(论文)设计_数字皮革厚度测量仪的软件设计最新优秀毕业论文资料搜集呕血奉献

I毕 业 论 文题目： 数字皮革厚度测量仪的软件设计 毕业设计（论文）任务书！学院 ！专业 ！班级 学生： ！ 毕业设计题目： 数字皮革厚度测量仪的软件设计 毕业设计（论文）从2009 年 2 月 23 日起到2009 年 6 月 日 课题的意义及培养目标： 皮革材料的厚度测量不同于其他刚性材质，由于其本身松软多孔的特性，在受压时不可免避的会出现压缩形变。施加的压力大小及其作用时间的长短都会对皮革厚度数据的测量值造成直接影响。因此，皮革厚度的测量要在国家规定的压强下，保持规定的时间后所测得的数据。本课题就是根据这一要求研制这种皮革厚度测量仪，使其和和市场上现有的皮革厚度测量仪相比，具有准确、方便、快速的特点。 通过本课题的设计，可以培养学生分析问题、解决问题的能力使学生熟悉并掌握对某一具体任务如何查资料，进行方案设计，方案论证，方案 实施及撰写论文的实际工程方法。 设计（论文）所需收集的原始数据与资料： 容栅位移传感器相关资料 MCS-51系列单片机编程相关资料 数字电路和模拟电路的相关资料 MCS-51系列单片机使用手册及其它相关资料 课题的主要任务（需附有技术指标分析）： 熟悉MCS51单片机系统设计方法 设计新系统硬件原理图 设计软件流程，编写简单调试程序检查硬件 编写实用测量程序，系统调试程序 编写使用说明，维护知识 设计进度安排及完成的相关任务（以教学周为单位）：周 次设计（论文）任务及要求14收集相关资料5写开题报告515确定实施方案，设计硬件，编程调试1617撰写论文，准备答辩学生签名： 日期： 指导教师： 日期： 教研室签字： 日期： V数字皮革厚度测量仪的软件设计摘 要近年来，随着皮革制品的流行，皮革已经成为人们日常生活中广泛应用的材料，加上科技的迅猛发展，皮革制造行业已经逐步从古老的作坊式转变为现代工业化生产。厚度是表征皮革的机械及物理特性的一项重要基本参数。如能在生产中准确、快速的测得这一数据，则对整个生产的高效率、成品率有着重大的意义。但是目前正在使用的测量仪器还存在很多缺陷。此次设计的数字皮革厚度测量仪是应用容栅技术，采用容栅位移传感器作为测量器件，并由单片机做微处理器进行数据处理以实现多种功能，具有“定时锁定显示”功能、恒压力测量、在三维空间内的任意方向上进行测量的优点。关键词：皮革测厚，容栅位移传感器，单片机,恒压力测量，三维空间测量Software Designof Leather Thickness Measuring InstrumentABSTRACTIn recent years, with the prevalence of leather products, leather has become widely used in daily life and material. Coupled with the rapid development of science and technology, leather manufacturing industry has been gradually shifting from the old workshops into a modern industrial production. Characterization of the thickness of leather is the mechanical and physical properties of the basic parameters of an important. Such as in the production of accurate and rapid measurements of the data, then the entire production of high efficiency, yield has a major significance. But current measuring instruments in use is the major shortcomings.The design of digital