金刚石圆锯片端跳高速检测装置的研制_正文.doc

题目 金刚石圆锯片端跳 高速检测装置的研制 学生姓名 学号 专业 班级 指导教师 评阅教师 目 录摘要1前言21概论3 1.1系统概论3 1.2系统总体设计思路 42硬件器件选型 52.1采用电涡流传感器qh8500作为端跳检测器5 2.1.1 qh8500概述52.1.2工作原理52.1.3结构与组成62.1.4性能与技术指标6 2.1.5安装技术7 2.1.6传感器的使用条件10 2.2模数转换器选型112.3霍尔传感器选型11 2.3.1霍尔传感器的工作原理11 2.3.2 霍尔传感器技术性能12 2.3.3 霍尔传感器cs3144简介142.4显示终端的选择15 2.4.1 常用的显示器件15 2.4.2 f940触摸屏15 2.4.3 计算机crt终端18 2.5采用c8051f000单片机作为核心控制器20 2.5.1模数转换器20 2.5.2 uart20 2.5.3其它资源介绍213系统方案设计21 3.1 电源系统设计21 3.2 霍尔元件电路设计23 3.3 qh8500输出信号处理24 3.4 单片机与计算机的通信24 3.5 单片机系统26 3.6 系统结构框图264单片机测量策略设计264.1 测量原理264.2 锯片初步校正28 4.3 测速算法设计28 4.4 定点测量算法设计31 4.5 单片机编程设计325 crt显示终端设计35 5.1 串口配置35 5.2 数据处理36 5.3 显示设计366 系统性能分析39 6.1 转速测量误差分析39 6.2 转速测量性能改进39 6.3 定点位置误差分析40 6.4 距离测量误差分析41致谢 42参考文献43附录 45 45 48 金刚石圆锯片端跳高速检测装置的研制 学 生：欧阳陆指导教师：施保华（三峡大学 电气与新能源学院）摘 要：本课题研究一种基于c8051f000单片机的金刚石圆锯片端跳高速检测装置。系统采用c8051f000单片机作为核心控制器，以qh8500电涡流传感器作为锯片端跳检测器，以计算机crt作为显示终端。通过测量传感器输出电压，计算出锯片端跳量，在显示终端以组态软件mcgs作为显示界面，可选择查看各种数据，表格及图表。基于装置的高速检测能力，操作人员可实时了解锯片切割系统的工作状态，及时发现问题，以检测结果为依据，调整锯片切割系统，从而使其工作在最佳状态。系统方案经过反复论证，找到了一种使检测装置性能最优，成本较低，结构最简单方案。该检测装置操作简单，系统可视化效果好，抗干扰能力强，瞬时响应快，达到预期的效果，将在实际应用中将产生巨大的经济效益。关键词：金刚石圆锯片；端跳；高速检测abstract：the project study a solution of high speed detector for diamond saw blade which is based on single chip microcomputerc8051f000. the system use c8051f000 as controller core, use qh8500 eddy current probe as saw blade total runout detector，use crt as display terminal . by measure the output voltage of sensor ,to calculation the total runout. on the display terminal, we use kingview mcgs as display interface, to choose and view data, table,graph. because of the high speed measure ability of the devices, we will know the working state saw blade of cutting system, find out problem on time, and moderating cutting system on the basis of measure result, so that the cutting