（机械制造及其自动化专业论文）回转窑轮带和托轮直径测量仪研究.pdf

武汉理1 = 大学硕士学位论文 摘要 回转窑广泛应用于建材、冶金、化工等行业。它的运转情况决定着企业产 品的产量和成本。为了保证回转窑正常运行，需要定期对其进行检测工作，轮 带和托轮直径的测量是检测工作的重要部分。通过对其直径的测量，可以看出 磨损情况，也为回转窑轴线检测和调整窑体提供必要的数据。本文对回转窑轮 带和托轮的直径测量仪进行了详细的研究。 本文从机械装置和数据处理两个方面介绍了整个测量仪。本仪器是基于滚 轮法设计出的测量装置，主体结构有以下几个部分组成。滚轮：与被测轮带和 托轮接触旋转；摆动机构：整个仪器的受力着力点，力的传导结构；转向机构： 微调装置能让滚轮的位置随被测物的变化而自动调整；夹持机构：将测量仪和 固定桩固定；光电编码器：安装在滚轮轴上，随滚轮轴旋转而输出一系列脉冲； 单片机系统：对编码器的脉冲信号进行处理通过软件程序计算和显示所测直径。 数据采集和分析通过单片机系统实现。由于本测量仪器中光电编码器是关 键的元件，也因其本身内部电子元器件对使用环境比较敏感，准确采集编码器 的脉冲信号显得尤为重要。本文对光电编码器测量原理进行了详细的介绍，并 对影响光电编码器精度的因素作了详细的分析。温度因素：由于使用环境温度 较高而可能超出编码器的承受温度，在测量时间较短的情况下采用了高温隔热 材料将编码器包裹防止外界温度快速扩散进入内部。振动因素：回转窑是一种 重载、大扭矩、多支点、静不定运行系统，振动普遍存在，为了保证编码器输 出脉冲的可靠性，本文在研究振动对编码器内部影响原理的基础上设计出抗干 扰振动的计数电路，可以有效屏蔽掉光电编码器的干扰和振动信号。根据误差 源分析，在单片机程序处理中，有效将数据采集计数误差消除，进一步提高了 测量精度。 在满足我们要求的测量精度下，本仪器结构简单、成本低廉、便于携带、 操作简单，可以推广使用。 关键字：回转窑、轮带、托轮、直径、光电编码器 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 er o t a r yk i l ni sw i d e l yu s e di nb u i l d i n gm a t e r i a l s m e t a l l u r g i c a la n dc h e m i c a l i n d u s t r y i t sr u n n i n gs t a t ed e t e r m i n e st h ep r o d u c t i o na n dc o s to fe n t e r p r i s e s p r o d u c t s i no r d e rt oe n s u r en o r m a lo p e r a t i o no fr o t a r yk i l n ，i t sn e c e s s a r yt ot e s ti t so p e r a t i n g c o n d i t i o np e r i o d i c a l l y , t i r ea n dw h e e ld i a m e t e rm e a s u r e m e n ti sa ni m p o r t a n tp a r to f t h et e s t i n gw o r k b ym e a s u r i n gi t sd i a m e t e r , y o uc a nn o to n l yd e t e c tt h ew e a rp a t t e r n ， b u ta l s op r o v i d et h en e c e s s a r yd a t af o rt h ed e t e c t i o na n da d j u s t m e n to ft h er o t a r yk i l n a x i s i nt h i sp a p e r , r o t a r yk i l nt i r ea n dw h e e ld i a m e t e rm e a s u r i n gi n s t r m n e n ta r e s t u d i e di nd e t a i l i nt h i sp a p e r , t h em e a s u r i n gi n s t r u m e n ti si n t r o d u c e df r o mb o t hm e c h a n i c a l d e v i c e sa n dd a t ap r o c e s s i n g t h em e a s u r i n gd e v i c ei sd e s i g n e da sa ni n s t r u m e n tt h a t b a s e do nt h er o l l i n g w h e e lm e t h o d ，t h em a i ns t r u c t u r eh a st h ef o l l o w i n gc o m p o n e n t s r o l l i n g - w h e e l ，r o t a t e