（机械电子工程专业论文）数字化生坯密度仪的设计.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在磁性材料生产过程中，生坯密度是控制磁性材料产品质量的重要指标 之一，生坯密度的提高可促进烧结致密化过程，抑制烧结过程晶粒的不均匀 长大，提高取向度，改善磁性能。对生坯密度的检测通常采用“排水法进 行抽检，操作复杂且效率低。目前，限于理论研究的局限，尚不能在生坯密 度与压制作用力之间建立起明确的数学关系式，同时由于压制系统的复杂性， 在压制作用力与模具模架系统振动特征之间建立明确的数学关系式也很困 难，因此，很难在线对生坯密度进行检测。本文提出采用数字化称重传感器 实测生坯质量与生坯的实时体积测量( 对于形状规则物体，则利用参数化输 入，计算物体生坯体积) 的方法，通过计算机软件程序，实时采集信号与数 据处理，实现对生坯密度的现场实时快速、准确的测量。 本论文主要研究内容有：( 1 ) 数字称重传感器系统的研究，包括在传感 器内部采用高集成化、高智能化的处理单元，将模拟重量信号进行a d ( 模 拟数字) 转换等预处理，最后输出数字信号；( 2 ) 物体体积计算的参数化软 件编程，形成不同形状、大小、质量的固体体积计算知识库和专家库，供计 算机软件调用；( 3 ) 排气法实时测量固体体积的系统研究，包括压强传感器 的设计和选用、对模拟体积信号进行a d ( 模拟数字) 转换等处理；( 4 ) 集成 数字化称重传感器信号和体积信号，编程计算出物体密度，实时数字显示测 量数据。 关键词：生坯密度称重传感器压强传感器软件编程 a b s tr a c t i nam a g n e t i cm a t e r i a lp r o d u c t i o np r o c e ss ，t h eg r e e nd e n s i t ym a g n e t i c m a t e r i a lp r o d u c tq u a l i t yc o n t r o l i so n eo ft h ei m p o r t a n ti n d e x e s ，t h eg r e e n d e n s i t vc a np r o m o t et h ei m p r o v e m e n to fs i n t e r i n gd e n s i f i c a t i o np r o c e s s ，i n h i b i t t h es i n t e r i n gp r o c e s so ft h eg r a i ns i z eo ft h eu n e v e ng r e w , a n di m p r o v et h e o r i g i n a lm o l e c u l a ro r i e n t a t i o n ，i m p r o v et h em a g n e t i c t h eg r e e nd e n s i t y o ft h e d e t e c t i o nu s u a l l yus e s ”d r a i n a g em e t h o d ”f o rs a m p l i n gi n s p e c t i o n ，c o m p l e x o p e r a t i o na n dl o we f f i c i e n c y a tp r e s e n t ，d u et o t h el i m i t a t i o n so ft h e o r e t i c a l r e s e a r c h ，i sn o ti nt h eg r e e nd e n s i t ya n dp r e s s i n gf o r c ee s t a b l i s hc l e a rb e t w e e n t h em a t h e m a t i c a lr e l a t i o n s h i p ，a n db e c a u s et h es u p p r e s s i o no ft h ec o m p l e x i t yo f t h e s y s t e m ，i n t h e p r e s s i n g f o r c e sa n dm o u l df o r m w o r ks y s t e mv i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h em a t h e m a t i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nac l e a ri t i sd i f f i c u l t ， t h e r e f o r e ，i ti sd i f f i c u l tt oo n l i n eg r e e nd e n s i t yo ft e s t i n g t h i sp a p e rp r o p o s e d u s i n gd i g i t a lw e i g h i n gt r a n s d u c e rg r e e nq u a l i t y o ft h e g r e e na n d m e a s u r