圆度误差自动测量仪设计

1、圆度误差自动测量仪设计摘要本文主要介绍了目前的圆度误差检测方法的原理和特点，着重讨论了近年来出现的新型圆度误差检测手段，以及五种圆度误差的算法。其次介绍了系统硬件的选择以及系统原理的设计图（protel），主要包括单片机、传感器、滤波装置、放大电路、程序存储器、静态数据存储器、A/D转换芯片、I/O接口的扩展、报警装置以及键盘和LED显示器接口。最后介绍了软件的流程图，主要包括总体流程图、A/D转换流程图、中断服务流程图、LED显示器流程图以及报警装置流程图。关键词：圆度误差；单片机；传感器；芯片；流程图。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.目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 课题背景11.2 圆度误差检测方法现状与展望11.3 本文主要研究内容42 圆度误差的算法52.1最小二乘圆法52.2最小外接圆法62.3最小区域法72.4最大内切圆法82.5全局寻优算法9

5、3 硬件系统设计93.1 微型计算机硬件系统93.2 硬件的选择103.2.1 微处理器的选择103.2.2 传感器的选择123.2.3 程序存储器EPROM的扩展及芯片选取133.2.4静态数据存储器的扩展及芯片选取143.2.5 I/O扩展及芯片选取153.2.6 A/D转换芯片的选取173.2.7 通讯方式的选择183.2.8 键盘接口及LED显示器接口的设计204 软件的设计214.1 软件总体流程图的设计214.2 A/D转换流程图设计234.3 中断服务流程图设计244.4 LED显示器流程图设计254.5 报警流程图设计26结论26参考文献271 绪论1.1 课题背景圆度误差是机

6、械零件常见的形状误差之一，几何学上圆的定义为：“与一定点等距离的点的轨迹就是圆”，也称真圆或理想圆。但是，在机械零件的加工中，切削出真圆很困难。这是因为，在给定的剖面内，由于切削过程中机床主轴回转不平衡、刀具在切削中与主轴之间的摩擦、切削元件的径向跳动，以及金属撕裂、材料应变和制造过程中的剩余表面应力等，所有这些因素都会引起工件半径的变化，带来圆度误差。圆度误差的存在，直接影响零部件的工作精度(配合精度、旋转精度)和互换性，并将产生摩擦、振动、噪声等，因而降低了它们的使用寿命。因此，准确检测圆度误差对于提高加工精度、保证零部件的工作精度和互换性具有重要的意义。1.2 圆度误差检测方法现状与展望

7、由于在加工过程中机床主轴回转不平衡、刀具与主轴之间的受力、材料应变等诸多因素，回转类零件不可避免地产生圆度误差，直接影响回转类零件的互换性和配合精度，加剧互配件的磨损、震动，降低了其使用性能和寿命。而提高零件圆度误差的前提是及时有效地检测加工零件的圆度误差。圆度误差检测方法的发展经历了从接触式测量到非接触式测量，从离线测量到在线测量，从被动测量到主动测量。具体方法有：基于半径变化量测量的圆度仪、分度头法、与激光技术相结合的激光衍射法、激光三角法；基于坐标测量的三坐标测量机、计算机视觉技术圆度检测法；生产车间普遍使用的两点、三点近似圆度误差检测法；基于图像处理的测量方法；测量技术与虚拟技术结合的

8、虚拟圆度测量仪器；基于误差分离技术的圆度测量法；在线测量法及主动测量法等等。(1)圆度仪圆度仪是圆度检测的权威手段，具有精密的回转轴系，测量精度很高，大多属接触式测量。主要分为转轴式和转台式，分别适于测量尺寸较大和较小的零件。被测零件置于测量台上，调整被测轮廓轴线与圆度仪的回转主轴同轴。测头与被测轮廓接触，并做相对运动形成一理想圆，将实际轮廓与理想圆比较，得到实际轮廓的半径变化量，再通过数据处理算出圆度误差值。影响圆度仪测量精度的主要因素有被测零件在仪器上的安装误差、仪器主轴回转误差、测头安装误差等，滤波器的传输频率、测头半径和测量力等对测量精度也有一定影响。圆度仪的主轴回转精度一般为0.02