sa st h et e s t e d t i r ea n dr o l l e rc o n t a c tw i t he a c ho t h e r ；s w i n g m e c h a n i s m ，t h ep r e s s u r ep o i n t sa n dp o w e rt r a n s m i s s i o ns t r u c t u r eo ft h ee n t i r e a p p a r a t u s ；s t e e r i n g ，t h ev e r n i e rd e v i c ea l l o w st h es e l f - c o r r e c t i n go fr o l l i n g - w h e e l p o s i t i o na st h ec h a n g e so fm e a s u r e do b j e c t s ；f o l d e rs u p p o r ta g e n c i e s ，t oh a v et h e g a u g ea n df i x e dp i l ef i x e d ；t h ep h o t o e l e c t r i ce n c o d e ri n s t a l l e di nt h er o l l i n g - w h e e l a x i s ，o u t p u ts e r i e so fp u l s e sw i t ht h er o t a t eo fw h e e la x i s ；s c ms y s t e m ，p r o c e s st h e e n c o d e rp u l s es i g n a l s ，t h e nc a l c u l a t ea n dd i s p l a yt h em e a s u r e dd i a m e t e rb ys o f t w a r e p r o g r a m s d a t ac o l l e c t i o na n da n a l y s i sa r ed o n eb yt h es c ms y s t e mi m p l e m e n t a t i o n a s t h ep h o t o e l e c t r i ce n c o d e rm e a s u r i n gi n s t r u m e n t si sak e yc o m p o n e n t ，b u ta l s ob yi t s o w ni n t e r n a le l e c t r o n i cc o m p o n e n t ss e n s i t i v et ot h eu s eo ft h ee n v i r o n m e n t ， a c c u r a t e l yc a p t u r et h ep u l s ee n c o d e rs i g n a l si sv e r yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , o p t i c a l e n c o d e rm e a s u r i n gp r i n c i p l ed e s c r i b e di nd e t a i l ，a n dp r e c i s i o no p t i c a le n c o d e ri m p a c t f a c t o r sa r ea n a l y z e di nd e t a i l c o n s i d e rt ot e m p e r a t u r ef a c t o r s ，t h eu s eo fh i 曲 a m b i e n tt e m p e r a t u r em a ye x c e e dt h ew i t h s t a n dt e m p e r a t u r eo ft h ee n c o d e r , i nt h e c a s eo fm e a s u r i n gs h o r tt i m eu s i n gh i g h t e m p e r a t u r ei n s u l a t i o nm a t e r i a l sw i l lb e w r a p p e dt op r e v e n to u t s i d et e m p e r a t u r ee n c o d e rr a p i dd i f f u s i o ni n t ot h ei n t e r i o r r e l a t et ov i b r a t i o nf a c t o r s ，r o t a r yk i l ni sa l o n g - t e r ms u p p o r t ，h i g ht o r q u e ，w o r k i n g a to v e r l o a dc o n d i t i o n sa n dt h ev i b r a t i o ni sc o m