e d r e a l t i m ev o l u m em e a s u r e m e n t ( t os h a p et h er u l e s ，t h eu s e o fa no b j e c tp a r a m e t e r i n p u t ，t h ec a l c u l a t i o no f t h eg r e e no b je c tv o l u m e ) m e t h o d ，t h r o u g hac o m p u t e r s o f t w a r ep r o g r a m ，t h er e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o ns i g n a la n dd a t ap r o c e s s i n g ，t h e r e a l i t y 。 t h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c hc o n t e n t sa r e ：( 1 ) d i g i t a lw e i g h i n gs e n s o rs y s t e m r e s e a r c h ，i n c l u d i n gi nt h es e n s o ru s eh i g hi n t e r n a li n t e g r a t i o n ，h i g hi n t e l l i g e n t p r o c e s s i n gu n i t ，t h es i m u l a t e dw e i g h ts i g n a la d ( a n a l o g d i g i t a l ) c o n v e r t ，f i n a l l y o u t p u td i g i t a ls i g n a l ；( 2 ) t h eo b j e c ti s c a l c u l a t e dt h ep a r a m e t e r i z a t i o no ft h e s o f t w a r ep r o g r a m m i n g ，f o r md i f f e r e n ts h a p e ，s i z ea n dq u a l i t yo f t h ek n o w l e d g e b a s ea n ds o l i dv o l u m ec a l c u l a t i o nm o d e l i t ，f o rc o m p u t e r s o f t w a r ec a l l s ；( 3 ) e x h a u s tr e a l t i m em e a s u r i n gm e t h o do fs o l i dv o l u m es y s t e mr e s e a r c h ，i n c l u d i n g p r e s s u r e s e n s o r d e s i g n a n ds e l e c t i o n ，t ot h ea n a l o gv o l u m es i g n a l a d ( a n a l o g d i g i t a l ) c o n v e r t ，a n dp r o c e s s i n g ；( 4 ) i n t e g r a t e dd i g i t a lw e i g h i n gs e n s o r s i g n a la n dv o l u m es i g n a l ，p r o g r a m m i n gc a l c u l a t eo b j e c td e n s i t y , r e a l - t i m ed i g i t a l d i s p l a ym e a s u r e m e n t d a t a 。 k e y w o r d s ：g r e e nd e n s i t y ； w e i g h i n gt r a n s d u c e r ；p r e s s u r e s e n s o r s ； s o f t w a r ep r o g r a m m i n g 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1生坯密度测量仪设计的意义 磁性材料、陶瓷、粉末冶金等生产过程中，生坯密度是产品质量控制的 重要指标之一。磁体的磁性能，如剩磁b r 、矫顽力h c j 和磁能积( b h ) m a x 不仅取决于与材料的内禀并特性，更与材料的组织疏密机构相关，即生坯密 度有关n 1 。通过相关的分析研究可知，压制成型的生坯密度与磁体烧结的致 密化高低、显微组织、以及取向度和磁体性能都有很大的关联，提高生坯的 密度可以促使烧结致密化的过程，控制晶粒在烧结过程中不均匀的长大，增 加其取向度，改善磁体性能心3 儿引。目前，限于理论研究的局限，尚不能在 生坯密度与压制作用力之间建立起明确的数学关系式，同时由于压制系统的 复杂性，在压制作用力与模具模架系统振动特征之间建立明确的数学关系式 也很困难h 8 】。