轴瓦的圆度测量仪—毕业论文设计.doc

河南机电高等专科学校 毕业设计 轴瓦的圆度测量仪 系 部: 自 动 控 制 系 专 业: 生产过程自动化 班 级: 姓 名: 学 号: 指导老师: 二零一二年五月 编编 号号 摘要 i 摘要摘要 随着计算机和传感器技术的飞速发展，检测技术和数字显示技术发生了革命性 的变化。检测仪器仪表正朝智能化、集成化、多功能化的方向发展。轴瓦类零件 是机械设备中广泛应用的一类零件，研究与开发孔类零件的测量设备对于提高设 备的装配精度、延长设备寿命具有重要意义。本课题以轴瓦曲轴为研究对象，开 发了一种圆度自动检测系统。 本文在分析了自动检测系统和数字显示系统发展趋势的基础上，遵循方便、实 用、经济的设计原则，对轴瓦圆度检测系统进行了软硬件设计。系统硬件的核心 采用了性价比较高的 pc 机、plc、at89c51、ad574a 等。硬件设计采用了以现代 传感技术与信号处理技术为支撑的方案。该系统利用差动变压器，实现了数据的 快速、高精度采集。选用 plc 和步进电机实现对数据采集的精确控制。采用高性 能的数显电路进行快速而精确的显示。另外，本文还依据差动变压器、步进电机 的工作原理确定了选择自动检测系统器件的原则。对于系统的软件部分，主要进 行了实现控制操作和人机交互操作的程序设计。该程序实现了良好的人机对话、 数据处理和存储功能。 在数字显示部分通过比较独立式按键和矩阵式按键的区别选出了一种最优的键盘 设置方式。 本论文设计的机车曲轴圆度自动显示系统与传统仪器相比，在测量方法、 数据处理方式等方面有很大优势。利用本系统进行圆度测量误差显示不仅可靠性 高、实时性强，而且显示精度也有了大幅提高。 关键词：圆度；传感器；数字显示；at89c51 ii abstractabstract the rapid developments of the computer and sensor technology have brought about a new revolutionary change in the measuring instrument the measuring instrument is tending to be multifunctions、integrated and intelligenthole pans is one kind of components which is widely used in modem machineresearching and developing this kind of measuring instrument for improving the assembling accuracy， extend the life of equipment is of great importancethis paper take the 10comotive engine crankshaft hole as research object，and has developed a round aperture of automatic detection system based on the analysis of trends in the development of automatic detection system and the basis of follow principles that concluded convenience，practical and economical。the hardware and software of the system is designedsystem hardware core adapts a costeffective pc and the plcthe hardware design took modern sensory technology and signal treatment technology as the scheme supportchoose eddy current sensor to gather the signals and realize high accuracy gathering of the dataand choose plc、stepmotor that can control the data acquisition accuracyin addition，the paper determined high accuracy automatic detection system device principle which according to the principle of the eddy current sensor and step-motorthe paper describes design method and application of various modules forming the software system in detailmeanwhile a corresponding program is developedthis program realizes good man-machine interface function quickly and reliability signal processing function strongly date signal storage and transact function finally, four