基于虚拟仪器技术的表面粗糙测量仪

1、基于虚拟仪器技术的表面粗糙度测量仪院 系自动化学院专 业测控技术与仪器班 级5407102学 号200504071053姓 名李生指导教师卢艳军负责教师卢艳军沈阳航空工业学院2009年6月摘 要表面粗糙度是反映零件表面光滑程度的物理量。它是在切削过程中，由刀具在工件表面上留下的刀痕而产生的。目前广泛应用触针式轮廓仪可以实现粗糙度部分参数的评定，但存在测量参数较少、测量精度较低、测量结果输出不直观等缺点，已不能满足现代工件测量要求。本文根据表面粗糙度的定义，利用反射式光纤传感器的特点，应用光纤位移传感器，设计了一个基于虚拟仪器技术表面粗糙度测量仪。本仪器除能解决传统仪器目前存在的问题外，还具有测

2、量速度快、自动化程度高和良好的人机界面等优点。文章介绍了表面粗糙度的相关知识和反射式光纤位移传感器的工作原理，本设计系统分为上位机和下位机，下位机用于测量和采集数据，通过串口把数据传输到上位机，上位机用于对下位机采集到的数据进行处理，得出测量物体的表面粗糙度，对此数据进行显示和存储。关键词：单片机；光纤位移传感器；表面粗糙度；LabVIEWAbstractSurface roughness is a reflection of the extent of parts of the physical surface. It is in the process of cutting by the

3、cutter in the workpiece surface, the marks left behind created. Currently widely used touch-stylus profilometer roughness of some parameters can be assessed, but there is less parameters, the lower the measurement accuracy, the measurement results are not intuitive, such as the shortcomings of the o

4、utput can no longer meet the measurement requirements of modern work. In this paper, the definition of surface roughness based on the use of reflective characteristics of fiber-optic sensors, fiber-optic displacement sensor applications, design a virtual instrument based on surface roughness measuri

5、ng instrument technology. In addition to the instruments of traditional instruments to solve the existing problems, but also with the measurement of speed and a high degree of automation and good man-machine interface and so on. In this paper, the surface roughness of the relevant knowledge and refl

6、ective fiber displacement sensor working principle, the design system is divided into upper and lower machine, the next-bit machine for measuring and gathering data through the serial port to transmit data to PC, PC machine for the next crew of the data collected to deal with, come to the surface ro

7、ughness measurement of objects, for which the data display and storage.Keywords: single chip computer; fiber optic sensor; surface roughness;LabVIEW目 录第1章 绪论11.1 立题意义11.2 光纤传感技术的发展与现状11.3 虚拟仪器测试技术发展31.4 表面粗糙度测量技术的发展41.5 本文研究内容5第2章 粗糙度的基本概念62.1 表面粗糙度的概念62.2 表面粗糙度的测量参数62.3 反射式光纤位移传感器的结构72.4 反射式光纤位移传感器

8、输出特性72.5 粗糙度测量原理8第3章 粗糙度测量仪的总体方案设计103.1 下位机硬件方案设计10 传感器的选择10 光纤传感器特性实验11 单片机数据采集和传输电路的设计113.2 下位机软件系统设计113.3 上位机总体设计12第4章 粗糙度测试仪的下位机设计144.1 信号调理电路144.2 单片机及其外围扩展电路的设计14 单片机介绍14 时钟电路设计16 复位电路的设计174.2.4 A/D转换电路的设计17 串行通信的设计204.3 下位机软件设计22 主程序设计224.3.2 ADC0809转换程序设计23 串口通信程序设计24第5章 粗糙度测试仪的上位机设计255.1 VI

9、SA简介255.2 VISA库中的串口通讯函数265.3 串行通信程序设计27 串行通信初始化的设计27 串口写入程序设计28 串口读取节点程序设计295.4 数据处理程序设计295.5 数据存储305.6 前面板设计30第6章 调试与验证326.1 下位机调试32 调试分析的一般过程32 硬件调试33 软件调试33 软硬件联调336.2 上位机调试346.3 调试故障及原因分析346.4 测试验证35结论36社会经济效益分析37参考文献38致 谢40附录 电路图41附录 元器件清单43附录 程序清单44第1章 绪论1.1 立题意义表面粗糙度是机械零件的一个主要精度指标，对零件的性能会产生重要

10、的影响。零件表面粗糙度会直接影响零件的配合性质、疲劳强度、耐磨性、抗腐蚀性以及密封性等。因此，关于表面粗糙度测量的研究一直没有停止，传统的测量方法有比较法、针描法的、光切法、干涉法和印模法等多种，主要是使用样板、电动廓仪、光切显微镜、干涉显微镜等多种工具和计量仪器。目前广泛应用触针式轮廓仪可以实现粗糙度部分参数的测量评定，但存在测量参数较少，测量精度较低，测量结果的输出不直观等缺点，已不能满足现代工件的测量要求，迫切需要开发研制新型的表面粗糙度测量仪来满足现代精密工件的测量要求，基于虚拟仪器技术开发出的表面粗糙度测量仪，除能解决传统仪器目前存在的问题外，还具有测量速度快，自动化程度高和良好的人