9、0.2，对微米级的测量基本可忽略，但对亚微米级测量会有一定影响。Taloround 73UHRP型圆度仪和Mitutoyo圆度仪的主轴回转精度高达0.01，属目前世界最高水平。如在现有硬件水平上加上使用补偿软件，圆度仪的测量精度可提高到纳米级。一方面通过提高主轴回转精度、采用数字滤波技术，加入误差分离方法、提高自动调心功能(调心精度达5)等手段，向高精度高效率的方向发展，并增添谱分析功能，使测量与加工相联系，起到质量控制作用。另一方面向多功能方向发展，除圆度外还可检测圆柱度、同轴度、垂直度、直线度、平面度等。国内有些单位利用圆度仪的高精度回转轴系，改造了早期进口的旧型圆度仪，提高了测量精度和效

10、率。(2)基于分度装置的圆度误差测量方法这是在分度头或分度台等分度装置上通过极坐标方式测量。被测工件置于分度装置上并调整工件轴线尽可能与回转轴线同轴，指示器或传感器测头与被测轮廓最高点接触或对正(用于非接触测量头)后，被测工件由分度装置带动回转，每转过一个设定角度，测量出该测点相对起始测点的半径变化量，得到一系列测量点极坐标值，再按选定圆度误差评定方法通过图解法或计算法确定圆度误差值。该方法受测量点数及回转轴同轴度影响，测量精度不高，适于测量一般精度的零件圆度误差。(3)基于直角坐标的圆度误差检测方法用坐标测量仪器的直角坐标系测量圆度误差，调整放置在仪器工件台上被测零件的轴线位置，使其平行于直

11、角坐标系的竖轴，再测出被测截面轮廓所选测点的坐标，按选定圆度评定方法处理坐标数据，求出圆度误差值。最具代表性的是用三坐标测量机测量圆度误差，如测量方法合理，可达到圆度仪的检测精度。但因不是专门的圆度测量仪器，需确定初始坐标、选择测量点数等，引入了多种人为因素，增加了测量不确定度。由于结构限制，大部分截面不能连续扫描，测量过程烦琐耗时。(4)二点、三点圆度误差测量法该方法属于特征参数测量法，所得到的圆度误差值不符合误差定义，仅为一种近似检测。但由于所用测量设备简单，操作方便，在生产中广泛使用。二点法也叫直径法，测量工具有千分尺、卡尺、弓字尺及指示器或传感器加固定支座等，圆度误差值等于最大最小直径

12、差的一半，仅适用于对偶数棱圆的测量，多用于测量椭圆度。三点法是在两个固定支承和一个可在测量方向上移动的测量头之间的测量，有顶式和鞍式测量两种。顶式测量有对称和非对称之分。所测圆度误差等于最大示值差与反映系数的比值，反映系数是两固定支承的夹角、测头测量角和被测轮廓棱数的函数。单一夹角的三角法会产生一定的谐波抑制，在被测轮廓棱数不确定时可采用两点三点组合法测量圆度误差，以尽可能减少谐波丢失。采用三点法测量时，两固定支承常用V形块代替，因V形块与被测工件是面接触，降低了测量精度。但E Gleason和H Schwenket用球体本身的高精度表面做测量基准，利用三点法原理，实现了球体圆度误差的高精度测

13、量。2新型圆度误差检测方法上述均属常用的圆度误差测量方法，目前出现了以下新型圆度检测手段。(1)基于计算机视觉技术的圆度检测方法该方法的优点是非接触、测量速度快，阅题是受像素值限制，测量精度不离，不适于检测高精度产品；测量精度高时，算法变得复杂，检测实时性降低；受视场限糊，只适合测量小型工件。按摄像方位不同分为基于工件正截面图像的摄取和基于工件轴截面的摄像。前者主要用于检测端面是圆轮廓或圆孔的小工件的圆度，由CCD、PSD等摄取工件正截面的正投影图像，再对图像进行一系列预处理(包括滤波去噪、图像增强等)后，提取出轮廓边缘，最后用一定的圆度评定方法计算圆度误差，不存在回转误差。后者由CCD图像传

14、感器获取轴截面图像，通过滤波去噪、图像加强等处理后提取出轴截面图像的轮廓信息，再用直径法或坐标法算出圆度误差。(2)基于激光技术的圆度误差测量方法此类方法的优点是非接触测量，不损伤工件表面质量，可用于高速在线测量。包括激光衍射法、激光扫描法和激光三角法，都基于半径变化量测量。激光衍射法将被测回转工件装夹在顶尖上并以两顶尖回转轴线作为测量基准，激光通过棱缘与被测工件的狭缝后形成衍射条纹，用接收元件接收衍射条纹的光强信号，通过测量衍射条纹平均间距得到不同测点处狭缝的宽度变量，确定圆度误差值。测量精度约为0.4，属于离线测量。激光扫描法与激光衍射法的系统结构相似，只是接收的信号不同，扫描法接收的是光