roundness errors evaluation methods and basic principles are stated in this paperthose methods include the minimum circumscribed circle、the least square circle method、the maximum inscribed circle and the minimum region method compared with traditional instrument，the measuring instrument designed in the papers has great advantages in the measurement method，data processing methods and so onusing this system to 摘要 iii measure roundness， can get a high reliability， realtime，and accuracy has also increased substantially keykey wordswords：roundness；sensor；automatic measurement；mcs 目录 i 目录目录 第第 1 1 章章 绪论绪论1 1 1.1选题的背景及意义1 1.2研究的意义1 1.3轴瓦曲轴检测现状分析2 1.3.1 圆度误差检测现状 .2 1.3.2 曲轴检测技术概况 .3 1.4 论文研究的内容 .3 第第 2 2 章章 系统总体分析系统总体分析4 4 2.1 总体设计 .4 2.1.1 自动检测系统基本结构 .4 2.2 曲轴圆度自动检测系统 .5 2.3 数字显示电路设计 .6 2.4 显示部分 .6 2.5 驱动电路的选择 .7 2.6 电源模块选择 .7 2.7 工作原理 .7 第第 3 3 章章 系统系统硬硬件设计件设计8 8 3.1 二级管相敏检波电路 .8 3.2 ad574a 转换器.9 3.2.1 ad574a 的引脚说明及接口电路 .10 3.3 at89c51 芯片介绍.12 3.4 时钟电路 14 3.5 复位电路 15 3.6 程序及数据存储器设定 15 3.7 键盘接口概述 16 3.7.1 独立式按键18 3.7.2 矩阵式键盘及其接口电路18 3.8 键值的分析 20 3.9 ch452 概述22 第第 4 4 章章 结论与展望结论与展望2525 4.1 结论 25 4.2 展望 25 参考文献参考文献2626 致谢致谢2727 附录一附录一2828 附录二附录二2525 轴瓦的圆度测量仪 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 选题的背景及研究的意义选题的背景及研究的意义 随着我国加入世界贸易组织，我国的各行各业的产品都要参与国际的竞争， 都 要遵守优胜劣汰的规则。而产品要想在竞争中胜出，立于不败之地，产品的质量 是关键。在机械制造业的产品中，产品的质量与产品加工的精度有密切关系， 且产品的质量好坏将直接决定产品的性能和寿命。 国外发动机缸体的生产加工自动化程度高，多有主动测量装置，加工和测量精度 高，其尺寸及形位参数在加工时就可以保证。 而国内缸体加工设备相对落后，加工精度难以保证，往往靠加工后的一些检测手 段来控制。目前国内大多数发动机生产厂家的检测主要采用机械式的量具，例如 缸径表等作为检测工具，其检测精度低、检测参数单一、检测效率也低无法满足 生产的要求。传统的气动测量仪检测效率低、无法区分尺寸误差与形状误差，测 量精度较低。三坐标测量机检测精度高，但其检测效率太低，而且对周围环境要 求较高，只能采用抽检的方式，不能满足批量分组检测的要求。特别是在曲轴圆 度的测量中，因其具有测量点数多，采集数据多的特点，传统的量具更是无法胜 任。因此，国内发动机生产厂，特别是高速发动机生产厂，急需高效率、高精度 的专用检测设备，实现对关键零部件的全面检测，以提高生产效率和产品质量。 1.21.2 研究的意义研究的意义 中国是工业大国，圆度检测仪器具有巨大市场，然而，国内目前的研究水平离这 个需求还有一定的差距。研究开发具有自主知识产权的圆度检测系统，对于摆脱 对进口产品的依赖，推进我国仪器数字化改造，提高检测行业的水平很有必要。 并且通过研制高速、高精度圆度检测系统，还可以提高我国圆度仪的档次技术水 平，加快高档圆度检测仪器国产化，抵制国外产品对我国仪器仪表市场的冲击， 尤其是对开发圆柱度仪等同类产品都具有促进意义。 通过研制轴瓦曲轴圆度检测系统可以解决生产厂家对产品的监控能力，为质量管 理者提供决策参考。这一检测系统可以实现发动机曲轴圆度的全自动检测，检测 时间大大缩短，实现在线和非在线的产品检测的要求。通过实施本系统，能有效 的提高产品的质量，保证稳定可靠的检测精度。 本课题的研究成果具有较好的开放性，可以推广应用于各种的大型孔类零件的自 动非接触式尺寸检测中。如果应用于在线制造系统中，可以大量缩短生产的检测 时间。同时该系统还可以应用于孔类零部件的半成品的检测，比较适应国内企业 提出车间生产系统的需求。提高了生产厂家的生产效率和对生产加工质量的控制， 河南机电高等专科学校毕业论文 2 防止大批量废品的出现，避免不必要的浪费，降低了生产成本，使检测人员从繁 重的劳动中解放出来。 