measuring the thickness of leather is applied to capacitive technology, the use of capacitive displacement sensor as a measurement device for processing data by the single-chip realization of a wide range of features. There are some advantages such as performing the function of “display locking at certain times” by itself; Constant pressure measurement; The measurement of leather thickness can be achieved in any directions in three-dimensional space.KEY WORDS: Leather thickness measurement，Capacitive displacement sensor，Capacitive displacement sensor，Single-chip computer，Constant pressure measurement，Three-dimensional measurement目 录摘 要ABSTRACT1 皮革测厚的意义、行业标准及发展状况11.1 皮革厚度准确测量的意义11.2 皮革厚度测量的行业标准11.3 皮革厚度测量仪器的发展现状21.4本章小结32 测量系统概述及测厚仪的方案设计42.1 测量系统概述42.2 此次皮革测厚仪设计所应用的技术52.2.1 测厚技术及原理简介52.2.2 容栅位移传感器简介82.2.3 单片机简介122.3 测厚仪的方案设计152.3.1 硬件系统的构成及模块功能简介152.3.2 软件系统实现的功能及其运行流程162.3.2 仪表实现的主要功能及性能参数193测厚仪的硬件设计203.1 信号的采集203.2 信号调理模块203.2.1 放大电路203.2.2 整形电路213.3 微控制器模块223.4 显示电路233.5 自动断电电路233.6 传感器供电电路243.7 清零控制254 测厚仪的软件设计264.1 数据采样264.1.1 传感器数据采样及存储264.1.2 存储数据的整合284.2 测量逻辑控制294.2.1 测量操作规范提示294.2.2 定时5秒锁存显示304.3数据处理314.3.1 码制转换314.3.2 测量值换算324.3.3 数制转换324.3.4 显示缓存写入334.4 液晶显示的实现344.4.1 数据与命令的写入方式344.4.2 显示功能的实现364.5 本章小结385 总结405.1 测厚仪性能总结405.2 缺陷与不足40致谢41参 考 文 献4243数字皮革厚度测量仪的软件设计1 皮革测厚的意义、行业标准及发展状况1.1 皮革厚度准确测量的意义随着皮革制品在生活中的广泛应用，人们对皮革质量的要求也越来越高。由于各类皮革制品种类繁多，产品质量也参差不齐，由于质量上的差异使得各类制品在使用效果及视觉外观等方面都存在较大的差异，而皮革制品质量的好坏与皮革本身某些物理参数有着非常重要的联系。厚度是表征皮革的物理及机械特性的一项重要参数。在测定皮革抗张强度、伸长度，或计算横断面积时，其厚度是衡量其标准的关键依据。同时，在皮革另一项重要性能指标柔软度的测量中，目前也多采用在准确测量皮革厚度之后再通过相应计算的办法来获得。皮革厚度的测量方法与其他刚性材料的厚度测量方法存在很大差别。由于皮革是由许多粗细和紧密度都不相同的纤维束构成的一种材料，属于松软多孔的物质，性质不均匀。它的厚度与施加的压力有关，因而其在受压时会出现不可忽略的压缩形变，当压力增加时，其厚度便相应地减小。同时作用力的持续时间不同，相应皮革厚度值也会不同。这种现象对特别疏松的油鞣革或醛鞣革更为显著。为了取得一致的测量结果，尽可能的减少测量时施加的压力对皮革厚度造成的影响1。