system work on the best state. the project after repeatedly demonstrated, have a optimal performance, low cost, simple structure. and easy to operating ,have a good visualization effect, strong anti-interference, fast transient response achieve the desired results, will in practice will produce enormous economic benefits.keywords：diamond saw blade；total runout；high speed detector前言在科学技术高度发达的现代社会中，人类已进入了瞬息万变的信息时代，人们在从事工业生产和科学实验的活动中，极大地依赖于对信息资源的开发、获取、传输和处理。而今，现代测量技术，以作为一种专业的技术，越来越受到重视。质量测量，时间测量，距离测量，无不涉及到现代科学的方方面面。距离测量，作为一种典型测量技术，正发挥着不可或缺的作用。随着现代电子技术和计算机技术的发展，在生产实践中，工件的转速，偏移，厚度，以及加工尺寸等参数的获取，已逐渐被提上更高的层次。而今，随着计算机技术及信息处理技术的发展，测量系统所涉及的内容也不断得以充实。工程应用，实验实践中，人们对测量技术提出了更高的要求。尤其是精密测量，人们不仅要求测量仪器有高精确度，还要求高速度，高可靠性。当前，市面上的端跳检测装置门内繁多，各式各样，但对于锯片端跳检测的装置，尤其是高速检测装置却寥寥可数。或许是因为过去人们对加工精度的要求不高，或许是研究条件不成熟，锯片端跳的研究在较长的时期内，都处于冷门状态。最近几年，这一课题逐渐被提上研究日程。事物的发展总是相互影响相互促进的，各行各业的发展变化也是如此。工业的发展，刺激了其相关行业的发展。近几十年，随着半导体产业的发展，在以集成电路为核心的计算机技术，plc技术，微控制技术等领域，都发生了天翻地覆的变化。这些都为本方案的设计实施奠定了理论基础。本方案着重研究金刚石圆锯片端跳的测量，以高速高精传感器qh8500电涡流传感器的基本原理出发，配合霍尔传感器cs3144，介绍一种性能强大的单片机c8051f000，并以此来研究该测量装置的两种性能：一种是用于校验圆锯片的偏差，另一种是检测圆锯片的端跳。引起端跳的原因较为复杂，归纳起来主要三点：1）主体设备振动，如工作台的振动；2)电机或传动系统的振动；3）锯片加工误差，如偏心、斜轴等。实践证明，端跳在一定程度上是可以纠正的。本设计方案并不深入研究端跳产生的原因，而是实时的高速的检测端跳，并以列表或图形方式显示出来。操作人员根据检测结果，制定纠正方案。在实际应用中，圆锯片出厂质量检测，是一项极为重要的工作。现代化生产流程，效率极为重要，产品检测不仅要注重质量，还要注重检测效率。金刚石圆锯片的检测，锯片的平整度是一项重要指标。该装置的研制，在锯片平整度检测方面，有着极大的应用。在锯片使用时，锯片的端跳，直接影响到被加工材料加工精度。锯片的工作状态，锯片的校正等一系列问题，都可以用该装置来解决。该装置应用电涡流传感器作为锯片端跳检测器，电涡流传感器是非接触是传感器，与其它接触式传感器相比，有着无法比拟的优点。不仅检测精度高，而且检测速度快，有着极高的灵敏性。适合于高速检测装置的应用。在其它方面，如转轴测速，转轴偏移，测量金属板材厚度等，该装置都有着巨大的应用空间。根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器，电涡流式传感器的最大特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小、灵敏度高等特点，应用极其广泛。再如，在零件加工过程中，按所给定的加工余量，来确定工艺上的尺寸，以保证设计图所规定的公差要求。在编制零件加工的工艺规程时，经常会遇到渗透深度和电镀厚度的计算。这时，零件尺寸的测量，精度要求是极高的。对于要求如此之高的测量，常规的测量仪器是无法达到测量精度的。