毕业设计（论文）-表面粗糙度检测系统.doc

表面粗糙度检测系统设计 IV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，但存在测量精度较低、测量参数较少、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，基于微机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操作优点，而且通用性强，价格便宜，将具有较大的应用价值和市场潜力。基于单片机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灵活，多样化，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。关键词：单片机，表面粗糙度，检测，计算ABSTRACTThe surface roughness is a reflection of the surface is smooth degree of physical parts. It is in cutting process, by tools in the surface of the knife scar left on the. It is used widely touch the needle type apparatus can be realized roughness part Outlines the evaluation parameters, but there is less, the measuring parameters measurement precision, lower measuring results output dont intuitive shortcomings, already cannot satisfy the modern workpiece measurement requirements. In this paper, according to the definition of the surface roughness, microcomputer developed based on the surface roughness of the measuring instrument, in addition to the traditional instruments can solve the problems at present outside, still have measuring speed, high automation and human-computer interface and other advantages, and the price is cheap, versatility, will have large market potential and application value. Based on the virtual instrument technology of surface roughness parameter measurement instrument, is through the design writing surface roughness parameters measurement of the software control program, making the instrument testing more diverse, flexible, as long as plus necessary hardware equipment can be based on user needs a test equipment.Keywords: Single chip microcomputer, the surface roughness, detection, calculation目 录1 绪论11.1 文献综述11.2 立题意义21.3 光纤传感技术的发展与现状31.4 表面粗糙度测量技术的发展41.5 本文研究内容52 粗糙度检测的基本原理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输出特性72.5 粗糙度测量原理83 粗糙度测量仪的方案总体设计103.1 硬件方案设计103.2 软件系统设计114 粗糙度测试仪硬件及软件设计124.1 信号调理电路124.2 单片机及其外围扩展电路的设计124.3 软件设计175 调试与验证255.1 调试分析过程255.2 调试故障及原因分析266结论27参考文献29致谢31附录 电路图32附录 程序清单33表面粗糙度检测系统设计 431 绪论1.1 文献综述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，设计基于单片机的一种新的表面粗糙度测量仪1，即利用传统的表面粗糙度测量仪与虚拟仪器技术相结合。