随着科学技术的发展以及人们对皮革制品的需求，促使皮革行业正在由作坊式逐步向工业化生产过渡的同时，人们对皮革生产工艺中有关参数的快速准确测量提出了更高的要求，以便及时有效的指导皮革生产工艺实施，保证产品质量。但由于皮革厚度测量的特殊性及目前测量仪器存在诸多缺陷等原因，使得很多情况下所测量得到的数据缺乏科学性和共信度，这不但严重影响该领域的科学研究工作，而且行业内部上下游企业之间经常会因为在皮革厚度参数的确认上产生误差而引起纠纷。由此可以看出，皮革厚度的准确测量对皮革行业的发展有重要的意义。1.2 皮革厚度测量的行业标准在测量皮革厚度时，目前普遍遵循的是这一标准：皮革的物理机械试验厚度的测定(QB/T 2709-2005) 2，这一标准对测量皮革厚度时需用到的测量仪器及测量程序都做出了相关规定。对测量仪器有如下要求：（1）刻度表，最小刻度为0.01mm，整个量程需具有0.02mm的准确度。（2）测试台，形状为表面水平的圆柱体，其直径为(10.000.02)mm，高为(3.00.1)mm。（3）测量压脚，其直径为(10.000.05)mm的圆形平面，与测试台同轴，能上下做垂直运动。压脚与测试台平面接触时产生的负荷为(39310)g, 即压脚的负荷和尺寸形成了49.1kPa(500g/cm2)的压强。压脚的移动距离可以直接在刻度表上读取。（4）刚性架子，用来支撑刻度表、测试台、和压脚。 测量程序为：厚度测定仪放在水平平面上，将待测样品粒面向上放在测试台上(如果无法确定粒面，任意一面向上均可)轻缓放下压脚，在压脚与试样完全接触后(51)秒内读取读数并记录。1.3 皮革厚度测量仪器的发展现状目前，在皮革理化分析实验及其物理参数检测过程中，还并不存在真正意义上能够满足行业执行标准的皮革厚度测量仪器。较为常见的是指针型皮革测厚仪，此类仪器品种比较多，但大体上测量原理相似。例如，山度公司生产的皮革厚度测定仪MC022-CH-BS，用于测量发泡人造革及软皮革制品的皮革厚度测定仪MC022-CH-D2等等。此类测厚仪的常规测量参数如表1-1与1-2所示。 因为基于相关机械原理实现的这一类皮革厚度测定仪能够满足行业标准中的某些测量要求，因而在以往的皮革厚度测量中应用的较为广泛。但由于其在测量原理方面存在的缺陷致使测量结果会存在一定误差。并且在使用中发现：在长期使用之后由于机械磨损的原因会使其测量精度有所降低。同时，行业标准中规定的皮革厚度测量要在规定的时间内完成，而仅依靠此类仪表本身显然无法满足这一要求，而只能依靠人工读秒表的测量方法，这就会使最终测量结存在误差。表1-1 指针式皮革厚度测定仪的参数测量范围测量分辨率测量压脚形式010mm0.01mm圆柱底面直径：10mm表1-2 指针式皮革厚度测定仪测量精度两测量面平行度误差小于0.008mm示数变动性小于0.005mm示数误差小于0.02mm从目前情况来看：相关人员在测量皮革厚度时大多采用的是数显仪器或仪表。因为随着位移检测技术的不断发展，出现了多种基于不同原理研制的位移传感器，如电阻式、电容式、电感式、超声波式、激光式、射线式的位移传感器等。这些传感器与微控制器相结合以后出现了各种类型的位移测量系统。同时由于液晶显示技术的不断进步，在此基础之上实现的测量水平日趋精确的某些数显测量仪器在的厚度测量领域中的应用也变得越来越广泛。依据栅式测量技术实现的传感器经历了从感应同步器、光栅、磁栅、容栅到球栅传感器这样的一个发展过程。并且由于光刻、复制技术以及微电子技术迅速发展，栅式位移测量系统的测量技术指标在不断提高，同时生产成本也在不断下降。因而栅式测量技术已经在位移测量领域已得了广泛的认可。同时，这一测量技术正在向厚度测量领域中不断渗透。如今，应用于测量皮革厚度的数显测量仪器大部分是采用光栅、磁栅和感应同步器来实现。这些装置各有优点。但缺点在于成本较高，结构比较复杂，对使用环境和安装条件要求高，特别是各部分间的连线比较困难，在不同的使用环境中也容易受到干扰。但最大的缺陷还是这类仪器在使用中并不能完全满足皮革厚度测量的使用要求。1.4 本章小结 基于以上研究分析，目前的皮革测厚技术都比较落后，准确度也不高，需要做出大的改革创新。