)被測(cè)量(cling)的測(cè)試需要一套專門的設(shè)備來完成。完成對(duì)被測(cè)量測(cè)試的專門設(shè)備成為測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)通過某種技術(shù)方法，從被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中提取所需的信息。機(jī)械性能綜合測(cè)試系統(tǒng)的研究開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)保存(bocn)顯

17、示、離線分析等功能。在設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠，能夠滿足教學(xué)和科研的需求。目前研究生及本科教學(xué)理論與實(shí)踐脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生自主動(dòng)手、實(shí)踐能力和創(chuàng)新研究能力不足，本課題是學(xué)生自主開發(fā)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)一套集運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)試分析一體的通用測(cè)試平臺(tái)。為研究機(jī)械效率、機(jī)械速度波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)等性能提供客觀真實(shí)的依據(jù)，同時(shí)為學(xué)生工程實(shí)踐能力、動(dòng)手能力及綜合分析創(chuàng)新能力的提高提供一個(gè)設(shè)計(jì)制造與分析平臺(tái)。這樣既充實(shí)了教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容，同時(shí)為機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)的進(jìn)一步研究創(chuàng)造了條件。 測(cè)試技術(shù)存在于機(jī)械制造過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，貫穿機(jī)械制造整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)的全部過程。離線測(cè)試、在線測(cè)試、極限測(cè)試等各種測(cè)試技術(shù)，在

18、機(jī)械制造中實(shí)現(xiàn)質(zhì)量評(píng)定、工藝改進(jìn)、技術(shù)革新等方面，起到了關(guān)鍵性作用。在機(jī)械工程性能參數(shù)方面的測(cè)試研究大部分都缺乏綜合性、通用性，因此針對(duì)機(jī)械性能綜合參數(shù)設(shè)計(jì)一種通用測(cè)試系統(tǒng)將具有重大意義1。 進(jìn)入21世紀(jì)以來，科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，新工藝、新材料、新的制造技術(shù)催生了新一代的電子元器件，同時(shí)也促使測(cè)試技術(shù)產(chǎn)生了新的發(fā)展趨勢(shì)。 自然科學(xué)研究的心成果不斷豐富著測(cè)試技術(shù)的設(shè)計(jì)思想。新型測(cè)試問題的不斷出現(xiàn)和最終解決都有賴于傳感原理和傳感器研究的創(chuàng)新綜合目前國(guó)內(nèi)外的研究狀況，該領(lǐng)域大致有兩個(gè)方面主要工作：研究開發(fā)全新傳感原理和傳感器；深入研究和改進(jìn)已有的傳感原理和傳感器，以獲得更好的性能，前者如近年來獲得廣

19、泛關(guān)注的基于MEMS工藝的集成多參數(shù)傳感器、耐高溫壓力傳感器、微慣性傳感器、光纖傳感器等；后者如電容、電感、電渦流、光柵尺、觀測(cè)型掃描電鏡、激光干涉儀等傳統(tǒng)傳感器的深入原理研究和性能改進(jìn)措施。 新型傳感器的發(fā)明、各種先進(jìn)的數(shù)字處理技術(shù)的應(yīng)用、新材料和新工藝的使用，將測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度、分辨率、靈敏度、線性度和測(cè)量效率提高了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。例如工業(yè)參數(shù)測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確度普遍提高到0.02以上(yshng)。測(cè)量和控制范圍也大幅提高，如電壓的測(cè)量范圍從10-9V到106V，電阻(dinz)的測(cè)量范圍從超導(dǎo)到1011，頻率(pnl)測(cè)量范圍最高達(dá)1010Hz，溫度的測(cè)量范圍則是從決定零度到1010等。Agi

20、lent公司的PSA頻譜分析儀的測(cè)量靈敏度高析儀的動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)-169dBm，PNA網(wǎng)絡(luò)分析儀的動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)143dB。隨著微型計(jì)算機(jī)時(shí)鐘頻率的大幅提高，與硬件控制的實(shí)時(shí)性的差距越開越小9。微處理器在測(cè)試系統(tǒng)普遍采用，這不僅簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，縮小了體積及能耗、提高了可靠性、增加了靈活性，而且使儀器的智能化和自動(dòng)化程度更高。微電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)和集成化工藝等方面的進(jìn)展，為這一發(fā)展趨勢(shì)提供了巨大推動(dòng)力。多核處理技術(shù)成為儀器技術(shù)發(fā)展的助推劑。越來越多的儀器選用以通用軟件和通用芯片為平臺(tái)，采用通用商業(yè)軟件和基于軍用標(biāo)準(zhǔn)的軟件，用通用軟件代替儀器內(nèi)部操作軟件，易于與通用辦公室應(yīng)用軟件連接，充分發(fā)揮其效能