11、机界面等优点，而且价格便宜，通用性强，将具有较大的市场潜力和应用价值。基于虚拟仪器技术的表面粗糙度参数测量仪，就是通过设计编写表面粗糙度参数测量的软件控制程序, 使得仪器的测试更加多样化，灵活，只要加上必要的硬件设备就可以根据用户需要构成测试仪器。1.2 光纤传感技术的发展与现状现代科学技术的迅猛发展，使人类社会从高度工业化向信息化转变。在信息化时代，人类将主要依靠对信息资源的开发及其变换、传输和处理进行社会活动。传感器是感知、获取、检测和转化信息的窗口，是实现信息化时代的主要技术基础。光纤与激光、半导体光探测器一样，是一种新兴的光学技术，形成了光电子学新的领域。是20世纪后半期重大发明之一。

12、光纤传感技术是七十年代末期发展起来的一项新技术，它是纤维光学在非通信领域的应用。光纤传感技术是一门多科性学科，涉及知识面很广，如纤维光学、光电器件、电磁学、流体力学、弹性力学以及电子线路和微机应用等等。光纤传感器以其高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可绕曲、体积小、结构简单以及光纤传输线路的相容性等独特的优点，受到世界各国广泛的重视，并具有十分广阔的发展前景。光纤传感器的基本原理是将光源发出的光经光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长(颜色)、频率、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光，再经光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。光纤传

13、感器按其传感原理分为两类：一类是传光型(或称非功能型)光纤传感器；另一类是传感型(或称功能型)光纤传感器。光纤传感技术优于其他传感技术的原因在于它是在光纤通信的基础上发展的。光纤通信拥有一个广阔的市场，能提供一系列低价格的器件，更重要的是，它形成一门能为光纤传感器所使用的基础科学。光纤传感器的概念不是新的，早在60年代中期就出现了第一个专利。它包括采用传光束的机械位移传感器和采用相位调制的超声波传感器。但是，在更为广阔领域，即现在所说的光纤传感技术，取得系列研究却是在10年之后，从那时起光纤技术就突破了徘徊不前的初始状态，进入了一日千里的时代。在70年代中期，人们开始意识到光纤本身可以构成一种

14、新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待侧的量和光纤内的导光联系起来。1977年，美国海军研究所(NRL)开始执行光纤传感器系统计划，这被认为是光纤传感器问世的日子。此后，光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。从70年代中期到80年代中期近十年的时间，光纤传感器已达近百种，它在国防军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、医学、化学和日常消费部门都得到实际应用。在美、英、德、日等国，尤其是美国，光纤传感器研究开始的都很早，投资也很大，并且已经有许多成果都申请了专利。我国光纤传感器的研究工作起步较晚，1983年，国家科委新技术局在杭州召开了光纤传感器的第一次全国性会议。研究工作主要在高等院

15、校和研究所。研究的光纤传感器用于测量电流、电压、电场、磁场、温度、水声、压力、位移、速度、转动、应力、液位、浓度、pH值等物理量，并己取得初步成果。用于光纤传感器的特殊光纤、有源和无源器件等，国内也有单位研制。我国对光纤传感器的研究极为重视，在“七五”规划中就已提出了15项光纤传感器项目。1.3 虚拟仪器测试技术发展虚拟仪器（Virtual Instrument）简称VI。VI是计算机技术在仪器科学与技术领域的应用所形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类 , 它是适应卡式仪发展而提出的。传统仪器主要由控制面板和内部处理电路组成 , 而卡式仪器由于自身不带仪器面板 , 所以必须借助计算机强大的图

16、形环境 , 建立图形化的虚拟面板 , 完成对仪器的控制、数据分析和显示。VI集成了当今的各领域高新技术 , 包括计量测试理论、传感技术、一次仪表和二次仪表、计算机等相关技术 , 运用虚拟现实技术令硬件尽可能软化 , 软件尽可能集成化 , 其重心不仅是相应的软件系统 , 还应该包含硬件装置、测量方法和手段等的整个测试系统 , 甚至还包含了被测对象。VI 应是对用户开放的 ,允许用户介入并定义其若干功能VI是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块硬件结合起来 , 用户可以通过友好的图形界面来操作计算机 , 就像操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样 , 从而完成对被测量的采集、分析、判断、显示、