m o n , i nt h i sp a p e r ，i no r d e rt oe n s u r e t h er e l i a b i l i t yo ft h ee n c o d e ro u t p u tp u l s e ，w ed ot h er e s e a r c ha b o u tt h ei n t e r n a le f f e c t i i 武汉理工大学硕士学位论文 o fv i b r a t i o no nt h ee n c o d e rd e s i g nb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fv i b r a t i o no ft h ec o u n t i n g c i r c u i ti n t e r f e r e n c ec a ne f f e c t i v e l ys h i e l dt h eo p t i c a le n c o d e rs i g n a li n t e r f e r e n c ea n d v i b r a t i o n a c c o r d i n gt ot h es o u r c eo fe r r o r ，f o re f f e c t i v ee l i m i n a t i o no ft h ee r r o r c o u n td a t aa c q u i s i t i o nb yu s et h es c m p r o c e d u r e s ，f u r t h e ri m p r o v et h em e a s u r e m e n t a c c u r a c y t h i si n s t r u m e n ti ss i m p l ei ns t r u c t u r e i nm e e t i n go u rr e q u i r e m e n t sp r e c i s i o nb u t w i 廿1l o w - c o s t e a s yt oc a r r y , e a s yt ou s es ot h a ti tw i l lb ep o p u l a ri nm a r k e t k e yw o r d s ：t h er o t a r yk i i n , k i l e ，r o l l e r , d i a m e t e r , t h ep h o t o e l e c t r i ce n c o d e r i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 签名：勉 慨地盟。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权 经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并 向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 答名九声吁别叭答名) 乡像 r 期。b m 岁弓矿 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 11 课题研究的目的、意义 在建材、冶金、化工、环保等许多生产行业中，广泛地使用回转体设备， 对固体物料进行机械、物理或化学处理，这类设备被称为回转窑。回转窑接处 理物料不同可分为水泥窑、冶金化工窑和石灰窑。回转窑的技明，使得水泥工 业迅速发展，同时也促进了人们对回转窑应用的研究，很快回转窑被广泛应用 到许多工业领域，并在这些生产中越来越重要，成为相应企业生产的核心设备“1 。 它的运转情况，在很大程度上决定着企业产品的产量和成本。如图卜1 ，回转窑 实物图。回转窑属于长网转圆筒类设备，倾斜安装。从整个结构来看，一般回 转窑分为4 个部分。筒体和轮带一回转窑的主体结构，筒体是将物料转化成合格 产品的反应容器。轮带是加固筒体和将回转体重力传递到支撑装置上面。托轮 和底座组成支撑装置，整个回转体的重量全部由支撵装置承受，托轮由轮带带 动旋转。支撑装置的套数为回转窑的档数，其中有的档数带有挡轮装置，防l 回转体轴向窜动。齿圈和小齿轮组成传动装置齿圈是固定在简体上面，和小 齿轮啮合传动，传递扭矩和动力。密封装置，在回转窑窑头出料口应装有密封 装置，以防止漏风“1 。 图卜1水泥回转窑实物图 武汉理工大学硕士学位论文 回转窑长期处于高温、重载、灰尘大的生产环境中，窑在长期的运转中， 会出现基座不均匀下沉、轮带筒体磨损、各处温度不均匀、托轮受力不均、磨 损等问题，所以要定期进行回转窑检测工作，回转窑轮带和托轮直径的测量是 回转窑检测工作的重要部分，通过对其直径的检测，可以了解轮带和托轮的磨 损状况，为调整窑体提供依据。 1 2 和本课题有关国内外研究现状 国内外学者作了大量的研究，在解决大直径高精度测量问题上，尝试努 力的测量方法多达十几种。目前比较普遍的的测量方法有：大型量具测量法、 尺测量法、弓高弦长法等这几种方法操作简便，测量效率高，但一般不能 在线测量，测量精度不易达到要求n 1 ；瑞典研制激光在线测量系统精度可以达 到微米级，但测量直径的范围2 0 2 8 0 r a m ，不能用于回转窑轮带或托轮的测量 。