21、。涌現(xiàn)出將傳感器、調(diào)理電路甚至微處理器集成在一起的智能傳感器，各種集成調(diào)理芯片不斷面市，新型顯示記錄裝置的智能化和自動(dòng)化程度也不斷提高。許多原本要有多臺(tái)儀器實(shí)現(xiàn)的功能，現(xiàn)在可以通過集成在一臺(tái)儀器甚至一個(gè)芯片上的智能化儀器完成?，F(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)通常都具備擴(kuò)展接口，方便擴(kuò)展和對(duì)外通信。新技術(shù)的應(yīng)用，尤其是Internet和Intranet技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、圖像處理技術(shù)、和技術(shù)以及自動(dòng)化控制、智能控制的發(fā)展和應(yīng)用，使得現(xiàn)代測(cè)試儀器不斷朝著網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。借助于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，可將不同地點(diǎn)的不同儀器、儀表聯(lián)系在一起，實(shí)施網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量、數(shù)據(jù)傳輸與共享、故障的網(wǎng)上診斷以及技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化培訓(xùn)等。以美國(guó)為首的用戶和儀器

22、廠商近年來提供了一種新的測(cè)試儀器理念和技術(shù)NxTest，它是基于局域網(wǎng)（LAN）的模塊化合成儀器（synthetic instrument）。本課題所研究的內(nèi)容及其所需解決的問題(wnt)如下： eq oac(,1) 本課題要求學(xué)生對(duì)機(jī)械測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀、總線技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、及其軟硬件開發(fā)(kif)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行深入的了解和研究。能夠?qū)φn題中所要求的要實(shí)現(xiàn)的功能并結(jié)合目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中在機(jī)械性能參數(shù)測(cè)試研究(ynji)方面存在的問題，進(jìn)行分析并提出合理的設(shè)計(jì)方案。提出基于通用性設(shè)計(jì)思想的測(cè)試方案。運(yùn)用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析，計(jì)算出各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)

23、律方程。仿真執(zhí)行構(gòu)件及導(dǎo)桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，為后續(xù)測(cè)試分析提供可靠的理論依據(jù)。 eq oac(,2)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，確定測(cè)試參數(shù)內(nèi)容并選擇滿足精度、測(cè)量范圍的傳感器，及下位機(jī)控制器（單片機(jī)）；針對(duì)不同的傳感器輸出信號(hào)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路以滿足單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的滿量程要求。根據(jù)通用計(jì)算機(jī)支持的接口類型，選用標(biāo)準(zhǔn)的RS-232串行總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸。 eq oac(,3)運(yùn)用C語言完成下位機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、各參數(shù)信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議程序設(shè)計(jì)，運(yùn)用C+Builder進(jìn)行上位機(jī)數(shù)據(jù)接收、曲線動(dòng)態(tài)顯示、測(cè)試界面編制；聯(lián)機(jī)調(diào)試完成各個(gè)參數(shù)的測(cè)試工作，實(shí)現(xiàn)各參數(shù)曲線的動(dòng)態(tài)顯示

24、、測(cè)試數(shù)據(jù)顯示、保存、打印。第一章 總體方案的設(shè)計(jì)(shj)測(cè)試系統(tǒng)的硬件(yn jin)設(shè)計(jì)一般包括傳感器、模擬信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)字信號(hào)分析與處理電路、顯示部分以及將處理信號(hào)傳送給控制器或上位(shn wi)機(jī)系統(tǒng)的通信接口部分等。進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)時(shí)，首先要了解測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般過程、測(cè)試內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)功能及精度可靠性等要求，這樣才能設(shè)計(jì)出更為合適的系統(tǒng)方案 。1.1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般過程測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)過程通常分為以下五個(gè)階段： 需求分析需求分析就是根據(jù)用戶對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析。 設(shè)計(jì)任務(wù)的確定根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，編制設(shè)計(jì)任務(wù)書，確定測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體任務(wù)。 擬定總體設(shè)計(jì)方案

25、把測(cè)試系統(tǒng)劃分為便于實(shí)現(xiàn)的軟硬件功能模塊。測(cè)試系統(tǒng)中有些功能模塊既可以用軟件來實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件來實(shí)現(xiàn)。軟硬件劃分時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)周期、性價(jià)比等因素做出合理分配。 硬件電路與軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試硬件設(shè)計(jì)的一般流程是：首先根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)(xtng)硬件框圖按照模塊分別進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行硬件電路合成，將各模塊電路按硬件框圖組合在一起，構(gòu)成一個(gè)完整的硬件電路圖。整個(gè)電路設(shè)計(jì)完成之后，就可進(jìn)行電路板制作，最后進(jìn)行裝配與調(diào)試。 整機(jī)聯(lián)調(diào)當(dāng)軟硬件分別調(diào)試合格后，要把硬件、軟件結(jié)合起來進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。調(diào)試過程中可能會(huì)遇到各種問題，若是硬件問題，就應(yīng)修改(xigi)硬件電路；若是軟件問題，就應(yīng)修改相應(yīng)程序；若

26、是系統(tǒng)問題，就應(yīng)對(duì)硬件、軟件同時(shí)修改，如此往復(fù)，直到(zhdo)合格為止。1.2 MACROBUTTON AcceptAllChangesInDoc 測(cè)試系統(tǒng)硬件劃分系統(tǒng)軟硬件劃分是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，軟硬件劃分的合理性，直接影響測(cè)試系統(tǒng)的研制周期、精度、可靠性、性能價(jià)格比。測(cè)試系統(tǒng)硬件的主要任務(wù)是對(duì)被測(cè)參數(shù)進(jìn)行信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換處理后傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。具體包括：主控制電路模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、液晶顯示模塊、各測(cè)試參數(shù)對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路。為保證電路板的正常工作，還必須能為電路板提供匹配的工作電源，因此必須有電源模塊。1.3 MACROBUTTON AcceptAllChangesInDoc

