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东北大学硕士学位论文摘要 基于单片机的几何参数主动量仪和通用测控仪的研制 摘要 本论文分为两部分。第一部分也是主要部分，即基于单片机的几何参数主 动量仪的研制。第二部分为通用测控仪的研制。 基于单片机的几何参数主动量仪可以用来测量工件的直径，并可以评定圆 度。本文采用了功能强大的c y g n a l 单片机及评定圆度的数学模型，设计了一种 在车床上使用的主动量仪。论文首先建立了评定圆度的最小二乘法和最小区域法 的数学模型，然后设计了几何参数主动量仪的机械部分，接着设计了其单片机控 制部分，并提出了l e d 显示和液晶显示两种方案。最后对该仪器迸行了精度分 析。 论文的第二部分论述了通用测控仪的研制。在充分地调查市场之后确定了 产品设计方案。该仪器采用了8 0 3 1 单片机。本文设计了原理图及p c b 图。文中 着重论述了原理图的设计思想并给出了具体电路，然后阐明了系统软件的设计思 想并给出了各部分程序的流程图。文中还对该仪器的可靠性和精度进行了分析。 经实际检验，该仪器性能可靠、稳定、准确。 关键词几何参数主动量仪直径圆度测控仪一 一 东北大学硕士学位论文a b s t r a o t d e v e l o p m e n t o ft h ea c t i v e m e a s u r i n ga p p a r a t u sf o r g e o m e t r i cp a r a m e t e r sb a s e do nm c ua n dt h eg e n e r a l o b s e r v e & c e n t r e li n s t r u m e n t a b s t r a c t t h i sp a p e rc o n s i s t so ft w op a r t s t h ef i r s tp a r ti st h em a j o r p a r t i ti sa b o u tt h e d e v e l o p m e n to ft h ea c t i v em e a s u r i n ga p p a r a t u sf o rg e o m e t r i cp a r a m e t e r sb a s e do n m c u , a n d t h es e c o n dp a r ti sa b o u tt h ed e v e l o p m e n to ft h eg e n e r a lo b s e r v e & c o n t r o l i n s t r u m c n t t h ea c t i v e m e a s u r i n ga p p a r a t u s f o r g e o m e t r i cp a r a m e t e r s c a nb eu s e dt o m e a s u r et h ed i a m e t e ro f w o r ka n da l s ot oa s s e s st h er o u n d n e s so f w o r kc y g n a lw h i c h w i t hg r e a tf u n c t i o na n dm a t h e m a t i cm o d e l sa r eu s e di nt h e p a p e r t h e nt h ea c t i v e m e a s u r i n ga p p a r a t u sf o rl a t h ei sd e s i g n e d a tf i r s t , m a t h e m a t i cm o d e l so ft h el e a s t s q u a r em e t h o da n d t h el e a s tr e g i o nm e t h o dw h i c ha r eu s e dt oa s s e s st h er o u n d n e s so f w o r ka r ee s t a b l i s h e d t h e nt h em a c h i n eo ft h ea c t i v e m e a s u r i n ga p p a r a t u s f o r g e o m e t r i cp a r a m e t e r si sd e s i g n e d t h ep a r to fm c u i sd e s i g n e da n dt w ok i n d so f p l a n sf o rs h o w i n ga r eo f f e r e d ，o n ei sw i t hl e d ，t h eo t h e ri sw i t hl c da tl a s t ，t h e p r e c i s i o n & t h i sa p p a r a t u s i sa n a l y z e di nt h e p a p e r t h e d e v e