我们的任务就是要在以往皮革测厚技术的基础上做出大的变革创新，让皮革测厚简单易行，并且要达到高精度、高准确度，符合该技术的标准。2 测量系统概述及测厚仪的方案设计2.1 测量系统概述我们所设计的皮革厚度测量仪从本质上讲属于测量系统范畴，因此，它的原理就符合基本的测量系统原理。如今，几乎所有的行业都要用到测量技术，现代化的测量技术综合了很多学科的知识，其中涉及电子、光学、声学、通信、遥感、自动化及计算机应用多种技术，测量系统的最终目的就是从待测对象中获取反应其变化规律的有用信息。通常来说，广义上的测量系统主要包括激励装置、检测装置、数据处理装置与显示装置这些部分。 图2-1表示的是测量系统的结构框图。从中可以看出，一般性的的测量系统包括如下几个部分：图2-1 测量系统结构框图（1）激励装置激励装置的作用在于产生信号以激励待测对象。在这里的激励信号不一定都是电信号量，也可以是各种各样的物理量。例如，当测量工作中希望获取的信息并没有不能直接获得时，就需要通过各种物理量激励待测对象使其能够表示出需要得到的相关信息，以便于测量。（2）待测对象激励待测对象后可以得到载有用信息的不同参量（如厚度、位移等各种物理量）。在一般情况下，获取的参量都是随时间变化的动态参量。在这里，获取的参量要能够准确反应待测对象的特征信息。因此，应当仔细了解待测对象的相关特性及具体参量的获取方法。（3）传感器传感器是测量系统的前置环节，其作用在于将获取的待测参量转换成便于进一步处理的物理量（一般是电流、电压或电脉冲量）。理想的传感器具有零输出阻抗、零噪声等特性，并具有良好的线性与重现性。但由于传感器输出电信号的形式的多样化，一般情况下不能直接将这种电信号传输到后续的信号处理电路或输出元件中去，通常需经过信号调理。（4）信号调理及处理信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波、整形或调制等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。在多数情况下，是将各种电信号转换为具有一定特性的电压、电流等少数几种便于测量的电信号。信号调理完成之后，再根据不同情况对各种类型的信号进行解调、衰减、数字化变换或运算等处理工作。（5）信号记录与显示对信号进行正确处理后得到的结果就能在一定程度上真实的反应出待测对象的相关特性。为了具体分析其变化的过程，可以采用示波器、显示器、打印机等输出装置对这一结果进行显示并记录。 因此，我们所研究的皮革测厚仪就是基于以上原理进行框架设计。其中，激励装置由机械部分实现，也就是满足行业标准(QB/T 2709-2005)。传感器则是采用容栅位移传感器（下文将介绍）。信号处理则是采用单片机。2.2 此次皮革测厚仪设计所应用的技术 本节从测厚系统最基本的部分传感器开始讲述，我们知道，传感器在测量系统中起着至关重要的地位，一个测量系统的优略主要是看传感器的性能及稳定性是否能准确反映需要测量的物理量，是整个测量过程的基础部分。之后深入讲解我们此次测厚仪用到的容栅位移传感器的原理及其选用优势，为本次皮革测厚仪的设计奠定基础。第三部分的单片机介绍是此次皮革厚度测量仪软件设计的核心部分，测厚仪的“5s定时锁定显示” 、“自动断电”等功能均有软件来实现。2.2.1 测厚技术及原理简介随着科技的发展以及科研人员的努力，目前关于测厚的学术研究已有很多，其中部分技术都比较成熟。基于不同测量原理所研制的厚度测量装置也有已经涌现，大多已经应用到了工业生产中，并且取得了较好的实际应用效果。在设计皮革厚度测量仪之前，有必要对目前应用比较广泛的测厚技术及厚度测量系统进行深入的了解。（1）超声测厚技术超声波是频率高于20KHz的声波，其主要特征是振动频率高、波长短，同时具有传播方向性好、功率大、穿透性强等特点。超声波测厚仪就是利用这些特性工作的。利用超声波的反射、折射、衰减等物理特性，可以实现液位、流量、粘度、厚度、距离等参数的测量。超声波测厚技术主要应用于对冷态静止物体进行在线接触式测量，其测量范围为1.2200mm，精度可达到(0.052)mm。