砂轮在线动平衡系统设计 电子与单片机专业毕业设计 毕业论文.doc

摘 要磨床砂轮的不平衡量是影响磨削精度的主要因素之一，随着对磨床磨削精度的要求越来越高，解决砂轮的不平衡问题也日显迫切。本文以开发砂轮在线动平衡系统为目的，对不平衡信号的测量、自动平衡装置以及自动平衡策略展开研究，主要分为以下几个方面：总结砂轮在线动平衡技术的研究现状的发展趋势，阐述了本文的研究意义；研究了动平衡的在线动平衡原理和基础理论；设计了信号处理流程，介绍了振动信号的采样及数字处理，研究了不平衡量的控制算法；该系统以89C51单片机为核心，通过检测砂轮旋转时不平衡量引起的振动信号并进行数据处理，以确定不平衡量的大小，然后控制跟随砂轮高速旋转的平衡头内的双永磁直流电机以对不平衡量进行补偿,并设计相应的软件。 通过本文的研究，构架了砂轮在线动平衡系统的框架，具有硬件电路简单，倍频采样精度高，跟踪速度快的优点，实现了系统的基本功能，为进一步研究砂轮动平衡技术打下了良好的基础。 关键词：传感器 单片机 动平衡 数学模型Design and Research Wheel Dynamic Balance Measurement and Control SystemAbstractGrinding wheels balancing is one of the main factors of grinding accuracy, with the demand is higher and higher, solve the unbalance problem also grinding more urgent.The development of grinding wheel moved by online balance system, for purposes of measurement, the automatic balancing devices and an automatic balancing policy research, and divided mainly into the following aspects ：Grinding wheel moved up online balance of the technical trend of development, the significance of this research ；The move the motion and the online balance theory ；Designed the signal flow, introduced the signal that the sampling and digital processing, the quantity of unbalanced the algorithm ；The system 89C51 monolithic integrated circuits to the wheel whirling through detecting the balance of the vibration of a signal and a data processing, to determine the quantity of unbalanced, and control the size of the grinding wheel spinning along at his head in the balance of both dont a direct motor to balance the amount of compensation and the design of software.By this research, online move the wheel out of the framework of a hardware circuit simple, and times of the sampling frequency high precision, tracking speed and fulfilled the system of the basic function, for further study before the technology we have still a good foundation.Keywords： Sensor MCU Dynamic balance The mathematical model目 录第一章 绪论11.1 论文选题的来源及意义11.2 砂轮动平衡测控系统的目的21.3 传统静平衡存在的问题21.4 本系统在线平衡的特点31.5 国内外研究现状41.6 题目研究内容41.7 工作量4第二章 方案论证62.1 控制对象简介62.2 系统方案设计62.3 砂轮平衡技术的选择62.4 平衡头系统的工作原理72.5设计方案框图7第三章 平衡头数学模型的建立93.1 位置调节模型93.2 平衡模型及其方框图10第四章 硬件设计134.1 单片机最小系统134.1.1 89C51系列单片机144.1.2 89C51单片机的内部结构154.1.3 AT89C51系列引脚功能164.1.4 AT89C51系列单片机的功能单元184.2 拓展单元8255单元194.2.1 拓展芯片8255204.2.2 8255功能引脚204.3 