27、測(cè)試系統(tǒng)硬件系統(tǒng)總體框圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測(cè)試參數(shù)包括：執(zhí)行機(jī)構(gòu)主軸轉(zhuǎn)角位移、執(zhí)行構(gòu)件直線位移、刀具切削阻力、電機(jī)輸入功率、滑枕振動(dòng)加速度五個(gè)參量。測(cè)試系統(tǒng)的總體框圖組成如圖1.1所示。計(jì)算機(jī)主控制器信號(hào)調(diào)理電路機(jī)械裝置光電編碼器直線位移傳感器壓力傳感器振動(dòng)(zhndng)加速度傳感器圖1.1 硬件(yn jin)系統(tǒng)整體框圖該測(cè)試(csh)系統(tǒng)包括機(jī)械裝置本體、數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊三大部分。機(jī)械裝置就是指實(shí)驗(yàn)設(shè)備本身；數(shù)據(jù)采集模塊主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理和主控制器組成；通訊模塊主要包括下位機(jī)和計(jì)算機(jī)。 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊主要功能是：將傳感器采集的各路信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理之后進(jìn)入主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

28、其中信號(hào)調(diào)理電路主要完成測(cè)試信號(hào)的放大、濾波和阻抗匹配等工作，把從傳感器獲得的信號(hào)調(diào)理至主控制器所允許的范圍之內(nèi)，以滿足A/D轉(zhuǎn)換的滿量程輸入要求。 控制模塊控制模塊主要功能是：以計(jì)算機(jī)為測(cè)試系統(tǒng)核心，計(jì)算機(jī)控制整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的正常工作。一方面計(jì)算機(jī)接收主控制器傳送過來的數(shù)據(jù)，并存入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)曲線顯示以及相關(guān)的數(shù)據(jù)分析和處理。 通信模塊通信模塊主要功能是實(shí)現(xiàn)各數(shù)據(jù)命令的傳輸。計(jì)算機(jī)與主控制器間選用RS232通信接口，進(jìn)行串行通信。第二章 傳感器的選擇(xunz)傳感器構(gòu)成測(cè)控系統(tǒng)的重要組成部分(z chn b fn)，大部分所測(cè)量的物理量都是由特定的傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)通過A/D卡采

29、集到測(cè)控計(jì)算機(jī)中。傳感器總是處于測(cè)試系統(tǒng)的最前端，用來獲取檢測(cè)信息，其性能、精度將直接影響整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的性能和精度15。在實(shí)際測(cè)量中，大量的被測(cè)量是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào)，這就要求傳感器輸出不僅(bjn)能夠精確放映出被測(cè)量的大小（靜態(tài)特性），還要準(zhǔn)確的測(cè)量被測(cè)量隨時(shí)間變化的規(guī)律，即要求傳感器的動(dòng)態(tài)特性要好。傳感器按照輸出信號(hào)的形式分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器。模擬傳感器將被測(cè)非電參量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。數(shù)字傳感器將被測(cè)模擬參量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出，不需要A/D轉(zhuǎn)換，可直接輸入控制器處理。傳感器選型時(shí)，要充分考慮被測(cè)量和被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)，在了解被測(cè)對(duì)象和各種傳感器特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)能否符合被測(cè)量精度、

30、靜態(tài)及動(dòng)態(tài)性能要求、被測(cè)量變化范圍、被測(cè)對(duì)象所處的環(huán)境條件、傳感器的體積以及整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)性能要求等限制，合理選擇傳感器。為研究機(jī)械設(shè)備的機(jī)械效率、機(jī)械速度波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)等性能，系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主軸轉(zhuǎn)角、執(zhí)行構(gòu)件直線運(yùn)動(dòng)位移、刨刀切削阻力、電機(jī)輸入功率、滑枕振動(dòng)加速度等參量進(jìn)行測(cè)量。分別選用光電編碼器、直線位移傳感器、壓力傳感器、功率傳感器、加速度傳感器。其中，光電編碼器為數(shù)字傳感器，輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)；直線位移傳感器、壓力傳感器、功率傳感器、加速度傳感器是模擬傳感器，輸出信號(hào)是模擬信號(hào)。2.1 光電編碼器光電編碼器用于測(cè)量系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主軸(zhzhu)的轉(zhuǎn)角位移。本系統(tǒng)中選用長(zhǎng)春東河光

31、學(xué)儀器廠生產(chǎn)的增量式編碼器，其每轉(zhuǎn)輸出脈沖個(gè)數(shù)為1000。圖4.4為光電編碼器的外觀圖。該增量式編碼器由光源、碼盤和光電元件組成，碼盤圖案和光脈沖信號(hào)均勻，可將任意位置為基準(zhǔn)點(diǎn)，從該點(diǎn)開始(kish)按一定量化單位檢測(cè)。光源通過碼盤上的三個(gè)碼道，由三個(gè)光電元件接收，其對(duì)應(yīng)輸出Z（零位(ln wi)脈沖）、A（增量脈沖）、B（辨向脈沖）三位脈沖信號(hào)。碼盤上最外圈碼道上的一條透光狹縫，作為碼盤的基準(zhǔn)位置，每當(dāng)工作軸旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生一個(gè)零位脈沖信號(hào)，通常用于轉(zhuǎn)軸機(jī)械原點(diǎn)定位。中間一圈碼道為增量碼道，最內(nèi)一圈碼道為辨向碼道。這兩圈碼道等角距均勻分布著m個(gè)透光與m個(gè)不透光扇形區(qū)，且彼此錯(cuò)開半個(gè)扇形區(qū)，即90