在切削加工过程中，由于刀具和被加工表面间的相对运动轨迹(即刀痕)、刀具和被加工表面间的摩擦、切削过程中切屑分离时表层金属材料的塑性变形以及工艺系统的高频振动等原因，零件表面会出现许多间距较小的、凹凸不平的微小的峰、谷。这种零件被加工表面上的微观几何形状误差称为表面粗糙度2。为了适应生产的发展，有利于国际技术交流及对外贸易，我国参照ISO标准，陆续发布了GB/T35052000产品几何技术规范 表面结构 轮廓法 表面结构的术语、定义及参数GB/T10311995表面粗糙度 参数及其数值、GB/T1311993机械制图表面粗糙度符号、代号及其注法等国家标准，取代原表面粗糙度国家标准GB350583、GB103183、GB131833。表面粗糙度不同于主要由机床、夹具、刀具几何精度以及定位夹紧方面的误差等因素引起的表面宏观几何形状误差，也不同于主要由机床、刀具、工件的振动、发热、回转不平衡等因素造成的介于宏观和微观几何形的统一标准4，通常按波距或波距与波幅的比值来划分，如图4-1所示。波距小于lmm的属于表面粗糙度；波距在110mm的属于表面波度；波距大于10mm的属于形状误差。波距与波幅h的比值小于40时属于表面粗糙度5；比值在401000时属于表面波度；比值大于1000时属于形状误差6。表面粗糙度对零件使用性能的影响主要有以下几个方面：(1)对摩擦、磨损和接触变形的影响 表面的凹凸不平使两表面接触时实际接触面积减小7，接触部分压力增加。滑动时，两面的凸峰相互搓削，产生了摩擦阻力，造成了表面磨损。表面越粗糙，接触面积越小，压力越大，接触变形越大，摩擦阻力增大，磨损也越快8。(2)对配合性质的影响对于间隙配合，会因表面微观不平的峰尖在工作过程中很快磨掉而使间隙增大；对于过盈配合9，表面轮廓的峰顶在装配时被挤平，使有效过盈减小，降低连接强度；对于过渡配合，表面粗糙度使配合变松10。(3)对疲劳强度的影响 承受疲劳载荷的零件，其破坏多半是因为应力集中产生了疲劳裂纹。表面微观不平的凹痕越深11，其底部曲率半径越小，则应力集中越严重，零件疲劳损坏的可能性越大，疲劳强度就越低12。(4)对耐腐蚀性的影响 腐蚀介质在表面凹谷聚集，不易清除，产生金属腐蚀。表面越粗糙，凹谷越深，谷底越尖，零件抗腐蚀能力越差13。此外，表面粗糙度对零件结合面的密封性能。表面反射能力和外观质量等都有影响。为保证产品质量，提高零件的使用寿命，降低生产成本，在设计零件时必须依据国家标准对其表面粗糙度提出合理的要求，即给出评定参数的允许值，并在生产中对给定参数进行检测14。表面轮廓表面轮廓是指平面与实际表面相交所得的轮廓。按照相截方向的不同，它又可分为纵向表面轮廓和横向表面轮廓14。在评定或测量表面粗糙度时，除非特别指明，通常均指横向表面轮廓，即与加工纹理方向垂直的截面上的轮廓15。取样长度r 取样长度是指用于判别被评定轮廓的不规则特征的一段长度，如图4-4所示。规定取样长度的目的在于限制和减弱表面波度对表面粗糙度测量结果的影响。取样长度应与表面粗糙度的要求相适应16。取样长度过短，不能反映表面粗糙度的实际情况；取样长度过长，表面粗糙度的测量值又会把表面波度的成分包括进去17。在取样长度范围内，一般应包5个以上的轮廓峰和轮廓谷18。评定长度n 为了充分合理地反映表面的特性，通常取几个取样长度(测量后的算术平均值作为测量结果)来评定表面粗糙度，一般n =5r。如被测表面均匀性较好，可选用小于5r的评定长度；反之，可选用大于5r的评定长度19。1.2 立题意义表面粗糙度是机械零件的一个重要的精度指标，对零件的性能会产生很大的影响。零件表面粗糙度会直接影响零件的耐磨性、疲劳强度、配合性质、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在持续，传统的测量方法有光切法、针描法、比较法、干涉法和印模法等多种，主要是使用电动廓仪、样板、干涉显微镜、光切显微镜等多种计量仪器和工具。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，但存在测量精度较低，测量参数较少，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，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是很有必要的，基于微机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操作性等优点，而且通用性强，价格便宜，将具有较大的应用价值和市场潜力 20。基于微机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。1.3 光纤传感技术的发展与现状快速发展的现代科学技术，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传输、变换和处理进行社会活动。传感器是获取、感知、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。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21。基本原则的光纤传感器是光源的光通过光纤成一个区域,在调制区,外面被测量参数和成OuDeGuang交互,光学特性的光的强度的光的波长(颜色)、频率和相位的极化,例如改变光信号的调制,然后光纤成光探测器、调制解调器和得到测量参数。