c c d 光学测量法，这种方法研制仪器也相对复杂，精度不易达到所需要的 要求 5 o 滚轮法作为一种应用广泛的大直径测量方法，长期得到国内外学者的重视。 前苏联测试科学研究院基于滚轮法研制大直径测量仪，该仪器由滚压轮、零件 转数传感器、微控制系统组成。北京量具刃具厂生产出基于滚轮法光栅数显式 大直径测量仪。该类仪器的精度可以达到微米级，但是测量装置复杂度高、成 本高，不能用于恶劣环境的现场测量。 为了提高滚轮法的测量精度，减小打滑对测量的影响。天津大学学者提出 采用三滚轮法测量大直径工件，测量轮、中间轮、支撑轮。测量轮和支撑轮通 过压力和被测工件压紧接触。采集两路信号，和测量轮同轴的圆光栅采集信号， 和中间轮相连的长光栅信号，第一路信号可以测出被测工件的周长，并可以补 偿打滑信号和直径误差，第二路信号可以得到中间轮相对两外两轮的径向变化 量，通过此得到被测工件的圆度误差。这种虽然可以对打滑现象和对直径误差 进行补偿，但是对三个轮的安装结构中有较精密的回转轴系，对整个装置的结 构安装加工有很高要求。 在回转窑直径检测中，现场环境恶劣，在满足测量精度要求下，需要测量 装置结构简单、便于操作和携带，成本较低。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 研究内容、研究实现目标、拟定关键问题 1 3 1 研究内容 本课题源于武汉理工大学建材行业水泥回转窑检测技术中心科研项目：水 泥回转窑轮带和托轮直径在线检测。该课题采用滚轮法测量回转窑轮带和托轮 直径，轮带直径d = 3 5 0 0 - 6 0 0 0 m m ，托轮直径d = 1 2 0 0 - 2 0 0 0 m m ，需要测量误差 a d l 舳，并要求整个测量方法准确度高、耗时少、快速在线测量。本课题研 究包括测量装置研制和数据的采集处理显示。机械装置的研制包括每个结构装 置的尺寸、定位和安装；光电编码器随滚轮轴一起旋转得到滚轮旋转圈数；编 码器输出接入单片机系统中通过软件程序计算出所测直径的大小并显示出来。 由于编码器在测量中的重要性，本文对影响光电编码器精度的因素作了详细的 分析，并参考一些常用措施提出了适合现场实际的解决方法。在单片机控制系 统中，通过软件的编写上实现了无误差计数。最后对整个仪器进行误差源分析， 通过理论计算误差分析，得出结论：整个测量仪器满足精度要求。 1 3 2 研究实现目标 低。 测量仪器满足现场在线测量精度要求、结构简单、方便操作和携带、成本较 1 3 3 关键问题 为了保证测量的精度，拟解决的关键问题： 1 光电编码器对现场恶劣环境的抗干扰问题。 2 在光电编码器与单片机接口电路中硬件和采集软件中，采取有效措施消除 计数误差。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章测量原理及方法介绍 2 1 测量原理 图2 - 1 测量原理图 滚轮法的实质是通过测量圆周周长来得到被测工件的直径。测量原理如图 2 - 1 所示，测量时，滚轮以一定的压力与被测工件接触，理想状态下压紧力应保 证滚轮相对于被测工件作滑动的纯滚动嘣1 ，则滚轮和被测工件的传动关系为： n z d = n z d 则有：d = ( n ) d ( 2 - 1 ) 式中：r l 为滚轮转数；n 为被测工件转数；d 为滚轮直径；d 为被测工件直径 2 2 测量方法和工作原理介绍 本测量系统由机械装置、单片机系统、光电编码器、霍尔开关、磁铁等组 成，其中光电编码器和霍尔开关的信号都通过电缆连接到单片机系统中。测量 原理示意图如图2 2 所示，测量时，滚轮紧贴着被测轮带和托轮旋转，滚轮的 旋转带动光电编码器随滚轮轴旋转，编码器在旋转中输出一系列脉冲，霍尔开 关信号接入单片机系统中控制编码器脉冲计数的开始和停止，霍尔开关通过吸 附在被测轮带和托轮的磁铁时，开始计数，当再次通过磁铁时，停止计数，此 时轮带或托轮正好旋转一圈，通过计数脉冲个数可以算出编码器旋转的圈数， 即为滚轮旋转的圈数，最后通过软件程序计算出轮带和托轮的直径，并通过液 4 武汉理工大学硕士学位论文 晶屏将数据显示9 1 。 图2 - 2 回转窑直径测量示意图 根据工作原理由式( 2 - 1 ) ，可知，n = i ，则有： d = ( p 埘) d ( 2 2 ) 式中：p 为总计数脉冲个数；i l l 为编码器转一圈输出的脉冲数；d 为滚轮直径； d 为被测物体直径 5 武汉理工大学硕+ 学位论文 第3 章回转窑轮带和托轮直径测量仪介绍 3 1 直径测量仪组成介绍 本直径测量仪由机械装置和单片机系统两部分组成。系统框图如下： l 磁 铁霍尔开关 i 单片机系统 - 1 液品显示 l 机械装置i i 光电编码器i - 图3 - 1 直径测量系统框图 根据现场情况，安装好磁电式霍尔开关后固定不动。当吸附在轮带或托轮 的磁铁经过霍尔开关，单片机系统开始计数，当磁铁再次经过霍尔开关，单片 机停止计数。 光电编码器随机械装置中的滚轮轴一起旋转，是整个测量仪的关键部件。 单片机系统是控制系统的主体部分，通过单片机控制系统处理数据并计算 显示出测量结果。 