该装置的研制，在其他行业中也具有广泛的应用。如曲轴粗磨之后主轴颈跳动测量，深孔小台阶面端跳测量，工件表面处理尺寸计算，轴头螺纹孔形定位等。1概论1.1 系统概论金刚石锯片是一种硬度高，耐磨性好的锯片，在加工一些硬度高，耐磨的材料时，显示出极大的优势。如加工各类瓷砖、陶瓷、玻璃、玻璃钢、花岗石和大理石，混泥土刻纹等。然而，锯片在生产制造中，由于加工工艺，以至于锯片不是一个严格的平面，即加工误差。工程中，只要误差在允许的范围内，误差是可以接受的。然而，如果加工精度差，致使误差过大，生产出的锯片就不符合要求，即为废品。此外，工作的锯片在旋转过程中，锯片并不能严格保持在一个平面内，而是存在一定的摆动，俗称端跳。一般在对精度要求不高的场合，端跳的影响可以忽略不计。然而，在某些加工精度要求极高的情况下，端跳必须重点考虑。当端跳较为严重时，锯片切割甚至影响到材料加工前后的尺寸。本课题方案旨在实时监测锯片端跳，并以列表或图形方式显示出来，为工作人员安装机械，调试设备，校准锯片等关键操作，提供可靠依据。不仅保证了锯片安装准确到位，而且实际工作时稳定可靠，从而提高加工精度。对贵重材料的加工，不仅要求较高的加工精度，而且材料不能浪费太多。材料经切割后，因为端面不平整，而需再加工，如打磨、刨光等。这时，端面的平整度，将成为材料节省的关键。锯片在旋转时，如果锯片能保持在一个平面内，材料切割断面将十分整齐，就像用刨刀刨过一样，到达以切代刨的效果。本装置的设计，一是用来检测锯片的平整性，而是用来校验锯片的偏移。检测锯片端跳，传统的方法，一般靠计算机来完成，但由于相关的传感器检测速度有限，导致检测速度有限，只能用于处理低速或较高速度，对于高速的要求，就无能为力了。由于其检测速度有限，功能单一，可靠性、可操作性不高，因而难于推广，应用面狭小。传统检测装置往往只注重一方面功能，而忽略了整体性能。主要表现在造价高，而使用寿命短，耗电量大，体积大而使用不方便，可视化效果差，操作复杂等。没有一个集成化、智能化的系统性概念。本系统方案使用电涡流传感器，这种传感器检测精度，检测速度极高，非常适合于测量金属工件的微小位移量。当通过金属的磁通量变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓的电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。电涡流传感器利用涡流效应，将非电量转换为线圈阻抗的变化而进行测量的。一般来说，线圈的阻抗变化与导体的导电率，导磁率，几何形状，线圈的几何参数，激励电流频率以及线圈到被测体间的距离有关。如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数恒定不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。如果其它参数不变，阻抗的变化就可以反映线圈到被测金属体间的距离大小变化。电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是磁性耦合，电涡流传感器是利用这种耦合程度的变化来进行测量的。因此，被测物体的物理性质，以及它的尺寸和开关都与总的测量装置特性有关。一般来说，被测体的导电率越高，传感器的灵敏度也越高。为了充分有效地利用电涡流效应，对于平板型的被测体则要求被测体的半径应大于现行线圈半径的1.8倍，否则灵敏度要降低。当被测体是圆柱体时，被测体直径必须为线圈直径的3.5倍以上，灵敏度才不会受到影响。被测体测材料对电涡流传感器的检测性能具有一定的影响，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。通过本课题的设计，可培养提高综合运用专业知识分析理解实际问题的能力，独立分析问题、解决问题的能力，同时提高运用现代计算机对机械设备进行监测的能力。1.2 系统总体设计思路金刚石圆锯片端跳测量装置是对锯片端跳进行测量，并为其提供校验依据而设计的。包括系统硬件电路和软件算法设计，如系统主电路设计、单片机控制策略、控制与检测电路设计、联机监控通讯设计和人机界面设计等类容。首先选取合适的系统主电路方案，从总体上满足系统设计的基本要求，其次根据主电路的结构和控制要求，设计单片机程序控制算法，并选择合理的控制与检测电路设计方案，最后完成系统联机监控通讯设计和人机界面设计。