论文渐开线圆柱齿轮齿形误差测量系统设计.doc

摘要SHANDONG毕业设计说明书 渐开线圆柱齿轮齿形误差测量系统设计学 院： 机械工程学院 专 业： 测控技术与仪器 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2012 年 6 月0摘要摘 要齿轮传动是机械传动中应用最广泛的一种传动形式,齿轮的精度是影响齿轮传动使用性能的重要因素。 渐开线圆柱齿轮是目前用途最广的齿轮，也是种类最多得齿轮，很多中小型齿轮制造企业使用渐开线齿轮检查仪检测该种齿轮的齿形误差。这类仪器通常采用电动记录器在记录纸上打印齿轮误差曲线，再由人工进行误差分析，判断其误差是符合要求，使得齿轮检测十分不方便。为实现检测数据的自动化处理，提高检测效率，节省人力资源和工作时间，本设计开发了一套渐开线圆柱齿轮齿形误差自动评判系统。该系统采用电感测微仪采集齿形误差信号，利用单片机程序进行齿形误差合格行判断，并有存储数据、自动判断等功能。本设计拟采用80C51单片机进行测量系统数据处理的主控芯片，A/D转换器采用ADC0801，转换后的信号直接进入单片机的P0口进行处理；采用步进电机来代替手轮丝杠，由单片机控制进给，这样不仅实现了测量和数据处理的自动化进行，还避免了手动进给的人为误差，并避免了数据的人工处理，使得结果更加准确，可信度提高。关键词：渐开线 圆柱齿轮 齿形误差 电感传感器 AbstractAbstractThe gear transmission is the most widely used mechanical transmission in the form of a transmission, gear precision is the important factor for the performance of gear transmission used. Involute cylindrical gear is currently the most widely used type of gear, and also the most gear, many small and medium-sized gear manufacturing enterprises using involute tester to detect this kind of gear tooth profile error. This instrument is usually used in electric recorder recording paper print gear error curve, the artificial error analysis, the error is to meet the requirements, the gear detection is not convenientIn order to realize the detection of the automated processing of data, improve the detection efficiency, saving the manpower resources and working time, the design has developed a set of involute cylindrical gears tooth profile error of automatic evaluation system. The system adopts inductance micrometer acquisition tooth profile error signal, using SCM procedures of tooth profile error of qualified judgment, and storing data, automatic judgment function.This design is to use 80C51 MCU measurement data processing system of master control chip, A/D converter with ADC0801, the