利用超声技术实现的厚度测量仪器可以适应温度较高的环境，但这类仪器的主要缺陷在于探头能量转换效率低、体积较大、并且重量较重。 在测量过程中，首先由控制单元控制发射电路按照一定频率发射出脉冲信号。此信号经过放大后，一方面送入观测设备中，另一方面激励放置在待测试件表面的探头发出超声波。发射出的声波传至试件底面后反射回来，再由同一探头接收，接收到的超声波信号也经放大后与标记发生器发出的定时脉冲信号同时输入观测设备，在观测设备的荧光屏上可以观察到发射脉冲和接收脉冲信号。根据横轴上的标记信号就可以测出从发射到接收的时间间隔t，如果已知超声波在试件中的传播速度s。则待测试件的厚度d可通过d=st/2求得。（2）电容测厚技术3利用电容器电容量的变化来反映不同被测物体的厚度量，这就是电容测厚技术的测量原理。目前应用较多的是利用平行板电容器实现的测厚仪。对于不同的被测物件，在一定范围之内，电容传感器可以通过电容量的变化线性的反映出不同的厚度量，并通过电容检测电路测出这个电容变化值，再通过相应的运算后即可得知被测物件的厚度。这类厚度测定仪具有温度稳定性好、结构简单、精度高、响应快、检测线路简单并易于制造等优点。不但可以应用的接触式测量领域，也可以对板材、纸张等材料的厚度进行非接触式测量。例如，当生产线上的被测物件不断地从平行板电容之间通过时，即可检测出每一瞬时通过该电容的物件的厚度。下面通过公式具体说明电容传感器的工作原理。在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为: （2-1）其中：极板间介质的相对介电系数（在空气中=1）S两极板极的耦合面积d两极板的间距真空中的介电常数(=8.85410-12F/m)从如上公式中可以看出：当介电常数、或d发生变化时，都会引起电容量的变化。如果保持其中的两个参数不变而仅改变另一个参数，就可以使电容量仅受到这一参数变化的影响，再通过相应的测量电路检测出电容量的变化，最终转换为电信号输出，这一信号就可以反映待测物的厚度量。根据电容器参数变化的特性，电容传感器可分为变间距型、变面积型和变介电常数型三种。其中变间距型电容传感器应用的比较多。此类传感器在使用中需保持其内部电容器两极板的耦合面积及极间介质不变，在两极板的间距发生变化的时候传感器就可以输出变化的电信号，利用这一属性就可以实现物件的厚度测量。但这种电容式传感器的电容量与两极板间距的变化量并不是线性的关系，只有当变化量远远小于初始间距d时，才可近似认为是线性关系。因此这种类型的传感器一般用来对微小位移量进行测量。同时，变间距型电容传感器如果要提高灵敏度，应当相应的减小极板间的初始距离。但如果初始距离d过小又容易将电容式传感器击穿，这就加大了传感器的加工难度。为此，一般是在极板间放置介电常数高的介质（如云母、塑料膜等）来改善这种情况。在实际应用当中，为了提高传感器的灵敏度同时减小非线性，变间距型式电容器一般采用的是差动结构。变面积型和变介电常数型的电容传感器的工作原理与上述类似，都是通过改变其中公式（2-1）中的某一项参数的值来改变电容量，以此达到厚度测量的目的，这里不再赘述。（3）变阻测厚技术4这种测厚技术的测量原理在于：在测量时，利用变阻传感器可以将被不同的厚度值转换成与其具有一定对应关系的电阻值，以此引起电路中相应的激励信号发生变化，再经过测量电路将变化的激励信号进行处理，最后即可得到待测物体的厚度。利用变阻器式传感器实现厚度测量仪器具有以下优点： （a）仪器结构简单、体积小、重量轻、成本低而且性能稳定； （b）受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小； （c）输出信号大，便于信号调理及处理过程。但基于这种测厚技术实现的厚度测定仪缺陷也很明显，如电刷与线圈或电阻膜之间存在摩擦，这会降低可靠性和测量精度。同时测量分辨率较低，并且动态响应较差，只适用于测量变化较缓慢的厚度量。（4）电感测厚技术电感测厚技术是基于电磁感应原理实现的，基于此类厚度测量技术实现的测厚仪包括涡电流式及差动变压器式等形式。在测量时，通过其内部线圈的自感系数或互感系数的变化就可以反映出不同的厚度量，而自感系数和互感系数的变化在电路中又可以转换为电压或电流的变化，经过信号处理之后就能得到被测物件的厚度量。 