所以研究出一种操作灵活、测量准确度高的生坯密度仪，不仅 满足磁学行业生产中对中间工艺流程粉料坚持的迫切需要，而且为企业的科 学管理，为中间工艺的合理性、规律性、产品的稳定性、一致性提供可靠的 数字依据。 生坯是指经过压制成型之后烧结之前的压坯。粉末的成型根据生产过程 中加压方式的不同，可以分为常温加压、加温加压和无压成型三种类型阳1 。 近几年新工艺成型法和粉末锻造法也在粉末冶金中应用，单冷压依然是应用 最广泛的粉末成型方法。所谓冷压即在室温下的单轴响压制，加工步骤是： 装粉压制脱模。 生坯密度过高或偏低在烧结过程对坯体都造成很大影响。密度偏低，在 烧结中容易出现裂纹，在烧结以后易变形，坯体尺寸不稳定。密度偏高则需 要较大的压制压力，这就造成较高的模具损毁，并且压制后坯体存在较大的 回弹力，有膨胀破裂的危险。生坯密度与压制压力关系图如1 1 所表示，当 压制压力达到临界值之前，随着压制压力的增大，生坯密度逐渐增加。到达 临界值以后，生坯密度随压制压力增大而趋于迟缓下降。 生坯密度同压制速度也有关系。根据颗粒粗细不同，压制速度也不相同。 颗粒度较粗的生坯，可以合理的进行快速压制，缩短压制周期，提高生产效 率。速度太快会造成坯体密度分布不均匀、密度偏低、跑浆等缺陷。颗粒度 较细的生坯压制速度就要相应减慢。因为颗粒较细，颗与水的分离就变的困 难，成型时脱水也需要时间。压制速度慢又会造成加工效率低，所以针对不 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 同的颗粒实行合适的压制速度。 i 【g f c = t 图卜1生坯密度与压制压力关系图 f i g 1 - 1 g r e e nd e n s i t ya n dc o m p a c t i o np r e s s u r ed i a g r a m 1 2 生坯密度测量仪的测量现状 密度参数是物质测试的一个重要指标，根据物体存在形态的不同分为固 体密度，液体密度和气体密度。固体密度的测量有很多种方法，如通过微波 技术，放射性原理，不等臂天平等测试方法都可以对固体密度进行测量引。 但是这些的方法测试都会出现测量周期较长，测量精度不高，人工记录等缺 点。不能完全实现自动化，智能化。对于形状规则生坯，体积测量比较容易， 生坯密度也容易测量。对于形状不规则的生坯密度测试相对比较困难，目前 针对生坯密度的测量主要是利用阿基米德原理排水法，测试过程简单，具体 测试原理如下： 首先对坯体在空气中的质量进行测试设为m ，再将坯体浸入在装有水或 者油的容器中，测试浮力的重量，利用阿基米德原理，便可求出坯体的密度 值。测量原理入下： 生坯在空气中的重量为： 置= u g ( 1 - 1 ) 设生坯进入水后的测试生坯重量为：p 2 利用阿基米德原理得生坯体积为： p p y = 1 兰( 1 2 ) p n g 其中g 为重力加速度密度定义， 则根据密度定义得： m p 。可 p 。为水的密度。 p , g 2 ：( p , - p 2 ) p o s ：上生 ( 1 3 ) 最一最 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 因为p o = l g c m 3 ， 所以生坯密度为： d p = l ( 1 4 ) 。 只一最 可知只要测试出生坯在空气中的重量和浸入水的重量就可以得出生坯的 密度。排水法系统测试硬件原理图如下图1 2 所示： 图1 _ 2 系统硬件原理图 f i g 1 2 p r in e i p i ed ia g r a mo ft h es y s t e mh a r d w a r e 排水法测量速度较慢，对一些水溶性不好的坯体难以测量，对生坯密 度测试系统的升级开发势在必行。本文针对生坯密度的测量，分为重量测 量和体积测量两部分。对于形状规则的坯体采用建立坯体体积数据库，不 规则形状的坯体体积采用排气法，即利用气体状态方程通过对压强变化的 测量得出生坯体积，集成数字化称重传感器信号和体积信号，编程计算出 物体密度，实时数字显示及语音报出测量数据。 1 3 项目研究背景 在上世纪六十年代，出现了稀土金属原子与过度金属原子所构成的金属 间化合物为基础的永磁材料，称之为稀土永磁铁( r e p m ) 。经过近几十年的 发展，稀土永磁铁已经衫钻( s m c o ) 、钕铁硼( n d f e b ) 两大系列，s m c 0 5 、 s m 2 c o l 7 、n d f e b 三代的成熟产品n 1 | 。它们都具有高剩磁b r 、高矫顽力h c 和高磁能积( b h ) 的高性能特点。根据用途和工艺特征r e p m 材料又发展为烧 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 结和粘结两大类别。三代成熟产品都具有自身是优点和不足，一直都在发展， 其中发展最快是永磁n d f e b 。稀土永磁材料的发展总体趋势：提高和改善性 能，扩大生产规模，往高技术科学领域前进；发现新的材料，实现纳米级的 复合永磁材料。a l n i c o 持续降低，s m c o 永磁在缓慢下降，烧结n d f e b 永磁 在以每年1 0 - 2 0 的速度增长，粘结n d f e b 永磁将快速发展n 引。在材料科学 领域发展历史可以看出，加工制备工艺技术是r e p m 发展的基础，只有掌握 了材料的制备工艺技术，就能掌握住商品，也就控制了市场。