l o p m e n to f t h eg e n e r a lo b s e r v e & c o n t r o li n s t r u m e n ti sd i s c u s s e di nt h e s e c o n dp a r to ft h i sp a p e r a f t e rr e s e a r c h i n gm a r k e ta d e q u a t d gt h ed e s i g np l a ni s c o n f o r r n e d 8 0 31i su s e di nt h ei n s t r u m e n ta n dt h e ns c h e m a t i cd o c u m e n t sa n dp c b d o c u m e n t sa r ed e s i g n e dt h ei d e ao ft h e d e s i g na b o u ts c h e m a t i cd o c u m e n t sa n d c o n c r e t ec i r c u i t sa r e e m p h a t i c a l l ye x p o u n d e di n t h i s p a p e r t h e nt h ei d e a o ft h e d e s i g na b o u ts o f t w a r eo f t h es y s t e m a n dc o r r e s p o n d i n gf l o wc h a r t sa r ee x p l a i n e di n 1 1 1 东北大学硕士学位论文a b s h - a c t t h e p a p e r t h er e l i a b i l i t ya n d t h e p r e c i s i o no f t h i si n s t r u m e n t a r ea n a l y z e di nt h ep a p e r d u r i n gt h ep r a c t i c eo fr u n n i n g ，i tm a k e sc l e a rt h a tt h ei n s t r u m e n ti sr e l i a b l e ，s t e a d y a n de x a c t k e y w o r d s g e o m e t r i cp a r a m e t e r s , t h e a c t i v e m e a s u r i n ga p p a r a t u s ，d i a m e t e r , r o u n d n e s s , t h eg e n e r a lo b s e r v e & c o n t r o li n s t r u m e n t i v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外。不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本文为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意a 奄人签名：壕焉 日 期。加呼】 东北走学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 1 1 1 基于单片机的几何参数主动量仪 工件在加工过程中，为了保证其尺寸精度，加工者随时需要对被加工工件进 行测量。根据被加工工件的精度要求，所用的测量器具也有所不同，在生产中常 用的量具主要有游标卡尺、千分尺、百分表等。由于加工现场情况复杂，测量条 件变化很大：工作上的疏忽、经验不足、过度疲劳、读数视角偏斜、测量力不均 匀等均会造成主观测量误差，进而影响加工精度。圆度误差虽然可以采用圆度仪 测量，但其价格昂贵，测量成本高，对操作环境、条件要求严格，通常只限于计 量室使用。并且频繁地用圆度仪测量一般精度的零件，在经济上也不甚合理。而 目前定型的用于现场的测最圆度误差的仪器还没有成功研制的报道。再者由于圆 度仪等仪器的尺寸规格所限，一般只能解决中小尺寸零件的测量问题，对大型零 件形位误差的测量尚缺乏有效的办法。 随着生产技术的飞速发展，对检测技术提出了更高的要求，希望能研制一 种适于现场使用、操作简单、具有较高测量精度的在线测量装置。为了减少测量 误差，所设计的测控系统应该可在工件一次安装下完成。 本文研制的主动量仪的测量是在加工过程中一次装夹下完成的在线测量， 与传统的测量方法相比，有如下特点： ( 1 ) 测量过程无人为干预，保证测量条件客观，消除人为误差和失误，大大提 高测量结果的置信水平。 ( 2 1 由于测量过程是在加工过程中一次装夹下完成的，这样就把废品消灭在 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 生产过程中，提高了产品的一致性和重复性，提高了产品的质量和产品在市场中 的竞争力。 ( 3 ) 测量过程简便、快捷，减少了停机检验和调整等时间，从而提高了劳动 生产率。 