32、/m，增量編碼器的分辨率取決于扇形區(qū)的多少，分辨率為=360/m。同時(shí)，編碼器具有辨別方向的功能，辨向脈沖和增量脈沖是相位差為90的正弦波，經(jīng)放大、整形后變成方波。若增量脈沖超前于辨向脈沖，對(duì)應(yīng)工作軸正轉(zhuǎn)；若辨向脈沖超前于增量脈沖相，對(duì)應(yīng)工作軸反轉(zhuǎn)。 2.2 直線位移傳感器選用CWY-DW 系列電阻式直線位移傳感器測(cè)量執(zhí)行構(gòu)件直線位移。該類傳感器廣泛應(yīng)用于控制測(cè)量系統(tǒng)，線性度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠。傳感器內(nèi)部安裝有電位器，電位器上的可變電阻滑軌連接在被測(cè)設(shè)備固定位置，通過滑片在滑軌上移動(dòng)的位置來測(cè)量出不同的阻值?？勺冸娮杌墐啥诉B接穩(wěn)態(tài)直流電壓，允許流過微安培的小電流，滑片和可變電阻滑軌始端之間的電

33、壓與滑片移動(dòng)的長(zhǎng)度成正比，從而傳感器把直線機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。根據(jù)執(zhí)行(zhxng)構(gòu)件的最大行程量，選用型號(hào)為CWY-DW-450 的直線(zhxin)位移傳感器，最大行程為450mm。圖4.5 為其外觀(wigun)圖。內(nèi)部安裝一只5k的可變電阻，傳感器的信號(hào)端電壓隨導(dǎo)桿伸縮而變化。安裝時(shí)，傳感器可變電阻滑軌固定在牛頭刨床機(jī)架上，傳感器滑動(dòng)導(dǎo)桿與刀架固定連接，隨刀具的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)而伸縮。主要參數(shù)如下：可測(cè)量范圍為450mm標(biāo)稱阻值 5K線性度誤差為0.1%電阻溫度系數(shù) 0.04% /2.3 壓力傳感器壓力傳感器用于測(cè)量刨刀的切削阻力，本系統(tǒng)采用一種定制的微型承載力傳感器，其量程為

34、5000N。該傳感器內(nèi)嵌在刀架上。當(dāng)?shù)毒咔邢鞴ぜr(shí)，刀具受到切削阻力的作用，傳感器感應(yīng)部位承受壓力作用，引起內(nèi)部電阻發(fā)生改變，輸出電壓信號(hào)。該壓力傳感器是一種電阻應(yīng)變式傳感器，其工作原理是電阻應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體的電阻隨著機(jī)械變形而發(fā)生變化。主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片、測(cè)量電路和傳輸電纜組成。電阻應(yīng)變片貼在彈性元件上，當(dāng)彈性元件受力變形時(shí)，其上的應(yīng)變片隨之變形，并導(dǎo)致電阻改變。當(dāng)傳感器彈性元件不受力時(shí)，電阻應(yīng)變片不產(chǎn)生變形，由于沒有阻值的變化，電橋維持初始平衡，輸出電壓為零；當(dāng)傳感器彈性元件受力時(shí)，電阻應(yīng)變片承受應(yīng)力，電阻發(fā)生變化，電橋處于不平衡狀態(tài)，輸出端電壓不為零且輸出電壓正比于應(yīng)變片受力產(chǎn)生

35、的電阻變化量。該傳感器間接測(cè)量刀具的切削阻力，通過力矩平衡原理最終轉(zhuǎn)換為刨刀的切削阻力。2.4振動(dòng)(zhndng)加速度傳感器機(jī)床(jchung)工作過程中，滑枕的振動(dòng)是一般的機(jī)械振動(dòng)，因此，選用美國(guó)ADI公司(n s)生產(chǎn)的ADXL320 雙軸加速度計(jì)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，安裝在牛頭刨床執(zhí)行構(gòu)件滑枕上，隨執(zhí)行構(gòu)件滑枕運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化而變化，輸出相應(yīng)變化的電壓信號(hào)。ADXL320內(nèi)部安裝雙軸加速度檢測(cè)芯片，圖4.7 為其內(nèi)部電路圖。ADXL320 傳感器檢測(cè)到信號(hào)后經(jīng)放大器（ACAMP）放大，再由解調(diào)器（DEMOD）將交流電壓還原為相應(yīng)的直流電壓，被放大后經(jīng)過32k電阻，最后通過外接的電容設(shè)置頻寬、濾波