我们目前采用 传统制备工艺，生产出来的材料很难达到高技术的要求，这必须要加以改进。 只有采用高技术的制备工艺，才能实现稀土永磁的高性能化，才能在国际市 场上占有一定份额。n d f e b 、s m 2 f e l 7 n x 的制备过程虽然包含一些高技术含 量( 如熔体快淬、机械合金化、热等静压、橡胶等静压、金属注射成型，多级 粉碎加润滑剂，静水压压缩成型等) ，但存在着工序繁多、粉体易受污染、质 量难以控制等问题。国外新近发展的等离子喷涂近净成型技术由于具有高热 焙、高能、高凝固速度等优点，集熔化、合成、雾化、快凝固成形等工艺于 一体，能获得具有纳米结构尺寸的大块材料。如果将计算机用于其中来制备 纳米级n d f e b 、s m 2 f e l 7 n x 等永磁体，可将新型稀土永磁制备工艺推向新的 层次上。国外在9 0 年代后，7 部分厂家建立的“电脑集成制造”和“电脑人 联合集成制造”生产线，产品合格率达到9 5 至9 9 ，不能不说是对传统工 艺技术的重大改进。要缩小我国的稀土永磁与国外的差即，面临产业全面上 档升级、降低成本、提高国际竞争力的严峻挑战，“入世”后更要注重产品质 量和高技术水平，以及高科技含量在产品中的比重。因此“十五 期间我国 的稀土永磁的性能档次应有更大的提高。要参与国际市场竞争，要求更大幅 度降低产品成本。为此，生产高性能稀土永磁材料的专用设备应向自动化、 智能化程度高、能耗低、效率高的方向发展，开发新的适合中国国情的新型 设备，并且能在生产线采用电脑控制来自动完成制粉、成型、烧成、检测、 充磁、包装等工序，减少人为因素的影响，使产品合格率达到9 5 以上n 3 。 烧结r e p m 的常规工艺：任何r e p m 的工业生产都是采用感应熔炼所有 的金属组分，或采用钙热还原法( r d 法) ，或如g m 公司的n e o c h e m 工艺生 产n d f e 共晶的预合金。在r d 与n e o c h e m 工艺中稀土是以氧化物粉末形 式与c o 或f e 粉共同加入；在熔体或蒸汽中稀土氧化物被金属钙还原，从而节 省了许多工序使成本降低；后来又用于2 ：1 7 合金制备和n d f e b 永磁的生产。 r e p m 磁体的生产常用的是粉末冶金法n 引。合金经过几次机械粉碎后成为微 米级尺寸的颗粒。粉末由磁场磁化而取向，在模孔中或等静压下压实，压制 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 坯烧结、热处理，切割并磨加工成最终形状，再充磁。 1 4 本文的主要工作和创新性 1 4 1 主要工作 ( 1 ) 数字称重传感器系统的研究，包括在称重传感器内部采用高集成化、 高智能化的处理单元，将模拟重量信号进行a d ( 模拟数字) 转换等预处理， 最后输出数字信号。 ( 2 ) 物体体积计算的参数化软件编程，形成不同规则标准图形状的固体 体积计算知识库和专家库，供单片机的中央处理器m c u 软件调用。 ( 3 ) 排气法实时测量固体体积的系统研究，包括压强传感器的设计和选 用、对模拟体积信号进行a d ( 模拟数字) 转换等处理。 ( 4 ) 集成数字化称重传感器信号和体积信号，编程计算出物体密度，实 时数字显示及语音报出测量数据。 1 4 2创新性 ( 1 ) 利用数字称重传感器与体积测量( 或计算) 相结合，实时测量物体 生坯密度。是一项集理论、应用、技术的集成创新。 ( 2 ) 软件技术上采用模块化、参数化设计，形成规则物体形状库和体积 知识库。 1 4 3测试系统主要性能指标 密度测量范围：l 一6 0g c m 3 标本重量范围：1 0 1 0 0 0 9 体积测量范围：1 0 一2 0 0c m 3 密度测量误差： p 2 假设先将v 2 中的气体压缩到p 3 ，则： 最= b 圪 ( 4 - 1 ) 与是： d y 2 = 詈 ( 4 _ 2 ) v 2 中剩余体积 ( v 2 - v 2 ) = 皤) 为真空。用阀a 连通v 1 、v 2 ，末态稳定时为p 3 。则有： 只c k 一，= 只 眈一圪) + k ( 一篝) 整理后得： ( 4 3 ) ( 4 - 4 ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 8 页 放入未知体积： 两式联立即可得： 嘶酱卟怒 比卟等 吆= 1 峨2 l 一一 叱。 1 峨1 l 一一 峨2 ( 4 - 5 ) ( 4 6 ) ( 4 - 7 ) 所以只要通过2 个容器内的压强变化就可以测量出生坯体积。系统测量 简图如下图4 2 所示： 图4 - 2 系统测量简图 fig 4 2 s y s t e mm e a s u r e m e n tdia g r a m 真空泵 具体测试步骤如下： ( 1 ) 先通过a 阀使容器v l 接通大气，并同时装入待测生坯。 ( 2 ) 在通过b 阀使压强传感器接通容器v 2 ，用c 阀接真空泵，抽空v 2 ， 再放入压强p 2 = o 2 p o 的气体，测量p 2 。 ( 3 ) 其次b 阀接通压强传感器与容器v 1 ，测量容器v l 中的压强p i = p o ( 大 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 9 页 气压) 。 ( 4 ) 最后a 阀接通容器v 1 和容器v 2 ，v 1 向v 2 放气，测量稳定时大气 压强p 3 压强传感器采集到信号，通过放大电路，进行信号的放大，在进行非线 性温度补偿。