利用电感测厚技术实现的厚度测定仪具有性能稳定、测量分辨率高、线性度好等优点，并且能够实现信息的远距离传输、记录并显示。在这其中，差动变压器以及涡电流式厚度测量仪如今应用的比较广泛。（a）涡电流式测厚仪根据金属导体在交流磁场中存在涡电流效应这一原理，涡电流式测厚仪可以对某些金属板材实现厚度测量。电涡流测厚仪的测量精度可达3%.其主要用于对有色金属箔材进行非接触式厚度测量。由于箔材薄而脆，使用电涡流测厚仪对其进行非接触式在线测量时，可有效地避免被测材料被碰伤。（b）差动变压器厚度测量仪线圈之间的互感系数可以反映出二者之间物体的厚度，差动变压器厚度测量仪就是根据这一原理而实现的。当变压器初级线圈输入稳定的交流电压后，次级线圈便产生感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。差动变压器式厚度测量仪器具有高达0.001微米的测量分辨率，同时具有线圈变化范围大、结构简单、稳定性好等优点。(5)激光测厚技术基于激光技术实现厚度测量的工作原理为：上下采用两束准直共线的激光光束，当厚度一定的待测板材受到上下两束激光照射时，在板材上下两面形成两个测量光点，两个光点间的距离即为板材在光点处的厚度。这样就把板材测量点处的厚度信号转变为了光信号，再经光学接收系统和光电转换电路把光信号转变为电信号，在对电信号经过处理后之后即可得到板材的厚度量。激光具有单色性好、亮度高、方向性强、抗干扰性强等优点。利用激光相关特性实现的激光测厚仪如今在精密测量领域应用的非常广泛。这种厚度测量仪器综合应用了激光、电子和计算机等技术，可以高速并自动地对板材、薄材、带材等物体的厚度实现准确测量，也适用于对各种非透明板材的厚度进行在线、实时、非接触测量。在某些比较恶劣的环境下，这类厚度测量仪器也可以正常工作。 (6)射线测厚技术5根据放射性同位素原理，人们可以利用射线的相关特性来测量某些物件的厚度。由于不同的放射源特性各异，目前国内己研制成功了基于不同射线类型的几种测厚测量系统。主要用于对动态物体进行非接触式测量，测量范围一般在40mm以内，精度可以达到0.3mm。X射线和射线测厚仪目前己在板材、管材、镀膜厚度的在线测量与厚度控制中获得了广泛的应用。而射线测厚仪在橡胶、造纸、塑料等工业生产的在线测量中使用的较多。利用射线测量物件的厚度根据的是射线的反散射原理。这种测厚技术可用来测量金属镀层的厚度。根据如上的叙述分析可以看出，目前应用较为广泛的厚度测量技术从大体上可以分为接触式及非接触式两大类。对于本课题中所要研制的数字式皮革厚度测定仪来说，由于行业标准中提出了在一定范围内的压力下进行厚度测量的要求。因此，诸多较为先进的非接触式测量方式在此并不适用。同时，在选择厚度测量技术时还要对皮革厚度测定仪的整体性能做出考虑，例如，选用的传感器需要具有测量分辨率高、体积小、重量轻及功耗低等优点。在综合考虑了各方面的因素之后，决定在所要研制的厚度测定仪中选用一种电容式的传感器容栅传感器。2.2.2 容栅位移传感器简介容栅位移传感器是在变面积式电容传感器的基础上发展起来的一种新型传感器6。它不仅具有电容式传感器的优点，又具有因多极电容带来的平均效应，使其抗干扰能力强，精度高，对刻制和安装的精度要求不高，量程大（可达1m），是一种很有发展前途的传感器。传统的电容式传感器有两大缺点，输出具有非线性；寄生电容的影响往往降低传感器的灵敏度7。容栅技术的出现，使得基于这一技术实现的传感器在位移测量领域使用的越来越广泛。简单的说，容栅传感器指的是根据电容极板耦合面积的变化而引起电容量变化这一原理所研制的电容传感器。与一般电容传感器不同的是：它的电极不止一对，而是多个、多对、多组。由于增加了反射电极，通过它的电容耦合以及电荷传递作用可以使传感器的活动部分与测量线路之间不存在引线。利用它可以测量大位移量，实现光栅、磁栅和感应同步器的功能，同时，由于其电极排列如同栅状，故称此类传感器为容栅传感器8。目前,国内的数显标尺(或数显装置) 大部分为光栅、磁栅和感应同步器。这些装置各有所长,但成本较高,结构复杂,对使用环境和安装条件要求高,特别是各部分间的连线困难,易受干扰,难以普及使用和实现在现有机床设备改造中的应用。