磁电式振动速度传感器214.4 放大电路224.5 滤波器234.6 ADC0809模数转换器254.6.1 ADC0809的内部逻辑结构254.6.2 ADC0809引脚结构264.6.3 ADC0809应用说明274.7光电传感器274.8光电信号处理器284.9报警电路294.10 执行电路294.11 电机的选择304.12 显示电路314.12.1 HD7279A的典型应用324.12.2 显示电路硬件设计33第五章 PID控制算法研究355.1 PIN控制的工作原理355.2 PID控制的特点365.3 PID控制算法375.4 PID调节器的数字化385.5 PID参数的整定的整定方法40第六章 软件设计426.1 软件流程图426.2 A/D采样数据软件设计436.3 平衡过程流程图44总 结46参考文献47致 谢48附录1：程序清单49附录2：系统原理图6162第一章 绪论1.1 论文选题的来源及意义 任何转子在围绕其轴线旋转时，都可能由于转子质量分布不均匀而产生离心力。这种不平衡离心力作用在转子轴承上会引起振动，这种振动会产生噪声和加速轴承磨损，从而影响工件的磨削质量和严重影响磨床的使用寿命。本论文的主要目标是对转子的不平衡量进行校正，改善转子相对于轴线的质量分布，使转子旋转时产生的振动或作用于轴承上的振动力减小到允许的范围之内。转子的平衡包括不平衡量的测量和校正。砂轮的平衡对高精度磨床的磨削有重要的意义。砂轮仅由人工进行安装前的传统静平衡试验，其初始平衡精度就比较差；再加上磨削过程中砂轮表面微孔对冷却液的吸附，以及砂轮磨损和休整所增添的附加不平衡，所以影响磨削质量。特别是因砂轮不平衡造成的径向跳动在磨削零件的表面会留下较大的振痕。近年来，我国多家磨床制造厂相继配备美国SBS系统于国产高档磨床产品上。1995年夏天在FARREL磨床维修中配用了从美国许密特（Schmitt）工业公司进口的SBS动平衡装置。磨床是精密机械加工必不可少的工作母机，为了适应日趋精密的工作精度需求及不断追求的高效率和低成本的目标，全球的磨床制造业都在不懈地致力于:提高机床的几何精度，刚性和性能稳定性。 下面介绍一下砂轮动平衡测控系统的意义：众所周知，砂轮是磨床的必要工具。想要让砂轮磨削出准确的尺寸和光洁的表面，必须防止磨削过程中的振动。砂轮的结构是由分布不均的大量颗粒组成，先天的不平衡无法避免，这必然会引起一定的偏心振动。而砂轮安装的偏心度、砂轮的厚度不均、主轴的不平衡及砂轮对冷却液的吸附等，会使振动更加增大。这些振动不仅仅影响到磨床的加工质量，还会降低磨床的主轴寿命、砂轮寿命，增加砂轮修正次数及修整金刚石的消耗等。磨床砂轮在在线动平衡校正的应用为现代研磨工艺不可或缺的重要工程,当磨床内外环境振动较好的时候,经在在线动平衡校正后的砂轮残余振动量,会比一般传统手动静平衡效果再优化一个数量级,以峰到峰值(Peak to Peak)的量测基准来评比,当静平衡后为3m时,动平衡可达0.3m,综合在线动平衡校正作业的优势,研磨加工业者可获得以下的经济利益:1、可大幅改善被研磨工件的真圆度、圆筒度和面粗度；2、可延长被研磨工件寿命、减少研磨烧伤裂损现象,并控制其低频工作噪音；3、提高研磨加工精密度、稳定性和批量一致性(CP值)；4、可延长传统砂轮和金刚石砂轮修整装置寿命；5、可确保磨床主轴与轴承寿命,延长磨床维修间隔,降低磨床维修成本。1.2 砂轮动平衡测控系统的目的常用砂轮机械中包含着大量的作旋转运动的零部件，例如：各种转动轴、主轴、电动机和汽轮机的转子等，统称为回转体。在理想的情况下回转体旋转时与不旋转时，对轴承产生的压力是一样的，这样的回转体是平衡的回转体。但工程中的各种回转体，由于材质不均匀或毛坯缺陷、加工及装配中产生的误差，甚至设计时就具有非对称的几何形状等多种因素，使得回转体在旋转时，其上每个微小质点产生的离心惯性力不能相互抵消，离心惯性力通过轴承作用到砂轮的机械及其基础上，引起振动，产生了噪音，加速轴承磨损，缩短了机械寿命，严重时能造成破坏性事故。为此，必须对转子进行平衡，使其达到允许的平衡精度等级，或使因此产生的砂轮机械振动幅度降在允许的范围内。1.3 传统静平衡存在的问题1、砂轮的残余静不平衡人工做静平衡时，由于磨床砂轮直径较大、自重较大，导致静惯性较大，所以当静平衡做到一定程度就无法继续下去，此时砂轮仍然保留一定的残余静不平衡，结果造成静平衡精度较差。2、砂轮的偶不平衡砂轮制造中除了静不平衡外，还存在着偶不平衡。偶不平衡虽然不太大，但对于高精度加工的磨床来讲，也是不可忽略的。而且这种偶不平衡不可能用静平衡的方法消除。3、砂轮表面微孔对冷却液吸附的不平衡在磨削过程中，由于砂轮表面微粒及微孔对冷却液吸附的不均匀性就会造成砂轮的附加不平衡。这种附加的不平衡也不能用静平衡方法消除。4、砂轮磨损和修正中的附加不平衡由于砂轮是非均匀的颗粒粘合体，其表层微粒的磨损以及不定时的表面修正都会造成砂轮新的不平衡，这些附加不平衡也不可能用静平衡法消除。 总之，想要让砂轮磨削出准确的尺寸和光洁的表面，必须防止磨削过程中的振动。但引起振动的主要原因又恰恰是砂轮本身。先天的不平衡无法避免，再加上后天的不平衡，使磨床砂轮的旋转始终处于不平衡的状态之中。1.4 本系统在线平衡的特点1、本系统的组成 本系统由振动传感器、控制微机和平衡头组成。振动传感器测得信号输入控制微机后，微机发出信号从而控制平衡头达到在线平衡的设定目标。