a d 模数转换把信号转换成单片机识别的信号。框图如4 3 所 不。 压温 放模控 一键盘i 强 度 大 数制 传补滤转j l ) 感偿 波 换 片 u r t 器 图4 - 3 体积测量框图 f i g 4 - 3v o i u m em e a s u r e m e n td i a g r a m 4 3 压强传感器 国家标准g b 7 6 6 5 8 7 对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按 照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组 成”。气压传感器是由一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感 受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满 足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。某些气压传感器主 要的传感元件是一个对压强敏感的薄膜，它连接了一个柔性电阻器。当被测 气体的压强降低或升高时，这个薄膜变形，该电阻器的阻值将会改变。本生 坯测试仪器采用了a p m 公司的t p 0 1 5 p 大气压强传感器，该器件的测量范围 为o 1 0 0k p a 。工作温度范围为一4 0 1 2 5 ，静态精度 - 4 - 0 2 f s 0 。温度 对压强传感器的测试精度有很大的影响，所以必须对传感器进行温度补偿。 二极管、三极管、热敏电阻和软件补偿( 如神经网络等) ，都是常用的温度补 偿方法。通过测试计算，决定采用n t c 热敏电阻进行温度补偿。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 0 页 4 3 1传感器标定 选择好了压强传感器，对其进行一个简单的标定，以确定其灵敏度，选择 在常温下标定。在0 到1 0 0 k p a 之间，分别选择通过标准经干燥过的气体加 压，选择多组数据对其进行标定，由于数据较多不一一列出，根据对应关系 得出对应图和线性关系式如下图4 4 所示： 毫 自 掣 图4 - 4 压强传感器的标定 f i g 4 4 c a ii b r a t i o no fp r e s s u r es e n s o r s 在对压成传感器输出数据值和压强之间对应的线性关系进行标定后，得出变 量的对应关系拟合曲线可用公式( 4 8 ) 所示。 y = 0 0 012 2 5 x + o 0 0 0 0 3 1( 4 8 ) 4 3 2放大电路 压强传感器输出信号的信号还要进行放大和滤波处理。本测试系统采用 美国a d 公司的a d 6 2 0 仪器仪表放大器h3 。其放大倍数是可以通过外接的电 阻r g 进行决定，放大倍数计算公式为： ：4 9 了4 k q + 1 ( 4 9 ) a d 6 2 0 的核心是三运放电路，并具有较高的共模抑制比，而且温度稳定性好， 放大频带宽，噪声系数小，调节方便。由于大气压强传感器t p 0 15 的输出在 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 1 页 1 0 - - 一1 5 0m v ，而a d 7 7 0 6 在的信号输入范围为0 - 一2 5 v ，故设定a d 6 2 0 的放 大倍数约为2 5 倍。其体积测量系统电路原理图如4 5 所示： 图4 - 5 体积系统电路图 f i g 4 5d i a g r a mo fv o iu m es y s t e m 4 4 本章小结 本章主要介绍了对不规则物体体积的测量现状，提出用排气法测量生坯 体积，实现了对不规则生坯体积的测量，并根据需求，设计和选用出相关设 备及硬件，并完成了相关硬件电路的设计。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 2 页 5 系统组成 生坯密度仪系统组成主要有统硬件组成、系统软件组成，生坯通过称重 系统测试出的重量信号，以及体积系统测量或者调用出来的体积信号，输入 到控制芯片，通过控制芯片进行一些列的数据出列，最终在p c 机上显示最 终生坯密度，完整系统。 5 1 系统硬件 系统硬件主要包括，控制芯片的选择，系统电源，l c d 显示，语音报出， 控制芯片与上位机连接串口以及j t a g 部分。 5 1 1控制芯片 本测试系统的控制芯片为单片机。单片机的种类较多，可以选择的机型 都有较多的余地，几乎知名i c 厂商都有自己的不同系列的各种单片机产品 n 4 。这些单片机的结构差异很大，使用场合和价格不同，为了以最低的成本 获得最高的性能，缩短开发周期和降低开发难度，必须认真考虑单片机的选 项问题。本设计主要考虑一下几个问题： ( 1 )所选机型是不是能满足测试系统的设计要求； ( 2 )芯片是否足满足系统所需资源； ( 3 ) 该型号市场价格； ( 4 ) 是否容易调试； ( 5 ) 有没有完善的技术支持； 生坯密度测量系统控制芯片需要对称重传感器和压强传感器进行处理分 析，与上位机进行通信等功能。这就要求控制芯片具有很多控制引脚、芯片 处理速度快、抗干扰能力强及价格适中。