converted signal directly into the MCU P0export processing; stepping motor is used to replace the handwheel screw is controlled by a single chip microcomputer, feed, it not only realizes the automation of measurement and data processing, but also avoids the manual feed human error, and avoid data manual processing, makes the results more accurate, reliability improvement.Keywords：involute cylindrical gear tooth profile error inductance sensor目 录目 录摘 要IABSTRACT(英文摘要)II目 录III第一章 引 言11.1 课题的目的与意义11.2 近年来国内外研究现状11.2.1 齿轮测量技术11.2.2 测量仪器11.3 齿形测量系统的总体方案设计31.3.1 系统的基本组成及其功能31.4 主要设计指标及参数51.4.渐开线直齿轮测量装置成套仪器包括51.4. 电感测微仪6第二章 机械部分设计72.1万能渐开线检查仪的工作原理72.1.1万能渐开线检查仪的结构72.1.2 万能渐开线检查仪的工作原理82.1.3 对单盘式渐开线检查仪的改进82.2 步进电机的选择92.2.1 步进电机的工作原理92.2.2 步进电机分类和选择92.2.3 步进电机的单片机控制原理122.3 步进电机的转速控制122.4 联轴器设计13第三章 电气部分设计143.1 电感测微仪工作原理143.2 所选主要芯片功能简介163.2.1 80C51单片机引脚及功能163.2.2 ADC0801173.2.3 接口芯片8155引脚及功能193.2.4 锁存器74LS373223.2.5 液晶显示器T6963C233.3 键盘、显示器、I/O口扩展243.4数据采集模块243.5 数据分析模块25第四章 结 论26主要参考文献27致 谢28第一章 引 言第一章 引 言1.1 课题的目的与意义 渐开线圆柱齿轮作为目前用途最广、种类最多的齿轮，检测该种齿轮的机械展成仪器较多，这类仪器通常采用电动记录器在记录纸上输出齿轮误差曲线图，再由人工实现误差判断，给齿轮检测带来不便。为了实现齿轮误差测量数据和计算机自动处理，提高检测效率，拟开发一套渐开线圆柱齿轮齿形误差的自动检测系统。 通过此设计，培养自己理论联系实际的作风，严谨的科学态度和独立分析解决问题的能力，并对所学的理论知识进行一次系统的回顾，通过掉哟按，查资料，提出解决一个工程问题的方案，受到从理论到实践应用的基本训练。1.2 近年来国内外研究现状1.2.1 齿轮测量技术齿轮测量技术的发展已有近百年的历史。对应于齿轮测量技术，可将现代齿轮测量技术归纳为三种类型齿轮单项几何形状误差测量技术；第二，齿轮综合误差测量技术和齿轮整体误差测量技术。1.2.2 测量仪器为了正确测量和评定产品质量，齿轮测量仪器通常应按照我国国家标准GB/T10095-2001(等同于ISO1328：1997)的渐开线圆柱齿轮精度标准所规定的精度项目、精度评定方法以及规定的公差，对产品齿轮进行快速、高效、可靠的测量。由于市场(如汽车行业)对齿轮测量不断提出新的更高要求，因此齿轮测量精度项目也应不断有所发展，齿轮测量仪器也应有所创新，使测量功能不断增强，以满足新的需求。 (1)CNC齿轮测量中心德国KLINGELNBERG的P系列齿轮测量中心，其特点是采用了专利的三维数字式高精度光栅测量头(使用了HEINDENHAIN的超高精度光栅)；性能稳定的优质铸铁床身，高性能直线电机驱动系统；高精度滚珠轴系和密珠滚动导轨。仪器精度达到德国标准1级。 日本的齿轮测量仪器制造商，在我国市场经过近十年的沉寂后近年来亮相频繁。大阪精机在GC-HP系列齿轮测量仪器的基础上，开发出CNC电子创成式的CLP系列齿轮测量仪器。 近年来，国产CNC齿轮测量中心有了长足的发展，哈尔滨量具刃具厂、哈尔滨精达公司都先后成功开发出了系列产品。