从结构上讲，系统硬件部分和软件部分构成。硬件上，单片机作为核心控制器，电涡流传感器作为段跳检测传感器，计算机crt作为显示终端，两者以uart模块进行通信。软件系统主要包括单片机编程和crt显示终端编程。2硬件器件选型2.1 采用电涡流传感器qh8500作为端跳检测器18由于金刚石圆锯片旋转时速度很高，最高可达10000转/分钟，因而检测其偏移的传感器必须具有高速检测能力。电涡流传感器是一种高速的金属传感器，常用于转轴的偏移检测，速度测量等方面。本系统方案并不对传感器的选型着重介绍，而详细介绍一种典型的电涡流传感器qh8500，并以之作为测量金刚石圆锯片端跳的传感器。2.1.1 qh8500传感器概述在高速旋转机械振动研究和运行参数测量过程中，非接触式测量方法与接触式测量方法相比，能更准确地搜集到转子振动状况的各种参数。与其它类型的位移传感器相比，电涡流传感器，具有测量范围宽，抗干扰能力强，不受油污等介质影响，结构简单等优点。因此在高速旋转机械状态临测与故障诊断中得到了广泛的应用。qh8500如图1所示。它的主要应用场合有：轴转速测量轴位移测量轴振动和轴的轨迹测量轴对中测量轴偏心测量差胀测量壳胀测量转子动平衡轴承油膜厚度测量 图1 电涡流传感器qh85002.1.2 工作原理电涡流传感器采用的是感应电涡流原理，当带有高频的线圈靠近被测金属时，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。电涡流效应与被测金属间的距离及导电率，导磁率线圈的几何形状，几何尺寸，电流频率等参数有关。通过电路可将被测金属相对于传感器探头之间的距离变化转换为电压或电流的变化。电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移，振动等参数的测量。电涡流传感器qh8500电路原理如图2所示。 图2 qh8500电路原理2.1.3 结构与组成电涡流传感器系统由传感器探头与壳体，前置器，电缆和接头三部分组成。 传感器探头与壳体传感器探头是传感器感受被测信号的部分，它由绕在非金属骨架上的矩形截面线圈组成。传感器壳体用于固定传感器头部，并作为测试时的装夹结构，一般用不锈钢制成，上面加工成标准螺纹并配有螺母。 前置器前置器是一个能屏蔽外界干扰信号的金属盒子，内部装有全部测量电路，并用环氧树脂灌封。外壳上有三个端子分别为电源，公共端，一个接头与电缆相连。 延长电缆延长电缆为耐高温射频电缆，其两端的接头是传感器探头与前置器相连而设的。电缆长度为5米或9米。2.1.4 性能与技术指标电涡流传感器的输出特性可用位 输出电压（v）移-电压曲线来表示，如图3。图中横 坐标表示位移变化，纵坐标表示前置器 -18 a输出电压变化。理想的位移-电压曲线是斜率恒定直线，直线的a-c段为线性 -10 b区，即有效测量段。b 点为传感器线性中点。 -2 cqh8500的主要技术指标如表1。 0 a b c 位移图3 距离-电压转换探头直径(mm)8112550量程(mm)241225灵敏度(mv/um)840.80.4线性度(%)12.51.21.5温度灵敏度(%/)0.050.050.040.058稳定度(%/年)1111频率响应(khz)010010010010温度范围()探头-18170-18170-18170-18170前置器-34100-34100-34100-34100 表1 qh8500主要技术指标2.1.5 安装技术 传感器正常工作的测量范围每种型号的涡流传感器都有固定的正常工作范围，超出此范围，则不能取得准确信号。例如对于振动，轴位移和差胀测量，安装时一般将输出值确定在线性中点，线性中点的确定可用机械法，即用非金属塞确定探头与被测件的间隙，用数字电压表，使之达到线性中点的电压。传感器的安装正确与否对获得测量结果有着十分重要的意义，任何一种影响电涡流效应的因素均会引起测量误差使测量结果不可靠。安装位置参考如表2。探头直径(mm)输出电压范围(v)线性中点电压值(v)探头与被测体距离(mm)8-2-18-10约1.2511-2-18-10约325-2-11.6-6.8约850-2-12-8约15 表2 安装位置参考 对金属表面及导电介质的要求被测金属表面金相组织不均匀会带有电气偏差。