容栅传感器比较好地解决了前述数显系统所存在的问题,它具有结构简单、造价低、体积小、耗能少、安装使用方便、环境适应性强、分辨率高、动态范围宽等优点。特别是其位移传感器的可动部分不需通电,从根本上解决了连线困难的问题。因而适用于多种机械设备的位移量数字化自动显示。对于推广低成本自动技术有较好的社会和经济效益。目前已被应用于多种测量仪器中。容栅传感器主要优点在于：结构简单并易于进行机械设计。如直线型容栅传感器主要由两组极板组成，结构小巧，易于安装在便携式仪器当中。低功耗特性。由于传感器本身的介质损耗和静电引力都很小，以及其内部使用了CMOS电路的缘故，通常情况下仅用一块l.5V氧化银电池大约就可以使用6个月。输出信号可以在任意位置清零。容栅传感器由于具有任意点置零的功能，由此实现的位移测量装置可将测量范围内的任意位置作为测量基准点，可以有效地克服机械量具中存在的上述缺陷。对使用环境要求不高。容栅传感器能够低抗电场及磁场的干扰。采用适当的防护措施后，能够防止油污、尘土对其工作带来的影响，适宜在在多种工作环境中使用。我们所要研制的数字式皮革厚度测定仪是基于直线型鉴相式容栅传感器9的测量原理来实现的。下面将从传感器的结构及工作原理两方面对仪表系统的测量原理做一叙述。（1）传感器结构LHE-02型容栅传感器结构示意图如图2-2所示，其主要分为动栅与定栅两部分。可以看出其这类容栅传感器的结构与平行极板电容器的结构相类似，只是其具有多个、多对、多组极板。其中动栅极板上排列着一系列尺寸相同、宽度为l0的发射极片E，通常为48个，均匀分为6组。每8个小发射极所占的宽度为一个节距D(D=8l0)。公共接收极R为一个长金属条，位置处于发射极的下方10。在敷铜材质的定栅极板上均匀的腐蚀出了宽度及间距都为4l0并且与其它部分绝缘的小矩形方格。其表面粘贴有绝缘保护层，这些小方格称为反射极。其它连通部分屏蔽接地。由于位移测量的范围不同，定栅极板可长可短，因而反射电极片的个数不唯一。在位移测量系统中，动栅与定栅两极板的电极片面相对，平行安装。（2）传感器工作原理更具电容的特性可知：如果在电容器的某一个极板上加上一定的电压V，则在另一个极板上将会产生感应电荷Q，且有： （2-2） 其中：C该电容器的电容量因为电容器两极板间的电位差具有固定不变的特性，因此，若在电容器的一个极板上加载一个电压信号，则在另一极板上必然感应产生出相同的电压信号，以保持两极板间的原电位差不变。根据这一特点，如果在电容器的一个极板上加载周期性变化的激励信号，则在另一极板上必然产生与激励信号具有相同周期变化的感应信号。根据公式（2-1）与（2-2）可知，感应信号的大小与激励电压的幅值V、极板间介电常数、两极板间的有效耦合面积S成正比，而与极板间距d成反比。图2-2 直线型容栅传感器结构示意图根据如上所述，对于单个平行板电容器的情况，若给电容器的一个极板加上随时间变化的周期性的电压信号，另一极板将感应出相同性质的电压信号，这种信号周期变化只与时间相关。那么对于容栅传感器来说（其相当于多组电容器平行并接的情况），如果把随时间变化的周期信号通过相应电路的控制，在同一瞬间以不同的相位分布加载于顺序排列的各个栅状发射上（如将每组8个发射电极片分别加以频率相同，相位依此相差/4的激励电压ElE8），则在另一公共极板上，任一瞬间产生的感应信号将与该瞬间加载的激励信号具有相同的相位分布。 这里需要说明的问题是：感应信号若与激励信号一致，其前提条件是假定电容器两极板的位置保持相对静止。如果电容器两极板间发生了相对移动，则尽管激励信号不变，随着空间的变化，各激励信号也会有有不同的相位分布，同时感应信号也将随两极板相对位置的不同而不断的变化。在这一过程中，上文提到的各栅状发射极的顺序排列已经把相位分布与距离联系在了一起。同时，激励信号本身又是随时间变化的周期信号，则激励信号在同一瞬间不同的栅极上的相位并不相同，在同一位置的栅极上不同的瞬间也有不同的相位，而极板的移动既有空间位置的不同，移动过程又需要时间，因而极板间发生位移时，感应信号的变化就变得比较复杂。