3 2 直径测量仪机械结构设计 3 2 1 机械装置总体结构 本测量仪的机械装置包括：滚轮、滚轮轴、摆动机构、转向机构、夹持机 构等详细的结构如图3 2 所示： 6 武汉理工大学硕士学位论文 l 廿 图3 2 测量装置结构图 1 滚轮2 滚轮轴3 摆动杆4 摆动轴5 弹簧6 转动块7 转动轴8 固定架9 顶盖1 0 扳手1 1 支架1 2 光电编码器1 3 光电编码器支架 滚轮安装在滚轮轴的一侧，摆动杆一端通过内部大孔装有滚动轴承一并固 定在滚轮轴上面，光电编码器安装在滚轮轴的另外一侧。摆动杆另一端通过内 部d , - t l 固定在摆动轴一侧，弹簧装在摆动轴中间位置，转动块通过其上侧的小 孔固定在摆动轴的另外一侧。转动块通过下端的孔固定在转动轴的一侧，固定 架通过其中间的孔固定在转动轴中间，支架上侧的孔内装有滚动轴承固定在转 动轴的另外一侧。顶盖和扳手通过螺母联接在一起，支架通过其下端的孔和扳 手的螺杆联接。光电编码器和摆动杆通过光电编码器支架联接。 3 2 2 滚轮和滚轮轴的结构 滚轮的机械结构如图3 - 3 所示： 7 武汉理工大学硕士学位论文 继淤 | 删 图3 - 3 滚轮结构图 滚轮是测量装置中直接接触被测轮带或托轮的关键零件。滚轮的设计关键要注 意以下几点： 1 滚轮材料的选择。 滚轮选用热膨胀系数小的材料，现场测量时，轮带温度可以达到2 0 0 3 0 0 ，托轮环境温度也能达到1 0 0 ( 2 ，滚轮材料热膨胀系数大会直接影响测量结果， 材料热膨胀系数越大，则测量结果误差越大。传统设计时滚轮采用碳钢材料加 工，而碳钢材料在2 0 - 3 0 。c 下热膨胀系数就达到了1 2 卜1 3 5 咱o c 。本设计则采 用一种热膨胀系数比较小的材料因瓦合金，此材料平均热膨胀系数1 5 1 0 o c ，是一种镍钢合金，是含镍3 6 的特殊钢，绝大多数的金属和合金都是在受热 时体积膨胀，冷却时体积收缩，但因瓦合金由于它的铁磁性，在一定的温度范 围内，具有因瓦效应的反常热膨胀，其膨胀系数极低，有时甚至为零或负值训。 因瓦合金塑性、韧性高，较高的耐磨性和耐蚀性，其成份比较合理，综合性能 较好，在滚轮接触时，滚轮受压也不容易变形。 2 减少滚轮打滑的影响。 图3 2 所示，为了防止滚轮打滑，在滚轮中问凹槽中使用硅胶圈，这样能增 大滚轮与被测轮带和托轮之间的摩擦力。硅胶圈的结构设计也要特别注意，当 其受压后要略低于两侧的滚轮，保证滚轮时时刻刻随轮带或托轮一起接触旋转。 硅胶具有以下良好的特性。1 耐温特性：有机硅产品的热稳定性高，高温或辐 射下分子的化学键不断裂、不分解，这特性特别适合高温场合使用，并且有机硅 不但可耐高温，而且也耐低温，能在很宽的温度范围内使用。无论是化学性能 武汉理工大学硕士学位论文 还是物理机械性能，随温度的变化都很小。2 化学性质稳定，化学成分不容易发 生变化。 滚轮轴的具体结构 孽荟 晕辛 o $ 箸 b 向 、 詈f 图3 - 4 滚轮轴结构图 如图3 4 ，滚轮轴材料采用的是q 2 3 5 ，普通的碳素钢。轴的结构设计包括 定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构主要取决于以下因素：轴在装置 中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴联接的方 法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的 结构的因素较多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没标准 的结构形式。设计时，必须针对不同情况进行具体分析，但是，不论何种具体条 件，轴的结构都应满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零 件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等u 引。关键问题为轴上零件 的装配方案，如图3 5 为滚轮轴上零件的装配定位： 图3 5 滚轮轴上零件安装定位 9 武汉理工大学硕士学位论文 如图3 - 5 所示，滚轮轴的晟左边用螺母固定滚轮左侧，右边用轴肩防止滚 轮轴向窜动。滚动轴承安装在摆动杆内孔中固定在滚轮轴上面，滚动轴承外圈 采用孔用卡簧固定，由于滚动轴承内圈要随着滚轮轴一起旋转，内圈采用轴用 卡簧，轴用卡簧的高度应不能超过轴承内圈的高度。光电编码器和滚轮轴通过 联轴器联接，联轴器均匀分布三个螺纹孔，通过三个内角螺母来联接滚轮轴和 联轴器。特别注意的是，在轴承内圈与轴的配合中，因为采用的是弹簧力的压 紧摆动杆，轴承与轴应采用过渡配合，采用问隙配合会出现松动，滚轮与被测 轮带或托轮会出现接触不紧现象。根据零件在轴上的定位和装拆方便方案确定 后轴的形状便大体确定，各段所需的直径与轴上的载荷大小有关。因为整个滚 轮轴的受力不大，所以我们在设计时，根据设计经验和参考已有的装置进行设 计。 3 2 3 摆动机构 图3 - 6 摆动机构 摆动机构由摆动杆、弹簧、摆动轴组成如图3 - 6 所示。摆动机构是整个测 量机械装置中间装置，测量时是整个受力着力点，又是力的传导结构，通过固 定整个装置时压缩弹簧产生的压力使摆动杆内滚动轴承围绕滚轮轴转动，使滚 轮轴上的滚轮和被测轮带或托轮压紧，这样摆动杆由于力臂的存在产生力矩。 