2、本系统的拾振原理振动传感器把收集到的磨床的各种振动信号输入微机，由微机内的窄波滤波器按主轴转速滤波，分辨出由砂轮不平衡引起的即刻振动值（径向振动位移值）。为了使振动传感器监测到直接影响磨削质量的砂轮的径向振动。带磁性的传感器的圆柱面最好垂直于砂轮与工件的接触面。3、本系统的平衡原理 平衡头装在磨床的主轴端部，它随主轴转动，平衡头内有2个质量补偿重块，分别由2个永磁直流电机通过蜗轮蜗杆及精密齿轮系驱动。其平衡程序由微机按拾振信号驱动2个永磁直流电机同时正转或反转，使2个平衡块的角平分线与不平衡质量的半径成 ，满足2个补偿平衡块夹角的方向与砂轮的不平衡质量处于相反方向；第二步2个永磁直流电机一个正转另一个反转或一个反转另一个正转，来调整2个平衡块与砂轮中心点连线的夹角大小，满足补偿平衡块的质量与砂轮不平衡质量相等。2个永磁直流电机的各自旋转方向及其角度可由微机按拾振信号控制，也可由人工手动控制，直至达到设定的振动目标值之内为止。一般工厂为了消除频繁出现的磨削振痕，操作工人采取变换砂轮转速及减小磨削进给等办法做多次往复磨削，这样不但费时，而且效果也不太理想。4、避免外界振动本系统的设计旨在纠正砂轮的动态不平衡，提高加工件的表面磨削质量和磨削精度，故只按磨床主轴转速频率范围来过滤磨床的振动信号，对此频率以外的附加振动都忽略不计，如当临近机械以相同的频率工作或产生相近频率范围的附加振动信号。因此如有外界振动存在，磨床应装有避振器或隔离措施。才能确保本系统的正常工作。5、正确安放传感器 振动传感器的安放位置与方向十分重要，初装时可以用其磁性底座，等找到较合适的方位后也可作永久固定方式。基本原则是传感器的接触平面要平行于砂轮与工件的接触切面，这样才能最直接检测到影响磨削的振动。1.5 国内外研究现状我国平衡机的研制和开发是从50年代末开始的，经过30年的努力，国内平衡机的技术水平有较大提高。到目前为止国内相关滤波技术，跟踪滤波技术，数字信号处理技术，计算机技术等都已广泛应用于动平衡的测量和控制系统中，在算法上，出现了对检测信号的DSP处理的FIR算法，基于小波分析算法，基于神经网络算法和遗传算法，把影响系数与传递函数结合等新模型算法以及矢量算法，转子混沌行为研究等。在动平衡理论方面，西安交通大学的屈梁生院士的全息动平衡技术将全息谱技术应用于动平衡系统，从而有效的融合了转子多向振动信息，提高了平衡精度，并且已应用到非对称转子的平衡，有些学者已提出了多种快速平衡技术即所谓的“无试加重”平衡方法，用测量的振动特性来模拟系统，从而确定系统的不平衡量。相较于国外，平衡机理论已日趋成熟，其制造技术达到较高水平，如德国的申克公司的通用，专用平衡机已经形成系列化生产。在工业化国家广泛应用，但价格昂贵，并且国外的大多数平衡机产品并不适应于我国国情。我国国产平衡机技术水平和质量状况已基本满足国内市场需求。随着近几年磨床自动化，NC.CNC控制装置的发展，提高机床运转率，缩短辅助时间，实现无人生产等要求日趋紧迫。国外先进磨削设备，已普遍采用自动动平衡装置。自动平衡时，将砂轮和动平衡装置安装在机床上，用机械的或者其它方式自动进行自动平衡。快速直接逼近最平衡位置，使动平衡达到较完善的程度，还可省略静平衡，直接进行动平衡，达到足够小，对磨削几乎无影响振动。1.6 题目研究内容1、研究砂轮偏心的平衡方法及设计平衡装置；2、研究砂轮不平衡信号的提取方法；3、研究建立砂轮动平衡测控系统数学模型的方法及其模型建立；4、控制算法研究5、测控系统的硬件电路设计和软件实现设计1.7 工作量1、了解磨床砂轮磨削工作原理及平衡原理；2、硬件电路设计：（1）最小系统的设计；（2）检测处理电路设计；（3）执行机构驱动电路设计；（4）人机对话系统设计3、软件设计（1）软件流程图设计；（2）控制算法及程序设计。4、书写毕业论文5、专业译文6、硬件电路图设计本章小结 本小结说明论文的选题来源及意义，介绍砂轮在线动平衡测控系统的目的和国内外现状。大致掌握动平衡的特点。由此我们制定了接下来的论文的研究题目内容及其工作量。第二章 方案论证2.1 控制对象简介平衡头关键结构由执行机构、传动系统和平衡块组成。采用蜗轮蜗杆及精密齿轮作为传动系统,各级变比如图2-1左所示。设计减速器的目的体现在几方面: 1、传递运动,将平行于砂轮的电动机轴运动转换为围绕转子的周向旋转运动。2、提高驱动力矩,细化步进角。3、利用蜗轮蜗杆的锁定功能,在平衡后使偏心齿圈锁定。平衡块的设计采用在齿轮的一侧加工了7 个成轴对称的小孔,这样齿轮就有了最大的质量偏心,依靠两个偏心齿轮来平衡砂轮。平衡头是由两个相同的传动机构组成,结构如图2-1右所示:图2-1 平衡头的结构图2.2 系统方案设计根据平衡质量块在平衡头上移动的轨迹,平衡头力补偿的方式可分为三种:(1) 单配重极坐标方式。改变配重质量m 的偏心半径和相角来调解。(2) 双配重直角坐标方式。平衡质量块相对平衡头只做径向移动,每个平衡质量块相对平衡头只改变大小,不改变方向。(3) 双配重固定半径极坐标方式。平衡质量块相对平衡头只做周向移动,各个平衡质量块只改变方向,不改变大小。2.3 砂轮平衡技术的选择方式(1) 固然需要一个平衡块就够了,但是运动规律比较复杂,需要一些运动转换机构才能实现,必然会占用较大的空间,使整个平衡头尺寸增大。方式(2) 虽然可以依靠蜗轮蜗杆转动实现向心调节,但是平衡块相对运动的过程中必须克服巨大的离心力,这会导致在驱动平衡块移动位置时,消耗很大的功率,需要选用较大功率的电机,增大供电及驱动电路设计的复杂性。