17、数据存储等工作。VI以透明方式将计算机资源和仪器硬件的测控能力相结合 , 实现仪器的功能运作。应用程序将可选硬件 如 GPIB、VXI、RS-232、DAQ 和可重复使用源码库函数等软件结合实现模块间的通信、定时与触发 ,源码库函数为用户构造自己的VI系统提供基本的软件模块。VI相对传统仪器优势明显，下表列出了VI和传统仪器性能的比较：表格 1.1 虚拟仪器和传统仪器性能比较虚拟仪器传统仪器面向应用的系统结构 , 可方便地与网络、外设相连接与其他仪器设备的连接受限制充分利用计算机的图形界面并由计算机直接读数、分析和处理图形界面少 , 人工读数 , 信息量少软件是关键硬件是关键数据可进一步编辑、

18、存储和打印扩展性差 , 一般来说数据无法编辑减少了硬件的使用 , 因而减少了测量误差信号每经过一次硬件处理都会引起误差价格低 , 可重复利用价格昂贵技术更新快技术更新慢1.4 表面粗糙度测量技术的发展表面粗糙度与零件的工作性能和使用寿命都有着密切的关系，因此人们在很早以前就认识到测量表面粗糙度的重要性。但是由于技术工艺水平的落后，最早只能单纯依靠人的视觉和触觉来估计，随着生产技术的发展，人们又采用了比较显微镜进行对比测量，但是这些比较原始的测量方法只能对表面微观不平度作出定性的综合评定。近年来，随着科学技术的不断进步和“信息时代”的到来，机械、光学工业对加工表面的质量要求越来越高。这主要是因为

19、表面粗糙度不仅对机械性能、物理性能、集成电路成品率有影响，而且它还影响计算机磁盘存储器磁头和磁盘的耐磨性和寿命，同时也影响磁盘信号的读出幅度和信噪比。不言而喻，纳米级存储密度需要有低于纳米级粗糙度的表面作为基片，否则无法实现信息提取。因此，为实现更高的表面加工质量，相应要求更高的表面粗糙度测量手段。对于物体表面粗糙度测量技术的研究由来已久，一般来说，根据是否与被测表面接触，表面粗糙度测量方法可分为两大类：接触式和非接触式。1接触式触针式轮廓仪是最广泛使用的接触式测量仪，典型产品是英国Rank Taylor Hobson公司的Taylor Surf和Nanosurf等系列轮廓仪。它们一般采用金刚

20、石探针，通过驱动杆控制探针沿着工件表面作上下往复的运动，从而正确地反映被侧表面的实际轮廓曲线。它的优点是：分辨率高、测量范围大、结果稳定可靠、重复性好，其横向和纵向分辨率分别为20nm和0.lnm。此外它还作为其它粗糙度测量技术的对比方法。目前正在对触针的形状、大小、接触力、触针动态特性以及仪器智能化等方面加以不断完善。其最大缺点为：探针常常会划伤被测表面。因此，这类触针式表面轮廓仪对轻金属、塑料以及超精加工表面等都不适用。2非接触式由于接触式测量仪的缺点，20世纪50年代，光学技术被引入物体表面粗糙度的侧量，从而实现了非接触式测量。大部分非接触式光学形貌仪是在20世纪80年代后才研制和开发出

21、来的。典型方法有以下几种：光学散射法工作原理为：当激光以一定角度入射到粗糙表面上时，散射光强度分布呈正态分布，其角分布与表面粗糙度之间有一定的对应关系。根据其角分布就可测出物体的表面粗糙度。光学散射法的特点是：测量速度快、仪器结构简单。但由于它测量的是被侧表面的平均特性，故不能给出表面的形貌，属于一种参数测量技术。光学探针法光学探针法的种类很多，但本质上都是以一很小的聚焦光点入射到被测表面，来模拟机械触针进行测量。干涉显微镜法在光波干涉测量中，光源发出的光束经过分光后，一束光射向被侧工件表面，另一束光射向参考镜，两束光经反射后重新相遇形成千涉条纹。条纹的相对弯曲度即反映被测表面的徽观高度差。1

22、.5 本文研究内容介绍了表面粗糙度的概念和表面粗糙度测量仪的发展历程、现状及发展趋势，设计基于虚拟仪器开发的一种新的表面粗糙度测量仪，即利用传统的表面粗糙度测量仪与虚拟仪器技术相结合，在计算机上用LabVIEW可视化的虚拟仪器系统开发平台开发出新的表面粗糙度测量系统。本次设计的内容安排可以分为三部分：第一部分是下位机的设计，主要是硬件电路方案的设计、元器件的选择等。具体的硬件电路包括传感器测量电路以及数据采集电路和数据传输电路等。在实验板上每一个硬件电路焊接完成后，每一部分单独调试，在各个部分调试成功后，联调整个硬件电路，最后做出分析，得出结论。第二部分是上位机的设计，主要是实现LabVIEW