主动测量技术在本世纪3 0 年代首先在内圆磨削加工中获得应用加】，当时的 测量对象是轴承套圈。二次大战后，特别是5 0 年代以来，随着汽车工业的发展， 极大地促进了主动测量在机械加工中的应用。其中尤其以磨床的主动测量最为普 遍。近年来从国外引进的不少专用磨床都带有主动测量装置，国内也有部分磨床 生产厂家在他们生产的磨床上配备了主动测量仪，为从单纯的质量检查过渡到质 量控制创造了良好的条件。但因主动测量仪工作条件恶劣，测量空间受到限制， 加上其它因素的影响，所以这项技术尽管在半个世纪前已经出现，但应用范围迄 今仍以磨削加工为主，在其它切削加工中应用还十分有限。车削加工在机械加工 中虽占有很大比例，但对应的主动量仪仍处于研制和试验阶段。 本文研制的基于单片机的几何参数主动量仪是一种测量直径和评定圆度的 装置。对于大型轴类零件，直径和圆度是两个相对重要的几何参数。测量工件直 径的方法很多，目前有激光扫描法、激光相切法、间接测量法等。对于小尺寸工 件，用一般的测量工具就可以。而对于大尺寸工件，用通常的测量工具就不太精 确了，现场加工过程中常用的测量器具如大型游标卡尺等量具，一是笨重，二是 靠人眼读数误差很大。以“三峡工程”为例，三峡水电站7 0 万千瓦发电机组的 主轴对接止口尺寸均在( i ) 3 0 0 0 m m 以上，而要求的制造公差为i t 6 级加工精度“】。 这是一个相当难达到的精度。用现有的或传统的大型千分尺进行测量既费时又达 不到精度要求，所以进行精确的大直径尺寸测量的意义十分重大。 关于直径的测量，目前已经研制出了一些产品，简要介绍如下： ( 1 ) 哈尔滨工程大学的殷镇良与他的课题组成员将光、机、电等学科综合在 一起，创造性地提出用标记法无接触测量大轴的直径1 2 1 。这种方法只需在大轴表 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 面做上标记，用两个固定在车床刀架上的光纤传感器对其进行识别，启动机床， 按下“测量键”即可进行大直径电机轴的自动测量。测量结果可由液晶显示器显 示，也可用微机打印，整个过程在两分钟内便可完成。这种测量方法的优点在于 它可在加工过程中进行测量，现场测量精度达到i t 8 级的要求。 ( 2 ) 沈阳市新宇工具研究所生产的精密石尺是一种新型的精密测量工具，可 以代替常用的大型游标卡尺。石尺是由一条弹性钢带构成，其两端分别刻有主尺 和副尺。主尺最小分度值为0 5 r a m ，副尺最小分度值 9 0 0 r a m 以下为o o l m m ， 9 0 0 r a m 以上为0 0 2 r a m 。该石尺的优点是精度高，且被测工件不受温度影响， 测大直径可单人操作，携带方便，易于保管。价格为游标卡尺的1 1 5 ，同时能测 量内径。 目前市场上形位误差测量仪有很多种产品，如国内新涌现出一批生产商青 岛前哨、西安爱德华等。关于形位误差测量的理论研究。国内外都集中在误差分 离的探索分析中，但在实际用上尚有很多不成熟。圆度误差是高精度回转体零件 的一项重要精度指标，目前国内大多都用圆度仪对其进行接触式测量1 6 1 ；日本采 用多测头方法借助光学传感器测量工件的圆度1 6 1 ；英国开发了种精密圆度测量 系统，实现了轴对称物体表面的非接触式圆度测量，而这些方法一般仅在实验室 条件下做离线测量，对大型回转体零件的圆度是无法检测的。国外在形位误差的 测量的研究方面，主要致力于高精度、高效率、万能性、符合误差定义的量仪的 研s r j 上t 1 6 】。如三坐标测量机、多坐标测量机等。而三坐标测量机，多坐标测量机 不是专门测量轴类零件形位误差，尤其是针对大型轴类零件很不适合【2 ”。我国于 七十年代中期开始生产自己的圆度仪。上海机床厂生产的h y q 一0 1 4 型圆度仪和 中原量仪厂生产的d q r - 1 型圆度仪，其主轴回转精度分别为o 0 6 7 u m 和o 0 l u r na 国外技术上领先两大著名圆度仪生产商为t a y l o r h o b s o n 公司和德国霍梅尔公司。 t a y l o rh o b s o n 公司的圆度仪最大测量高度从2 0 0 r a m ( 如：t a l y s e r i e sr o u n d n e s s ) 到1 5 0 0 m m ( 如：t a l y r o n d4 0 0 ) ，最大测量直径从6 0 r a m ( 如：t a l y s e r i e s r o u n d n e s s ) - 3 - 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 到6 0 0 r a m ( 如：t a l y r o n d 4 0 0 ) ，圆度综合测量精度高达0 0 1 2 u r n ( 如：t a l y r o n d4 0 0 ) ， 每台售价高达1 5 0 - - 3 0 0 万人民币。德国霍梅尔f o r m 系列高精度圆度圆柱度仪， 圆度综合测量精度高达o 0 2 5 u m ，高度测量范围3 5 0 5 5 0 m m ，直径测量范围 3 0 0 4 4 0 m m 。 