36、后輸出電壓信號(hào)。ADXL320 的測(cè)量范圍是-5g +5g，方向精度0.1。加速度計(jì)包含內(nèi)置傳感器和單獨(dú)的調(diào)節(jié)電路，以完成檢測(cè)信號(hào)的開環(huán)加速度測(cè)量。該傳感器具有多晶硅面微機(jī)械結(jié)構(gòu)且附于硅膠片上，傳感器上的多晶硅彈片使其懸浮在膠片表面，并產(chǎn)生一個(gè)加速度反力。通過微分電容可測(cè)出懸浮結(jié)構(gòu)的偏角，而該電容的非固定極板與動(dòng)片相連，固定極板由方波驅(qū)動(dòng)。工作過程中，加速度作用使連桿偏斜，微分電容不平衡，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)振幅與加速度成比例的方波信號(hào)輸出，經(jīng)解調(diào)器矯正并確定出加速度的方向。第三章 硬件(yn jin)電路設(shè)計(jì)3.1 主控制電路及顯示(xinsh)模塊此次設(shè)計(jì)是基于(jy)LY-51S開發(fā)板的設(shè)計(jì)，主

37、控制電路、AD轉(zhuǎn)換芯片、EEPROM、和顯示模塊都是基于開發(fā)版來設(shè)計(jì)使用的。3.1.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介此次設(shè)計(jì)的單片機(jī)是使用開發(fā)版上的深圳宏晶科技生產(chǎn)的STC8954單片機(jī)。單片機(jī)的引腳信息及其I/O口的分配如下圖所示：圖3.1 單片機(jī)引腳信息(xnx)該單片機(jī)在一塊芯片(xn pin)上集成了CPU、ROM、RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多種I/O功能部件，具有一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，主要包括下列部件。1個(gè)8 位的CPU、1個(gè)布爾處理機(jī)、1個(gè)片內(nèi)震蕩器、128字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、4K字節(jié)的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、尋址范圍為64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器、21字節(jié)的專用存儲(chǔ)器、4個(gè)并行I/O口、1個(gè)

38、全雙工的串行口、2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、5個(gè)中斷源、2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)和111條指令，片內(nèi)采用單總線結(jié)構(gòu)。單片機(jī)各引腳的功能介紹(jisho)如下所示：（1）VCC：運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)接電源正端。（2）P0口：P0口是一個(gè)8位、漏極開路的雙向I/O口，每腳可吸收8個(gè)TTL門電流。 （3）P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4個(gè)TTL門電流。（4）P2口：P2口是一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流。（5）P3口：P3口是一個(gè)8位帶內(nèi)部上拉電阻的準(zhǔn)雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。（6）RST：復(fù)位輸入信號(hào)，

39、高電平有效。（7）ALE/PROG：地址鎖存允許信號(hào)，輸出。（8）/PSEN：片外程序(chngx)存儲(chǔ)器讀選通信(tng xn)號(hào)，低電平有效(yuxio)。（9）/EA/VPP：片外程序存儲(chǔ)器訪問允許信號(hào)，低電平有效。（10）XTAL1：輸入到單片微機(jī)內(nèi)部振蕩器的反相放大器。（11）XTAL2：反相放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器。3.1.2 單片機(jī)的時(shí)鐘電路系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振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諧振器一起構(gòu)成一

40、個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2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有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為22pF。振蕩器的工作頻率一般在1.2MHz12MHz之間，由于制造工藝的改進(jìn)，有些單片微機(jī)的頻率范圍正向兩端延伸，高端可達(dá)40MHz，低端可達(dá)0Hz，一般用11.0592MHz晶振。時(shí)鐘電路圖如圖3.2所示7。 3.1.2 單片機(jī)的時(shí)鐘電路 圖3.2 單片機(jī)晶振電路復(fù)位電路是上電自動(dòng)復(fù)位加按鍵復(fù)位。由于電容兩端的電壓不能突變，在上電的瞬間電容負(fù)端的電位和正

41、端的電位相同都為高電平5V，緊接著電源給電容充電，經(jīng)過很快的時(shí)間充電過程結(jié)束，電容對(duì)于直流電來說是斷路，此時(shí)RST引腳通過R12接地。整個(gè)過程會(huì)在RST引腳上產(chǎn)生一個(gè)維持幾個(gè)機(jī)器周期的高電平脈沖足以使單片機(jī)有效復(fù)位。手動(dòng)按鍵復(fù)位同樣是在按鍵按下的瞬間使電容完成先放電再充電的過程，也能產(chǎn)生一個(gè)維持幾個(gè)機(jī)器周期的高電平脈沖使單片機(jī)有效復(fù)位。RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩周期(即2個(gè)機(jī)器周期) 以上。若使用頻率為12MHz的晶振，則復(fù)位信號(hào)應(yīng)持續(xù)2s以上，復(fù)位電路如圖 圖3.3 單片機(jī)復(fù)位(f wi)電路3.1.4 PCF8591簡(jiǎn)介(jin ji)P

42、CF8591是一個(gè)單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有(jyu)4個(gè)模擬輸入、1個(gè)模擬輸出和1個(gè)串行IC HYPERLINK /view/653587.htm t _blank 總線接口。PCF8591的3個(gè)地址 HYPERLINK /view/641241.htm t _blank 引腳A0, A1和A2可用于硬件地址 HYPERLINK /view/3281.htm t _blank 編程，允許在同個(gè)I2C總線上接入8個(gè)PCF8591器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號(hào)都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式