表面锈蚀，凸起，裂纹，都会造成机械偏差。这两种偏差均会影响测量精度。因此，要求选择平整光滑的被测表面。传感器在工作状态下，电感线圈向周围发射电磁场，这个电磁场在被测工件表面上形成电流。同时也在临近非工作表面上形成电流。后者将对于前置器输出产生影响，使其电压值不能准确反映被测物体的振动情况。因此，在安装时，探头头部周围应留有约3倍探头直径非导电介质空间。图4，图5给出了几种正确或错误的安装方法。 图4 正确的安装方法图5 错误的安装方法 传感器探头安装示例a) 测轴转速可以检测轴上的键槽，此时探头零点以轴 表面为参考面；也可以检测轴上的键，此时探头零点以键的顶点为参考面。测量示意如 图6。 图6b) 测轴振动如采用一只探头，则安装在轴的垂直方向；如采用两只探头，则相互成90度安装。探头之间的距离要大于40mm，以避免相互干扰。测量示意如 图7。 图7c) 测轴位移此时我们要先半段轴位移的方向，确定合适的探头位置，保证轴位移在传感器线性范围内，探头应在靠近推力盘处安装。测量示意如 图8。 图8需要注意的是，当探头安装在机壳内部时，要注意引线用卡子固定在机壳上，还要注意穿出机壳处的密封及接头的密封。 安装支架的要求传感器装卡要求牢固可靠，避免被测工件振动时引起传感器支架系统受激自振。在发电机组励磁机附近安装传感器时支架应选用不易被磁化的材料。安装示意如图9所示。图9 支架安装示例 前置器的安装前置器应固定在一个密封的专用接线盒内，以防机械损伤及恶劣环境影响。安装必须采用浮地方式以避免干扰信号进入测量系统。前置器与仪表间连线要用三芯屏蔽电缆。安装方式见图10。 图10前置器的安装2.1.6 传感器正确使用条件供电电源24v0.1v 纹波5mv 每路最小电路：150ma探头周围条件符合技术要求支架设计符合要求前置器安装符合要求2.2 模数转换器选型由于锯片切割系统工作时，锯片旋转速度极高，最高可达10000转/分钟，测量装置必须具有高速测量的功能,所使用的模数转换器必须具有高速模数转换功能。锯片端跳本身就是极其微小的变化量，电涡流传感器将检测到的距离，转换成模拟的电压值输出，该电压值值必须能得到精确的识别。这就需要高精度的模数转换器。市面上的模数转换器件有很多。按转换精度分，可分为八位的，十位的，十二位的，甚至有十六位的。按工作方式分，有串行方式和并行方式。按转换方式分，有逐次转换型的，有双积分型等。但他们都有一个共同缺点，就是不便于集成。再者，独立的模数转换器必须使用单独供电，配套一些简单的外围电路，以致于设计电路板时不便于集成。同时用单片机读取模数转换器转换结果时，信息交换较为复杂。若使用并行模数转换器，将占用大量的i/o口，精度越高，所需i/o口越多。若使用串行模数转换器，所需i/o口较少，但转化精度则达不到要求。综合考虑，系统方案选用单片机内部集成的模数转换器。c8051ff000单片机内部集成9路12位的模数转换器，转换精度可达1/4096vref。最高采样速率可达100ksps。其功能将在单片机选型部分详细介绍。21252.3 霍尔传感器选型为了准确的反应锯片旋转一周，在各个位置上，锯片的偏移量，系统方案设计时，选取36个点来进行测量。这36个点均匀分布在锯片的圆周上。为了使qh8500传感器准确找到这36个点，必须设置一个基准位置。这个位置，就用霍尔传感器来检测。2.3.1 霍尔传感器的工作原理24霍尔传感器是应用霍尔效应而工作的。所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。 利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差uh的基本关系为 uh=rh*i*b/d (1) rh=1/nq（金属） (2) 式中 rh霍尔系数： n载流子浓度或自由电子浓度； q电子电量； i通过的电流； b垂直于i的磁感应强度； d导体的厚度。 对于半导体和铁磁金属，霍尔系数表达式与式（2）不同。 由于通电导线周围存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔元件测量出磁场，就可确定导线电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。 