1.31.3 轴瓦曲轴检测现状分析轴瓦曲轴检测现状分析 1 13 31 1 圆度误差检测概况圆度误差检测概况 圆度误差是指回转体的同一正截面上实际轮廓对其理想圆的变动量，机械零件回 转表面轮廓的圆度误差对机器和仪器的功能有直接的影响，它是高精度回转体零 件的一项重要精度指标，也是检验回转体类零件加工质量的重要指标之一。目前， 圆度仪仍为圆度误差测量的最有效手段，按照结构的不同，可将圆度仪分为两种： 主轴旋转式和工作台旋转式。 主轴旋转式：被测零件放置在工台上固定不动，仪器的主轴带传感器和测头一起 回转。测量时零件固定不动，可用来测量较大零件的圆度误差。 工作台旋转式：传感器和测头固定不动，被测零件放置在仪器的回转工作台上， 随工作台上一起回转，这种仪器常制成紧凑的台式仪器，适于测量小型零件的圆 度误差，其测量原理为当仪器测头与实际被测圆轮廓接触时，实际被测圆轮廓的 半径变化量就可以通过测头反应出来，此变化量由传感器接收，并转换成电信号 输送到电气系统，经放大器、滤波器运到微机系统，实现数据的自动处理打印及 显示结果。 圆度仪可以保证很高的采样精度和评定精度，评定方法符合标准的要求并配有专 用的微机，工作效率高不失为一种理想的测量仪器。但是圆度仪的成本高，价格 昂贵，对操作环境、条件的要求严格，通常仅限于计量室中使用，不能用于车间 现场。另外，圆度仪作为一种高精度仪器，调整和操作比较繁琐，测试效率低。 如果频繁地用于一般零件的测量，在经济上也不合理。再者，圆度仪由于其规格 所限只能用于中小型零件圆度误差的测量，这样就使圆度仪的使用受到一定的限 制。 对于中小型精密零件的测量，坐标测量机也是一种精确有效的测量手段。在测量 时被测截面圆轮廓上选定若干测点一一测出它们的坐标，然后进行数据处理，求 解圆度误差值。不过测量成本高，效率也不尽人意，与它们在测量孔间关系的卓 越性能相比，用它们在生产中测孔发挥不了其优势。 在生产实际中，目前仍采用一些手工检测方法。内径千分表是最常用的内孔量具， 在测量深孔或小批量工件时，它的适用性极好，而且投资不高。气动量仪是一种 有效的高精度孔径测量手段，但它比较适合于稳定的加工过程，有时难以适应大 量生产的现场工作环境。经过转换后它能带数字显示和输出，因而也能用于统计 轴瓦的圆度测量仪 3 过程控制，不过其体积变得过大，成本也大大提高。 相比之下，数显内径千分表的性能更为优秀。因为它能在一次操作过程中获取最 小值一一就是孔径值，而传统的内径千分表往往要几次操作才能读准孔径值。所 以，在汽车发动机的缸径测量方面已成为有效的检测手段。现在，用碳纤维测杆 的内径千分表已可测达 2m 的深孔。内径分厘卡可能是最广泛使用的孔径测量手 段，常用于 1300mm 孔径的测量。内径分厘卡的型式已有了许多变化，有机械 式和电子式、两点式和三点式、测微螺旋式和手枪按动式等。有的已能达到 1um 的重复测量精度和 23um 的测量精度。 1 13 32 2 曲轴检测技术概况曲轴检测技术概况 目前国内大多数发动机生产厂家对曲轴的检测主要采用机械式的量具，例如 缸径表等作为检测工具，其检测精度低、检测参数单一、检测效率也低，无法满 足生产的要求。 对曲轴圆度误差的在线测量方法正处于研究阶段，还没有研制出用于在线高 精度、准确测量孔圆度误差的设备。而本课题研究的孔径圆度自动测量系统既能 达到实验室精密测量精度，又能实现在线测量。满足了厂家提出的技术要求。 1 14 4 论文研究的内容论文研究的内容 本课题的研究目标是采用数字显示的先进技术，设计制造出满足厂家检测精 度要求的轴瓦曲轴圆度显示设备。而如何确定数字显示设备的系统组成，设计功 能合理的电路，以实现对孔轮廓的测量结果的显示，将是我们研究的主要内容。 具体有以下几点： 1了解国内现有圆度及误差显示的方法，建立孔径圆度自动显示系统理论模型。 2了解数字显示系统的指标，工艺要求，确定显示系统的精度要求。分析数字 显示元件的技术指标。 3绘制单片机数字显示系统流程图，实现键盘的输入、检测结果的显示、保存 等功能。 4. 通过对数字显示电路中的器件的性能的研究，设计出合理的数字显示电路。 河南机电高等专科学校毕业论文 4 第第 2 2 章章 系统总体分析系统总体分析 2.12.1 总体设计总体设计 2 21 11 1 自动检测系统基本结构自动检测系统基本结构 检测系统在测量过程中，首先由传感器将被测物理量从研究对象中检测出来 并转换成电量，然后输出。现代检测技术包含了更多的后续处理技术，如根据需 要对第一次变换后的电信号进行时域或频域处理，最后以适当形式输出。信号的 这种变换、处理和传输过程决定了检测系统的基本组成和它们的相互关系，检测 系统及其组成见图 2-1。 图 2-1 检测系统及其组成 现代检测系统的应用类型大致可分为：检测型和控制型两类，检测型又可分 为基本型和标准接口型。检测型完成对被测参量的测量任务，对测量的准确度要 求较高；控制型一般应用于闭环控制系统中，对快速、实时和可靠性要求较高。 检测型中的基本型一般由传感器、信号调理电路、采样保持、模数转换、数 字信号处理和数模转换电路等组成，完成对多点多参量的动态或静态测量任务。 传感器完成信号的获取任务。它将被测参量(一般为模拟量)转换成相应的便 于处理的电信号输出。被测参量范围很广，可以是电参量或非电参量。紧接其后 的信号调理电路将微弱信号放大到与数据采集板中 ad 转换器的转换电压范围 相适配，通过滤波抑制干扰噪音信号的高频分量，将信号频带压缩以降低采样频 率，避免在模数转换中产生混叠。利用磁性变压器、光电或电容性器件等，耦合 传输有用信号，阻隔高电压浪涌以及较高的共模电压，既保护操作人员也保护昂 贵的测量设备，同时输出规范化的标准传输信号。数据采集卡(板)将采样后的信 号进行模数转换成为幅值离散的数字量。