15、强信号，折算出相应的半径变化量。激光三角反射法利用光的反射原理来测量工件半径变化量，激光发射点和接收点在工件同一侧，结构简单紧凑。由于光斑尺寸小，还能反映工件的细节信号，在采样频率足够高时，可通过设定不同的滤波频带，同时测量圆度误差和光洁度。前两种方法的局限是接收屏占据空间较大，检测范围受限，尤其是衍射法为提高检测精度，棱缘与被测工件问形成的狭缝要足够小，实际测量时调整不便。激光反射法量程较大，但测量数据受噪声干扰明显，消噪是重点解决问题。(3)虚拟圆度误差测量仪结合测量技术和虚拟技术，将由硬件设备完成的功能由计算机软件来实现，所谓“软件即仪器”。该方法降低了测量成本，信号处理灵活，便于功能扩

16、展，目前基本用于离线测量。(4)基于误差分离技术的圆度测量方法该方法分为多点法和多步法两大类。多点法使用多个传感器，按一定位置分布在被测对象周围同时采集数据，数据处理后，可分离采样数据中的圆度误差与主轴回转误差，得到更准确的圆度误差值，或提取出主轴回转误差。包括两点法、对径法、三点法、四点法等，三点法应用较广，成为机电部标准。为解决误差分离中存在的谐波抑制问题，出现许多改进的多点法误差分离测量法，如角位移传感器三点法、角位移传感器与线位移传感器混合法等。多步法也称转位法，即被测工件或回转轴相对测头一次或多次转过设定角度后分别测量，再通过数据处理，分离主轴回转误差。包括反向法、改进反向法、两步法

17、、多步法及在多步法基础上提出的全谐波误差分离方法。多步法可通过采用频域解法或时域解法先行提取圆度误差或得到主轴回转误差。针对谐波抑制问题，有学者研究出联合多步测量法，可实现在属于形状误差的频带内基本无谐波抑制。多步法需多次重新定位，操作烦琐，适用于主轴回转精度圆度检测设备的误差分离，比较适合在线检测，但多测头的安装精度及和传感器的谐调性也会影响测量精度。(5)圆度误差在线主动检测在线主动测量是在机床上或加工过程中进行的测量，结果实时反馈给机床控制系统，及时调整加工动作。主动测量仪是一种在线主动测量装置，由测量装置、驱动装置和控制仪组成，与机床控制系统组合成磨削过程主动测星控制系统。新型主动测量

18、仪可利用半径变量测量法测得圆度误差，并可图像显示误差频谱图。与传统圆度仪相比，检测效率高，可通过实时显示监控各工艺因素，反映机床运行状况，显示圆度波峰数。圆度误差的在线主动测量借助机床主轴作为回转轴，必须分离主轴回转误差，以减少主轴回转误差对测量精度的影响。(6)其它圆度误差检测方法Stanislaw Adamczak等根据磨擦生热原理，采用红外线技术测量运动中配合件外表面温度分布来评定工件圆度误差、波纹度误差等，属于破坏性检测，主要用于反应工件工作中的使用状态。EricMarsh等提出，如采用误差分离技术将轴向和径向的主轴回转误差从圆度误差中分离出来，可实现在任一角度上对球体高精度圆度测量。

19、Marcin Bauza等将轮廓仪用到圆度误差检测中，提出了一种实时接触式的高频圆度误差在线检测方法，精度优于05，测量时间不超过1s，但受测量台及测量头尺寸限制，只能测量小型工件。Mu ChenChen提出用机器视觉的方法来检测非连续圆轮廓工件的圆度误差。随着科技发展，圆度检测设备在硬件上会达到更高的精度等级，结合系统软件开发和误差分离技术，可实现纳米级的圆度检测，满足高精度的检测需求。非接触检测手段可实现符合精度要求的特种材料产品无损圆度误差测量。通过开发简单、快捷、满足精度要求的实时检测系统，提高主动检测能力，保证产品质量，减少误收误废率，可提升企业竞争力。同时，还应研究大型圆柱工件和微