23、和单片机通信以及对下位机传输的数据进行处理、显示和存储。第三部分在上位机和下位机都调试成功的前提下，进行联调，得出设计最终结果。论文具体内容安排如下：第1章介绍了光纤传感器、虚拟仪器技术和表面粗糙度测量技术的发展状况以及课题的研究目的和意义；第2章主要是对粗糙度相关知识做了详细介绍；第3章粗糙度测量仪总体设计方案。对本课题任务进行了具体分析，确定了的系统的总体设计方案。第4章粗糙度测量仪的下位机设计；第5章粗糙度测量仪的上位机设计；第六章粗糙度测量仪的调试与分析。针对硬件调试、软件调试和软硬件联调的结果进行了具体的分析和说明。第2章 粗糙度的基本概念在介绍应用光纤位移传感器测量物体表面粗糙度的

24、系统之前，先简单介绍一下有关表面粗糙度的知识，从而对表面粗糙度的定义、表面粗糙度的测量基准、表面粗糙度测量中应遵循的原则以及表面粗糙度评定的参数的定义等有一个较为全面的了解和认识。这些基本定义是设计实验系统和编制计算机数据处理程序的理论依据。2.1 表面粗糙度的概念表面粗糙度是反映零件表面微观几何形状误差的一个重要指标，它主要是由于在加工过程中刀具和零件表面之间的摩擦，切削分离时的塑性变形和金属撕裂，以及工艺系统中存在的高频振动等原因所形成的。表面粗糙度不包括由机床几何精度方面的误差等所引起的表面宏观几何形状误差，也不包括在加工过程中由机床、刀具、工具系统的强迫振动等所引起的介于宏观和徽观几何

25、形状误差之间的波纹度，以及气孔、沙眼等。形状误差、波纹度和粗糙度这三类表面几何形状偏差在一个表面上并非孤立存在，大多数加工表面常受其综合影响。实际上，三者只有分级的不同，没有原则上的区别。2.2 表面粗糙度的测量参数在保证零件尺寸、形状和位置精度的同时，对表面粗糙度也有相应的要求。而对表面粗糙度仅依据某一单独的评定参数是无法满足这种多方面的要求，在研究工作中就出现了大量不同的评定参数，为要表征这些评定参数所需的一些术语、定义就多达60多个，这种错综复杂的情况，在尺寸公差中是没有的，也比一般结合件的公差和配合复杂的多，而这也正是近年来国际上各个工业国家积极研究的领域，几乎每年都在开展这方面的研究

26、工作。为了与国际接轨，我国又先后对标准进行了修订。修订后的标准GB/T 131-1993表面粗糙度符号、代号及其注法，GB/ T1031-1995表面粗糙度参数及其数值，它们等效采用国际标准ISO1302-1992技术制图标注表面特征的方法及参照采用国际标准ISO 468-1982表面粗糙度参数及其数值和给定要求的通则。新国标的发布实施将有利于积极采用国际标准和提高产品质量，有助于促进表面粗糙度量仪和检测方法的发展与统一，使表面粗糙度术语、评定参数与国际上绝大多数国家取得一致，促进国际间的技术交流和对外贸易。根据表面粗糙度评定参数的发展，结合我国科技和生产发展的情况，特别是为了适应与国际接轨的

27、要求，我国于1995年修订的国标GB/T 1031-1995表面粗糙度参数及其数值，规定了表面粗糙度高度参数为，。，分别是： 轮廓算数平均偏差()；轮廓最大高度() ；微观不平度十点高度()。在取样长度L内轮廓偏距绝对值的算术平均值；在取样长度L内轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离；在取样长度内5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最大的轮廓谷深的平均值之和。本文将以为参数进行粗糙度的测量。 2.3 反射式光纤位移传感器的结构传感器通常是由光源光纤和接收光纤构成。位移传感器中光纤采用Y型结构，即两束光纤的一端合并为光纤探头，另一端分叉为两束，分别为光源光纤和接收光纤，光纤只起传输信号的作用。当光源发出

28、的光，经光源光纤照射到位移反射体后，被反射的光又经接收光纤输出，被光敏器件接收。其输出光强决定于反射体距光纤探头的距离，当位移变化时则输出光强作相应的变化。通过对光强的检测而得到位移量。图2.1为反射式光纤位移传感器原理图。图2.1 反射式光纤位移传感器的原理图2.4 反射式光纤位移传感器输出特性反射式光线位移传感器如图2.1所示，光源发出的光经发送光纤射向被测物体的表面（反射面）上，反射光有接收光纤收集，并传送到光探测器转换成电信号输出，通过电信号的大小就可以测得物体距离探头的位移。由于光纤有一定大小的孔径，当光纤探头端部紧贴被测件时，发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去，接收光中无光信号；