在国内外测量直径和评定圆度的研究及生产方面，目前存在的问题是，要 么精度不够高，要么价格太昂贵，因此自行研制开发这样的仪器是很有必要的， 并具有广阔的应用前景。本文所设计的基于单片机的几何参数主动量仪能满足现 场测量大型轴类零件直径和评定其圆度的要求，很有推广应用的价值， 1 1 2 通用测控仪 目前市场上，通用计算机、工业控制机、可编程序控制器的种类很多，但 真正直接用于实际测量控制目的的具有较高性能价格比、具有良好的环境适应能 力和抗干扰能力的通用测控仪却很少，而事实上此方面的市场需求却很大。统治 中国测控市场近十年的t p 8 0 1 单板机就是这种机型。随着计算机技术的发展， 当t p 8 0 1 单板机逐步退出历史舞台的时候，却没有类似的机型填补这个空白， 这自然有单片机日益强大的原因，但单片机要用于现场测量或控制，毕竟还要进 行二次开发，还要自己搭建一个计算机系统，这对于非自动控制专业的普通技术 人员来讲，是存在较大困难的，并且也需要较长的开发周期。 通用测控仪正是基于以上考虑而进行开发的。用单片机开发的通用测控仪 具有体积小、抗干扰能力强等明显特点，能实现电压测量、信号发生、输入输出 测试、频率测试以及多路模拟和数字信号的测量与控制等，使得其在许多通用计 算机、工业控制机、可编程序控制器等无法应用的领域内大显身手。另外，该通 用测控仪还可以直接用于学校的教学及实验。该仪器还具有性价比高等优点，因 此其开发具有很大的价值和意义。 - 4 - 东北走学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 本文的主要内容 本文由基于单片机的几何参数主动量仪和通用测控仪的研制两部分组成。 全文所做的工作如下： l ，关于基于单片机的几何参数主动量仪的研制： ( 1 ) 建立了评定圆度的最小二乘法和最小区域法数学模型； ( 2 ) 设计了几何参数主动量仪的机械装置图； ( 3 ) 设计了几何参数主动量仪的单片机测控系统的软硬件； ( 4 ) 对所研制的几何参数主动量仪进行了精度分析。 2 关于通用测控仪的研制： ( 1 ) 设计了通用测控仪的软硬件系统； ( 2 ) 设计并定制了p c b 板、机箱及前后面板； ( 3 ) 用汇编语言编写了程序并调试安装； ( 4 ) 对通用测控仪进行了精度分析。 东北欠学硕士学位论文 第2 章评定圆度的理论基础 第2 章评定圆度的理论基础 由于基于单片机的几何参数主动量仪的圆度评定是建立在一定的理论基础 之上的，因此在介绍几何参数主动量仪之前先阐述下评定圆度的理论基础。 2 1 评定圆度误差的最d , - - 乘法和最小区域法 对于同一被测实际圆，当理想圆相对于被测实际圆的摆放位置不同时，主要 有四种不同评定圆度误差的方法：最小区域法，最d , 夕l - 接圆法，最大内切圆法和 最小二乘法。其中最小条件法是严格符合圆度误差定义的，也是仲裁时的评判标 准。而最小二乘法反映误差特性全面且数学模型较易建立，其数据处理方法成熟， 对于一般要求的工件使用较为普遍i “。本仪器采用最d - 乘法和最小区域法两种 数学模型。 2 2 圆度误差的最小二乘评定法数学模型 首先，建立数学模型。如图2l 所示：过测量时的回转中心d 1 建立直角坐标 系码y 。以d 1 为圆心，将被测实际圆分成m 个彼此相等的角度，于是得到m 个从q 算起的实际圆半径o = 1 , 2 ，埘) 。这m 个半径与被测实际圆的交点为 只g = 1 , 2 ，, 1 7 1 ) 。在以0 。为极坐标系原点的极坐标系中，令最d - - 乘圆的圆心为 d 0 ，6 ) ，半径为r ，最小二乘圆心与回转中心的偏离量为e ，各等分离散采样点 只到最小二乘圆之径向偏差为s ，( f = 1 ，2 ，一埘) ，点只至回转中心。的连线o p 与极 坐标轴的夹角为舅o = 1 , 2 ，肌) 。 6 东北大学硕士学位论文笫2 章评定圃度的理论基础 ， 孵 + ， 圆 图2 1 圆度误差测量原理图 f i g 2 1s c h e m a t i c d r a w i n g o f c i r c u a r i t y e l t o r m o a s u r o l l t t 由图可见o d = r ，0 0 1 = e ，只d = 岛，0 1 只= i ，么只0 1 p = 0 ，z o q p = 口。 = e c o s ( 0 ，一口) + ( r + b ) 2 一9 2 s i n 2 p 。一口) ( 2 1 ) 若令 s ( e ) = ( r + 岛) 2 一e 2 s i n 2 一口) ， 将，0 ) 按m a c l a u r i n 公式展开，可得： ，g ) = 职+ 毛) 一瓦考s i n2 一口) 一瓦丽e 4 s i n 4 一口) 一 又因为： s i n2 ( 只一口) 1 ， e ( + 历)频率( h z )( h z ) 9 0 b f 0 0 331 5 36 05 1 9 6 ( 2 0 1 1 5 0 08 0 0 0 9 0 b f 3 4 031 5 33 0424 5 ( 2 5 )1 0 0 08 0 0 0 9 0 b f 0 0 650 3 6 0 7 22 43 2 1 6 ( 2 2 ) 2 4 0 08 0 0 0 4 4 键盘及显示部分的设计 键盘及显示部分有两种设计方案： ( 1 ) 用可编程键盘显示器接口芯片i n t e l8 2 7 9 完成键盘输入和l e d 显示器显 示两种功能。 ( 用中断实现键盘输入，用液晶显示屏完成显示。 其中第一种方案比较经济，成本较低，第二种方案美观大方。但造价较高。 下面分别予以介绍。 4 4 1l e d 显示器显示方案 这部分的设计与通用测控仪部分介绍的类似，所以这里只做简要介绍。按键 有四个，分别为：开关、调零、测直径、评定圆度。具体电路图如图4 8 所示。 2 4 东北大学硕士学位论文第4 章几何参数主动量仪单片机系统设计 a l e 乱l p l7m 5 0 0r l 7 三 l 功 c 帅5 l f 0 1 5 r l 6 r u 续 p 2 2 , - p 2 7 垂l k 必篮 r l 4 车 - 1 - d b 0 - d b 7r l 3 l r l 2 一 c sr l l 8 2 7 9 r l 0 八坠w r l 厶土 s l o 吼3 一，一坫t 弱h ：! ：l l 7 4 知1 4 i i 。l p 4 t2 3 7 3i 0l i r q b 0 _ b 3 丹“燃线 l。土l e 0 一 3 r d r d 4 4 2 液晶显示方案 图48l e d 显示器显示电路图 f i g 48t h ec i r c u i to fs h o w i n gw i m l e d 采用液晶显示是为了使产品更加美观，不过成本也因此而增加了。这里首先 简要介绍一下液晶显示屏。 本系统所选用的是内藏t 6 9 6 3 c 控制器的图形液晶显示屏m g l s l 6 0 1 2 8 。液 晶显示器件与其控制、驱动电路是紧密相关的，因此这里首先介绍一下该显示屏 的控制器t 6 9 6 3 c 。 t 6 9 6 3 c 是日本东芝公司的产品。其特性如下： ( a ) t 6 9 6 3 c 是点阵式液晶图形显示控制器，适配于8 0 8 0 系列m p u 和z 8 0 系列m p u 的接口信号，并且具有r e s e t ( 复位) 信号输入端和h a l t ( 日q 歇) 信号 输入端，用于m p u 系统硬件控制t 6 9 6 3 c 及其管理的液晶显示模块。 f b ) t 6 9 6 3 c 具有独特的硬件初始值设置功能和丰富的指令功能，可以设置字 符方式与图形方式的合成显示、字符方式下的特征显示及屏拷贝操作。 ( c ) t 6 9 6 3 c 具有管理6 4 k 显示缓冲区及字符发生器c g r a m 的能力，它允许 2 5 东北大学硕士学位论文第4 章几何参数主动量仪单片机系统设计 m p u 随时访问显示缓冲区，甚至可以进行位操作。 ( d ) t 6 9 6 3 c 驱动用的数据传输线可以分别向双屏电极引线结构的列驱动器 同时发送数据，可以控制6 4 0 1 2 8 点阵单屏结构的点阵夜晶显示器件，还可以控 制6 4 0 x 2 5 6 点阵的双屏结构的点阵液晶显示器件。 ( e ) t 6 9 6 3 c 由单电源+ s v 供电，内藏时序振荡电路，可外接最大为5 5 m h z 的振荡源。 内藏t 6 9 6 3 c 的液晶显示模块与m p u 的接口有两种方式，一种是直接访 问方式，另外一种是间接访问方式。前者是m p u 利用总线方式与液晶显示模块 直接通讯，后者是m p u 通过i o 并行接口间接实现对液晶显示模块的控制。我 选择的是间接访问方式。按键仍为：开关、调零、测直径、评定圆度。具体电 路如图4 9 所示。 图4 9 液晶显示电路图 f i g 4 9t h e c i r c u i to f s h o w i n gw i t hl c d 2 6 东北大学硕士学位论文第5 章几何参数主动量仪的精度分析 第5 章几何参数主动量仪的精度分析 由于在数据处理过程中，软件的计算误差极小，完全可以忽略不计，因此最 终的测量精度主要取决于量仪的单片机系统硬件和机械部分的精度，而量仪的所 有硬件误差和机械误差均反映在信号8 ( 0 ，：) 中，所以本章从信号e ( o ，z ) 的精度分 析入手，对几何参数主动量仪的精度进行分析。 设传感器装置的标定系数为d ，信号最终可写成 8 ( 0 ，z ) = d 6 1 ( 0 ，：) ( 5 1 ) 对上式作全微分： 如妒，z ) = e ( o , z ) d d + d d 6 l ( 0 ，z )( 5 2 ) 式中，d d 是传感器装置标定误差，如，妒，：) 是由单片机系统硬件部分的前向模 拟通道和部分机械装置误差所引起的。 令 扭，- 毛m ) d o( 5 3 ) i d e 。= d 出l ，= ) 、 所以有 d e ( o ，= ) = d e + 翘”( 54 ) 因此信号误差项d e ( e ，z ) 由翘，把。两部分组成。翘由d d 决定，反映传感装置 的标定误差，故称标定误差；矗矿由d s l ( 目，z ) 决定，主要是由量仪单片机系统硬 件误差和部分机械误差引起，称为硬件误差。下面分析当量程为+ - 3 0 u m 时的信 号误差。 5 1 标定误差翘，分析 在标定电感测微仪时，取值为满刻度，因此取d = 1 。