5 1 系列虽然价格便宜较低，但是不 能满足设计要求，需要另外扩充资源。综合考虑选择了a t m e g a l 6 作为系统 的控制芯片。a t m e g a l 6 是a t m e l 公司的a v r 系列单片机中的一种，具备 很多优良的性能n 5 1 ，完全符合本测量系统控制芯片的要求。它具有3 2 位i 0 口线，有很强的驱动能力；具备j t a g 接口( 与i e e e l1 4 9 1 标准兼容) ，方 便系统的调试；具备先进的r i s c 结构，处理数据可以达到1 m i p s ；具备丰 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 3 页 富的外设，包括p w m 模块、看门狗、s p i 接口以及1 0 位a d 模块等功能； 工作电压为( 4 5 5 5 v ) 。 控制芯片是整体系统的大脑，各个器件输出信号与其连接通信，通过对 输入一些列信号进行分析处理，再发送出像对应相关指令。控制芯片同测试 系统器件通信引脚连接示意图如下5 1 所示： 图5 1 单片机电路图 f i g 5 1s i n g i ec h i pm i c r o o o m p u t e rc ir c u i td ia g r a m 5 1 2系统电源 系统电源通过对2 2 0 v 唱歌电压进行变压、滤波、稳压处理，在分别经 过u l ( a s m l l 7 5 v ) 、u 2 ( a s m i l 7 3 3 v ) 电压转换器，为测试系统提供出 1 2 v 、5 v 、3 v 三中不同的电压。三种不同大小的电源分别对控制芯片、传 感器、放大电路、模数转换器、串口、p c 机等提供激励电源。具体器件激励 电压在电路图中已经画出，就不做一一介绍。系统电源转换原理图如5 2 所 不。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 4 页 图5 - 2 系统电源 f i g 5 - 2s y s t e mp o w e r 5 1 3l c d 系统中选择的l c d 液晶屏为f y d l 2 8 6 4 0 4 0 2 b ，由成都飞宇达实业有限 公司生产。这款液晶显示器件控制方式简单，可通过串口或并口控制，内部 具有国标一级、二级中文字库的点阵的图形液晶显示模块。与单片机连接示 意图如5 3 所示 lg 笨d v 配 旃薹 f 每 珏 再露 潞 曼d c 始 船蕊 强 d l 说 d 辱 d _ 5 d 5 d ： 图5 - 3l c d 与单片机连接示意图 f i g 5 - 3 l c da n ds in g i e - c h i pm i c r o c o m p u t e rc o n n e c t i o ns c h e m e s 5 1 4 串口 单片机与p c 机通信部分电路比较简单，功能比较单一，只要作用是完 成t t l 电平和r s 2 3 2 电平之间的转换。电路如图5 4 所示，采用m a x 2 3 2 ， 芯片可以实现两种电平的转换，应用是需要外接四个0 1u f 的瓷片电容来实 现电平的变化。引脚7 和8 输出的是r s 2 3 2 电平，经过d b 9 的串口线连接 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 5 页 至上位机，引脚9 和1 0 输出的是t t l 电平，分别连接单片机串1 3 接收数据 和发送数据引脚。 匹 z 二 毒 虱 0 l 一 0 l c 2 0 冬 t l o 鹱t 裁i 蠡 爹量 ；静 v 擎 锄 襄k 缀 锃泌 图5 - 4 串口连接示意图 f i g 5 - 4v i d e oc o n t r o ic ir c u i ts c h e m a t i c 5 1 5 j t a g 部分 ( a )( b ) 图5 - 5j t a g 接口引脚和调试器 f i g 5 - 5 j t a gin t e r f a c ep in sa n dd e b u g g e r j t a g 是联合测试工作组( j o i n t t e s ta c t i o ng r o u p ) 的简称，是在 名为标准测试访问端口和边界扫描结构的i e e e 标准1 1 4 9 1 的常用名称。此 标准用于测试访问端口，使用边界扫描的方法来测试印刷电路板h 印h7 1 。标准 的j t a g 接口包含模式选择( t m s ) 。时钟信号( t c k ) 数据输入( t d i ) 和 数据输出( t d o ) 等4 条引线。通常我们所用到的j t a g 可以分为两种，一 种是用于检测芯片的电气特性，一般用来测试芯片是否损坏；另一种用于芯片 遵f 童一 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 6 页 的调试。支持j t a g 的芯片一般都了这两种功能模块。j t a g 用来对芯片的好 坏进行检测时，是通过在芯片的内部定义一个测试访问口t a p ( t e s ta c c e s s p o r t ) ，然后利用专业的j t a g 测试工具对定义的节点进行测试h8 1 。