所以摆动机构是整个机械装置受力相对比较复杂的机构。但摆动块整体受力不 大，不需要进行强度校核。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 4 转向机构 f 广 、 ； 心夕 心忒吣测p 淬心瀚1 凰 i 溺 丝笪 图3 - 7 转向机构 转向机构由转动块、固定架、转动轴、滚动轴承组成，结构如图3 - 7 所示。 转向机构是属于机械装置中的微调装置。由于回转窑轮带和托轮长期工作在重 载、高温、露天的环境下，会发生变形或磨损，圆柱面可能不再是一个标准的 圆，表面会磨损不均，粗糙度会增加，表面凹凸不平，滚轮与轮带或托轮接触 时会出现线接触影响测量精度，在整个测量装置中增加转向机构后，滚轮会随 着轮带或托轮表面变化而具有自适应性。转向机构是通过中间滚动轴承调节转 动块轻微旋转来实现转向。 3 2 5 夹持机构 图3 - 8 夹持机构 武汉理工大学硕：l 学位论文 夹持机构由顶盖、支架、扳手组成，结构如图3 _ 8 所示。央持机构是将机 械装置周定的机构，主要靠扭动扳手将顶盖和先前已准备的固定桩固定，顶盖 做成活动式的，用三个均匀分布的三个螺栓顶住上面的薄片，允许松动如图3 8 所示。固定桩可能是不规则的几何体形状，表面可能不平整，顶盖做成松动可 以随时保证和固定桩的面接触而将机械装置和固定桩紧固。 本测量仪的整个机械装置结构设计紧凑、成型后小巧精致、携带方便、能 满足现场测量要求。 33 直径测量仪硬件电路介绍 3 31 硬件电路总体介绍 图3 - 9 单片机控制系统原理图 武汉理工大学硕+ 学位论文 单片机系统硬件电路的设计主要是数据采集和数据处理。数据采集的基 本任务是把被测对象的信息传输到单片机控制系统中，数据处理基本任务就是 把采集到得数据进行存储、分析、计算、最后显示被测物体的直径值n3 1 。数据 采集和数据处理有其硬件系统和软件系统。通过分析编码器的输出的特性以及 经过调理电路后的信号特性，搭建整个硬件电路系统，软件系统应根据硬件系 统具有可调性，使用灵活n 4 1 。图3 - 9 为整个硬件电路原理图。它由：光电编码 器抗干扰防振模块、计数模块、液晶显示模块、电源模块、外围电路。 3 3 2 单片机选择悯 单片机，通称它为“微控制器”( m i c r o c o n t r 0 1 0 r ) ，是一类面向控制的微 处理器芯片。单片机内部有中央处理器、r o l d 、r a m 、定时计数控制器、中断 控制器、串行和并行的i 0 端口等，现代发展的单片机拥有更丰富的硬件资源。 这些所有的资源分为三类，它们均通过单片机内部的特殊功能寄存器( s f r ) 来进行控制和管理。1 ) 对c p u 的支持功能。2 ) 内置的外围设备。3 ) 数据传输 接口。 单片机通过嵌入到某个宿主应用系统、并成为其控制中心来发挥作用，具 有面向控制、嵌入应用的特点，具体表现为以下特征： 1 价格敏感。 2强调适用对路，并不一味追求高指标。 3 需要借助专门的开发工具来进行开发。 4 面对众多的单片机品种，设计者在选型应用上存在一定的惯性。 除价格因素外，选择单片机时还应考虑的其他因素有t 运行速度、运算精度、 片内资源、i o 能力、封装和体积、适用温度范围、抗干扰能力、功耗、围绕 该芯片的开发工具以及自己的熟悉程序等。 单片机按处理字长可分为4 位机、8 位机、1 6 位机和3 2 位机等。其中用 途最广、产量最大的是8 位机，它被大量用于各种智能产品和集散控制系统的 前端。近年来，3 2 位机( 如a r m ) 也得到飞速发展，普遍应用嵌入式操作系统， 可支持复杂的人机界面和精度更高、速度更快的数据处理。正是单片机应用环 境和应用目标的广泛性和多样性，以及较低的行业进入门槛，使得单片机在全 球拥有众多的生产厂商，其产品种类繁多，产能巨大，并且各具特色、也各有 武汉理工大学硕十学位论文 各的市场。 由于本设计中使用单片机采集光电编码器的脉冲信号，对所须的单片机的 运行速度、运算精度、内部资源等没有特殊的要求，通用的单片机都能满足使 用要求。所以选用性价比较高的5 1 单片机8 0 c 5 2 。 8 0 c 5 2 单片机介绍： 8 0 c 5 2 是i n t e r 公司m c s - 5 1 系列单片机中基本的产品，它采用i n t e l 公司 可靠的c h m o s 工艺技术制造的高性能8 位单片机，属于标准的m c s 一5 1 的h c m o s 产品。它结合了h m o s 的高速和高密度技术及c h m o s 的低功耗特征，它基于标 准的m c s - 5 1 单片机体系结构和指令系统，属于8 0 c 5 1 增强型单片机版本，集 成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用 场合。 8 0 c 5 2 内置8 位中央处理单元、2 5 6 字节内部数据存储器r a m 、8 k 片内程 序存储器( r o m ) 3 2 个双向输入输出( i 0 ) 口、3 个1 6 位定时计数器和5 个 两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。 