方式(3) 克服了以上的缺陷,平衡块可在0360范围内自由移动,而且运动过程中,电机驱动力直接切向作用于平衡块,由于它们一般置于壳体轨道中,因此只需克服离心力引起的摩擦力作用,就可以产生旋转加速度。故本系统采用的是双配重固定半径极坐标方式。2.4 平衡头系统的工作原理工作原理如下:平衡头装在磨床的主轴端部,它随主轴转动,平衡头内有2 个质量补偿重块,分别由2 个永磁直流电机通过蜗轮蜗杆及精密齿轮系驱动。其平衡程序由微机按拾振信号驱动2 个永磁直流电机同时正转或反转,使2 个平衡块产生离心力的合力方向与不平衡量产生的离心力合力方向相反,在一条直线上;第二步2 个永磁直流电机一个正转另一个反转或一个反转另一个正转,来调整2 个平衡块与砂轮中心点连线的夹角大小,满足补偿平衡块的质量与砂轮不平衡质量相等。即所谓的相位控制与幅值控制。2 个偏心齿圈的各自旋转方向及其角度可由微机按拾振信号及控制算法实施控制,也可由人工手动控制,直至达到设定的振动目标值之内为止。2.5设计方案框图图2-2设计方案框图本章小结通过了解平衡头的关键结构，制定了三种系统方案。我们从中挑选出双配重固定半径极坐标方式作为研究方案，平衡质量块相对平衡头只做周向移动,各个平衡质量块只改变方向,不改变大小。由平衡头的工作原理设计出系统方案框图。第三章 平衡头数学模型的建立3.1 位置调节模型为了分析和设计一个控制系统,必需先建立对象的数学模型,针对上述的平衡头结构图及机械传动图,可以通过电机电势平衡方程式和拖动系统动力学平衡方程式建立其位置控制系统模型,进而依据平衡机理,分析建立起平衡模型,最后获得平衡头的数学模型及其方框图。 图3-1平衡头的数学模型方框图由电势平衡方程： （3-1）整理得： （3-2）式中： - 加在电机两端的电压(V) - 电枢回路电流(A) - 电动机内阻() - 电枢绕组的反电动势(V)n - 电枢转速（r/min）， - 分别为反电动势系数和转矩系数 - 电磁转矩(N.m) - 每级磁通量（Wb）L - 电枢电感（H）根据拖动系统动力学平衡方程式有： (3-3)是粘性摩擦系数（有实验得），是电机转角，是依据折算前后动能不变的原则，将传动机构，偏心齿圈的转动惯量折算到电机轴后总的转动惯量。整理得出： (3-4)拉氏变换得： (3-5)忽略电枢电感的影响，则近似为二阶系统： (3-6)3.2 平衡模型及其方框图平衡模型矢量图：图3-2 平衡模型矢量图图3-2中和分别为两个偏心齿圈的平衡力，并假定，角度分别为和，和为不平衡量，和为合成的平衡力。其中（3-7） 设计控制系统的目的是利用最短的时间使 假定与分别为两个偏心齿圈驱动系统的控制电压，则可得到平衡模型的方框图如图3-3：图3-3 平衡模型方框图本章小结为了分析和设计控制系统,我们需针对平衡头结构特点建立数学模型,可以通过电机电势平衡方程式和拖动系统动力学平衡方程式建立其位置控制系统模型,进而依据平衡机理依据平衡机理,分析建立起平衡模型并绘制方框图。第四章 硬件设计4.1 单片机最小系统在整个设计中，单片机的应用是设计核心的关键。通过ADC芯片把磁电传感器采集的数值信号进入单片机内部进行处理。此外单片机的内部设定一个数值作为信号频率的标准，。如果超标则由报警电路工作发出报警信号，同时开始调节电机。电路主要包括复位电路和振荡电路组成。电路图如图4-1图4-1 AT89C51电路图1970年微型计算机研制成功之后，随之即出现了单片机（即单片微型计算机） 美国Intel公司1971年生产的4位单片机4004和1972年生产的雏形8位单片机8008。图 4-2 扩展芯片8255电路图4.1.1 89C51系列单片机单片机（Microcontroller，又称微处理器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型机，这些部件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。AT89系列单片机是以8031为内核，结合ATMEL公司自己的技术优势构成的，它和MCS-51是 兼容系列。AT89系列单片机有标准型的AT89C系 列和高档型的AT89S系列。AT89C51是MCS-51系列单片机的一个产品。89C51系 列单片机是ATMEL公司推出的标准型单片机，其结构特点如下：（1）8位8031CPU；（2）振荡电路；（3）32根I/O线；（4）片内Flash存储器、片内RAM；（5）2个16位 的定时器/计数器；（6）5个中断源，2个中断优先级；（7）全双工串行接口。4.1.2 89C51单片机的内部结构89C51系列的内部结构可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时器/计数器、中断 逻辑几部分。1、中央处理器89C51的中央处理器由运算器和控制逻辑机构构成，其中包括若干特殊功能存储器（SFR）算术逻辑 单元ALU能对数据进行加、减、乘、除等算术运算；“与”、“或”、“异或”等逻辑运算以及位操作 运算。ALU只能进行运算，运算的操作数可以事先存放到累加器ACC或寄存器TMP中，运算结果可以送回ACC或通用寄存器或存储单元中，累加器ACC也可以写 为A。