测量系统采用d g c 一 2 7 东北大学硕士学位论文 第5 章几何参数主动量仪的精度分析 8 z g a 传感测头和d g b - - 5 a 型电感测微仪。根据产品说明书，与误差有关的性 能参数为： 测头重复误差：so0 3 u r n 满度。 由于环境限制，对本量仪所用的电感测微仪反复标定，其传感器系统标定误 差为：扔r = o 0 3 u r n ( d d 是传感器输出信号与实际被测真值之差) 。 因此，满量程相对误差：占：= 0 _ 0 3 ：0 0 5 5 2 单片机系统硬件误差d e 一分析 几何参数主动量仪的单片机部分的误差主要来源于编码器输出后的滤波电 路的误差。 o p 0 7 滤波运算放大电路中与误差计算有关的主要特性参数有： 输入失调电压：6 0 u v温度漂移：o 7 u 州。c 增益误差( 全温度范围) ：s p - o 0 6 7 输入失调电流：0 0 4 u a 偏移误差：1 0 6 m v时间漂移：0 5 u 州月 电源变化误差：v s 0 0 2 5 ，一v s o 0 2 5 y o 所以运算放大器总的失调电压为： e 。= v 。r f + r f l 。 = 6 0 x 1 0 x 1 9 5 21 5 + 1 9 5 x 0 0 4 0 x 1 0 6 = 5 4 m v 输出电压范围5 矿+ 5 矿，则s 。= 5 4 0 0 1 0 3 ) = o 0 5 4 初始偏移误差；s d = 1 0 6 5 0 0 = + o 2 1 2 ，该误差可以经过调整消除。 电源变化引起的误差：8 n , = a v s + + a v s 一= o 0 5 温度漂移误差( 0 7 0 。范围内) ：8 。= 0 ，7 x 1 0 1 7 0 = o 0 4 9 y o 2 8 东北大学硕士学位论文第5 章几何参数主动量仪的精度分析 时问漂移引起的误差：如= 0 5 1 0 x 3 0 = o , 0 0 1 5 v o 运放总误差： s = 一8 d + s ，+ s 。+ 6 带 ：幻0 5 4 ) 2 + ( o 0 5 2 ) 2 + ( o 0 6 7 2 ) 2 + ( 00 4 9 ) 2 + ( 0 0 0 1 5 ) 2 y 胆 = o 1 8 5 3 机械部分对主动量仪精度的影响 机械部分对主动量仪精度有以下几方面的影响因素： ( 1 ) 千分尺丝杠的螺距误差： ( 2 ) 蜗轮的齿距误差、蜗杆的螺距误差； ( 3 ) 步进电机的步距累积误差； 由于采用了步进电机带动蜗轮副进行角度细分，因此机械部分对测量结果产 生的影响比较小。 2 9 东北走学硕士学住论文笫6 章通用测控仪的单片机系统设计 第6 章通用测控仪的单片机系统设计 6 1 系统总体设计 为使所开发的通用测控单片机具有较宽适用范围和功能，较高的性能价格 比和良好环境适应能力，通用测控仪要实现的指标如下： ( 1 ) 8 路模拟信号输入( 采样频率：4 0 r , n z ) ； ( 2 ) 8 路模拟信号输出； ( 3 ) 2 4 路数字信号输入输出； ( 4 ) 8 路频率信号输入( 最大输入频率l r i - i z ) ； ( 5 ) 键盘扫描显示。 ( 6 ) 具有和上位机的通讯功能。 根据以上性能指标，采用如下硬件设计方案： 系统分为6 大模块： ( 1 ) a d 转换模块。可以实现模拟信号输入。8 路信号选通控制可以选用 c d 4 0 5 1 。可用于测量电压等。 ( 2 ) d a 转换模块。可以实现模拟信号输出。8 路信号选通控皋4 可以选用 c d 4 0 5 1 。用于输出各种波形。 ( 3 ) i o 测试模块。可以实现数字信号输入，输出。用于检测数字信号，并可 以输出数字信号控制继电器、步进电机等。由8 1 5 5 可以扩展2 2 路数字u o 口， 还有2 路可以由p l 口提供。 ( 4 ) 频率测试模块。用于测试信号的频率。8 路信号选通控制可以选用 c d 4 0 5 1 。 ( 5 ) 键盘及显示模块。用于接收数值输入、命令输入和显示数值及提示信 3 0 东北大学硕士学位论文第6 章通用测控仪的单片机系统设计 息。 ( 6 ) 通讯模块。使系统具有和上位机通讯的功能。 本系统的系统框图如图6 1 所示。 图6 1 系统结构框图 f i g 6 1t h eb l o c kd i a g r a mo f s y s t e m s t u e t u r e 6 2 单片机的选用 目前，单片机的品种很多，m c s 5 18 位单片机系列、m c s - 9 61 6 位单片机 系列，还出现了3 2 位单片机。位数越高，运算速度越快。由于i n t e l 公司的这 种m c s 系列的经典体系结构、极好的兼容性和其最彻底的技术开放政策，许多 电器商、半导体商( 如：a m t e l 、p h i l i p s 、a n a n o gd e v i c e s 、d a l l a s 等) 以m c s 系列单片机的基本内核为内核，开发了众多芯片。其中，以m c s 5 1 3 1 东北大学硕士学位论文第6 章通用测控仪的单片机系统设计 系列系统结构为核心的单片机更是品种繁多，统称为8 0 5 1 和8 0 c 5 i ( c h m o s 工 艺) 。