光纤传感器根据传感器的工作原理分为两种:一种是light-transmission类型(或说功能)光纤传感器;另一种是传感器模型(或说功能)光纤传感器。光纤传感技术优于其他传感技术,因为它是在光纤通信发展的基础上。光纤通信具有广阔的市场,可以提供一系列的低价格的设备,更重要的是,它可以形成一个门光纤传感器所使用的基本科学。这个概念的光纤传感器并不新鲜,但在60年代早期是在第一个专利。它包括的光束机械位移传感器用相位调制和超声波传感器。然而,在更广泛的领域,即现在表示光纤传感技术,进行了一系列的研究是在10年之后,从那时起光纤技术将突破回来四处流浪的初始状态,进入了一天的时间。在70年代,人们开始意识到,光纤本身可以形成一种新的直接的信息交流的基础,没有任何的中产阶级可以放在一边的光的数量和光纤连接。1977年,美国海军研究所(海军)开始执行光纤传感器系统的计划,这被认为是光纤传感器发射当天。自那时起,光纤传感器在许多实验室在世界各地出现。从70年代到80年代中期,近10年的时间,光纤传感器已经几乎达到,它在国防部门、科研部门和军事制造业、能源工业、医药、化工和日常消费部门的实际应用。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。1.4 表面粗糙度测量技术的发展表面粗糙度和零件的性能和工作寿命密切相关，因此，人们认识到测量表面粗糙度的重要性，在很长一段时间之前。然而，由于技术水平，技术工艺落后，只能单靠触觉和视觉估计。在生产技术不断发展以后，开始采用了比较显微镜进行比较测量，但这些原始测量方法只能对表面微粗糙度做出一个定性的评估。这些年来，随着科学技术的不断进步，信息时代到来后，光学工业，机械对表面加工有了更高的要求。这主要是因为不仅在力学性能，表面粗糙，工件属性，集成电路产量影响，并且它也会影响耐磨性和寿命主要包括磁头和计算机存储的磁盘，也会影响磁盘读出信号的信噪比和幅度。很明显，存储密度为纳米的材料，那么基面的粗糙度就要低于纳米级别才可以，否则是不可能的提取信息。因此，为了实现更高的表面质量，也要有较高的表面粗糙度测量的相应要求和方法。测得的表面粗糙已有很长一段时间，在一般情况下，表面粗糙度测量方法可以分为两大类：接触和非接触式表面粗糙度测量技术。 (1)接触式针式轮廓是使用最广泛的非接触式测量仪器，典型的产品是在英国的泰勒霍普森泰勒公司和Nanosurf系列产品。他们一般采用金刚石针尖，为了上下往复运动的驱动杆控制探针沿表面，以正确反映实际的侧面轮廓曲线。其优点是：重现性好，分辨率高，结果可靠，测量范围大，其水平和垂直分辨率20nm及0.lnm。它还作为对比其他方法粗糙度测量技术。目前正在手写笔的形状，大小，形状，接触力的动态特性，手写笔，仪表和智能将不断提高。最大的缺点：探头经常划伤的表面进行测量。因此，这种类型的针式表面轮廓并不适用于轻金属，塑料和超精加工表面。(2)非接触式由于在20世纪50年代接触测量仪器的缺点，光学技术已经引进一侧的表面粗糙度测量，以实现非接触式测量。大部分非接触式光学仪器开在1980以后才研制和开发出来。典型的方法有以下几种：光散射法-它是如何工作的：当粗糙的表面上的激光入射角，散射光强度分布，正态分布，角分布的表面粗糙度之间有一定的关系。可以测量表面粗糙度的对象，并根据他们的角分布。光散射法的特点是：测量速度快，设备结构简单。但是，因为它可以测量平均特征的侧面，它不能放弃的表面形貌，是一个参数测量技术。光学探测方法-光学探测方法的类型，基本上是一个小的聚焦光斑事件被测物表面，模拟机械触笔测量的。干涉显微镜法-光波干涉，光束发射束在工件表面的一侧，另一束射向参考镜，两束光再相遇后反射光的光照条件下拍摄，形成的干涉条纹。相对曲率的条纹反映在被测物表面的高度差的会徽概念。1.5 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。第二部分是实现单片机程序设计，对数据进行处理、显示和存储。第三部分在上两部分都调试成功的前提下，进行模拟调试，得出设计最终结果。2 粗糙度检测的基本原理本文应用光纤位移传感器测量物体表面粗糙度的系统之前,做一个简短的介绍表面粗糙度的知识,和表面粗糙度的概念、表面粗糙度测量基准、表面粗糙度测量原理应遵循的表面粗糙度和评价的参数定义的和有更全面的认识和理解。这些基本的定义是设计的实验系统的计算机和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几何形状误差微的一个重要指标,这主要是由于在加工过程中切削工具和零件之间的摩擦表面,切割分离在塑性变形和金属撕裂,和过程系统存在由于高频率形态的振动。表面粗糙度不包括机床几何精度的误差引起的表面宏观几何偏差,也不包括在加工过程中机床、刀具、工具系统的受迫振动等引起的宏观视图几何形状之间的误差及徽章的波纹 、沙眼孔隙度、沙眼等。形状误差斑,粗糙度,三种表面几何偏差在一个表面上不是单独存在,很多加工表面常进行综合效应。事实上,只有三个层次的不同,而不是原则上的区别。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，对表面粗糙度和有相应的需求。