B寄存器在乘法指令中用来存放一个乘 数，在除法指令中用来存放除数，运算后B中为部分运算结果。控制逻辑主要包括定时和控制逻辑、指令寄存器 、译码器以及地址指针DPTR和程序寄存器PC等。单片机是程序控制式计算机，即它的运行过程是在程序控制下逐条执 行程序指令的过程：从程序存储器中取出指令送指令存储器IR，然后指令译码器ID进行译码，译码产生一系列符合定时要求的微操作信号，用以控制单片机的各部分动作。89C51的控制器在单片机内部协调各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作，并对单片机发出若干控制信息。 这些控制信息的使用专门的控制线，诸如PSEN、ALE、EA以及RST，也有一些是和P3口的某些端子合用，如WR和RD就是P3.6和P3.7，他们的具体功能在介绍89C51引脚时一起叙 述。2、存储器组织89C51单片机的存储器结构特点之一是将程序存储器和数据存储器分开， 并有各自的寻址机构和寻址方式，这种结构称为哈佛结构单片机。这种结构与通用微机的存储器结构不同，一般微机只有一个存储器逻辑空间，可随意安排ROM或RAM，访存时用同一种指令，这种结构称为普 林斯顿型。89C51单片机在物理上有四个存储空间：片内程序存储器和片外程序存储 器、片内数据存储器和片外数据存储器。89C51片内有256K数 据存储器RAM和4KB的程序存储器ROM。除此之外，还可以在片外扩展RAM和ROM，并且各有64KB的寻址范围。也就是最多可以 在外部扩展2*64KB存储器。64K字节的程序存储器（ROM） 空间中，有4K字节地址区对于片内ROM和 片外ROM是公用的，这4K字节地址是0000HFFFH。而1000HFFFFH地址区为外部ROM专用。CPU的控制器专门提供一个控制信号EA用来区分内部ROM和外部ROM的公用地址区：当EA接高电平时，单片机从片内ROM的4K字节存储器区取指令，而当指令地址超过0FFFH后，就自动的转向片外ROM取指令。当EA接低电平时，CPU只从片外ROM取指令。89C51的RAM虽然字节数不很多，但却起着十分重要的作用。256个 字节被分为两个区域：00H7FH时真正 的RAM区，可以读写各种数据。而80HFFH是专门用于特殊功能寄存器（SFR）的区域。对 于89C51安排了21个特殊功能寄存器， 每个寄存器为8位，所以实际上128个字节 并没有全部利用。内部RAM的各个单元，都可以通过直接地址来寻找，对于工作寄存器，则一般都直接用R0R7，对特殊功能寄存器，也是直接使用其名字较为 方便89C51内部特殊功能寄存器符号及地址。89C51内 部特殊功能寄存器都是可以位寻址的，并可用“寄存器名.位”来表示，如ACC.0，B.7等。这些寄存器分别用于以下各个功能单元：CPU：ACC，B，PSW，SP，DPTR（由两个8位寄存器DPL和DPH组成）；并行口：P0，P1，P2，P3；中断系统：IE，IP；串行口：SCON，SBUF，PCON。定时器/计 数器：TMOD，TCON，T0，T1（分别由两个8位寄存器TL0和THO，TL1和TH1组 成）4.1.3 AT89C51系列引脚功能AT89C51有40引脚双列直插（DIP）形式。其与80C51引脚结构基本相同，图4-3为其逻辑引脚图。图4-3 AT89C51逻辑引脚图各引脚功能叙述如下：1、电源和晶振：VCC运行和程序校验时加+5V。GND接地。XTAL1输入到振荡器的反向放大器。XTAL2反向放大器的输出，输入到内部时钟发生器。当使用外部振荡器时，XTAL1接地，XTAL2接收振荡器信号。2、I/O：4个口，32根。P0口8位、漏极开路的双向I/O口。当使用片外存储器（ROM、RAM）时，作地址和数据分时复用。在程序校验期间，输出指令字节（这时，需加外部上拉电路）。P0口（作为总线时）能驱动8个LSTTL负载。P1口8位、准双向I/O口。在编程/校验期间，用于输入低位字节地址。P1口可驱动4个LSTTL负载。对于80C51，P1.0T2，是定时器的计数端且位输入；P1.1T2EX，是定时器的外部输入端。这时，读两个特殊输入引脚的输出锁存器应由程序置1。P2口8位、准双向I/O口。当使用片外存储器（ROM及RAM）时，输出高8位地址。在编程/校验期间，接收高位字节地址。P2口可以驱动4个LSTTL负载。P3口8位、准双向I/O口，具有内部上拉电路。P3口提供各种替代功能。在提供这些功能时，其输出锁存器应由程序置1。P3口可以输入/输出4个LSTTL负载。3、串行口：P3.0RXD（串行输入口），输入。P3.1TXD（串行输出口），输出。4、中断：P3.2INT0外部中断0，输入。P3.3INT1外部中断1，输入。5、定时器/计数器：P3.4T0定时器/计数器0的外部输入，输入。P3.5T1定时器/计数器1的外部输入，输入。6、数据存储器选通：P3.6WR低电平有效，输出，片外存储器写选通。P3.7RD低电平有效，输出，片外存储器读选通。7、控制线：共4根。输入：RST复位输入信号，高电平有效。在振荡器工作时，在RST上作用两个机器周期以上的高电平，将器件复位。EA/Vpp片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。在编程时，其上施加21V的编程电压。输入、输出：ALE/PROG地址锁存允许信号，输出。用做片外存储器访问时，低字节地址锁存。