哈量的3903A齿轮测量中心，经过几年努力，仪器精度和测量速度据称已达到或接近KLINGELNBERG公司产品的先进水平。 (2)齿轮啮合检查仪1、这类仪器在我国曾得到大力开发与生产，特别适合摩托车汽车齿轮批量生产现场的质量检测和生产工艺监控。成都工具研究所研制的CNC蜗杆式齿轮整体误差测量仪是一个典型实例，至今已在国内市场销售200余台，少量销往国外。德国FRENCO公司最近推向市场的URM齿轮误差滚动扫描测量仪的测量原理完全类同于我国齿轮整体误差测量技术。该仪器可称为平行轴齿轮式齿轮整体误差测量仪，它采用高精度圆光栅作为角度传感器，特殊测量齿轮为测量元件，测量基本单元是测量齿轮上特制的测量棱线，分别为齿廓测量棱线和齿向(螺旋线)测量棱线。测量仪器的不确定度为3.54.5m，测量重复性为23m。测量时间12分钟，测量齿轮使用寿命约20万次。该产品已在德国福特汽车厂、大众汽车厂得到应用。成都工具研究所生产的CSZ500A、B型锥齿轮整体误差测量仪，是滚动点扫描测量技术在锥齿轮测量上的应用范例。测量锥齿轮的齿廓、齿向测量棱线的制作采用了自行开发的专利技术，仪器测量重复性可高达12m，可测量锥齿轮的齿形、齿向、齿距偏差，齿面形貌偏差，切向综合偏差以及接触区。测量时间取决于大小锥齿轮齿数，通常为510分钟。 2、齿轮双面啮合检查仪 2003年上海展览会上就展出了日本东京技术仪器和大阪精机的齿轮双面啮合检查仪。据东京技术仪器公司介绍，他们的TF-40NC是世界上第一台CNC齿轮双面啮合检查仪，其特点除了自动校零点、显示最大、最小和中心距平均值外，还能对基准(测量)齿轮的径向振摆进行自动补偿。除了MARPOSS的M62系列、大阪精机的GTR-PC、北井产业的KGT等产品外，我国的哈尔滨精达测量仪器有限公司也生产用于工位检测、具有计算机数据处理功能的齿轮双面啮合检查仪。 3、齿轮单面啮合检查仪 齿轮单面啮合检查仪又称为齿轮副传动精度检查仪或齿轮滚动检验机。典型实例是美国GLEASON公司的凤凰HCT500、德国KLINGELNBERG公司的GKC60 CNC锥齿轮滚动检验机。我国原内江机床厂最近与重庆大学合作，成功研制出国产CNC锥齿轮滚动检验机，为赶超国外先进水平做出了贡献。小模数齿轮刀具制造商日本小笠原开发的MEATA-3型齿轮副传动精度检测仪，可以测量蜗杆蜗轮副、内外直/斜圆柱齿轮副、锥齿轮副、端面齿轮副等的传动误差，仪器分辨率为1角秒。 由英国MOORE公司制造、美国ITW出产的齿轮在线自动分选机，实质上是一种改型的齿轮双面啮合在线检测分选机。除了能测量齿轮径向综合偏差、齿厚、齿轮加工毛刺及磕碰缺陷以外，由于配备了特殊的二维齿向测量机构，仪器还能测量双啮齿向偏差和双啮齿向锥度偏差等齿轮误差。大阪精机的AG系列齿轮自动分选机也在日本得到了很好的应用。 大阪精机近年开发用于基准传递、渐开线样板检测的CNC高精度齿轮测量仪，采用了高精度气浮主轴，气浮导轨，高精度长、圆编码器的同时，还采用了激光测长系统进行齿面精度检测。据报道仪器测量精度(重复精度)0.20.3m。日本AMTEC公司的G3-SYSTEM 50非接触式齿轮测量仪采用了激光全息技术，实现了精确、高速测量 另外，日本松下电器产业开发了采用原子力测头的超精密三坐标测量机，精度为0.01m。1.3 齿形测量系统的总体方案设计1.3.1 系统的基本组成及其功能基圆盘式渐开线测量仪的结构如图1.1所示：图1.1 基圆盘式渐开线测量仪工作原理1手轮 2基圆盘 3被测齿轮 4杠杆 5指示表 6直尺首先，根据渐开线检查仪的原理，以被测齿轮3绕回转轴线为基准，通过和被测齿轮同轴的基圆盘2在直尺6上滚动形成理论的渐开线轨迹，实际渐开线与理论渐开线比较，通过与测头4连接的千分表读出差值。现在，将千分表拆除，安装一个可测微小位移的传感器，通过线位移感受齿形偏差。再把传感器的输出信号放大，经模数转换送到单片机。通过软件程序计算处理，求得齿形偏差可由显示器直接显示出来,并做进一步的分析。其次，由于渐开线检查仪为手轮控制丝杠运动，因此传动精度受到影响，并且不利于数据处理。