当前，c y g n a l 公司推出了c 8 0 5 1 f 将8 0 c 5 1 系列从m c u 推向系统芯片( s o o ， 具体如m i c r o c h i p 公司不仅推出了自己的系统芯片( 如：p i c l 6 c 7 8 1 7 8 2 ) ，还推出 了具有d s p 功能的1 6 位m c ud s p i c ( 如：d s p i c 3 0 f ) 。 从开发的经济性、组成系统的灵活性等方面考虑，本系统选用m c s 5 1 系列 单片机。结合现有的单片机开发系统( 伟福仿真器e 2 0 0 0 ，l ) ，本系统选用8 0 5 l 系列芯片8 0 3 。这种型号的单片机是n t e l 公司1 9 8 0 年推出的m c s 5 1 系列的8 位高档机之一，其内部资源分配如下：8 位c p u ，寻址能力6 4 k ，1 2 8 字节r a m ； 4 个八位i o 接口电路；一个串行全双工异步接口；5 个中断源和两个1 6 位定时 计数器。其中，4 个i o 端口用于传送数据，地址。 下面对f o 并行口进行说明： ( 1 ) p o 口：p 0e l 是一个漏极开路的8 位双向i o 端口，能驱动8 个l s 型t t l 负载。共有8 条引脚，有两种不同功能。第一种是8 0 3 l 不带片外存储器，p 0 口 可以作为通用i o 口使用，用于传送c p u 的输入输出数据。这时，输出数据可 以得到锁存，不需要外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入 的可靠性：第二种是8 0 3 1 带片外存储器，p o 口在c p u 访问片外存储器时先用 于传送片外存储器的低8 位地址，然后传送c p u 对片外存储器的读写数据。在 本设计系统中，由于功能需要，对存储器、i o 接口电路等均进行了扩展。属于 第二种情况。 ( 2 9 1 口：p 1 口是一个带内部上拉电阻的8 位准双向i o 端口，在p 1 口作 为输入口使用时，应先向p 1 口锁存器( 地址9 0 h ) 写入全1 ，此时p 1 口引脚由内 部上拉高电平。当p 1 口作为通用i o 口使用时，p 1 7 一p1 0 的功能和p 0 口的 第一功能相同，也用于传输用户的输入或输出数据。在本系统设计中，p 1 口作 为通用i o 口使用。 ( 3 ) p 2 口：p 2 口也是一个带内部上拉电阻的8 位准双向i o 端口。它也有两 3 2 东北大学硕士学位论文第6 章通用测控仪的单片机系统设计 种功能，第一功能是可以作为通用i ，o 口使用；第二功能是和p o 口第二功能相 配合，用于输出片外存储器的高8 位地址，共同选中片外存储器单元，但不能像 p o 口那样传送存储器的读写数据。本设计中，p 2 口的高三位作为片选地址线， 接地址译码器7 4 l s l 3 8 的a 、b 、c 引脚。 ( 4 ) p 3 口：是一个带内部上拉电阻的8 位准双向i o 端口。p 3 口的各口线既 可作通用i o 用，又可作第二功能用。本系统用到的是p 3 口的第二功能。 6 3 系统扩展设计 6 3 1 基本构成 由于8 0 3 1 没有r o m ，只有1 2 8 b 的r a m ，所以必须进行系统扩展。该部 分由8 0 3 1 外接一片程序存储器芯片2 7 6 4 和一片数据存储器芯片6 2 6 4 构成， 其中2 7 6 4 为8 k b 的e p r o m ，6 2 6 4 为8 k b 的r a m ，分别用来存放程序和数 据。系统中采用一片7 4 l s l 3 8 译码器扩展片选线，7 4 a l s 3 7 3 用于低位地址锁 存。由上述可知，该部分具有8 k 程序存储空间和( 8 k + 1 2 8 1 b 数据存储空间。 6 3 2 芯片选用及电路连接 ( 1 ) 芯片选用 7 4 l s 3 7 3 ：由于8 0 3 1 的单片机的p o 口是分时复用的地址，数据总线，因此 在进行程序存储器扩展时，必须用地址锁存器将地址信号从地址数据总线中分 离开来。7 4 l s 3 7 3 是带三态缓冲输出的8 d 锁存器，将它的锁存控制端l e 直接 与8 0 3 l 的锁存控制信号端a l e 相连，在a l e 下降沿进行地址锁存。 2 7 6 4 ：由于8 0 3 1 内部不带程序存储器，考虑到所需编写的程序大小，采用 程序存储器2 7 6 4 。控制线c e 与译码器的输出线y o 相连，控制该芯片是否工作。 3 3 东北大学硕士学位论文第6 章通用测控仪的单片机系统设计 控制线o e 与8 0 3 1 的片外r o m 选通线相连。 6 2 6 4 ：由于8 0 3 1 单片机片内r a m 仅1 2 8 字节，当系统需要较大容量r a m 时，就需片外扩展数据存储器r a m ，用来存放临时数据、中间结果和最终结果 等。选用8 k 静态r a m6 2 6 4 。将6 2 6 4 的c s l 接到译码器的y 3 控制芯片的工作 与否，并将c s 2 通过一个电阻接至v c c 。 ( 2 ) 电路连接 系统扩展的电路连接如图6 2 所示： 图6 2 系统扩展图 f i g 6 2t h ee x p a m i o no f s y s t e m 6 4a 1 ) 转换模块设计 该模块主要是将输入的模拟信号转换成数字信号并输出。