此外，8 0 c 5 2 还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模 式。在空闲模式下冻结c p u 而r a m 定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉 电模式下，保存r a m 数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。8 0 c 5 2 有p d i p ( 4 0 p i n ) 和p l c c ( 4 4 p i n ) 两种封装形式。 图3 1 08 0 c 5 2 引脚图 1 4 v c c p o o ! a 0 p o 乱氏1 p 0 2 ，a 2 i p 0 3 ，a 3 t p o 4 t a 4 p 0 6 1 a 5 p o 彤a 6 p o 刁a 7 e a a l e p s e n p 2 洲5 p 2 6 1 4 p 2 耐a 1 3 p 2 4 a 1 2 p 2 3 1 a 1 1 p 2 2 ，a o p 2 1 a 9 一 p 2 w 毒戮熏誉纛蚤船氆嘎黧誉黧葛骠懈 武汉理工大学硕士学位论文 表3 - 18 0 c 5 2 芯片主要功能表 f 主要功能特性： i * 示准m c s 一5 1 内核和指令系统片内8 k r o m ( 可扩充6 4 k b 外部存储器) 3 2 个双向i 。口 2 5 6 x 8 b i t 内部r a m ( 可扩充6 4 k b 外部存 储器) 3 个1 6 位可编程定时计数器时钟频率3 5 1 2 2 4 3 3 删z 向上或向下定时计数器改进型快速编程脉冲算法 6 个中断源5 o v 工作电压 全双工串行通信口布尔处理器 一帧错误侦测4 层优先级中断结构 一自动地址识别兼容t t l 和c m o s 逻辑电平 空闲和掉电节省模式p d i p ( 4 0 ) 和p l c c ( 4 4 ) 封装形式 3 3 2 电源模块设计 整个仪器设计中，单片机系统和编码器、霍尔开关需要供电。由于本仪器 是便携式，采用电压为6 v 电池即可。由于在整个单片机系统中的单片机、编 码器、液晶显示、计数芯片、门电路等都需要的电压为+ 5 v ，共用电源即可， 但内部电压偏差会影响整个系统的稳定运行，要用到稳压芯片l m 7 8 l 0 5 ，该芯 片为3 端正稳压电路，能提供多种固定的输出电压，应用范围广，可输入电压 范围为7 - 2 0 v ；输出电压5 v ；内含过流、过热和过载保路。只要将电压为6 v 的电池正负极经稳压芯片l m 7 8 l 0 5 后输出稳定的5 v 电压为整个单片机系统供 电，原理接线如下图3 - 1 1 所示，其中，c 4 、c 5 、c 6 、c 7 是起滤波作用。 图3 - 1 1 电源电路原理图 武汉理丁大学硕士学位论文 3 3 3 抗干扰振动计数电路设计 为了保证测量的精度，光电编码器要输出精确可靠的脉冲计数。计数可以 采用软件计数和硬件计数，软件计数是将a 相和b 相编码器输出信号分别接到 单片机外部中断口i n t o 和p 1 口，可设置为上升沿或下降沿触发单片机内部计 数，当存在有效脉冲，触发中断程序，判断b 信号脉冲电平，根据软件编写的 程序实现加减计数n 引。但软件技术在计数的速度和可靠性方面，远远不及硬件 计数。硬件计数可以采用单片机内部计数器和计数芯片计数，轮带的直径 3 5 6 m ，滚轮的直径为l o o m m ，当被测轮带转一圈时，滚轮转3 5 - 6 0 圈，编码器 输出的脉冲数最大能有6 0 木1 0 0 0 = 6 0 0 0 0 个脉冲，而单片机内存容量为2 1 6 = 6 5 5 3 6 ， 经容量计算后，单片机内部计数容量不够大，以免计数容量不够溢出，外接8 位计数芯片7 4 h c 3 9 3 扩大了容量。硬件电路比较简单、程序也不复杂、执行速 度相当快，适用范围大。整个抗干扰振动电路分为三个部分，如图a 、b 、c 所 示： a 辨别干扰振动脉冲电路图 b 过滤干扰脉冲电路图 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 ：二：0 4 ：a 。一。l i b 一一 b 耵e 1 ：2l 、 | r ：| | o o0 口 d lo l d 2q 2 d 3q 3 妇l 一 2 4 h c a _ - o 1 l t o o l f 4 1 , 5 1 0 6 r ， llr o sq s tr c t d 60 6 甜0 7 c m 【e c 嵋：1 a 。篓窿 o e i 一 c 脉冲计数电路图 图3 1 2 抗干扰振动计数电路原理图 图a 是将光电编码器的a 、b 两相输出信号经芯片7 4 l s l 2 3 触发器和芯片 7 4 l s 0 4 倒相器、芯片7 4 l s 0 8 与门电路组成的电路处理后输出两路脉冲：正脉冲 和反脉冲，正脉冲和反脉冲是根据电路a 处理后记录的脉冲，并根据电路原理 能辨别出干扰振动脉冲，当正、反都有脉冲接收时说明输入的脉冲为非正常脉 冲，详细原理在第四章说明。7 4 l s l 2 3 为带施密特电路的可再触发单稳触发器， 在电路中的作用是让a 、b 脉冲频宽变窄，其输出波的宽度通过选择适当的外接 电阻、电容来调节。图b 电路的功能为过滤掉干扰振动脉冲。