29、当被测表面逐渐远离光纤探头时，发射光纤照亮被测表面的面积越来越大，因而接收光纤端面上被照亮的区域也越来越大，有一个线性增长的输出信号；当整个接收光纤被全部照亮时，输出信号就达到了位移一输出信号曲线（图2.2）上的“光峰点”，光峰点以前的这段曲线叫前坡区;当被测表面继续远离时，有部分反射光没有反射进接收光纤，而且由于接收光纤更加远离被测表面，接收到的光强逐渐减小，光敏元件的输出信号逐渐减弱，进入曲线的后坡区。在位移-输出曲线的前坡区，输出信号的强度增加得非常快，这一区域可以用来进行微米级的位移测量。在后坡区，信号的减弱约与探头和被测表面之间的距离平方成反比，可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要

30、求不高的测量。在光峰区，信号达到最大值，其大小取决于被测表面的状态。所以这个区域可用于对表面状态进行光学测量，即可用于粗糙度的测量。图2.2为位移电压输出特性图。图2.2 电压位移输出特性2.5 粗糙度测量原理如前所述，在峰值点附近，输出对距离的变化不敏感，而对粗糙度的变化最敏感，这正是测量粗糙度十分需要的特性。这里挑选了7块研磨样板，其Ra值都是精确标定已知的。取其中Ra值最小的样板为基准，细调距离d使输出电压为最大，并将此距离固定。再将其他研磨样板依次换上分别测出其输出电压，作为输出与Ra的关系如图所示：图2.3 粗糙度和电压的关系实验中分别对每块样板测出电压十次取平均值。有关数据如下表所

31、示：表2.1 不同样板表面粗糙度与输出电压数据表样板编号123456Ra（um）0.0050.020.030.040.0450.05输出电压（V）4.693.052.581.951.691.43按表的实验数据对Ra值和输出电压进行曲线拟合，得出拟合曲线方程。(2.1)式中Ra的单位为；输出电压的单位为V。得出这种拟合曲线方程后，将用同样加工方法得到的任意工件放在这种仪器上测量，就能得出这种工件的表面粗糙度。第3章 粗糙度测量仪的总体方案设计本设计是基于虚拟仪器开发的一种新的表面粗糙度测量仪，即利用传统的表面粗糙度测量仪与虚拟仪器技术相结合。具体是利用光纤位移传感器进行粗糙度的测量，然后经过单片

32、机数据采集，串口通信传输到计算机，最后在LabVIEW平台上显示测量结果。总体方案包括下位机硬件和软件设计以及上位机的设计。下图是总体方案功能框图。图3.1 总体方案功能框图3.1 下位机硬件方案设计下位机硬件方案的设计主要包括测量部分和单片机部分的设计。测量部分主要包括传感器的选择和表面粗糙度样板的选择，单片机部分主要包括数据采集部分和数据传输部分设计。3.1.1 传感器的选择本设计选用CSY-G型光电传感器实验仪所提供的传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半圆分布即双D型，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与

33、被测体相距X，由光源发出的光通过光纤传到端部射出后再经被测体反射回来，由另一光纤接收光信号，再由光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量大小与间距X有关。3.1.2 光纤传感器特性实验由于光纤传感器探头由于系统所获得的数据具有非线性和测量仪器本身的误差，输人位移或粗糙度和输出电压之间没有确定的函数关系。因此往往事先测量一组数据，然后使用此数据进行曲线拟合，得到一条拟合曲线。表3.1 采集数据电压位移位移(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.6电压(V)00.320.892.913.894.544.554.353.343.1.3 单片机数据采集和传输电路的设计本系统采用的单

34、片机是AT89C52。选用的A/D转换器是ADC0809，ADC0809是目前比较常用的一种逐次比较式8路模拟量输入、8位数字量输出的A/D转换器。片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A的编码来决定所选通道。输出可直接连到单片机的数据总线上，可对0-5V模拟信号进行转换。传输部分是基于RS-232通信协议，通过MAX232芯片和计算机串口相连进行数据传输。3.2 下位机软件系统设计软件系统主要包括主程序、A/D转换、数据传输。下面详细介绍下位机的软件设计思想。软件总体流程图如图3.2所示。开始程序初始化数据采集数据转换数据传输计算机结束图3.2 系统软件总体流程图3.3 上位机总体