若把霍尔元件置于电场强度为e、磁场强度为h的电磁场中，则在该元件中将产生电流i，元件上同时产生的霍尔电位差与电场强度e成正比，如果再测出该电磁场的磁场强度，则电磁场的功率密度瞬时值p可由p=eh确定。如果把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。2.3.2 霍尔传感器的技术性能24 霍尔系数（又称霍尔常数）rh在磁场不太强时，霍尔电势差uh与激励电流i和磁感应强度b的乘积成正比，与 霍尔片的厚度成反比，即uh =rh*i*b/，式中的rh称为霍尔系数，它表示霍尔效应的强弱。另rh=*即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。 霍尔灵敏度kh（又称霍尔乘积灵敏度） 霍尔灵敏度与霍尔系数成正比而与霍尔片的厚度成反比，即kh=rh/，它通常可以表征霍尔常数。 霍尔额定激励电流 当霍尔元件自身温升10时所流过的激励电流称为额定激励电流。 霍尔最大允许激励电流 以霍尔元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。 霍尔输入电阻霍尔激励电极间的电阻值称为输入电阻。 霍尔输出电阻霍尔输出电极间的电阻值称为输入电阻。 霍尔元件的电阻温度系数不施加磁场的条件下，环境温度每变化1时，电阻的相对变化率，用表示，单位为%/。 霍尔不等位电势（又称霍尔偏移零点）在没有外加磁场和霍尔激励电流为i的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为不等位电势。 霍尔输出电压 在外加磁场和霍尔激励电流为i的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为霍尔输出电压。 霍尔电压输出比率霍尔不等位电势与霍尔输出电势的比率。 霍尔寄生直流电势在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称寄生直流电势。 霍尔不等位电势在没有外加磁场和霍尔激励电流为i的情况下，环境温度每变化1时，不等位电势的相对变化率。 霍尔电势温度系数在外加磁场和霍尔激励电流为i的情况下，环境温度每变化1时，不等位电势的相对变化率。它同时也是霍尔系数的温度系数。典型的应用，如测速，把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。霍尔传感器的种类很多，按其检测方式，一般分为： 单极性开关型，常用的如a3144； 双极性开关型，常用的如a3134； 双极性所存型，常用的如a3188； 线性型，常用的如a3518。按其检测类型可分为； 方向检测型，如a3422； 齿轮传感型，如a3046; 位置传感型，如a3212。 图 11 cs31442.3.3 霍尔元件cs3144简介24 本系统方案选用cs3144霍尔元件。cs3144 霍尔元件是应用霍尔效应而制成的集成电路，采用半导体集成技术制造的磁敏电路，它是由电压调整器、霍尔电压发生器、差分放大器、史密特触发器，温度补偿电路和集电极开路的输出级组成的磁敏传感电路，其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号。图12 cs3144磁电转换特性 图13 cs3144功能方框图此款电路管腿采用纯锡制作，产品完整型号为cs3144eua-s 或者cs3144lua-s。cs3144技术参数及电气特性分别如如表3，表4所示。参 数符号测试条件量 值单位最小典型最大电源电压vccvcc=4.5v24v4.5-24v输出低电平电压volvcc=4.5v vo=24v io=20ma bbop-175400mv输出漏电流iohvo=24v bbrp-1.010ua电源电流iccvcc=24v vo 开路-3.09.0ma输出上升时间tsvcc=12v rl=820欧cl=20pf -0.22.0us输出下降时间tf-0.182.0us 表3 cs3144技术参数参数符号量值单位电源电压vcc28v输出截至态电压vo28v输出电流io25ma工作环境温度ta后缀e-4085后缀l-40150贮存温度范围ts-65150 表4 cs3144电气特性2.4 显示终端的选择2.4.1 常用的显示器件8常用的显示器件有组合数码管，小型lcd液晶屏，触摸屏，计算机crt等。