ALE以1/6的振荡频率稳定速率输出，可用作对外输出的时钟或用于定时。在EPROM编程期间，作输入。输入编程脉冲（PROG）。ALE可以驱动8个LSTTL负载。输出：PSEN片外程序存储器选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器取址期间，在每个机器周期中，当PSEN有效时，程序存储器的内容被送上P0口（数据总线）。PSEN可以驱动8个LSTTL负载。4.1.4 AT89C51系列单片机的功能单元1、并行I/O接口：单片机芯片内有一项主要功能就是并行I/O口。51系列共有4个8位的并行I/O口，分别记作P0、P1、P2、P3每个口都包含一个锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器。实际上，他们已被归入专用寄存器之列，并且具有字节寻址和位寻址功能。在访问片外扩展存储器时，低八位地址和数据由P0口分时传送，高八位地址由P2口传送。在无片外扩展存储器的系统中，这4个口的每一位均可作为双向的I/O端口使用。51系列单片机的4个I/O口都是8位双向口，这些口在结构和特性上是基本相同的，但又各具特点。2、定时器/计数器定时器/计数器（timer/counter）是单片机中的重要部件，其工作方式灵活、编程简单，使用它对减轻CPU的负担和简化外围电路都大有好处。C51系列包含有两个16位的定时器/计数器：定时器/计数器T0和定时器/计数器T1；在C51部分产品中，还包含有一个用做看门狗的8位定时器。定时器/计数器的核心是一个加1计数引脚上施加器，其基本功能是加1功能。在单片机的T0、T1一个0到1的跳变，计数器增1，即为计数功能；在单片机内部对机器周期或其分频进行计数，从而得到定时，这就是定时功能。在单片机中，定时功能和计数功能的设定和控制都是通过软件来进行的。定时器/计数器内部结构：由 定时器0、定时器1、定时器方式寄存器TMOD和定时器控制寄存器TCON组成。定时器/计数器的工作原理：当定时器/计数器设置为定时工作方式时，计数器对内部机器周期计数，每过一个机器周期，计数器加1，直至计满溢出。定时器的定时时间与系统的振荡频率紧密相关，因为C51系列单片机的一个机器周期由12个振荡脉冲组成，所以，计数频率fc=fosc/12。如果单片机系统采用12MHz晶振，则计数周期为：T=1/12*1*(/12)=1 （4-1）这是最短的定时周期，适当选择定时器的初值可获取各种定时时间。当定时器/计数器设置为计数工作方式时，计数器对来自输入引脚T0（P3.4）和T1（P3.5）的外部信号计数，外部脉冲的下降沿将触发计数。在每个机器周期的S5P2期间采样引脚输入电平，若前一个机器周期采样值为1，后一个机器周期采样值为0，则计数器加1。新的计数值是在检测到输入引脚电平发生1到0的负跳变后，于下一个机器周期的S3P1期间装入计数器中的，可见，检测一个由1到0的负跳变需要两个机器周期，所以，最高检测频率为振荡频率的1/24。计数器对外部输入信号的占空比没有特别的限制，但必须保证输入信号的高电平与低电平的持续时间在一个机器周期以上。当设置了定时器的工作方式并启动定时器工作后，定时器就按被设定的工作方式独立工作，不再占用CPU的操作时间，只有在计数器计满溢出时才可能中断CPU当前的操作。3、 中断系统中断系统是单片机的重要组成部分。实时控制、故障自动处理、单片机与外围设备间的数据传送往往采用中断系统。中断系统大大提高了系统的效率。中断过程时在硬件基础上再配以相应的软件而实现的，不同的计算机，其硬件结构和软件指令是不完全相同的，因此，中断系统也是不相同的。C51系统有关中断的寄存器有4个，分别为中断源寄存器TCON和SCON、中断允许控制寄存器IE和中断优先级控制寄存器IP；中断源有5个，分别为外部中断0请求INT0、外部中断1请求INT1、定时器0溢出中断请求TF0、定时器1溢出中断请求TF1和串行中断请求R1或T1。5个中断源的排列顺序由中断优先级控制寄存器IP和顺序查询逻辑电路共同决定，5个中断源分别对应5个固定的中断入口地址。中断的特点：分时操作；实时处理；故障处理。4.2 扩展单元8255单元4.2.1 扩展芯片82558255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。 其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。 8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。特性如下：（1）一个并行输入/输出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作为CPU总线与外围的接口. （2）具有24个可编程设置的I/O口,即使3组8位的I/O口为PA口,PB口和PC口.它 们又可分为两组12位的I/O口,A组包括A口及C口(高4位,PC4PC7),B组包括B口及C口(低4位,PC0-PC3).A组可设置为基本的I /O口,闪控(STROBE)的I/O闪控式,双向I/O3种模式;B组只能设置为基本I/O或闪控式I/O两种模式,而这些操作模式完全由控制寄存器的 控制字决定.4.2.2 8255功能引脚RESET:复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。 