20、小尺度工件形位误差的检测方法，以及跨尺度检测。1.3 本文主要研究内容本课题研究圆度误差自动测量仪设计,以实现零件外圆表面圆度误差的在线测量、显示误差数据并报警及数据的在线上传。主要包括元件选择、硬件系统设计、系统原理图设计、软件流程图设计。2 圆度误差的算法2.1最小二乘圆法如图21所示，最小二乘圆是实际轮廓上各点到该圆的距离的平方和为最小的圆。以被测实际轮廓的虽小二乘圆作为理想圆，其最小二乘圆圆心至轮廓的最大距离与最小距离之差即为圆度误差。图 2-1 最小二乘圆法如图21所示为用直角坐标和表示的极坐标图，坐标原点为；设最小二乘方圆的中心为O，其直角坐标为(、)；半径为R，由几何关系和公式推

21、导可得：(i=1,2,3,n) 式中，被测实际轮廓上各点至坐标原点的距离。被测实际轮廓上各点至最小二乘圆圆心的距离为：在编制程序时，首先利用对话方式输入采样点数n，基本半径，读数。，计算出被测实际轮廓上各点至测量中心即坐标原点的距离： (i=1,2,3,n)代人公式，即可分别计算出。、以及的值，最后利用排序的方法找出中的最大值。与最小值，则根据定义，最小二乘法的圆度误差为：2.2最小外接圆法最小外接圆法主要用来评定外表面的圆度误差，并用最小外接圆尺寸来确定其配合性质。为保证最小外接圆尺寸准确，调整传感器时，必须用一标准尺寸心轴调整传感器。它是以与实际轮廓相接触的最小外接圆作为圆度误差的评定基准

22、，其圆度误差值为外接圆半径R与实际轮廓上各点至最小外接圆中心的最小半径之差，即 。判别晟小外接圆的准则有两个： 外接圆与误差曲线有三点接触(简称符合三角形准则)，如图2-2(a)所示。 外接圆与误差曲线上两点接触，且两点连线通过圆心(简称符合直线准则)。如图2-2(b)所示。 (a) (b)图 2-2最小外接圆法首先用直线准则判定。并在最小二乘法基础上，求出各的点中的峰值点及的峰谷点，如图2所示 再从峰值点中求该点与其相差间各点的弦长： 用排序法求出，并验算是否为，若为，则虽小外接圆半径为：其圆心坐标为：若不为，则求各点至此心的距离。其中必有一个点的距离为最大且大于，则以此点及最大弦长两点构成

23、的三点作一个圆。若此圆将各点包容在内，则此圆为最小外接圆。该圆的方程根据解析几何可联立方程： (1) (2) (3)将、 式联解并整理得：(4） (5) (6)然后，找出实际轮廓上各点至最小外接圆中心的最小距离，则最小外接圆法圆度误差：2.3最小区域法在求出最小外接圆的基础上，判断点在外接圆三个点的12、23或31区间中的某一个区间内，在另外两个区间内的各点找另一个点，这两个谷点与三个峰点，可以构成两个按峰-谷-峰-谷或谷-峰-谷-蜂的组合，每个组合分别用两峰、两谷构成两个同心圆其中必有一组同心圆满足最小条件。四点求圆心坐标的公式如下所示。先设两峰点坐标为、，两谷点为 、。分别求出两组圆心，验

24、算哪一个满足最小条件，最小区域法圆度误差()为：2.4最大内切圆法最大内切圆法可用于评定内表面的圆度误差，它是以与实际轮廓相接触的最大内接圆作为圆度误差的评定基准，并用最大内切圆尺寸来确定配合性质。为保证其尺寸之准确，传感器需用标准环规调整，内孔圆度测量已不能在分度头上进行，只能在分度台上进行。其圆度误差值为实际轮廓上各点至最大内切圆中心的最大半径与最小半径之差，即：判别最大内切圆的准则有两个： 内切圆与误差曲线上三点接触，且圆心落在三个接触点形成的三角形内(筒称符合三角形准则)，如图2-3(a)所示。(a) (b)图 2-3 最大内切圆法 内切圆与误差曲线上两点接触且圆心在该条直线上(简称符