将其送入计算机、单片机和单片机系统 等各类微处理器。通过软件编程实现高速数据运算等数字处理工作以及完成智能 化信息处理的功能。将运算结果以 crt 显示或数字显示等多种形式输出给用户， 也可通过数字接口实现与其他计算机的数据交换，或通过网络进行远程交换。 轴瓦的圆度测量仪 5 图 2-2 数据处理系统组成 数据处理的通用系统可以分为数据输入(获取)设备、数据处理设备(硬件、 软件)和数据输出设备。用于数据处理的通用系统的组成部件如图 2-2 所示。 首先被测物成为采集系统的目标物，传感器获取被测目标的信号，并转换为 电信号传送给数据采集卡，数据采集卡将信号转换成数字信号，然后，把数字信 号送入数据处理器，数据处理器使用依据各种数据处理算法编制的程序对数据信 号进行处理、形状拟合、形态学分析，得到最终的测量结果，如尺寸、角度、个 数、坐标，从而根据测量结果实现最终的检测目的。 2 22 2 曲轴圆度自动检测系统曲轴圆度自动检测系统 曲轴圆度自动检测系统的测量模型如图 2-3 所示，主要由数据采集、数据处 理和图形显示三部分组成。首先，被测工件内放置数据采集装置实现对被测工件 的信号获取，信号从传感器元件传送到数据控制器，控制器对原始的数据信号进 行预处理。控制器输出的数字信号输计算机数据采集卡，完成数据采集。然后， 计算机通过测量软件实现对曲轴孔圆度计算、图形显示及测量结果统计等操作。 图 2-3 曲轴测量原理图 2.32.3 数字显示电路设计数字显示电路设计 有上述工作原理，我画出来该系统的框图。设计总体框图如图 2-4 所示。 河南机电高等专科学校毕业论文 6 图2-4 总体设计框图 2.42.4 显示部分显示部分 对于 led 显示有以下两种方案： 静态显示，将一帧图像中的每一个二极管的状态分别用 0 和 1 表示,若为 0 ,则 表示 led 无电流,即暗状态;若为 1 则表示二极管被点亮。若给每一个发光二极 管一个驱动电路,一幅画面输入以后,所有 l ed 的状态保持到下一幅画。对于静 态显示方式,所需的译码驱动装置很多,引线多而复杂,成本高,且可靠性也较低。 动态显示，对一幅画面进行分割,对组成画面的各部分分别显示,是动态显示 方式。动态显示方式,可以避免静态显示的问题。但设计上如果处理不当,易造成 亮度低,闪烁问题。因此合理的设计既应保证驱动电路易实现,又要保证显示稳定,无 闪烁。动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示方式, 复用的程度不是无限增 加的, 因为利用动态扫描显示使我们看到一幅稳定画面的实质是利用了人眼的暂 留效应和发光二极管发光时间的长短, 发光的亮度等因素。通过实验发现, 当扫 描刷新频率(发光二极管的停闪频率) 为 50hz, 发光二极管导通时间1m s 时, 显示亮度较好, 无闪烁感。 相敏检波 a/d 转换 单片机ch452 芯片 数码管 键盘 时钟/复 位电路 轴瓦的圆度测量仪 7 2.62.6 电源模块选择电源模块选择 采用干电池作为 led 显示系统的电源，由于 led 系统耗电量较大，使用干电 池需经常换电池，不符合节约型社会的要求。显示系统有时要悬挂在墙上，电池 总量大，使用会有较大安全隐患。 采用一片 lm7805 三端稳压器，耗电电流为 100ma 左右的电源作为系统电源， 不仅功率上可以满足系统需要，不需要更换电源，并且比较轻便，使用更加安全 可靠。 基于以上分析，我决定采用采用 lm7805 三端稳压器电源作为系统电源。 2.72.7 工作原理工作原理 当检测后的信号输出到数字显示电路后，先经相敏检波电路进行检波，检波 后，再进行 ad 转换，然后再输入到单片机进行数据处理。之后经单片机对 ch452 进行控制。经 ch452 对键盘和数码管进行驱动。本实验设计了 3 位数码管的显示 电路，只要接地址输出相应的的数据，就可以实现对显示器的控制。显示共 3 位， 采用动态显示。 由于静态显示方式,所需的译码驱动装置很多,引线多而复杂,成本高,且可靠 性也较低。而动态显示可以避免静态显示的问题，只是在设计时应注意合理的 设计既应保证驱动电路易实现,又要保证图像稳定,无闪烁。且动态显示易于制 作和理解，又能巩固所学知识，达到毕业设计的目标。我采用动态显示。 2.5 驱动电路的选择驱动电路的选择 驱动电路的选择采取并口输入，占用大量 i/o 口资源。选取串口输入， i/o 口资源使用较少。所以我选用串口输入。 电路中行方向由 at89c51 的 p0 口和 p2 口完成扫描，由于 p0 口没有上拉 电阻，因此接一个 4.7k*8 的排阻上拉。为提供负载能力，接 16 个 2n5551 的 npn 三极管驱动。列方向则由 416 译码器 74ls154 完成扫描，它由 89c51 的 p1.0-p1.3 控制。同样，驱动部分则是 16 个 2n5401 的三极管完成的。 采用干电池作为 led 显示系统的电源，由于 led 系统耗电量较大，使用 干电池需经常换电池，不符合节约型社会的要求。显示系统有时要悬挂在墙上， 电池总量大，使用会有较大安全隐患。 采用一片 lm7805 三端稳压器，耗电电流为 100ma 左右的电源作为系统 电源，不仅功率上可以满足系统需要，不需要更换电源，并且比较轻便，使用 更加安全可靠。 基于以上分析，我决定采用采用 lm7805 三端稳压器电源作为系统电源。 河南机电高等专科学校毕业论文 8 第第 3 3 章章 系统硬件设计系统硬件设计 3.13.1 二级管相敏检波电路二级管相敏检波电路 二级管相敏检波电路（如图 3-1 所示）容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。 