单片机测到的电压经计算得到距离，要以一定的形式显示出来。对于内容简单数字量，用结构简单的数码管就能满足要求。但对于表格，图表，随时间变化的曲线等较复杂内容，数码管就为无能为力了。小型lcd液晶屏可现实数字，字符，汉字及简单曲线，但其单屏显示内容有限，切换屏幕不方便，且在设计人机界面方面也不够直观，需要相应的控制电路。故而不是合理选择。从功耗方面分析，数码管由于采用发光二极管原理，因而工作电流较大。用应用数码管组合时，其耗电量将更大。至于小型lcd液晶屏，耗电量会小一些。以fyd12864l为例，该型号液晶屏最大显示128*64点，自带汉字字库，可显示32个汉字或64个字符。既可工作于并行模式，也可工作于串行模式。其最低工作电流为3ma。本系统方案中，不考虑系统的低功耗设计，仅从系统的可行性方面分析。2.4.2 f940触摸屏15测量结果必须直观的显示出来，并可以选择某些内容是否显示，设置显示格式等，现在常见的触摸屏可加以考虑。三菱公司设计生产的f940触摸屏是一款使用较为广泛的液晶触摸屏，现做一简单介绍。a) f940触摸屏供电电源要求如表5所示。项目规格f940got-lwdf940got-swd供电电压直流24v，误差+10%，-5%电源纹波200mv或更低消耗电流390mv/24v dc410ma/24v dc允许瞬时停电时间连续运行瞬时停电不超过5ms。 表5 f940触摸屏供电要求b) f940触摸屏功能触摸屏内置了多种显示屏幕，并提供各种功能，包括内置屏幕。此外，可以设置屏幕显示格式。内置的屏幕（系统屏幕）和用户的屏幕（用户屏幕）就具有以下功能： 用户屏幕 显示功能-由用户创建的屏幕单屏最大可达500。屏幕可以设置使用fx-pcs-du/win-ev2.0或使用swod5c-gotre-pack（“o”表示该数字不小于1）。可以覆盖或改变多个屏幕 图14 f940外观显示格式。-不仅可以显示诸如字母，数字，平假名，片假名和汉字之类的字符，而且可以显示诸如直线，圆和矩形之类的简单图形。f940got-swd-e可以显示8种颜色。 监测功能-plc监测的设置值和当前值能以数字或图形的方式显示。-屏幕的指定范围可根据plc的on/off状态反向显示。 数据更新功能-数字数据进行监测是可以改变的。 切换功能-通过操作触摸屏的内置键，临位设备的操作键可以设置为on或off，显示面板可设置为触摸按键以提供切换功能。 系统屏幕 程序列表（仅对于fx系列）-根据指令，程序可以读，可写，可监视。 存储缓冲（仅对于fx2n系列和fx2nc系列）-缓冲存储器（bfms）特殊块的内容可以读，写和监测。 监测设备-plc内置的各个器件的on/off状态，各个定时器，计数器，数据寄存器的设定 值以及当前值的可以进行监控和更改。-指定的设备可以强行设置为on/off。从不同的监控功能，在屏幕显示上页所描述的功能，屏幕可只显示从键盘输入所需设备号。 数据采集功能-指定的数据存储器的当前值是以固定周期而得，或当触发条件满足而得。-采样数据可以以列表或图表的形式显示。-采样数据可以以列表的形式打印打印出来。 报警功能-报警信息可以被分配到plc的连续最大256位中。-当某一位on时，消息将显示（以 重叠的方式）在用户屏幕上。此外，要指定的用户显示屏幕，则通过设置相应的位为打开。-当对应位为打开时，相应的信息将显示在用户屏幕上。消息列表也可显示。-最大1000警报值（对应位为开启）可以存储，作为历史警报值。-在每台设备发生误鸣的次数可以存储。-使用屏幕在操作软件，可将报警历史输出到打印机。 其他功能该触摸屏还内置了许多其他功能-内置实时时钟，当前时间可以灵活设置并显示。-触摸屏可以作为一个接口，使数据之间的plc与个人计算机，其中梯形图制作软件启动沟通。在这个时候，触摸屏也可以显示。 -屏幕对比度和蜂鸣器音量可调节。c) 触摸屏外围连接 双端口接口fx-2pif该接口将触摸屏和外围部件的连接起来，用于对触摸屏的再次编程。当触摸屏已连接到一个通用 图15 双端接口的个人计算机或计算机时，该接口可以不使用。 