25、合直线准则)，如图2-3(b)所示。求内孔的最大内切圆圆度误差时，先求最小二乘法圆心和圆度误差及最小外接圆圆心，进而求出最小区域法圆度误差。若两个正好过圆心的直径上，则=，否则必有一谷点离最小区域法圆度误差的圆的距离为最小，刚以此谷点与满足最小区域法的两个谷点构成三点定一圆，此圆即为最大内切圆，再计算各峰点至此圆心距离，其中必有一最大距离存在，则（求圆心公式见46式）。2.5全局寻优算法为了克服传统迭代算法易陷入局部最优的缺点，研究人员在计算圆度误差时引入了全局最优化方法。遗传算法(Genetic Algorithm ，GA)是基于自然选择和基因遗传学原理的搜索方法。它首先将寻优变量按照一定规

26、则转换为串结构，然后将达尔文的“适者生存”理论引入了串结构，并且在串之问进行有组织但又随机的信息交换。伴随着算法的进行，优良的品质被逐渐保留并加以组合，从而不断产生更佳的个体。GA是从多个初始点并行操作，可以有效的防止搜索过程陷入局部最优解 。由于GA鲁棒性强，能够有效地解决复杂的非线性最优化问题，因此已有学者将GA应用到了圆度误差的求解过程中。基于遗传算法的圆度误差评价利用GA对圆度误差进行了最小二乘法检测，克服了传统圆度最小二乘法评价的局部收敛问题；仿真结果表明GA可在全局范围内有效地评价圆度误差。粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization ，PSO)是由Ken

27、nedy 和Eberhart于1995年提出的。PSO优化算法与GA相似，也是一种基于群体的优化算法，尽管与GA相比PSO算法缺乏系统的理论分析方法和深厚的数学基础，并且还存在许多不完善和未涉及到的问题，但PSO结构简单、易于实现。也有学者尝试性的将其应用在圆度误差的计算。粒子群优化算法及其在圆度误差评定中的应用提出一种基于PSO的圆度误差评定方法；实例证明该方法能够很好地解决圆度误差评定问题，与遗传算法具有相当的计算精度，能够获得精度较高的结果。3 硬件系统设计3.1 微型计算机硬件系统计算机硬件体系结构由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部件组成。计算机硬件系统以运算器为核心，

28、输入、输出设备与存储器之间的数据传送都要经过运算器。运算器、存储器、输入、输出设备的操作以及它们之间的联系都由控制器集中控制。以运算器为中心的计算机系统组成框图如图3-1所示。图3-1 以运算器为中心的计算机框图控制流数据流控制器运算器（ALU）输入设备输出设备存储器3.2 硬件的选择3.2.1 微处理器的选择单片微型计算机简称单片机，是一种集成在电路芯片；是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机；是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器

29、等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。微处理器已经

30、无处不在，无论是录像机、智能洗衣机、移动电话等家电产品，还是汽车引擎控制，以及数控机床、导弹精确制导等都要嵌入各类不同的微处理器。微处理器不仅是微型计算机的核心部件，也是各种数字化智能设备的关键部件。国际上的超高速巨型计算机、大型计算机等高端计算系统也都采用大量的通用高性能微处理器建造。而且微处理器的种类也是多种多样的，本文选用的是AT89C51单片机。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节

31、闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的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，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机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。外形及引脚排列如图3-2所示。(a) (b)图3-2 单片机外形及引脚排列主要特性与MCS-51 兼容4K字节可编程FLASH存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz24MHz三级程序

32、存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路3.2.2 传感器的选择电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面距离。它是一种非接触的线性化计量工具。电涡流传感器能准确测量被测体（必须是金属导体）与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。在高速旋转机械和往复式运动机械状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高

33、等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。被测体对电涡流传感器特性的影响1、被测体材料对传感器的影响传感器特性与被测体的电导率、磁导率有关，当被测体为导磁材料（如普通钢、结构钢等）时，由于涡流效应和磁效应同时存在，磁效应反作用于涡流效应，使得涡流效应减弱，即传感器的灵敏度降低。而当被测体为弱导磁材料（如铜，铝，合金钢等）时，由于磁效应弱，相对来说涡流效应要强，因此传感器感应灵敏度要高。2、被测体表面平整度对传感器的影响不规则的被测体表面，会给实际的测量带来附加误差，因此对被测体表面应该平整光滑，不应存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。一般要求，对于振动测量的被测表面粗糙度要求