35、设计上位机的设计实际就是LabVIEW的设计，其主要功能是以数字形式显示被测量物体表面粗糙度。其具体功能框图如图所示：开始串口初始化打开串口发送命令接收数据显示粗糙度数据存储结束图3.3 上位机程序设计流程图第4章 粗糙度测试仪的下位机设计根据总体设计方案的要求，本章详细论述系统硬件部分的设计。整体电路图见附录。4.1 信号调理电路信号调理电路的功能主要是完成对光纤传感器输出的微弱不稳定信号进行放大滤波，使其输出电压信号满足A/D转换的要求，在05V范围内。由于反射式光纤位移传感器的输出电压信号很小。因此在进行A/D转换时，就要对信号进行电压放大以达到转换要求。故而在传感器和A/D转换电路之间

36、加入了一级有源放大电路，使输出电压为05V，从而为后续的A/D转换电路提供必要条件。图4.1为电压放大电路电路图。图中的放大倍数为100倍可满足设计要求。图4.1 电压放大电路电路图4.2 单片机及其外围扩展电路的设计单片机外围扩展电路主要包括时钟电路、复位电路、A/D转换电路、数据传输电路。4.2.1 单片机介绍1. 单片机的内部结构及应用领域单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。单片机有8位、16位甚至32位机，但8位单片机以它的价格低廉、品种齐全、应用软件

37、丰富、支持环境充分、开发方便等特点而占着主导地位。MCS-51系列高档8位单片机是Intel公司1980年推出的产品，而AT89C51芯片是MCS-51系列单片机中的代表产品，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、21个专用控制寄存器、4kB的程序存储器、128字节的数据存储器、4组8位的并行口、两个16位的可编程定时/计数器、一个全双工的串行口以及布尔处理器。图4.2为单片机的内部结构框图。图4.2 单片机的内部结构框图AT89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Me

38、mory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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AT89C52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。2. AT89C52特性其主要特性是：可与MCS-51 兼容；8K字节可编程闪烁存储器 ；寿命：1000写/擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0Hz-24Hz；三级程序存储器锁定；128*8位内部RAM；32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

39、耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路；VCC：供电电压；GND：接地。图4.3为AT89C52的管脚图。图4.3 AT89C52管脚图4.2.2 时钟电路设计89C52的时钟可以两种方式产生，一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路；另一种方式为外部方式。本系统采用内部时钟电路。下面介绍内部时钟方式。内部有一个用于构成震荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器。图4.4是89C52片内振荡器电路。89C52虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外接元件，图4.5是内部时钟方式的电路。

40、外接晶体（在频率稳定性不高，而尽可能要求廉价时，可选用陶瓷谐振器）以及电容CX1和CX2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡频率的高低，振荡器的稳定性，起振的快速性和温度的稳定性。晶体可在1.2MHz12MHz之间任选，电容CX1和CX2的典型值在20pF100pF之间选择，但在60pF70pF时振荡器有较高的频率稳定性。典型值通常选择为30pF左右。外接陶瓷谐振器时，CX1和CX2的典型值约为47pF。在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提

41、高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的NPO高频电容。本设计考虑到打印机的时序的要求，晶阵采用11.0592MHz。图4.4 89C52片内振荡器电路图 图4.5内部时钟方式的电路图4.2.3 复位电路的设计89C52的复位输入引脚RET（即RESET）为89C52提供了初始化的手段。有了它可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的0000H地址单元开始执行程序。在89C52的时钟电路工作后，只要在RET引脚上出现两个机器周期以上的高电平时，单片机内部则初始复位。只要RET保持高电平，则89C52循环复位。只有当RET由高电平变成低电平以后，89C52才从0000H地址开始执行程序。本系统的

42、复位电路是采用按键复位的电路，如图4.6所示，是常用复位电路之一。当89C52的ALE及PSEN两引脚输出高电平，RET引脚高电平到时，单片机复位。通过按动按钮产生高电平复位称手动复位。上电时，刚接通电源，电容C相当于瞬间短路，+5V立即加到RET/VPD端，该高电平使89C52全机自动复位，这就是上电复位；若运行过程中需要程序从头执行，只需按动按钮即可。按下按钮，则直接把+5V加到了RET/VPD端从而复位称为手动复位。复位后，P0到P3并行I/O口全为高电平，其它寄存器全部清零，只有SBUF寄存器状态不确定。图 4.6 按键电平复位电路4.2.4 A/D转换电路的设计逐次逼近型A/D转换器

43、是目前品种最多、应用最广的ADC器件。它有两个类别，一是单芯片集成化A/D转换器，另一是混合集成化A/D转换器。ADC0809转换器是单芯片集成化A/D转换器，是8位A/D转换芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D转换的。ADC0809由单一5V电源供电，片内带有锁存功能的8位模拟多路开关，可对8路05V的输入模拟电压分时进行转换，完成一次转换约需时间100µs（相应的时钟频率为640KHz），片内具有多路开关的地址译码器和锁存电路，高阻抗斩波器，比较器，输出缓冲锁存器，可以直接接到单片机的数据总线上。ADC0809内部没有时钟电路，故时钟信号应由单片机提供（接10脚CLOCK端）。