43、進(jìn)行傳輸。引腳信息如下：AIN0-AIN3：模擬信號(hào)輸入。A0-A2：引腳地址端。VDD、VSS：電源端（2.5-6V）。SDA、SCL：I2C總線的數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線。OSC：外部時(shí)鐘輸入端，內(nèi)部時(shí)鐘輸出端。EXT：內(nèi)部、外部時(shí)鐘選擇線，使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)EXT接地。AGDN：模擬信號(hào)地。AOUT：D/A轉(zhuǎn)換輸出端。VREF：基準(zhǔn)電源端。圖3.4 PCF8591在本設(shè)計(jì)中A/D轉(zhuǎn)換的四路輸入(shr)信號(hào)分別是加速度信號(hào)位移信號(hào)和壓力信號(hào)，信號(hào)傳入后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后通過SDA口輸入(shr)到單片機(jī)的引腳P1.6后在進(jìn)行信號(hào)的處理。3.1.5 12864顯示(xinsh)模塊12864液晶顯示模塊是1

44、2864點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字圖形，內(nèi)置國(guó)標(biāo)GB2312碼簡(jiǎn)體漢字字庫(kù)、128個(gè)字符及64256點(diǎn)陣顯示RAM?？膳c單片機(jī)直接接口，提供兩種界面來連接微處理機(jī)：8位并行串行兩種連接方式。具有多種功能：光標(biāo)顯示、畫面位移、睡眠模式等。并且在該模塊中還可以使用R35滑動(dòng)年租器進(jìn)行屏幕亮度的調(diào)節(jié)。圖3.5 單片機(jī)顯示模塊3.1.6 獨(dú)立按鍵圖3.6 獨(dú)立(dl)按鍵3.2 信號(hào)調(diào)理(tio l)模塊設(shè)計(jì)單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)調(diào)理電路震動(dòng)加速度傳感器壓力傳感器直線位移傳感器光電編碼器滑枕震動(dòng)切削阻力執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)主軸信號(hào)調(diào)理主要(zhyo)完成測(cè)試信號(hào)的放大、濾波和阻抗匹配等工作，把從

45、傳感器獲得的信號(hào)調(diào)理至A/D轉(zhuǎn)換所允許的范圍之內(nèi)。前端放大器用于放大和緩沖輸入信號(hào)，由于傳感器輸出信號(hào)較弱，因此需要加以放大以滿足大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入要求。3.2.1 角位移信號(hào)(xnho)調(diào)理圖3.7 角位移信號(hào)調(diào)理(tio l)電路上圖為光電編碼器輸出(shch)的三組（A相、B相、Z相）TTL方波脈沖信號(hào)的調(diào)理電路圖。濾波后的四路信號(hào)經(jīng)74HC14六反相器（施密特觸發(fā)器）波形規(guī)整后，A、Z相對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)直接進(jìn)入74HC245方向可控緩沖器。由于需要判斷光電編碼器的轉(zhuǎn)向，B相信號(hào)觸發(fā)后，其輸出的雙向信號(hào)進(jìn)入74HC74 雙D觸發(fā)器進(jìn)行辨向處理，根據(jù)輸出信號(hào)電平的高低判別編碼器的轉(zhuǎn)

46、向。辨向處理后雙D觸發(fā)器Q1端輸出信號(hào)輸入緩沖器進(jìn)行緩沖驅(qū)動(dòng)。緩沖器輸出的三路數(shù)字信號(hào)和一路方向信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)外部中斷I/O，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向異步通信。3.2.2 位移(wiy)、加速度信號(hào)(xnho)調(diào)理圖4.9為位移(wiy)、加速度傳感器輸出信號(hào)的調(diào)理電路圖。該調(diào)理電路簡(jiǎn)單，對(duì)直線位移傳感器、加速度傳感器X、Y方向分別輸出的4路模擬信號(hào)進(jìn)行濾波放大處理。傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)濾波處理后進(jìn)入LM358雙運(yùn)算放大器對(duì)電壓信號(hào)放大，從LM358輸出后直接輸入單片機(jī)相應(yīng)的I/O口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。其中LM358是高增益的雙運(yùn)算放大器，其芯片內(nèi)部含有兩個(gè)獨(dú)立的放大器，因此，只需兩個(gè)LM358就可完成對(duì)

47、4路模擬信號(hào)的放大，把電壓信號(hào)放大至A/D轉(zhuǎn)換相匹配的電壓。圖3.8 位移、加速度信號(hào)調(diào)理電路3.2.3 壓力信號(hào)調(diào)理下圖為壓力傳感器輸出信號(hào)的調(diào)理電路原理圖。壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)濾波后進(jìn)入CD4052差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，選通輸出的模擬信號(hào)先后經(jīng)AD620儀表放大器和LM358運(yùn)算放大器后進(jìn)入單片機(jī)I/O。由于傳感器采集到的是毫伏級(jí)的電壓信號(hào)，十分微弱，需要用兩級(jí)放大器進(jìn)行前置和后級(jí)驅(qū)動(dòng)放大，電壓匹配后把電壓信號(hào)輸入相應(yīng)的單片機(jī)I/O進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。其中，AD620是一款低成本、高精度的儀表放大器，主要應(yīng)用于傳感器接口，具有低功耗、高共模抑制比，且電路產(chǎn)生噪聲和漂移也較低。圖3.