图 3-1 二极管相敏检波电路 通过多次移动衔铁可以总结出以下结论： 衔铁在中间位置时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载 rl 上 的输出电压始终为 0。 衔铁在零位以上移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载 rl 上得到的输出电压始终为正。 衔铁在零位以下移动时，无论参考电压是正半周还是负半周，在负载 rl 上得到的输出电压始终为负。 经过相敏检波电路后，正位移输出正电压， 负位移输出负电压。差动变压 器的输出经过相敏检波以后，特性曲线由图 3-2 的（a）变成（b），残存电压自 动消失。 （a） (b) 图 3-2 相敏检波前后的输出特性曲线 轴瓦的圆度测量仪 9 3.23.2 ad574aad574a 转换器转换器 ad574a 是美国模拟数字公司（analog）推出的单片高速 12 位逐次比较型 a/d 转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗 低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻 容件即可构成一个完整的 a/d 转换器，内部结构框图如图 3-3 所示。其主要功能 特性如下： （1） 分辨率：12 位 （2） 非线性误差：小于1/2lbs 或1lbs （3）转换速率：25us （4）模拟电压输入范围：010v 和 020v，05v 和 010v 两档 四种 （5）电源电压：15v 和 5v 数据输出格式：12 位/8 位芯片 （6）工作模式：全速工作模式和单一工作模式 图 3-3 a/d 转换内部结构框图 3.2.13.2.1 ad574aad574a 的引脚说明及接口电路的引脚说明及接口电路 1. ad574a 的引脚说明（如图 3-4 所示）： 河南机电高等专科学校毕业论文 10 图 3-4 ad574 的引脚图 1. pin1(+v)+5v 电源输入端。 2. pin2数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是 12 位或 8 位输出。 3. pin3片选端。 4. pin4(a0)字节地址短周期控制端。与 端用来控制启动转换的方式和数 据输出格式。须注意的是， 端 ttl 电平不能直接+5v 或 0v 连接。 5. pin5读转换数据控制端。 6. pin6(ce)使能端。 7. pin7(v+)正电源输入端，输入+15v 电源。 8. pin8(ref out)10v 基准电源电压输出端。 9. pin9(agnd)模拟地端。 10. pin10(ref in)基准电源电压输入端。 11. pin(v-)负电源输入端，输入-15v 电源。 12. pin1(v+)正电源输入端，输入+15v 电源。 13. pin13(10v in)10v 量程模拟电压输入端。 14. pin14(20v in)20v 量程模拟电压输入端。 15. pin15(dgnd)数字地端。 16. pin16pin27(db0db11)12 条数据总线。通过这 12 条数据总线向外 轴瓦的圆度测量仪 11 输出 a/d 转换数据。 17. pin28(sts)工作状态指示信号端，当 sts=1 时，表示转换器正处于转 换状态，当 sts=0 时，声明 a/d 转换结束，通过此信号可以判别 a/d 转换器的工 作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。 2. ad574a 的接口电路 图 3-5 是 at89c51 单片机与 ad574a 的接口电路，其中还使用了三态锁存器 74ls373 和 74ls00 与非门电路，逻辑控制信号由( 、和 a0) 有 at89c51 的数据口 p0 发出，并由三态锁存器 74ls373 锁存到输出端 q0、q1 和 q2 上，用于控制 ad574a 的工作过程。ad 转换器的数据输出也通过 p0 数据 总线连至 at89c51，由于我们只使用了 8 位数据口，12 位数据分两次读进 at89c51，所以接地。当 at89c51 的 p3.0 查询到 sts 端转换结束信号后，先将 转换后的 12 位 a/d 数据的高 8 位读进 at89c51，然后再将低 4 位读进 at89c51。这里不管 ad574a 是处在启动、转换和输出结果，使能端 ce 都必须为 1，因此将 at89c51 的写控制线和读控制线通过与非门 74ls00 与 ad574a 的使能 端 ce 相连。 图 3-5 ad574a 的接口电路 3.33.3 at89c51at89c51 芯片介绍芯片介绍 at89c51 是一种带 4 kb 闪烁可编程可擦除只读存储器(falsh programmable and erasable read onlymemory，fperom)的低电压、高性能 cmos 型 8 位微处理 器，俗称单片机。该器件采用 atmel 公司高密度非易失存储器制造技术制造，与 河南机电高等专科学校毕业论文 12 工业标准的 mcs-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 cpu 和闪烁存 储器组合在单个芯片中，能够进行 1 000 次写擦循环，数据保留时间为 10 年。 