本设计是利用步进电机来代替手轮丝杠传动，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进电机驱动器收到一个脉冲信号（来自控制器），他就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。具有高精度的定位、位置及速度可控制、具有定位保持力、动作灵敏的特点。传感器放大器滤波器相敏检波采样保持模数转换单片机显示器步进电机图1.2 总体框图如图所示，传感器将被测非电量转换为电信号一般比较微弱，通常需要先进行放大。由于被测信号中混杂有各种干扰，通常需要滤波器来滤除。因为被测结果要用LED数字显示器进行显示，因此测量结果要用微机进行处理，所以，测量电路除了对被测模拟信号进行必要的处理外，还要将模拟信号转换成便于数字显示或微机处理的数字信号。实现模拟信号数字化的电路称为数据采集电路。图中的多路开关用来对模拟信号进行采样，采样保持器对信号进行保持，模数转换器在保持期间将保持的电压转换成相应的数字信号。1.4 主要设计指标及参数1.4.渐开线直齿轮测量装置成套仪器包括原单盘式渐开线检查仪装置，对测头和手轮部分进行改进电感测微仪电感测量电路采集分析处理系统，包括/转换、信号分析、键盘扩展、显示器扩展、步进电机控制等部分。步进电动机，本设计采用三相六拍电动机1.4. 电感测微仪 电感测微仪是一种能够测量微小位移变化的精密测量仪器，它主要由电感传感器和测头两部分组成，配上相应的测量装置，能够完成各种误差的精密测量。电感测微仪主要的技术指标如下：（1）测量范围：0500m档；（2）示值误差：0.5m；（3）分辨率：0.1m.（4）极性：当测量值为负时，自动显示“-”；为正时，无极性符号。第二章 机械部分设计第二章 机械部分设计2.1万能渐开线检查仪的工作原理2.1.1万能渐开线检查仪的结构万能渐开线检查仪结构原理如图2.1所示。被测齿轮与基圆盘装在同一轴上，基圆盘直径等于被测齿轮的理论基圆直径，并与装在托板上的直尺相切，由弹簧产接触压力。当转动手轮4通过丝杠3带动托板5作直线移动时，直尺7便与基圆盘1作纯滚动，此时被测齿轮也随着转动。在托板5上装有测量杠杆8，它的一端装有测量头与被测齿面接触，其接触点刚好在直尺7与基圆盘1相切的平面上，杠杆的另一端与指示表6的量杆接触，并将指示表调到零位。根据渐开线形成原理，基圆盘与直尺的相对运动无滑动滚动。当直尺与基圆盘按箭头方向作无滑动滚动时，固定于直尺上的测头相对于基圆盘产生正确的渐开线轨迹。若被测齿形符合理论的渐开线，则与侧头相关的指示表指针就不动，反之，则指示表指针就显示出偏差数值。这种万能渐开线检查仪可以检查基圆任意大小的齿轮齿廓。由于滑板的移动，通过杠杆，就可以带动测量滑架沿着与滑板平行的方向，产生一个适用于上述比例关系的移动量。这时，测头的测点即按照理论渐开线在受检齿轮的齿面上滑行。图2.1 单盘式渐开线检查仪工作原理1- 基圆盘 2-被测齿轮 3-丝杠 4、9-手轮 5-托板 6-指示表 7-直尺 8-测量杠杆2.1.2 万能渐开线检查仪的工作原理图2.2旋转平面上形成1条渐开线轨迹,如图3 所示。图2.3 齿轮渐开线形成原理假设此圆就是被测齿轮的基圆盘,直线就是滑尺板。使仪器的测头位于A 点,则当基圆盘与滑尺板作无滑动的相对运动时, 测头就沿着齿面滑行。此时,若齿形为理论渐开线,无齿形误差及其它误差,则测头相对于A 点静止不动,反之,若齿形有误差,则测头便会有跳动, 将被测齿形与仪器复现的理论渐开线轨迹进行比较，从而得出如图1.2 所示实际齿形误差。2.1.3 对单盘式渐开线检查仪的改进单盘式渐开线检查仪结构简单、传动链短、调整比较容易，故其测量精度较高，可达4级。不足之处是每测一种齿轮要更换一个与之对应的基圆盘，具体应用此种原理的仪器有：瑞士PH60型、日本GC-3H型、苏联MN3型等齿形测量仪。传统的单盘式渐开线检查仪是由手轮控制丝杠的运动，因此传动精度受到影响，并且不利于数据的处理。本设计首先是利用电感传感器代替测头，将输出信号进一步转换处理，并由LabVIEW设计软件对误差进行评估分析；其次是设计步进电机来代替手轮进行丝杠传动，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件。当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号（来自控制器），它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。