和表面粗糙度,只有基于单一的评价参数不能满足不同的需求,在他的研究工作在大量不同的评价参数,来表征这些评价参数需要一些条款,定义多达60余个,这种复杂的情况下,没有宽容的规模,有一个宽容和配合比一般比较复杂,这是各种国际近年来工业国家活跃的研究领域,几乎每年在这方面的研究工作。为了与国际接轨,我国并先后在标准已经被修正。修订后的标准GB / T 131 - 1993“表面粗糙度符号、代码和注法、GB / T1031 - 1995“表面粗糙度参数及其数值”,他们是等价的,采用国际标准ISO1302 - 1992“技术drawings-mark表面特征的方法,并结合国际标准ISO 468 - 1982“表面粗糙度参数及其数值和给定的需求的一般规则”。新的国家标准的发布有利于积极采用国际标准,提高产品质量和导致表面粗糙和测量仪器和检测方法的发展和统一,使表面粗糙度的术语,评价参数及国际大多数国家同意，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。由于光学纤维的大小有一定的光圈,当结束时的光纤探针测量一个、发射光线反射光纤不能接收光纤,光信号接收光;当测表面逐渐远离光纤探针,光纤光测表面发射的面积越来越大,和接收光纤照明区域也结束越来越大,一个线性增长的输出信号;当收购是所有的光光纤,输出信号到达一个位移输出信号曲线（图2-2）上的“光峰点”、光峰点这段曲线之前,前斜坡区;当测表面继续远离它,部分反映出光的反射式光纤没有接受,因为接收光纤更遥远的由地面接收光强光敏元件的逐渐减少,输出信号的逐渐减弱,斜坡区的曲线之后。在边坡的位移curve-output地区之前,输出信号强度增长的非常快,这一区域可用于微米级的位移测量。在斜坡区,疲软的信号和调查和测量表面之间的距离成反比,可以用于距离较远和敏感性,线性度和准确度不高的测量。在光峰面积、信号达到最大值,其大小取决于表面的状态被测量所以这个区域可用于对表面状态行光学测量，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。3 粗糙度测量仪的方案总体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，然后经过单片机计算，得到结果总体方案包括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 硬件方案设计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，单片机部分主要包括数据采集部分和数据计算部分设计。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)00.20.40.60.811.21.41.6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。3.2 软件系统设计 软件系统主要包括主程序、A/D转换。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结束图3-2 系统软件总体流程图4 粗糙度测试仪硬件及软件设计 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，软件程序见附录二。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。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 Memory）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。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100s（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）。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4.3 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/D采样中断计算程序结束YN 图4-13 主程序流程图/*TS12864A-3 端口定义*/#define LCD_data P0 /数据口sbit LCD_RS = P10; /寄存器选择输入 sbit LCD_RW = P11; /液晶读/写控制sbit LCD_EN = P25; /液晶使能控制sbit LCD_PSB = P12; /串/并方式控制sbit wela = P26;sbit dula = P27;main()uchar i; uchar AD_i=50,TEM_i=100,Max=0,Min=0,Eve=0,Fangcha=0; char ADtemp,ADtemp0; /定义中间变量uchar