CS:芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0时,表示芯片被选中，允许 8255与CPU进行通讯;/CS=1时,8255无法与CPU做数据传输. RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/RD=0且/CS=0时,允许8255通过数 据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。 WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时,即/WR=0且/CS=0时,允许CPU将数据或 控制字写入8255。 D0D7:三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。 PA0PA7:端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入锁存器。 PB0PB7:端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器， 一个8位的输入输出缓冲器。 PC0PC7:端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口， 每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。 A0,A1:地址选择线,用来选择8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器. 当A0=0,A1=0时,PA口被选择; 当A0=0,A1=1时,PB口被选择; 当A0=1,A1=0时,PC口被选择; 当A0=1.A1=1时,控制寄存器被选择.4.3 磁电式振动速度传感器在振动测试系统中，通过对一些周期性振动测量进行分析，为了得出更可靠，重复性高的测量结果，本次设计选用的的传感器为ZCC-200系列磁电式振动速度传感器，是将振动物体的机械能转换为电量的换能装置。它的优点是可以进行相对于自由空间的绝对振动的测量。对机械或结构的 振动工况进行评价；可广泛用于电力、石油、化工、冶金、建材、航空、机械制造等领域的旋转机械与设备轴承座、机体的振动测量和长期监视；由于这种传感器防水、防尘、可靠性高，适合铁道、矿山、水利、建筑等野外作业行业进行爆破和工程抗震监测。ZCC-200系列传感器为一弹簧质量系统，传感器中固定有磁钢，惯性质量（线圈组件）用弹性元件悬挂在壳体内部， 当物体振动时，在传感器工作频率范围内，由于惯性，线圈与磁钢相对运动，切割磁力线，在线圈内产生感应电压，该电压值正比于振动速度值，传感器输出信号与 烈度监测仪、振动监测仪相配接，即可显示振动或位移，也可输送到信号采集器或其他二次仪表，进行数据采集和测量。表4-1 ZCC-200系列技术指标技术指标 ZCC-201 ZCC-202 ZCC-203频率响应HZ101000 4(5)500301500灵敏度（mv/cm/s)200、600270、600270失真系数0.2% 0.3% 0.2%最大位移 2mm4mm 2mm输出直流电阻 0.3/1.7 0.4/2.70.4工作温度 -30+80外形尺寸mm 3570磁电式振动速度传感器的工作原理是以法拉第电磁感应定律为基础的，即当线圈在磁场中运动时，线圈两端感应的电势正比于穿过线圈的磁通变化量，其方向与磁通变化相反。即： （4-2）式中： N为线圈匝数为穿过每匝线圈的磁通量根据磁场中线圈的运动方式不同，其感应电动势也有所不同。永磁铁产生一个恒定的磁场，当置于磁场中的线圈做直线运动，这时，线圈所产生的感应电动势为 （4-3）式中： B为磁场的感应强度 L为单匝线圈的有效长度 V为线圈于磁场的相对运动速度为线圈运动方向与磁场方向的夹角当线圈运动方向与磁场方向垂直时，则 （4-4）在特殊情况下，当时，可以得到： （4-5）4.4 放大电路为了更好的提取振动信号，设置了压控电压二阶带通滤波器和信号放大电路。首先介绍放大电路的功能，它是利用三极管的电流控制作用或场效应管电压控制作用，把微弱的电信号不失真的放大到所需数值，实现将直流电源的能量部分地转化为按输入信号规律变化且有较大能量的输出信号。放大电路的实质，是一种用较小的能量去控制较大能量转换的能量转换装置。图4-4 OP07芯片OP07芯片引脚功能说明：1和8为偏置平衡（调零端），2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚，6为输出，7接电源OP07是一种高精度单片运算放大器，具有很低的输入失调电压和漂移。R1、R3、C2构成交流负反馈电路，C1是高频补偿电容。C2值决定了通道的低频截止频率。C1的值决定了高频截止频率，OP07的优良特性使它特别适合作前级放大器，放大微弱信号。使用OP07一般不用考虑调零和频率问题就能满足要求。主要特点： 低输入失调电压：75uV(最大) 低失调电压温漂：1.3uV/(最大) 低失调电压时漂：1.5uV/月(最大) 低噪声：0.6uV P-P(最大) 宽输入电压范围：14V图4-5 OP07电路图4.5 滤波器它是一种只传输指定频段信号，抑制其它频段信号的电路。