48、9 壓力(yl)信號(hào)調(diào)理電路3.3 通訊模塊(m kui)設(shè)計(jì)傳感器輸出信號(hào)(xnho)經(jīng)調(diào)理后，進(jìn)入單片機(jī)I/O，A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)緩存器中。采集數(shù)據(jù)需要發(fā)送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，以及計(jì)算機(jī)向下位單片機(jī)發(fā)出指令控制電機(jī)，這些都涉及到計(jì)算機(jī)與測(cè)試儀器之間的通訊問題。本系統(tǒng)選用RS-232串行通訊方式實(shí)現(xiàn)上位PC機(jī)對(duì)下位機(jī)的控制和數(shù)據(jù)傳輸。3.3.1 RS-232通訊接口設(shè)計(jì)RS-232是PC機(jī)上的通信接口之一，是目前PC機(jī)與工業(yè)通信應(yīng)用最廣泛的一種串行通信，采用全雙工通信方式，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的雙向異步通訊。本系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)上的RS-232接口為9針的，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，不需使用對(duì)方的傳送控制信號(hào)，

49、只需三條接口線，即“發(fā)送數(shù)據(jù)”、“接收數(shù)據(jù)”和“信號(hào)地”，其傳輸線采用屏蔽雙絞線。下圖為RS232的通信接口電路原理圖。RS232通信接口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)間的數(shù)據(jù)通信，因此其接口一端連接(linji)計(jì)算機(jī)，另一端連接下位單片機(jī)。但是計(jì)算機(jī)的串口電平是RS232電平(din pn)，而單片機(jī)串口是TTL電平，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路(dinl)，系統(tǒng)采用專用的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片。MAX232芯片是專門為計(jì)算機(jī)的RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，采用+5V單電源供電。它將單片機(jī)輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為串口通信電平。MAX232芯片內(nèi)部包含兩路收發(fā)器，本系統(tǒng)僅用一路收發(fā)器。另

50、外，為除外界信號(hào)干擾，其接收、發(fā)送端分別與單片機(jī)引腳RXD、TXD連接。圖3.10 RS-232通訊模塊電路3.3.2 USB模塊設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)程序的下載燒制和上下位機(jī)之間的通訊，就需要一個(gè)USB模塊，通過該模塊的設(shè)計(jì)，使用者只需一條USB線就可以實(shí)現(xiàn)程序的下載以及上下位機(jī)之間的通訊。PL2303是Prolific公司生產(chǎn)的一種高度集成的RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器，可提供一個(gè)RS232全雙工 HYPERLINK /view/2122150.htm t _blank 異步串行通信裝置與USB功能接口便利聯(lián)接的解決方案。具體電路圖如下圖所示：圖3.11 USB下載(xi zi)模塊PL2303

51、 的高兼容(jin rn)驅(qū)動(dòng)可在大多 HYPERLINK /view/880.htm t _blank 操作系統(tǒng)(co zu x tn)上模擬成傳統(tǒng)COM 端口,并允許基于COM 端口應(yīng)用可方便地轉(zhuǎn)換成USB接口應(yīng)用，通訊 HYPERLINK /view/119333.htm t _blank 波特率高達(dá)6 Mb/s。在工作模式和休眠模式時(shí)都具有功耗低，是 HYPERLINK /view/6115.htm t _blank 嵌入式系統(tǒng)手持設(shè)備的理想選擇。該器件具有以下特征：完全兼容 HYPERLINK /view/147754.htm t _blank USB1.1協(xié)議；可調(diào)節(jié)的35 V 輸

52、出電壓，滿足3V、3.3V和5V不同應(yīng)用需求；支持完整的 HYPERLINK /view/1465761.htm t _blank RS232接口，可編程設(shè)置的 HYPERLINK /view/119333.htm t _blank 波特率：75b/s6 Mb/s，并為外部 HYPERLINK /view/161117.htm t _blank 串行接口提供電源；512 HYPERLINK /view/60408.htm t _blank 字節(jié)可調(diào)的雙向 HYPERLINK /view/32571.htm t _blank 數(shù)據(jù)緩存；支持默認(rèn)的ROM和外部EEPROM存儲(chǔ)設(shè)備配置信息,具有I2

53、C HYPERLINK /view/653587.htm t _blank 總線接口,支持從外部MODEM 信號(hào) HYPERLINK /view/69321.htm t _blank 遠(yuǎn)程喚醒；支持Windows9、Windows2000、WindowsXP、Windows Vista、Windows7等 HYPERLINK /view/880.htm t _blank 操作系統(tǒng)。因此能夠完全滿足該設(shè)計(jì)的要求。3.4 供電模塊系統(tǒng)硬件電路需要直流電源供電，而電源直接提供的是交流電，因此需要設(shè)計(jì)電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。電源模塊產(chǎn)生的5V電壓為角位移、功率、位移、切削阻力信號(hào)調(diào)理、通信電路等提供

54、電壓，產(chǎn)生的12V電壓為加速度信號(hào)調(diào)理電路提供電壓。此外還要考慮到信號(hào)有數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)之分，因此所需的電源端口有：VCC、GND、AGND、5V、12V。圖3.12 供電(n din)電路設(shè)計(jì)供電電路如上圖所示，其中經(jīng)過變壓器降壓之后(zhhu)的交流電經(jīng)過橋式電路被轉(zhuǎn)換為+12V直流電，分別經(jīng)過7805、7812、7905三端穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓信號(hào)給所需芯片供電。常見三端穩(wěn)壓器概述(i sh)如下：7805三端穩(wěn)壓集成電路，電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸?shù)?8 系列和負(fù)電壓輸出的79系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地