j t a g 接 口还具备调试功能，也可用于完成在系统编程( i n s y s t e mp r o g r a m m a b l e ， i s p ) ，实现对具有这种功能的器件进行编程。在传统的生产流程中，先对芯 片进行编程，在装到板子上具备这种功能的器件。如果产品中的c p u 具备 i s p 功能，就可以简化产品的生产流程：先固定芯片到电路板上，然后利用 j t a g 实现对芯片的在线编程，从而简化了流程，加快了生产产品的进度。 目前，很多的芯片( 比如a v r a r m f p g a 和d s p 等) 都支持j t a g 功能 生坯密度仪测试电路中的c p u 芯片是a t m e l 公司的a v r 单片机，具有j t a g 接口，主要是用于系统的调试和升级，这在8 位单片机中属于领先技术。j t a g 接口的应用还需要软件的配合，a v r 中应用的j t a g 是与a v rs t u d i o 软件相 配合的一套完整的基于j t a g 接口的片上调试工具，支持所有的a v r 的8 为 r i s c 指令的带j t a g 的处理器。图5 5 为a v r 单片机中的j t a g 接口，( a ) 为j t a g 接口的引脚；( b ) 图为a v r 单片机j t a g 调试硬件设备。 在使用a v r 的j t a g 功能进行系统调试时，首先需要连接好相关硬件设 备，在打开a v rs t u d i o 软件，点击t o o l s p r o g r a ma v r 一c o n n e c t ，出现 图5 - 6 所示的界面，选择“j t a gi c e ，点击c o n n e c t 按钮就连接上j t a g ， p l a t f o r r 代 衙雨酉磊瓣 麴圈歌 l c o m l ” l c o m 2 i c o m 3 i c o m 4 i c 0 卅5 、， j t a g l c em h m r i s pm k l | 鲥rd r a g o n t i p ：t oa u t o - c o n n e c tt ol h ep r d g r a r r m e ru s e dl a s tt i m e ，p r e , 2 st h e p r o g a m m e r b u t t o no nc h ef o o l b a r n o r et h a tt h e j t a g i c ec a n n o , b eu ；e df 。rp r o g r a m r r i n ga sl o n ga si t j ： c e n n e c l e di n6d e b u g g i n gs e s s i o n i nt h a tc 廿s 乞s e l e c t s i 。dd e b u g g i n g 。f i r s t d i o c c n n e c ! e dm o d 罾l 。- * _ “_ _ - - - - - 日“ n h * _ _ _ _ _ _ _ - - - - 一 图5 - 6j t a g 调试器的应用 f i g 5 - 6a p p iic a t io no fj t a gd e b u g g e r 蜀 西南科技大学硕士研究生学位论文 第4 7 页 就可以进行仿真调试或者i s p 。a v r 的j t a g 仿真器可以用来仿真芯片的硬 件，进行程序断点设置、单步执行寄存器查看等操作。通过j t a g 可以了解 到系统的运行情况，加快系统的调试进度。 5 2主要功能模块程序 5 2 1 单片机主要程序图 单片机主程序流程如图5 7 所示，单片机上电主程序运行，首先进行系统 的初始化，接口操纵，a d 转换，数据标定处理，最终在p c 机上进行数据记 录。 5 2 2系统初始化子程序 单片机上电复位，程序开始运行，首先要对系统进行初始化。系统的 初始化工作将完成对单片机、a d 7 7 0 6 、e e p r o m 、l c d 模块等的初始化设 置，如果不能够正确的操作，将导致系统不能正常工作。 1 、a d 7 7 0 6 初始化 a d 7 7 0 6 初始化子程序流程如图5 8 所示，该子程序主要完成时钟寄存器 和设置寄存器的初始化，包括5 0 h z 陷波，放大器增益，选择自校准等。 2 、e e p r o m 初始化 e e p r o m 初始化子程序流程如图5 - 9 所示，该子程序主要完成写使能和 数据区保护阵列的设置。 3 、l c d 初始化子程序 l c d 模块初始化子程序流程如图5 1 0 所示，该子程序推荐依次完成功 能设定、显示器开关控制、清屏、模式设定等指令。 5 2 3 系统自检验子程序 系统的自检子程序主要完成以下几个方面的工作： 1 ) 通过对l c d 模块写入特殊字符( 依次全白、全黑和有规律的字符串) ， 并观察显示，来实现l c d 模块的检验。 2 ) 通过读f l a s h e e p r o m 中数据，并经简单运算得到的结果和预存校 验值比较，实现单片机片内f l a s h e e p r o m 的自检；通过对r a m 写入读 出特殊数据并比较，实现单片机r a m 的自检。 3 ) 通过对a d 7 7 0 6 的片内寄存器写入读出数据并比较，以及内部模拟输 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 8 页 入短路读a d 转换输出并判断，实现a d 7 7 0 6 的自检。 