34、在0.4um0.8um之间；对于位移测量被测表面粗糙度要求在0.4um1.6um之间。3、被体表面磁效应对传感器的影响电涡流效应主要集中在被测体表面，如果由于加工过程中形成残磁效应，以及淬火不均匀、硬度不均匀、金相组织不均匀、结晶结构不均匀等都会影响传感器特性。在进行振动测量时，如果被测体表面残磁效应过大，会出现测量波形发生畸变。4、被测体表面镀层对传感器的影响被测体表面的镀层对传感器的影响相当于改变了被测体材料，视其镀层的材质、厚薄，传感器的灵敏度会略有变化。5、被测体表面尺寸对传感器的影响由于探头线圈产生的磁场范围是一定的，而被测体表面形成的涡流场也是一定的。这样就对被测体表面大小有一定要

35、求。通常，当被测体表面为平面时，以正对探头中心线的点为中心，被测面直径应大于探头头部直径的1.5倍以上；当被测体为圆轴且探头中心线与轴心线正交时，一般要求被测轴直径为探头头部直径的3倍以上，否则传感器的灵敏度会下降，被测体表面越小，灵敏度下降越多。实验测试，当被测体表面大小与探头头部直径相同，其灵敏度会下降到72%左右。被测体的厚度也会影响测量结果。被测体中电涡流场作用的深度由频率、材料导电率、导磁率决定。因此如果被测体太薄，将会造成电涡流作用不够，使传感器灵敏度下降，一般要求厚度大于0.1mm以上的钢等导磁材料及厚度大于0.05mm以上的铜、铝等弱导磁材料，则灵敏度不会受其厚度的影响。YD9

36、800系列电涡流位移传感器能测量被测体(必须是金属导体)与探头端面的相对位置。由于其非接触测量、长期工作可靠性高、灵敏度高、抗干扰能力强、响应速度快、不受油水等介质的影响，常被用于对大型旋转机械的轴位移、轴振动、轴转速等参数进行长期实时监测，可以分析出设备的工作状况和故障原因，有效地对设备进行保护及进行预测性维修。可测量位移、振幅、转速、尺寸、厚度、表面不平度等。从转子动力学、轴承学的理论上分析，大型旋转机械的运行状态主要取决于其核心转轴，而电涡流位移传感器能直接测量转轴的状态，测量结果可靠、可信。故在本文中选用DW41-YD9808型电涡流位移传感器。此外YD9800系列电涡流位移传感器“线

37、圈最佳温度稳定性参数匹配”技术保证良好的探头温度稳定性；采用新型PPS工程塑料通过“二次注塑”工艺，保证良好的探头密封性、尺寸稳定性和互换性，工作温度范围扩展到-50+175；“变形联接”工艺组合，更高探头强度、可靠性；“深度负反馈稳定谐振回路”技术，使前置器稳定性达到(0.05%/,0.02%/年)；按美国军用规范设计生产，前置器可在-50+105环境下长期连续工作；前置器电路采用容错设计，保证任意接线错误不会损坏；前置器采用最新电子技术，功耗低于12mA；前置器壳体采用压铸工艺、高频插座内凹及接线端子镶嵌保护、工程塑料隔离绝缘等结构，使前置器更加坚固、安装使用更加方便；先进的电涡流位移传感

38、器相频特性的测试和控制方法，使JX20系列产品在动态特性方面处于国际领先水平。3.2.3 程序存储器EPROM的扩展及芯片选取程序存储器一般采用只读存储器，因为这种存储器在电源关断后，仍能保持程序（我们称此特性为非易失性的）在系统上电后，CPU可以取出这些指令予以重新执行。只读存储器简称为ROM（Read Only Memory）。ROM总的信息一旦被写入之后，就不能随意更改，特别是不能在程序运行的过程中写入新的内容，故称之为只读存储器。向ROM中写入信息叫做ROM编程。根据编程的方式不同，ROM分为以下几种:掩膜ROM、可编程ROM、EPROM、E2PROM、FlashROM。程序存储器扩展

39、可以根据需要使用上述的各种只读存储器的芯片。在本文中选用27512EPROM芯片，型号“27”后面的数字表示其存储器容量的大小。如果换成字节容量只需要将该数字除以8就可以了。图 3-3 27512与AT89C51接口的信号线连接图27512与AT89C51接口的信号线连接部分如图3-3所示。其地址为：0000HoFFFFH3.2.4静态数据存储器的扩展及芯片选取MCS-51单片机的内部有128个字节RAM。在实际的应用中，仅靠片内RAM往往是不够用的，必须扩展外部数据存储器。常用的数据存储器有静态存储器（SRAM）和动态存储器（DRAM），在单片机应用系统中，外扩展的数据存储器都采用静态存储器