电池pm-20bl（配备零部件）这种配备的电池是用来备份警报的历史数据，实时时钟等，当触摸屏被拆卸时，电池要连接上。 eprom（fx-eprom-4m）存储器用来 图16 电池存储用户屏幕数据。该存储器是可选用的，（m27c4002 *f（4 mb）sgs -汤姆逊制造）用来保存用户屏幕数据。用户屏幕数据可以通过一个通用rom编程器来写 入，但必须连接到屏幕设置软件。 图17 eprom 数据传输适配器f9gt-40umb这是一个可选适配器，fx-eprom-4m，将用户屏幕数据传输到触摸屏内置的flash存储器。当一个屏幕要同时显示触摸屏的两个或两个以上的屏幕数据时，适配器通过屏幕设置软件，传输可以快 图18 适配器速方便地完成数据传输。 更换背光f9gt-40lts这是显示屏幕的一个背光零部件。背光是建立在got工作的基础上的。 图19 更换背光 f940触摸屏当以点阵图形方式显示时，最大可以显示320*240点。当其以字符方式显示时，最大可以显示15行，每行20个全字符或40个半字符。对于字母，数字以及片假名字符和汉字标准（jis 1级），可以1*4规格显示在垂直和水平方向。当然字母，数字和片假名字符也可以1/4规格显示。2.4.3 计算机crt显示终端3414计算机crt显示器是一种较为普遍的显示器，关于crt的工作原理及其优缺点，本方案不着重介绍，本方案将介绍crt结合组态王软件作为显示终端的设计方案。 a) 便于人机界面设计和管理人机界面由很多窗口组成，窗口包含图形和文字。文字和图形可动态变化。如文字可显示现场i/o量的大小，图形的颜色变化表示现场状态量的改变等。 同时显示的窗口一般只有一个，窗口间可以互相连接、跳转，也可以设立菜单或专门的窗口负责窗口间的切换。 人机界面开发环境中提供了各种绘画工具，如画矩形、椭圆、文字、位图等工具。同时提供了动画连接手段，使图形、文字等与现场的数据相关联。现场数据变化则画面上图形颜色、位置等也相应改变，通过观察画面上的图形文字就可以知晓现场的状态，并称这种图形文字与数据之间的联系为“动画链接”。 可以手工的绘制各种工艺对象，如罐、阀门、泵等。为了方便使用人机界面开发环境都提供了现成的小图形，称之为“子图”。在子图中可以找到各种现成的图形，如各种形状的阀门。有的子图还与特定的动画连接捆绑，更加方便使用。 趋势图人机界面不可缺少的组成部分。趋势图以曲线的形式显示过程数据库中实时数据或历史数据。一般实时数据和历史数据分别在不同的趋势图中显示。一幅趋势图中通常最多显示八条曲线，曲线可以放大、滚动。趋势笔可以在开发环境中定义，也可以在运行时动态指定。 报表是人机界面的重要组成部分。开发环境提供专门的报表生成工具，方便的形成各种报表。报表中的数据可以有瞬时值、历史值、统计值。还可以让报表定时打印。另外还可以利用组态软件的excel插件，用ms excel生成报表。 此外，在人机界面中还有许多其它种类的组件，如xy曲线、报警浏览、总貌等。另外人机界面几乎都是ole容器，可以嵌入ole对象，或activex控件。b) 重要功能 过程报警 过程报警是过程数据库的基本功能。报警是对测量值的范围、变化速度的预警。报警包括限值报警，变化率报警，偏差报警，异常报警等。更复杂的报警可以通过对测量值进行数学运算，然后对运算结果进行报警检查而产生。发生报警后，操作员可以通过报警画面对报警进行“确认”，“确认”就是告诉系统我知道了发生的事，以免系统再次提醒。报警信息，报警确认信息，报警恢复（报警消除）等信息都可以被系统自动记录下来。报警按照重要程度可分为多个优先级，如低级、高级、紧急。 报警发生时系统可以通过多种方式通知用户，如弹出报警窗、发出声响，甚至可以发送短信或电子邮件。至于使用哪种方式，用户可以自由指定。 历史存储 对实时数据可以进行历史存储。历史数据对于生产状况分析、实现先进/优化控制、以及生产事故分析非常重要，所以将重要的工艺数据都会进行长期历史保存。为了节省存储介质空间，对保存的数据使用压缩保存。常用的保存方式有周期性保存和变化保存（数据只有变化到一定程度才保存）。 c) 脚本语言 除了固定格式的功能，如点内部处理（能够完成几种固定形式的功能，如量程转换、报警检查、pid运算），动画连接（能够完成几种固定形式的动画，如颜色、位置改变）等，组态软件还允许