在这里，容栅传感器内部电路的处理方式为：随时控制激励信号的按时并按顺序发送，并把每一瞬间的激励信号记作标准。与此同时，随时接收感应信号并及时与标准信号进行比较，通过其内部的鉴相处理以得到的动栅与定栅极板间的相对位移量，随后把把这一位移量以串行数字信号的表示形式发送出来。（3）容栅传感器输出信号的时序容栅传感器极板上有四个信号输入输出端口，其中Vdd与Vr为正电源输入端与地。CLK与DATA为输出端，分别输出同步时钟信号与数据信号。容栅传感器的输出信号波形如图2-3所示。其中CLK是同步时钟信号,在每一帧信号中，开始是44s的高电平段11，表示数据即将开始传送，当此高电平段的下降沿到来时DATA（数据信号）端开始发送第一位数据。接下来是24段周期为11.1s 的脉冲信号,此时CLK端每次一个下降沿到来，DATA端发送一位数据，共24位。在间隔90s之后，是下一组24个脉冲信号，对应这24个脉冲段DATA端再次发送24位数据。 最后是55s 的高电平段, 表示数据发送完毕。相邻两帧数据的44s高电平段之间的相隔时间为传感器发送信号的周期T。对于我们选用的LHE-02型容栅传感器，一个周期约为250300ms。图中DATA表示数据信号。它是在同步时钟信号控制下输出的串行数字信号，表示此时传感器动栅与定栅极板之间的相对位移。信号幅值的大小取决于传感器的工作电压。当工作电压为正1.5V时，输出数据信号的高电平为1.5V，低电平为0V。 图2-3 容栅传感器的信号输出如上所述，在发送的每一帧信号当中, 数据信号共有2组，每组24位数据。两组数据中第一组是绝对量。另一组为相对量，表示此刻的输出是相对于测量基准点的位移值。将传感器的CLK端与VDD端短接后，DATA端输出信号即可清零，之后输出的数据信号表示的位移值都以此点作为测量基准。因而在测量位移时多采用相对数据。这24位经过二进制编码的数据的格式为：低位在前，高位在后，最后一位为符号位，若此位为1，则表示位移值为负值，数据是以补码的形式输出的。如符号位为0，则表示位移值为正值。输出数据以原码表示。数据信号表示的位移值D与动栅、定栅极板间实际相对位移值L的关系为： （2-3）其中：容栅传感器的脉冲当量（=0.009921875） D传感器输出数据信号的十进制表示值根据芯片内部的逻辑设计，要求容栅传感器的结构保证为一常数。根据上述可知，只要采集到传感器输出的数字信号就可以计算出两极板间的相对位移值。 根据直线型容栅传感器的工作原理可以看出：如果在皮革厚度测定仪加入必要的机械部分，将传感器的动栅及定栅极板分别固定于不同的部位。在测量过程中，若随着测厚仪压脚的上下移动可以使两栅板间随之发生相对位移，则二者间的相对位移量就可以反映出皮革的厚度值。通过相应的电路对传感器的信号输出进行处理后，就可得到待测皮革试样的厚值值。这就是数字式皮革厚度测量仪的基本测量原理。2.2.3 单片机简介 本小节重点讲MCS-51单片机的功能及结构组成，最后将介绍此次皮革厚度测量仪所用的单片机型号AT89C2051。（1）MCS-51单片机硬件结构的特点美国Intel公司继1976年推出MCS-48系列单片机后，1980年有推出了MCS-51系列高档8位单片机。MCS-51单片机的硬件结构有如下一些主要特点12： I/O口MCS-51单片机内的I/O口的数量和种类较多且齐全，尤其是它有一个全双工的串行口。MCS-51有32根I/O口线，其中P0口是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低八位及数据线复用。P1口是8位准双向I/O口。P2口是8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。P3口是8位准双向I/O口，外还有专用功能，是复用双功能口。 外部程序存储器和外部数据存储器寻址空间MCS-51单片机可对64KB的外部数据存储器寻址，而对程序存储器是内外总空间位64KB。 内部程序存储器（ROM）和内部数据存储器（RAM）MCS-51单片机的内部有128B的数据存储器和最大4KB的内部程序存储器。 中断与堆栈MCS-51有5个中断源，分为两个优先级。堆栈深度可达128字