由于选用了 c d 4 0 5 1 ，所以可以接受8 路模拟信号，每次只选中8 个输入端中的l 路与公共 端接通。可用于测量电压等。 3 4 东北大学硕士学位论文第6 章通用测控仪的单片机系统设计 6 4 1 基本构成 数字 信号 输出 ( 1 ) 芯片选用 多路模拟开关选用c d 4 0 5 1 。其中i n h 端为禁止端，当i n h 为高电平时， 8 个通道都不通。a 、b 、c 分别为输入选通地址端。 模数转换器选用a d 5 7 4 a 。选用模数转换器的要点如下： ( a ) 确定a d 转换器的位数：至少要比总精度要求的最低分辨率高一位，还 要与其他环节所能达到的转换精度相适应。只要不低于它们就行，选的太高没有 意义，而且价格太高。 根据测量要求，选用中分辨率的转换器即可。 ( b ) 确定a d 转换器的转换速率：用不同原理实现的a d 转换器其转换时间 是不大相同的。总的说来，积分型、电荷平衡型和跟踪比较型a d 转换器转换 速度较慢，转换时间从几毫秒到几十毫秒不等，只能构成低速a d 转换器。逐 次比较型a d 转换器的转换时间可从几微秒到1 0 0 微秒左右，属于中速a d 转 换器，常用于工业多通道单片机控制系统和声频数字转换系统等。因此本系统选 用中速刖d 转换器，即逐次比较型的a d 转换器。 ( c ) 确定是否要加采样保持器：原则上直流和变化非常缓慢的信号可不用采 样保持器。本系统不需要加采样保持器。 一3 5 东北大学硕士学位论文第6 章通用测控仪的单片机系统设计 ( d ) t 作电压和基准电压：选用单+ 5 v 工作电压的芯片，这样整个系统的可 共用一个电源。而基准电源由稳压电源供给。 综上所述，选用a d 5 7 4 a 。 ( 2 ) 电路连接 多路模拟开关c d 4 0 5 1 与a d 5 7 4 a 的电路连接如图6 4 所示： c s 一珊 1 2 v 0+矾 4 1 2 v d f l o - d b 3 r e 黛：誓d 加1 l l m ，_ = 、 & d s ? 4 口 ， r 后 b p l r o f 、厂 “ l 撕 厂 r e n n 图6 4c d 4 0 5 1 与a d 5 7 4 a 的电路连接 f i g 6 4 t h ec i r c u i t c o n n e c t i o n o f c d 4 0 5 1a n d a d 5 7 4 a 8 0 3 1 与a d 5 7 4 a 的电路连接如图6 , 5 所示； 图6 58 0 3 1 与a d 5 7 4 a 的电路连接 f i g 6 5 t h e c i r c u i t c o n n e c t i o n o f 8 0 3 1a n d a d 5 7 4 a 3 6 东北大学硕士学位论文 第6 章通用测控仪的单片机系统设计 6 5d a 转换模块设计 6 5 1 基本构成 该模块主要是将输入的数字信号转换成模拟信号并输出。数字信号可以通 过上位机给定或者键盘输入。由于选用了c d 4 0 5 1 ，所以最多可以分时输出8 路 模拟信号，每次公共端只选中8 个输入端中的1 路与之接通。基本构成如图6 6 所示： 图6 6d a 转换示意图 f i g 6 6t h e s k e t c hm a po f a d 缸a n s f e r 6 5 2 芯片选用及电路连接 ( 1 ) 芯片选用： 选用d a c 0 8 3 2 。 d a c 0 8 3 2 是8 位分辨率的d a 集成芯片，与微处理机完全兼容，具有价 格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，主要有如下特点： ( a ) 分辨率为8 b k ： ( b ) 电流稳定时间l u s ； ( c ) 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入； ( d ) 只需在满量程下调整其线性度； ( e ) 单一电源供电( + 5 v + 1 5 v ) ； ( f ) 低功耗，2 0 0 m w ； 3 7 东北大学硕士学位论文第6 章通用测控仪妁单片机系统设计 ( 2 ) 电路连接 8 0 3 1 与d a c 0 8 3 2 的电路连接如图6 7 所示： 图6 7s 0 3 1 与d a c 0 8 3 2 的电路连接 f i g 6 7t h e c i r o u i to o n n c c t i o no f8 0 3 1a n dd a c 0 5 3 2 d a c 0 8 3 2 与c d 4 0 5 1 的电路连接如图6 8 所示 图6 8d a c 0 8 3 2 与c d 4 0 5 1 的电路连接 f i g 6 8 t h e c i r o f i tc o n n e c t i o no f d a c 0 9 3 2 a n d c d 4 0 5 1 3 8 东北大学硕士学位论文第6 章通用测控仪的单片机系统设计 6 6 i 0 测试模块设计 6 6 1 基本构成 用8 0 3 l 在片外扩