他是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方 案。因此，在智能化电子设计与制作过程中经常用到 at89c51 芯片。其主要参数 及引脚图及其功能如图 3-6 所示。 主要性能参数： 1与 mcs-51 产品指令系统完全兼容 24k 字节可重擦写 flash 闪速存储器 31000 次擦写周期 4全静态操作：0hz24mhz 5三级加密程序存储器 6128*8 字节内部 ram 732 个可编程 i /o 口线 8低功耗空闲和掉电模式 96 个中断源 图 3-6 at89c51 单片机引脚图 at89c51 是一个低电压，高性能 cmos 8 位单片机，片内含 4kbytes 的可反复 擦写的只读程序存储器（eprom）和 128 bytes 的随机存取数据存储器（ram）， 器件采用 atmel 公司的高密度、非易失存储技术生产，兼容标准 mcs-51 指令系 统，片内置通用 8 位中央处理器和 flash 存储器单元，内置功能强大的微型计算 轴瓦的圆度测量仪 13 机的 at89c51 提供了高性价比的解决方案。 at89c51 是一个低功耗高性能单片机，40 个引脚，32 个外部双向输入/输出 （i/o）端口，同时内含 2 个外中断口，2 个 16 位可编程定时计数器，2 个全双 工串行通信口，at89c51 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通 用的微处理器和 flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 flash 存储器可 有效地降低开发成本。 管脚说明： vcc:供电电压。 gnd：接地。 p0 口：p0 口为一个 8 位漏极开路双向 1/0 口，每脚可吸收 8ttl 门流。当 p1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。p0 能够用于外部程序数据存储器， 它可以被定义为数据/地址的第八位。在 flash 编程时,p0 口作为原码输入口,当 flash 进行校验时,p0 输出原码,此时 p0 外部必须被拉高. p1 口:p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口,p1 口缓冲器能接出 4tttl 门电流.p1 口管脚写入 1 后,被内部上拉为高,可用作输入,p1 口被外部下拉 为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故.在 flash 编程和校验时,p1 口 作为第八位地址接收。 p2 口:p2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口,p2 口缓冲器可接收,输出 4 个 ttl 门电流,当 p2 口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。 并因此作为输入时，p2 口管脚被外部拉底，将输出电流。这是由于内部上拉的缘 故。p2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，p2 口 输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位 地址数据存储器进行读写时，p2 口输出其特殊功能寄存器的内容。p2 口在 flash 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3 口：p3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 i/o 口，可接收输出 4 个 ttl 门电流。当 p3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输 入，由于外部下拉为低电平，p3 口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3 口也可作为 at89c51 的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚备选功能 p3.0 rxd （串行输入口） p3.1 txd （串行输出口） p3.2 /int0 (外部中断 0 ) p3.3 /int1 （外部中断 1） p3.4 t0 （记时器 0 外部输入） p3.5 t1 （记时器 1 外部输入） 河南机电高等专科学校毕业论文 14 p3.6 /wr （外部数据存储器写选通） p3.7 /rd （外部数据存储器读选通） p3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 rst 脚两个机器周期的高电 平时间。 ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的 地位字节。在 flash 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale 端以不 变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用做对外 部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用做外部存储器时，将跳 过一个 ale 脉冲。如想禁止 ale 的输出可在 sfr8eh 地址上置 0。