经上一步处理后 的正脉冲、反脉冲通过芯片7 4 l s 0 4 和7 4 l s 0 8 、7 4 l s 3 2 组成的电路后输出脉冲， 根据电路图a 的原理，如果a 、b 输入脉冲为干扰、振动脉冲时，会同时有正脉 冲和反脉冲输出，当正向和反向同时有脉冲时，经图b 电路后，同时的正向和 反向将屏蔽过滤掉，这样经b 电路出来的脉冲就剩下正常脉冲，如果编码器为 正转，输出的脉冲为正脉冲经过滤掉干扰振动脉冲后的脉冲、编码器反转时， 输出的脉冲为反脉冲经过滤掉干扰振动脉冲后的脉冲。c 电路为计数电路，由 7 4 l s 0 8 、计数芯片7 4 h c 3 9 3 和锁存器7 4 h c 5 7 3 组成。当7 4 l s 3 2 触发器3 端口输 出的脉冲进入计数芯片7 4 h c 3 9 3 ，对脉冲进行计数，计数器的数据存在锁存器中， 目的是测量完后让显示的被测轮带或托轮的直径数据保持。 3 3 4 液晶显示模块的选用 液晶显示模块简称“l c m ”，是将液晶显示器件、连接件、集成电路、p c b 线路板、背光源、结构件等组装在一起的用于显示字母和数字、符号等的组件。 点阵字符型液晶显示器是专门用于显示数字、字母、图形符号及少量自定义符 号的显示器。由于l c d 具有超薄、功耗低、体积小、重量轻等优点，自问世以 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 来就得到了广泛应用字符型液晶显示器模块在国际上也已经规范化。本设计 选用的是s m c l 6 0 2l c m 芯片m 1 。 表3 - 2s m c l 6 0 2l c m 芯片主要技术参数表 显示窖量：1 6 x 2 个宇符 芯片工作电压： 45 5 5 v 工作电诫： 2o m a ( 5 o v ) 模块最佳工作电压： 50 v 字符尺寸： 乏骟x 4 3 6c 似| o 哪 读i 连# ( i f l ) 正楹 本液晶显示主要是显示字母，文字，数字，已在软件程序内实现，最终显 示结果为被测轮带或托轮的直径。 与单片机的连接图如下图所示： 广二_ 1 6 0 虿氟前厅i 强硬 图3 一1 3 液晶显示芯片与单片机的连接接 1 图 武汉理i 大学顼士学 论文 3 35 霍尔接近开关选用 霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当 磁性物件接近霍尔丌关时，开关上面的霍尔元件会产生霍尔效应使开关内部电 路状态发生变化，由此感知附近磁性物体的存在，从而控制霍尔开关的通或断 l b o 这种接近丌关的检测对象必须是磁性物体。我们选用的是n j k 系列的耐高 温霍尔开关，实物如下图所示。 懈 图3 1 4 霍尔接近开关实物图 n j k 系列霍尔传感器是由电压调整器，霍尔电压发生器，差分放大器，旄 密特触发器和集电极开路的输出极组成的磁敏传感器，其输入为磁感应强度、 输出是一个数字电压讯号。 特点： 电源电压范围宽；频率高：寿命长、体积小、安装方便：能直接和晶体管 及t t l 、m o s 等逻辑电路接口。 选用型号及参数： 型号：s j k 一5 0 0 2 c可检测物体：永磁体 外形：m 1 2 m m 圆柱体 输出方式：k i ，n 三线常丌型 检测距离：1 0 m 电源电压：5 2 4 v d c 输出电流：2 0 0 m a 开关频率：3 2 0 1 h z 工作温度：- 2 0 - 1 2 0 c 外壳材料：金属铜 体积小，安装方便，寿命长。 宽范围工作电压，方便系统设计 直流型。 武汉理工大学硕+ 学位论文 霍尔开关输出三根线，其中一根接单片机t n t o ( p 3 4 ) 口，一根接地，一 根接电源，因霍尔开关的电压范围为5 - 2 4 v ，可以和整个单片机共用电源。 3 3 6 外围电路设计n 9 1 整个单片机系统中的外围电路有：复位电路、晶振电路。 晶振是石英振荡器的简称，英文名为c r y s t a l ，它是时钟电路里面最重要的 部件，作用是让晶振电路产生一个固定频率的脉冲来驱动芯片等元件正常工作， 也为单片机内各部分提供基准频率，它就像个标尺，因为工作频率不稳定会造 成相关设备的工作频率不稳定，这样整个系统很容易出现问题。现在由于制造 工艺不断提高，晶振的频率偏差、温度稳定性、老化率、密封性等重要技术指 标都已经很完善，已不容易出现故障，但在选用时也必须留意晶振的质量。本 单片机采用的是5 l 单片机，内部用的晶振频率为1 1 0 5 9 2 m h z 。 为确保系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电 路的第一功能是上电复位。一般电路正常工作需要供电电源为5 v 5 ，即4 7 5 - - 5 2 5 v 。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上 电时，只有当v c c 超过4 7 5 v 低于5 2 5 v 以及晶体振荡器稳定工作时，复位信 号才被撤除，系统电路开始正常工作。 3 3 7 测量程序设计 本设计中两个程序编写任务，液晶显示程序编写和直径测量程序( 主程序) 的编写。l c d l 6 4 2 驱动头文件，液晶显示程序设计，主程序在运行时，调用此程 序。软件设