具有高精度的定位、位置及速度可控制、具有定位保持力、动作灵敏的特点。它做伺服电动机应用于伺服系统时, 往往可使系统简单化, 工作可靠, 而且可以获得较高的控制精度。本设计对被测齿轮的要求为基圆直径20mm，齿数（没有根切现象）。 设计的采样间隔可调齿轮至少每转动采样一次。2.2 步进电机的选择2.2.1 步进电机的工作原理通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。图2.4 步进电机工作原理2.2.2 步进电机分类和选择步进电机在构造上有三种主要类型：反应式(Variable Reluctance，VR)、永磁式(Permanent Magnet,PM)和混合式(Hybrid Stepping,HS)。 反应式定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。永磁式永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大(一般为7.5或15)。 混合式混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。 按定子上绕组来分，共有二相、三相和五相等系列。由于本装置对步进电机的转矩、转速要求比较低。步进电机主要由步距角确定。本设计中要求被测齿轮的范围为：基圆直径的直齿。采样间隔为：齿轮至少每转动采样一次。由于直尺和基圆盘是摩擦传动，假定基圆盘转过的角度(也是被测齿轮转过的角度)为，则直尺水平移动的距离为：，为被测齿轮的基圆半径。式（2-1）由上式得丝杠转动的角度：，为丝杠的导程，。 式（2-2）由于步进电机和丝杠是由联轴器直接连接，因此步进电机与丝杠之间的传动比。步进电机的转角式（2-3） 整理得到步进电机转角和被测齿轮转角之间的关系为：式（2-4）由，得，即选择步进电机的最小步距角为（若不进行细分）。若细分则另算。本设计采用性价比比较高的雷塞科技的42HSM02，它是一种相混合式步进电机。电机的步距角为0.9，配上细分驱动器后其步距角可细分达128倍 (0.007/步)。其主要参数如下表所示：表2.1步进电机42HSM02主要参数步距精度+5%(整步、空载)温升最高80度环境温度-10度+50度绝缘电阻最小500兆欧，500VDC耐压500VAC每分钟径向跳动最大0.06轴向跳动最大0.08表2.2 步进电机的主要技术规格1相数37引线数量32步距角0.98转子惯量383保持转矩0.249定位转矩0.154额定电流0.8710电机重量0.235相电感7.511机身长346相电阻3.112轴端长21步进电机与单片机电路的引线接法如图2.5所示：图2.5步进电机42HSM02引线接法本设计采用步进电机每50步采样一次。可通过调节细分电路来调节采样点的个数.2.2.3 步进电机的单片机控制原理步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，其最大的特点是通过输入脉冲信号来控制，即电机的总转动角度由脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定，因此非常适合于单片机控制。基于单片机的步进电动系统又单片机I/O、驱动电路、步进电机、负载组成。 单片机的作用是产生驱动步进电机的脉冲信号，并送给驱动电路根据控制信号工作，实现步进电机的转速与方向控制。具体的实现过程需编程实现，通过改变单片机输出控制信号的循环次序，来完成步进电机转动方向的改变，通过改变单片机输出信号的频率，来完成步进电机的速度切换。2.3 步进电机的转速控制控制步进电机的转速，实际上就是控制各种通电状态持续时间的长短。这可以采取两种方法：一种是软件延时法，一种是定时器中断法。1.软件延时法这种方法是在每次准换通电状态后，调用一个延时子程序，待延时结束后，再次执行这个换相子程序。这样反复，就可使步进电机按某一确定的转速运动。这种软件延时法的特点是，改变不同的控制值，或调用不同的延时子程序就能实现不同的速度控制，编程简单，占用的硬件资源较少。但它的缺点是占用中央处理器时间太多，通常只用在简单的控制过程中采用。