此时，ale 只有 在执行 movx，movc 指令是 ale 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处 理器在外部执行状态 ale 禁止，置位无效。 /psen:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机 器周期两次/psen 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen 信号 将不出现。 /ea/vpp：当/ea 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/ea 将内部锁定为 reset：当/ea 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 flash 编程期间，此引 脚也用于施加 12v 编程电源（vpp）。 xtal1： 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2： 来自反向振荡器的输出。 3.43.4 时钟电路时钟电路 由 at89c51 的 18，19 脚的时钟端(xtall 及 xtal2)以及 12 mhz 晶振 x1、电 容 c2，c3 组成，采用片内振荡方式如图 3-7 所示。 轴瓦的圆度测量仪 15 图 3-7 时钟电路 3.53.5 复位电路复位电路 复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后， 撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以 防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。 采用简易的上电复位电路，主要由电阻 r1，r2，电容 c1，开关 k1 组成，分 别接至 at89c51 的 rst 复位输入端如图 3-8 所示。 图 3-8 复位电路图 3.63.6 程序及数据存储器设定程序及数据存储器设定 因为单片机内部数据存储器6只有 128 byte，非常有限，运行大一点的程 序就显得捉襟见肘，而且程序存储器空间也只有 4k，大一点的程序就存储不下， 尤其是在存储汉字点阵信息的时候，每个汉字 32byte，100 个汉字就到了 3.2kb，程序也只有不到 1kb 的容量了。 在这时候必须外接存储器来扩展，那单 片机怎么知道我们当前使用的是内部程序存储器还是外部程序存储器呢？所以就 需要设定单片机是使用外部程序存储器还是内部程序存储器，89c51 把 31 脚设定 为此功能，如果把 31 脚接地，则采用外部程序存储器，如果把 31 脚接 vcc，则 默认采用内部程序存储器。我们暂时只是显示几十个汉字研究原理，所以仅仅用 内部存储器就足够了，所以把 31 脚接高电位，就仅仅使用内部的 4k 程序存储空 间。如（图 3-9）所示。但是在现实大屏幕显示应用中，一般要扩展 rom，比如 24c08（8k 的 e2prom），因为大量的数据是有电脑传送过来的，每个单片机只是 负责自己控制的一行字符，这些数据是要随时更新的，采用 rom 可以随时更新内 容，而且一般的显示程序优化以后的代码 4k 也够用了。 河南机电高等专科学校毕业论文 16 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 int0 12 int1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 ale /p 30 txd 11 rxd 10 u7 89c51 +5 jz 24mh z c330p c230p c1 10u +5 r2 sw2 r1 10k 图 3-9 89c51 的基本外部电路 3.73.7 键盘接口概述键盘接口概述 1按键开关去抖动问题 机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时 间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。其抖动过程如图 3-10 所示，抖动 时间的长短与开关的机械特性有关，一般为 510 ms。 图 3-10 （a）键输入和(b)键抖动 在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错，即按键一次按 下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触 点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施。这一点可从硬件、软件两方 轴瓦的圆度测量仪 17 面予以考虑。在键数较少时，可采用硬件去抖，而当键数较多时，采用软件去抖。 在硬件上可采用在键输出端加 r-s 触发器(双稳态触发器)或单稳态触发器构成去 抖动电路。图 3-11 是一种由 r-s 触发器构成的去抖动电路，当触发器一旦翻转， 触点抖动不会对其产生任何影响。 图 3-11（a）双稳态消抖电路和(b) 单稳态消抖电路 软件上采取的措施是：在检测到有按键按下时，执行一个 10 ms 左右（具体 时间应视所使用的按键进行调整）的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭 合状态电平，若仍保持闭合状态电平，则确认该键处于闭合状态。