40、。所扩展的数据存储器空间地址，有P2口提供高8位地址，P0分别提供低8位地址和用作8位的双向数据总线。片外数据存储器RAM的读写由单片机的RD和WR信号控制，而片外程序存储器EPROM的输出允许端由读选通信号控制。尽管与EPROM共处同一地址空间，但是由于控制信号的不同，所以不会发生总线冲突。单片机系统中常用的SRAM芯片的典型型号有：6116、6264、62128、62256等。它们都用单一+5V电源供电，双列直插封装。在本文中选用62256 SRSM。图 3-4 62256与AT89C51接口的信号线连接图62256是32K的低功耗静态RAM存储器，用P0和P2来扩展外部RAM（就是用P0

41、和P2与62256对应的管脚相连接），假设P2.7接WR，P2.6接RD，P2.5接CS，那么就可以确定一个外部RAM的一个地址，想往外部RAM的一个地址写一个字节时，地址可以定义XBYTE0x4000，其中WR、CS为低，RD为高，那就是到位的4（0100也就是P2.7和P2.5输出了低电平，而P2.6输出了高电平，目的当然是要选通62256并且向62256写入数据），其它位的可以根据情况自己定。MCS-51单片机系统扩展时，一般使用P0口作为低8位，而P2口作为高8位，它共有16根地址总线，寻址空间为64K。62256引脚功能：A0-A14 地址总线D0-D7 输入/输出口CS 端口选择W

42、E 输入始能端OE 输出始能端VCC 电源使能端VSS 接地62256与AT89C51接口的信号线连接部分如图3-4所示。其地址为：0000H7FFFH3.2.5 I/O扩展及芯片选取在I/O扩展中本文中选用可编程并行接口芯片8255进行扩展。8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。 其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接

43、的接口A、B、C口。由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。特性：(1)一个并行输入/输出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作为CPU总线与外围的接口；(2)具有24个可编程设置的I/O口,即3组8位的I/O口为PA口,PB口和PC口.它们又可分为两组12位的I/O口,A组包括A口及C口(高4位,PC4PC7),B组包括B口及C口(低4位,PC0PC3).A组可设置为基本的I/O口,闪控(STROBE)的I/O闪控式,双向I/O3种模式;B组只能设置为基本I/O或闪控式I/O两种模式,而这些操作模式完全由控制

44、寄存器的控制字决定。引脚功能：RESET:复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。CS:芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0时,表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯;/CS=1时,8255无法与CPU做数据传输。RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/RD=0且/CS=0时,允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时,即/WR=0且/CS=0时,允许CPU将数据或控制字写入8255。D0D7:三态双向数据总线，8

45、255与CPU数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。PA0PA7:端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入锁存器。PB0PB7:端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器， 一个8位的输入输出缓冲器。PC0PC7:端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口， 每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。图 3-5 8255与AT89C51接口的信号

46、线连接图A1,A0:地址选择线,用来选择8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器。当A1=0,A0=0时,PA口被选择；当A1=0,A0=1时,PB口被选择；当A1=1,A0=0时,PC口被选择；当A1=1.A0=1时,控制寄存器被选择。8255与AT89C51接口的信号线连接部分如图3-5所示。地址8000为选择PA口；地址8001为选择PB口；地址8002为选择PC口；地址8003为选择控制寄存器。3.2.6 A/D转换芯片的选取测控系统离不开模拟量与数字量的互相转换，因此，模/数与数/模转换也就成了测控系统的重要内容。其中模/数转换是把模拟量转换为数字量，用A/D表示；反之，数/模转

47、换则是把数字量转换为模拟量，用D/A表示。AD转换与DA转换在测控系统中形成了两个模拟量通道，即模拟输入通道和模拟输出通道。测控包含“测”与“控”两个过程。所谓“测”就是实时采集被控对象的物理参量，诸如温度、压力、流量、速度、位移和转速等。这些参量通常都是模拟量，即连续变化的物理量。这里的“连续”具有双重含义：意识时间意义上的连续，即量值随时间连续变化：而是数值意义上的连续，即量值本身连续变化。模拟量不能直接送给单片机，必须通过模/数转换器把他们转换成数字量，才能送入单片机进行存储和处理。所谓“控”就是把采集的数据经单片机计算、比较处理后得出结论，以对被控对象实施校正控制。但经过单片机处理后得