2.定时器中断法由于软件延时法占用处理器时间太多，所以在复杂的控制系统中一般采用定时中断法。即给定时器加载适当的定时初值，经过一定的时间，定时器溢出，产生中断信号，暂停主程序的执行，转而执行定时中断服务程序，产生硬件延时。若步进电机换相子程序放在定时器中断服务程序之中，则定时器每中断一次，电动机就换相一次，通过改变定时器初值可实现对电动机的控制。因为电动机换相是在终端服务子程序中完成的，对处理器的占用较少，可是处理器有时间从事其它工作。2.4 联轴器设计联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接，是机械产品轴系传动最常用的联接部件。20世纪后期国内外联轴器产品发展很快，在产品设计时如何从品种甚多、性能各异的各种联轴器中选用能满足机器要求的联轴器，对多数设计人员来讲，始终是一个困扰的问题。常用联轴器有螺旋联轴器 ，膜片联轴器，波纹管联轴器，梅花联轴器，弹簧联轴器，弹性联轴器，及刚性联轴器。本次设计采用凸缘刚性联轴器，如下图所示图2.6 凸缘刚性联轴器其配置参数为孔径直径1： 孔径直径2： 额定扭矩 ： 最大扭矩 ： 外径高度 ：最高转速 ：第三章 电气部分设计第三章 电气部分设计3.1 电感测微仪工作原理1、电感测微仪的硬件原理电感测微仪的硬件原理组成框图如下图所示。硬件电路主要包括电感式传感器、正弦波振荡器、放大器、相敏检波器、A/D及嵌入式处理器。工作过程是:正弦波振荡器输出的信号加到测量头中由线圈和电位器组成的电感桥路上，微小位移使电感式传感器的测头带动衔铁移动，使线圈内的电感量发生变化，信号经放大，由相敏检波器检测流过电表的平均电流的大小和方向来判别位移大小和方向，得到一个与衔铁位移相对应的直流电压信号，经A/D转换器输入到微处理器，经过数据处理进行显示。图3.1 电感测微器信号处理过程2、电感测微仪的工作原理电感传感器是一种建立在电磁感应基础上，利用线圈的自感或互感变化原理来实现非电量电测的传感器。传感器测头检测到被测物体的位移，通过测杆带动衔铁产生移动，从而使线圈的电感或互感系数发生变化。自感或互感信号再通过引线接入测量电路进行测量。电感传感器本身是互感系数可变的变压器，当一次测线圈接入激励电源后，二次线圈就将感应产生的电压输出。互感变化时，输出电压将作相应的变化。传感器的工作原理如下图所示。图3.2 电感测微仪的工作原理图电感式传感器的任务是将被测部件几何尺寸的微小变化转换为电感L 的变化。信号处理电路的作用是实现测量信号的变换、放大。轴向式电感传感器的基本结构如下图所示,电感线圈呈管状,连接测杆的磁芯置于线圈的中部。当测杆接触被测部件时,部件位置的变化使磁芯在线圈内发生微小位移,此位移引起线圈电感量的变化。 因为测量电桥的两个桥臂是电感传感器的电感线圈,所以测量电桥实际上是交流电桥,必须采用交流电源。振荡器即是给传感器的线圈提供合适的励磁电压的电源。该测量仪采用电感三点式LC 振荡器,具有容易起振、输出幅度较高,调节频率方便等优点。为了提高振幅和频率的稳定度,增设了一个稳幅电路。振荡器的频率为: f = 12000Hz。由测量电桥输出的测量信号是一个交流电压信号,此信号经过交流放大器放大后,其幅度与传感器测杆的位移成正比,但无法判断测杆是上升还是下降,也就是无法知道被测尺寸具有正偏差还是负偏差。为了判断信号的相位(方向) ,在交放之后、直放之前加一级相敏检波器,将交流信号变换为与测杆位移大小相对应的直流缓变信号,信号的极性反映测杆位移的方向。相敏检波器输出的直流缓变信号,再经一级直流放大,得到A/ D 转换器所需的5V 直流电压。相敏检波的原理如下图所示。图3.3 相敏检波工作原理3.2 所选主要芯片功能简介3.2.1 80C51单片机引脚及功能80C51单片机有40个引脚，可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。在本设计中为主控芯片，P0口接收由A/D转换器转换来的数字信号，并进行信号的分析处理；驱动步进电机和液晶显示等等。 1.电源:（1） VCC - 芯片电源，接+5V； （2）VSS - 接地端； 2. 时钟:XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 3. 