一般由集成运放与RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，我们采用的有源带通滤波器还兼有放大与缓冲作用。可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，因而有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控 制技术中的小信号处理。图4-6 压控电压源二阶带通滤波器工作原理：这种滤波器的作用是只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。典型的带通滤波器可以 从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成。电路性能参数： 为同相比例运算放大电路的输入，比例系数为 （4-6）当 时，电路的传递函数 （4-7）令中心频率电压放大倍数 （4-8）令上式分母的模为，则分母虚部绝对值为1，即 （4-9）当= 时，得出通带放大倍数 （4-10）解方程，取正根，就可得到下限截止频率和上限截止频率分别为因此，通频带 （4-11）电路的频率特性如图4-7图示。Q值越大，通带放大倍数数值越大，频带越窄，选频特性越好。调整电路的能够改变频带宽度。图4-7 电路的频率特性此电路的优点是改变Rf和R4的比例就可改变频宽而不影响中心频率。4.6 ADC0809模数转换器ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 4.6.1 ADC0809的内部逻辑结构 ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。4.6.2 ADC0809引脚结构 图4-8 ADC0809引脚图图4-8为ADC0809引脚图，下面我们进行说明：1、IN0IN7：8条模拟量输入通道 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。2、地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下所示。表4-2 ADC0809地址通道选择表CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN73、数字量输出及控制线：11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。 4、CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ， 5、VREF（），VREF（）为参考电压输入。4.6.3 ADC0809应用说明 1、 ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。 2、 初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 3、 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 4、在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 5、是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 6、当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。 4.7光电传感器在本次设计中，使用的是反射型光电传感器，主要用来得到转速信号，用于控制采样和测量转速。脉冲式光电传感器的作用方式是光电原理的输出稳定的状态，是“通”和“断”的开关状态。 反射型光电转速计的外型如图4-9：图4-9 反射型光电转速计的外型图反射型光电转速计的信号处理电路如图4-10所示，LED1是能够发出红外光的发光二极管，与400的电阻串联在0V和12V之间，不断的发射出红外光。3DU是红外接收三极管，当LED1发光射到转子亮处，发射光打到3DU时，3DU有电流导通，在R2产生电压降，VaVb则Vf为高电平。如LED1发光射到转子暗处，反射光极弱，3DU电流小，在R2上电压将减小；VaVb则Vf为低电平。上述转子的亮暗处，由贴光标来实现，转子比较光亮则贴黑标签；转子放光效果不好，则贴亮标签。LED2为发光二极管，Vf高时亮，Vf低时不亮。通过调节Rw可以调节光电头和转子的距离来实现。图4-10 光电传感器电路图4.8光电信号处理器光电信号处理器即光电信号整理电路，在使用过程中，发现所用的光电传感器的输出信号很不稳定，为此，设计光电整形电路。图4-11 光电信号处理电路上图电路中，R1=R2=R3=R4=10,C=510nF。这里的运算放大器CA3140做比较器用。R2和C组成一阶低通滤波电路，其截止频率2128/s。R4起稳定输出波形作用。fi经过比较器后，输出的波形fc其高电平为+12V，低电平为0V。这样，信号比较易于后续电路处理，且不会损坏后面电路。4.9报警电路图4-12 报警电路电路工作时，单片机给它一个低电压通过三极管截止，不发出报警信号；当给它一个高电压通过三极管导通，发出报警信号。4.10 执行电路下图为本次设计的执行电路：图