44、本课题使用的单片机时钟频率为12MHz，若与单片机接口时，可利用其地址锁存允许信号ALE（2000KHz）经2个D触发器四分频获得500KHz的时钟，恰好满足0809对时钟频率的要求。图4.7为ADC0809的引脚图。图4.7 ADC0809管脚图该芯片共有28个引脚，具体引脚功能如下：输入引脚IN0IN7是8路模拟量输入端，接收要转换的模拟数据；输出引脚 D0D7为数据输出端，其功能是将转换好的数据由此端输出；通道控制单元A、B、C为8路输入通道的选通单元，每次只能选通一条通道。C、B、A的编码由单片机提供， 地址通道编码见表4.1；START为启动A/D转换信号的控制端，在一个正脉冲作用之

45、后，转换器就开始工作。；表4.1 地址编码编码通道ABC000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ALE为地址锁存信号输入端，当ALE为高电平时，允许C、B、A所示的通道被选中，并将该通道的模拟量接入A/D转换器；时钟信号CLK是时钟信号输入端，A/D转换器要求的时钟频率为640KHz，如果高于此频率，转换器无法正常工作；参考电压端口REF(+)和REF(-)是用来提供A/D转换的量化单位。一般REF(+)=5V，REF(-)=0V；输出允许控制信号OE，当OE为高电平时，允许从A/D转换器锁存器中读取数字量；标志信号EOC是A/D转换结束

46、标志信号，当A/D转换完毕时，EOC端输出高电平，表示转换结束，因此EOC可作为CPU的中断或查询信号；电源端 VCC接地端GND。ADC0809工作时序如图4.8所示。由于本设计只要求一路模拟信号输入即可，因此C、B、A引脚并联接地便选通了IN0口，可以满足设计要求。图4.8为ADC0809工作时序图：图4.8 ADC0809工作时序图图4.9为ADC0809和单片机连接图：图4.9 ADC0809和单片机连接图4.2.5 串行通信的设计串行口主要由数据发送缓冲器、输出控制门、数据接收缓冲器SBUF、接收控制器和输入移位寄存器组成。其中数据发送缓冲器和数据接收缓冲器共用一个地址，由于数据发送

47、缓冲器只能写入，不能读出，而数据接收缓冲器只能读出，不能写入，所以会造成操作混乱。串行口是通过管脚TXD和RXD与外界进行通信的，如下图4.10所示：图4.10 89C51单片机串行口内部结构 51单片机内部有SCON和PCON两个特殊功能寄存器，专门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各位的定义如下图所示：图4.11 SCON各位定义表4.2 串行口控制寄存器SCON各位的定义SM0 SM1工作方式选择工作方式波特率0 0方式0移位寄存器0 1方式110位异步收发波特率可变，由T1控制1 0方式211位异步收发或1 1方式312位异步收发波特率可变，由T1控制电源控

48、制寄存器PCON各位的名称如图所示，其字节地址位87H，不能寻址。最高位SMOD为串行口波特率倍增位，当SMOD=1时，串行口波特率加倍，单片机复位时SMOD=0。表4.3 电源控制寄存器PCON位名称SMODGF1GF0 PDIDL本课题采用的是串口工作方式2，为11位（即1位起始位、8位数据位、1位可编程位和1位停止位）的异步通信。发送数据的过程为：先发送起始位0，再由低位到高位发送8位数据位，然后发送可编程位TB8，最后发停止位。数据发送完毕后由硬件置位TI，向CPU发中断请求信号，在中断服务程序中，应由软件给TI清零，这样才能再次进行下一帧数据串行发送。接收数据的过程为：当REN=1时

49、，CPU开始对RXD不断采样，一旦采样到负跳变时，便开始接收8位数据，当8位数据接收完后，将可编程位（第9位数据）装入RB8。当SM2=0且RB8=1时，数据帧才有效。本课题实现的是PC机与单片机之间的通信，由于PC机采用的是RS-232C电平，而单片机采用的是TTL电平。所以需要电平转换。因此采用MAX232芯片实现。下图为PC机和单片机通信原理图：图4.12 单片机与PC机通信连接图4.3 下位机软件设计4.3.1 主程序设计主程序的基本功能是实现各子程序的初始化和对各个模块程序实现调用。从而实现对整个测试系统的流程进行控制，以达到对被测表面进行测量的目的。其流程图如下：开始系统初始化A/