同理，在检测 到该键释放后，也应采用相同的步骤进行确认，从而可消除抖动的影响。 2. 一个完善的键盘控制程序应具备以下功能： (1) 检测有无按键按下，并采取硬件或软件措施，消除键盘按键机械触点抖 动的影响。 (2) 有可靠的逻辑处理办法。每次只处理一个按键，其间对任何按键的操作 对系统不产生影响，且无论一次按键时间有多长，系统仅执行一次按键功能程序。 (3) 准确输出按键值（或键号），以满足跳转指令要求。 3.7.13.7.1 独立式按键独立式按键 单片机控制系统中，往往只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。 1. 独立式按键结构 独立式按键是直接用 i/o 口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独 占用一根 i/o 口线，每个按键的工作不会影响其它 i/o 口线的状态。独立式按键 电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根 i/o 口线，因此，在按 键较多时，i/o 口线浪费较大，不宜采用。 2. 矩阵式键盘 i/o 端线分为行线和列线，按键跨接在行线和列线上，按键按下时，行线与 列线发生短路。 河南机电高等专科学校毕业论文 18 特点： （1）占用 i/o 端线较少。 （2）软件结构教复杂。 3. 键盘扫描控制方式 （1）程序控制扫描方式 键处理程序固定在主程序的某个程序段。 特点：对 cpu 工作影响小，但应考虑键盘处理程序的运行间隔周期不能太长， 否则会影响对键输入响应的及时性。 （2）定时控制扫描方式 利用定时/计数器每隔一段时间产生定时中断，cpu 响应中断后对键盘进行扫 描。 特点：与程序控制扫描方式的区别是，在扫描间隔时间内，前者用 cpu 工 作程序填充，后者用定时/计数器定时控制。定时控制扫描方式也应考虑定时时 间不能太长，否则会影响对键输入响应的及时性。 （3）中断控制方式 中断控制方式是利用外部中断源，响应键输入信号。 特点：克服了前两种控制方式可能产生的空扫描和不能及时响应键输入的缺 点，既能及时处理键输入，又能提高 cpu 运行效率，但要占用一个宝贵的中断资 源。 3.7.23.7.2 矩阵式键盘及其接口电路矩阵式键盘及其接口电路 1. 矩阵式键盘的结构 矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接 到5v 上（如图 3-12 所示）。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按 下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这 是识别按键是否按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各 按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此， 必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。 轴瓦的圆度测量仪 19 图 3-12 矩阵键盘的结构 2. 矩阵式键盘按键的识别 识别按键的方法很多，其中，最常见的方法是扫描法。下面以图 3-3 中 8 号 键的识别为例来说明扫描法识别按键的过程。 按键按下时，与此键相连的行线与列线导通，行线在无键按下时处在高电平。 显然，如果让所有的列线也处在高电平，那么，按键按下与否不会引起行线电平 的变化，因此，必须使所有列线处在低电平。只有这样，当有键按下时，该键所 在的行电平才会由高电平变为低电平。cpu 根据行电平的变化，便能判定相应的 行有键按下。8 号键按下时，第 2 行一定为低电平。然而，第 2 行为低电平时， 能否肯定是 8 号键按下呢？回答是否定的，因为 9、10、11 号键按下，同样会使 第 2 行为低电平。为进一步确定具体键，不能使所有列线在同一时刻都处在低电 平，可在某一时刻只让一条列线处于低电平，其余列线均处于高电平，另一时刻， 让下一列处在低电平，依此循环，这种依次轮流每次选通一列的工作方式称为键 盘扫描。采用键盘扫描后，再来观察 8 号键按下时的工作过程，当第 0 列处于低 电平时，第 2 行处于低电平，而第 1、2、3 列处于低电平时，第 2 行却处在高电 平，由此可判定按下的键应是第 2 行与第 0 列的交叉点，即 8 号键。 3. 键盘的编码 对于独立式按键键盘，因按键数量少，可根据实际需要灵活编码。对于矩阵 式键盘，按键的位置由行号和列号惟一确定，因此可分别对行号和列号进行二进 制编码，然后将两值合成一个字节，高 4 位是行号，低 4 位是列号。如图 9-15 中的 8 号键，它位于第 2 行，第 0 列，因此，其键盘编码应为 20h。采用上述编 码对于不同行的键离散性较大，不利于散转指令对按键进行处理。因此，可采用 河南机电高等专科学校毕业论文 20 依次排列键号的方式对按排进行编码。以图 7.5 中的 44 键盘为例，可将键号 编码为：01h、02h、03h、0eh、0fh、10h 等 16 个键号。编码相互转换可通 过计算或查表的方法实现。 4.键盘设计 （1）通过分析此数字电路的功能，我们需要设计一个 4x4 键盘如 3-13 所示。 图 3-13 4x4 键盘图 （2）键功能介绍 0-9 用来键输入数字。 功能键进行功能选择，确定键对所选功能进行确定，调零键是对显示器调零。 按键 e0 显示规定差，分别按下 e-、e+依次