55、端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管，TO- 220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有9013樣子的TO-92封裝。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負(fù)9V。在實(shí)際(shj)應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率的條件下不用）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時(shí)，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。當(dāng)制作中需要一個(gè)能輸出1.5A以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來

56、，使其最大輸出電流為N個(gè)1.5A，但應(yīng)用時(shí)需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號(hào)的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一定(ydng)的余量，以避免個(gè)別集成穩(wěn)壓電路失效時(shí)導(dǎo)致其他電路的連鎖燒毀。常見的三端(sn dun)穩(wěn)壓器封裝如下圖：圖3.13 TO-220封裝的三端穩(wěn)壓器第四章 硬件(yn jin)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試在本次設(shè)計(jì)(shj)中硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是在Altium Desinger Summer09這一軟件(run jin)上完成的。4.1 Altium Dsinger Summer09簡(jiǎn)介Altium Designer 是原Protel軟件開發(fā)商Altium

57、公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，主要運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)。這套軟件通過把原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)的完美融合，為設(shè)計(jì)者提供了全新的設(shè)計(jì)解決方案4。Altium Dsinger Summer09是Altium公司于09年發(fā)布的一款基于電氣設(shè)計(jì)的軟件。Altium Designer Summer 09的發(fā)布延續(xù)了連續(xù)不斷的新特性和新技術(shù)的應(yīng)用過程。使用戶更輕松地創(chuàng)建下一代電子設(shè)計(jì)。同時(shí)，使Altium Designer更符合電子 HYPERLINK /view/282148.htm t _blank 設(shè)計(jì)師的要求。Altium

58、的一體化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將硬件、 HYPERLINK /view/37.htm t _blank 軟件和可編程硬件集合在一個(gè)單一的環(huán)境中，這將令用戶自由地探索新的設(shè)計(jì)構(gòu)想。在整個(gè)設(shè)計(jì)構(gòu)成中，每個(gè)人都使用同一個(gè)設(shè)計(jì)界面。 Summer 09版本解決了大量歷史遺留的工具問題。其中就包括了增加更多的機(jī)械層設(shè)置、增強(qiáng)的原理圖網(wǎng)絡(luò)類定義。新版本中更關(guān)注于改進(jìn)測(cè)試點(diǎn)的分配和管理、精簡(jiǎn) HYPERLINK /view/2517315.htm t _blank 嵌入式軟件開發(fā)、軟設(shè)計(jì)中智能化調(diào)試和流暢的License管理等功能。4.2 原理圖的設(shè)計(jì)(shj)與調(diào)試在系統(tǒng)(xtng)原理圖的設(shè)計(jì)(shj)中Altium

59、 Dsinger Summer09中提供了完整的硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試流程圖，開發(fā)者要在熟悉軟件的基礎(chǔ)上，熟知原理圖設(shè)計(jì)與仿真及調(diào)試的步驟。在原理圖的設(shè)計(jì)中要用到很多元器件，有很多元器件在軟件自帶的元器件庫(kù)中就可以找到，但是有些庫(kù)里并沒有，這就需要自己在熟知芯片資料的基礎(chǔ)上自己動(dòng)手畫出元器件的引腳10。原理圖設(shè)計(jì)的流程圖如下：?jiǎn)?dòng)原理圖編輯器設(shè)置圖紙?jiān)O(shè)置工作環(huán)境裝載元器件庫(kù)放置元器件原理圖布線原理圖電氣規(guī)則檢查生成網(wǎng)絡(luò)表文件存儲(chǔ)及打印圖4.1 原理圖設(shè)計(jì)(shj)流程圖4.3 PCB的設(shè)計(jì)(shj)與調(diào)試在PCB的設(shè)計(jì)中Altium Dsinger Summer09也提供了完整詳細(xì)的設(shè)計(jì)及其調(diào)試流程。

60、我們可以(ky)在完成原理圖的設(shè)計(jì)后進(jìn)行PCB的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者只需按照所給的設(shè)計(jì)流程，按步驟一步一步，在熟悉設(shè)計(jì)環(huán)境及操作環(huán)境的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己所學(xué)的電氣規(guī)則知識(shí)，完成一個(gè)合理的PCB設(shè)計(jì)10。但在PCB設(shè)計(jì)中有一點(diǎn)雨原理圖設(shè)計(jì)有很大的不同的是，PCB設(shè)計(jì)中需要定義元器件的封裝，在Altium Dsinger Summer09自帶的元器件封裝庫(kù)中，有些元器件是有封裝的，但大多數(shù)封裝都是過時(shí)的錯(cuò)誤的，這就要求開發(fā)者去所需元器件生產(chǎn)公司的去查找所需元器件的封裝信息，然后畫出合理的封裝信息。PCB設(shè)計(jì)的流程圖啟動(dòng)工作環(huán)境設(shè)置工作環(huán)境添加網(wǎng)絡(luò)表文件存儲(chǔ)和打印生成各種報(bào)表設(shè)計(jì)規(guī)則檢查PCB布線放置元器件布