48、到的是数字量结果，而绝大多数控制执行部件所需要的是模拟量。因此，又需要通过数/模转换器把数字量转换为模拟量。模拟输入通道的工作从采集信号开始。由于传感器采集到得模拟信号幅值通常很小，而且连续变化的信号容易受到干扰，因此，要对传感器采集到的原始信号进行放大、采样、保持、滤波等处理后，才能送给A/D转换器。这一系列的处理过程构成了模拟输入通道。图 3-6 AD574A与AT89C51接口的信号线连接图8位A/D转换芯片采用逐次逼近式A/D转换原理，可实现8路模拟信号分时采集，片内有8路模拟选通开关，以相应的通道地址锁存与译码电路，转换时间为100us左右。其中多路开关可选8个模拟通道，允许8路模拟

49、量分时输入，公用一个A/D转换芯片进行转换。地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择。8为A/D转换器是逐次逼近式，由控制与时序电路、逐次逼近寄存器、树状开关以及256R电阻阶梯网络等组成。输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量。在本文中选用8位A/D转换芯片不能达到精度要求，故选用12位A/D转换芯片AD574A。AD574A是美国模拟器件公司（Analog Devices）的产品，由于芯片内有三态数据输出缓冲器，所以接口时无需外加三态缓冲器。由于内部的缓冲器为12位，所以其转换数据既可以一次读出，也可以分两次读出。AD574A与AT89C51接口

50、的信号线连接部分如图3-6所示。地址8100为启动转换；地址8101为读高8位；地址8103为读低4位。3.2.7 通讯方式的选择工业通讯模块，英文名称为Communication Module，是指在工业自动化控制领域中，专为电机传递不同讯号的连接器，包含转换RS-232、RS-422/485信号等通讯网络，以使系统架构中的驱动、控制与致动组件的串行讯息兼容。通讯方式本文选择RS 232上传测量数据。RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数

51、。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS-232-C标准规定的数据传输速率为50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此

52、一般用于20m以内的通信。电气特性EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在TXD和RXD上：逻辑1(MARK)=-3V-15V逻辑0(SPACE)=+3+15V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）+3V+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3V-15V以上规定说明了RS-232C标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑“1”（传号）的电平低于-3V，逻辑“0”（空号）的电平高于+3V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态(OFF)即信号无效的电平低于-3V，也就是当传

53、输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在(315)V之间。EIA RS-232C 与TTL转换：EIA RS-232C 是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA RS-232C 与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而MC148

54、9、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。MAX232芯片可完成TTLEIA双向电平转换图3-7 RS232接口电路RS232接口电路如图3-7所示。3.2.8 键盘接口及LED显示器接口的设计键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传输命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。接盘实际是一组按键开关的集合。通常，键盘所用的开关为机械弹性开关，均利用了机械触点的合、断作用。键盘的闭合与否，反映在行线输出电压上就是呈现出高电平或低电平，如果电平断开的话，那么低电平就表示键闭合，所以通过对行线电平的高低状态的检测，便可以确认按键按下与否。LED显示器分为静态显示与动态显示。由于动态

55、显示方式具有硬件简单、I/O口可以少、价格低及省电等优点，故选择动态显示方式。LED显示器动态显示需要为各位提供段码以及相应的位控制，此即通常所说的段控和位控。把LED显示器段码表预先存放在存储器中，使用时通过查表就可以得到段码。段码输出后送到公共段码线上，也可称为段控信号。而通过并行口输出的相互独立的位码则是起选通作用的，也称位控或扫描信号，用于选择显示位。段码的值与数码管公共引脚的接法有关。8段数码管，显示十六进制数的段码值如表3-1所示。表 3-1 十六进制数段码表键盘及LED显示器的连接如图3-8所示。图 3-8 键盘及LED显示器与8255的接口电路4 软件的设计4.1 软件总体流程图的设计开 始初始化滤 波信号放大A/D转换报警数据处理上传数据数据存储显示数据数据比较结 束否是图 4-1 总流程图 4.2 A/D转换流程图设计执行主程序启动A/D转换P3.2=0?读高8位读低4位返 回是否图 4-2 A/D转换流程图4.3 中断服务流程图设计执行主程序执行下一条指令有中断请求关中断保护现场和断点返 回是否图 4-3 中断服务流程图取下一条指令开中断中断服务关中断恢复现场开中断开 始初始化显示参数8断码完成？