50、D采样中断串口通信子程序结束YN图4.13 主程序流程图4.3.2 ADC0809转换程序设计A/D转换子程序主要的作用是将传感器转换出来的模拟信号转换成计算机可以处理的数字信号，而A/D转换器的作用就是把模拟量转换成数字量，以便于计算机进行处理。A/D转换子程序流程图如图4.14所示。开始初始化启动ADC0809读出A/D转换值保存结果返回图4.14 ADC0809转换流程图4.3.3 串口通信程序设计串口通信是把ADC0809转换后的数据发送给计算机，由LabVIEW对所得到的数据进行分析和处理。由于LabVIEW接收串口数据只能接收字符串的形式，因此把待发送的数据转换成字符串的形式。流程

51、图如下所示：开始串口初始化数据转换等待计算机命令数据发送返回NY图4.15 串口通信流程图第5章 粗糙度测试仪的上位机设计根据总体方案设计要求，本章详细介绍了上位机设计的具体内容。总体程序框图见附录。5.1 VISA简介LabVIEW提供了功能强大的VISA库。VISA(Virtual Instrument Software Architecture)虚拟仪器软件规范，是用于仪器编程的标准I/O函数库及其相关规范的总称。VISA库驻留于计算机系统中，完成计算机与仪器之间的连接，用以实现对仪器的程序控制，其实质是用于虚拟仪器系统的标准的API。VISA本身不具备编程能力，它是一个高层API，通过

52、调用底层驱动程序来实现对仪器的编程，其层次如图5.1所示。VISA是采用VPP标准的I/O接口软件，其软件结构包含三部分，如图5.1所示。图5.1 NI-VISA层次图与其他现存的I/O接口软件相比，VISA的I/O控制功能具有如下几个特点：适用于各种仪器类型(如VXI仪器、GPIB仪器、RS-232串行仪器、消息基器件、寄存器器件、存储器器件等仪器)；适用于各种硬件接口类型；适用于单、多处理器结构或分布式网络结构；适用于多种网络机制。        VISA的I/O软件库的源程序是唯一的，其与操作系统及编程语言无关，只是提

53、供了标准形式的API文件作为系统的输出。5.2 VISA库中的串口通讯函数本文用到的主要的串口通讯函数调用路径为：FunctionsInstrument I/OVISAVISA AdvancedInterface SpecificSerial中。        (1)VISA 配置串口控件 (图5.2所示)图5.2 VISA 配置串口该控件主要用于串口的初始化。主要参数意义如下：       启用终止符使串行设备做好识别终止符的准备。如值为TRUE（默认）

54、，VI_ATTR_ASRL_END_IN属性将被设置为识别终止符。如值为FALSE，VI_ATTR_ASRL_END_IN属性将被设置为0（无）且串行设备不识别终止符。       终止符通过调用终止读取操作。从串行设备读取终止符后读取操作将终止。 0xA是换行符(n)的十六进制表示。消息字符串的终止符由回车(r)改为0xD。超时设置读取和写入操作的超时值，以毫秒为单位。默认值为10000。VISA资源名称指定要打开的资源。该控件也可指定会话句柄和类。波特率是传输速率。默认值为9600。数据比特是输入数据的位数。 数据比特的

55、值介于5和8之间。默认值为8。奇偶指定要传输或接收的每一帧所使用的奇偶校验。停止位指定用于表示帧结束的停止位的数量。流控制设置传输机制使用的控制类型。        (2)VISA 读取控件(图5.3所示)图5.3 VISA 读取控件该控件为串口读子VI，作用是将串口中的数据读出，然后利用LabVIEW的强大数据处理功能对其进行分析处理。主要参数意义如下：       VISA资源名称指定要打开的资源。字节总数是要读取的字节数量。VISA资源名称输出是由V

56、ISA函数返回的VISA资源名称的副本。读取缓冲区包含从设备读取的数据。返回数包含实际读取的字节数。               (3)VISA 写入控件(图5.4所示)图5.4 VISA 写入控件将写入缓冲区的数据写入VISA资源名称指定的设备或接口中。主要参数意义如下：VISA资源名称指定要打开的资源。写入缓冲区包含要写入设备的数据。VISA资源名称输出是由VISA函数返回的VISA资源名称的副本。返回数包含实际写入的字节数。5.3 串行通信程序设计5.3.1 串行通信初始化的设计首先将VISA配置串口节点进行初始化。即设定通信口、波特率、校验位等。考虑到可能用到一个或多个串口以及下位机波特率的设定的变化，这里用了2个Case结构。这里由于计算机只有两个COM口，所以只设定了COM1口和COM2口，设定了4个可选择的波特率，即1200、2400、4800、9600。下图是通讯口和波特率设定程序：图5.5 通讯口和波特率设定程序对于VISA配置串口节点分别用了2个Case结构，属于嵌套的关系。外面的Case结构作用是打开串口，里面的Case结构作用是判断通讯口的设定是否正确。程序设计图如下所示：图5.6 串口初始化程