CCdata40=0; TMOD=0x01; TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; TR0=1; EA=1; ET0=1;for(i=1;i21;i+) if(MaxCCdatai) Min=CCdatai; Eve=(CCdata1+CCdata2+CCdata3+CCdata4+CCdata5+CCdata6+CCdata7+CCdata8+CCdata9+CCdata10+CCdata11+CCdata12+CCdata13+CCdata14+CCdata15+CCdata16+CCdata17+CCdata18+CCdata19+CCdata20)1;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 发送一个字节 unsigned char BitCounter=8; unsigned char temp; do temp=Data; Scl=0; _nop_(); if(temp&0x80)=0x80) Sda=1; else Sda=0;Scl=1;temp=Data1;Data=temp;BitCounter-; while(BitCounter); Scl=0; 读入一个字节并返回 Sda=1; do Scl=0; _nop_(); Scl=1; _nop_(); if(Sda) temp=temp|0x01; else temp=temp&0xfe; if(BitCounter-1) temp1=temp1; temp=temp1; BitCounter-; while(BitCounter);return(temp); 写入DA数模转换值 Start(); Send(AddWr); /写入芯片地址 Ack(); Send(0x40); /写入控制位，使能DAC输出 Ack(); Send(Data); /写数据 Ack(); Stop(); 读取AD模数转换的值，有返回值 Start(); /写入芯片地址 Send(AddWr); Ack(); Send(0x40|Chl);/写入选择的通道，本程序只用单端输入，差分部分需要自行添加 /Chl的值分别为0、1、2、3，分别代表1-4通道/显示上半屏内容设置 for(i=0;i32;i+) lcd_wcmd(0x80 + i); /SET 垂直地址 VERTICAL ADD lcd_wcmd(0x80); /SET 水平地址 HORIZONTAL ADD for(j=0;j16;j+) lcd_wdat(*img); img+; /显示下半屏内容设置 for(i=0;i32;i+) lcd_wcmd(0x80 + i); /SET 垂直地址 VERTICAL ADD lcd_wcmd(0x88); /SET 水平地址 HORIZONTAL ADD for(j=0;j16;j+) lcd_wdat(*img); img+;5 调试与验证调试与分析的过程包括硬件电路的调试、程序的调试及它们的联机调试过程。一旦系统的工作总框图确定之后，硬件电路和程序的设计工作就可以齐头并进。硬件电路的调试可以先采用某种信号作为激励，然后通过检查电路能否得到预期的响应来验证电路是否正常。软件程序是先按模块分别进行子程序调试，然后对完整的功能程序进行调试检查。5.1 调试分析过程本次毕业设计采用的仿真系统是由南京伟福实业有限公司开发的伟福仿真器进行软件调试的，此系统可以开发应用软件，以及对硬件电路进行诊断、调试等。它的具体功能是可以进行CPU仿真，可以单步、跟踪、断点和全速运行，而且，程序的编译过程中，可以对设计软件进行自诊断，并自动给出故障原因。同时用户调试程序时，可以通过窗口观察寄存器的工作状况，以便及时发现和排除编程中可能出现的错误。可以看出，该仿真系统是款功能强大，实用性强的仿真系统。本次毕设之所以采用伟福仿真系统，就是由于此仿真系统强大的功能，因为所借助的仿真系统性能的优越，直接影响设计者设计和调试的效率。调试与分析的过程一般包括电路原理的调试、程序的调试及它们的联机调试过程。一旦系统的工作总框图确定之后，电路原理图和程序的设计工作就可以齐头并进。硬件电路的调试可以先采用某种信号作为激励，然后通过检查电路能否得到预期的响应来验证电路是否正常。通常采用的方法是通过编制一些小的调试程序分别对相应各硬件单元电路的功能进行检查，而整个系统硬件功能必须在硬件和软件设计完成之后才能进行。软件程序也是先按模块分别调试，然后再连接起来进行总调。它只有在相应的硬件系统中调试，才能最后证明其正确性。5.1.1 硬件调试硬件调试首先要对照硬件电路图，仔细检查电路的走线是否和电路图一致。用实验室的万用表按照设计的电路图检查。再仔细检查各个芯片是否好用。查看各引脚电平是否符合理论值要求，在此基础上进行硬件的功能调试，使其转换电路和显示电路都能达到系统要求。5.1.2 软件调试系统调试主要包括A/D转换程序的调试，数据处理程序的调试。首先对程序进行单步调试，观察仿真器窗口，查看输出结果、内存单元以及各个特殊寄存器中的值是否正确。如果有错误，要查找错误的原因，并及时进行修改。通常来说，如果各子模块的程序正确，然后把各个模块组合起来，全速运行，查看程序是否能够实现设计所有功能。若不能实现，则重新单步运行，逐条检查程序，直到发现错误，并进行改正。5.1.3 软硬件联调经过硬件、软件单独调试后，进