4 ) 通过对e e p r o m 进行写入读出数据并比较实现外扩e e p r o m 的自 检。 5 ) 对于通信部分，则需要把硬件电路的输出输入端相连后，然后发送接 收数据并比较，实现自检。 芯片初始化 上 接1 2 1 操纵 土 a d 转换 1r 数据标定 1 r1 r l重量数据体积数据 1 l 数据处理 图5 - 7 单片机程序图 f i g 5 7s o mpr o c o s sm a 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 9 页 a d 7 7 0 6 初始化开始 上 选择时钟寄存器 上 设置5 0 h z 陷波 1 l 选择设置寄存器 图5 - 8a d 7 7 0 6 初始化流程图 图5 - 9e e r o m 初始化流程图 f i g 5 - 8a d 7 7 0 6in i t ia ii z a t i o nf i o w c h a r t f i g 5 - 9e e r o m i n i t ia li z a t i o n f i o w c h a r t 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 0 页 等待l c m 空闲 + 功能设定 上 i 等待l c m 空闲 显示器开关控制 + 等待l c m 空闲 + l i清屏 l + i等待l c m 空闲 + 模式设定 结束返回 图5 1 0l c d 初始化流程图 f i g 5 1 0l c d in i t ia iiz a t i o nf i o w c h a r t 5 3p c 上位机编程 5 3 1m f c 概述 m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s sl i b r a r y ) 中的各种类结合起来构成了一 个应用程序框架，它的目的就是让程序员在此基础上来建立w i n d o w s 下的应 用程序，这是一种相对s d k 来说更为简单的方法。因为总体上，m f c 框架 定义了应用程序的轮廓，并提供了用户接口的标准实现方法，程序员所要做 的就是通过预定义的接口把具体应用程序特有的东西填入这个轮廓。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 1 页 m i c r o s o f tv i s u a lc + + 提供了相应的工具来完成这个工作：a p p w i z a r d 可以用 来生成初步的框架文件( 代码和资源等) ；资源编辑器用于帮助直观地设计用 户接口；c l a s s w i z a r d 用来协助添加代码到框架文件；最后，编译，则通过类 库实现了应用程序特定的逻辑。 5 3 2c o m 接口简介 c o m 是一个说明如何建立可动态互变组件的规范。它提供了为保证能够 相互操作，客户和组件应遵循的一些标准。标准对于组件架构的重要性同其 他任何一个具有可改变部分的系统是一样的刚哺0 。例如，如果没有v h s ( 家 用录像系统) 录像带的标准，那么将可能会有人造出能够在v c r 上使用的录 像带。花园水管的尺寸及户外龙头的尺寸也是由标准所控制的。p c n c i a 卡 及其插槽的制造也需要遵循一系列的标淮。电视或收音机所接收的信号也是 由标推规定的。当某个系统的各不同部分是由在不同国家、不同组织工作的 不同的人制造出来时，标推的重要性就更为突出了。没有标推，任何东西都 将不能一起工作。甚至在m i c r o s o f t 我们也有一些要遵守的编程标淮( 至少大 致情况下我们是遵守这些标准的) 。c o m 规范就是一套为组件架构设置标准 的文档。 5 3 3具体实现 运用v c + + 6 0 的应用程序生成向导产生标准框代码。步骤如图5 1 所示： 选择m f ca p p w i z a r d e x e ，输入工程的名字和路径。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 2 页 图5 - 1 应用程序生成向导 f i g 5 1a p p ii c a t i o n st om a k et h ew iz a r d r m 一一一 。w h a t 妒p eo fa p p l i c a t i o n 、 ，o u l dy o ul i k et oe r e a t e ?r i l er d l ! ! i c wv i - d o - l l t i p l 鍪i n g l ed o c u m e n t | r m u l t i p l ed o c u m c n t s fd i a l o gb a s e d 一 pl i o c u m e n i r _ vz e wa r c r l l i e o u i e u p p o nf w h a ti _ a n g u a g ew o u l dy o ul i k ey o u rresourcegi n ? l 中文l 中国】l a p p w z c h s d l l ) 一 | i n i s h l c a n c e i 。 f i g 5 - 2