控制线:控制线共有4根， （1）ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE：用来锁存P0口送出的低8位地址PROG：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 （2）PSEN:外ROM读选通信号。 （3）RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）：复位信号输入端。 VPD：在Vcc掉电情况下，接备用电源。 （4）EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA：内外ROM选择端。 Vpp：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。 4. I/O线 80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。图3.4 8051引脚图3.2.2 ADC0801由于测微仪采集来的信号是模拟信号，不能直接进入单片机进行数据的分析处理，在前一步先将模拟信号转换成数字信号，ADC0801的8位数据线直接接到单片机的P0口上，读、写、片选端分别接单片机的读、写、片选端，选中时，单片机读入信号。图3.5 ADC0801引脚图-片选允许信号，高电平有效，在应用中一般固定接高电平。-片选择信号，低电平有效。-读/转换信号=1，CS=0，R/C=0时，转换开始，启动负脉冲为400ns。=1，CS=0，R/C=1时，允许读数据。ADC0801与8051的接法如下图所示：图3.6 8051与ADC0801接线放法3.2.3 接口芯片8155引脚及功能由于步进电机进给的步数需要输入，在测量运行过程中出现错误时也需要及时停止电机和程序的运行，因此需要扩展键盘来键入这些指令，拟采用行列扫描式键盘，80C51单片机的I/O口不够需要扩展，本设计采用8155进行扩展。Intel公司研制的接口芯片8155不仅具有两个8位的I/O端口(A口、B口)和一个6位的I/O端口(C口)，而且还可以提供256B的静态RAM存储器和一个14位的定时/计数器。8155和单片机的接口非常简单，目前被广泛应用。8155有40个引脚，采用双列直插封装，其引脚图和组成框图如图3.2.3.1图 3.7 8155引脚和组成框图(1) 地址/数据线AD0AD7（8条）：是低8位地址线和数据线的共用输入总线，常和51单片机的P0口相连，用于分时传送地址数据信息，当ALE=1时，传送的是地址。(2) I/O口总线（22条）：PA0PA7、PB0PB7分别为A、B口线，用于和外设之间传递数据；PC0PC5为C端口线，既可与外设传送数据，也可以作为A、B口的控制联络线。 (3) 控制总线（8条）： RESET：复位线，通常与单片机的复位端相连，复位后，8155的3个端口都为输入方式。 ：读/写线，控制8155的读、写操作。 ALE：地址锁存线，高电平有效。它常和单片机的ALE端相连，在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息锁存到8155内部的地址锁存器中。因此，单片机的P0口和8155连接时，无需外接锁存器。 ：片选线，低电平有效。 IO/ ：RAM或I/O口的选择线。当=0时，选中8155的256 B RAM；当=1时，选中8155片内3个I/O端口以及命令/状态寄存器和定时/计数器。8155与8051的接线图及电动机驱动如下所示：图3.8 8155与8051接线图及步进电机驱动电路3.2.4 锁存器74LS37374ls373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器，通常需要一块74ls373芯片.图 3.9 74LS373引脚图74ls373工作原理简述:(1).1脚是输出使能(OE),是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚(锁存控制端,G)如何,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态);(2).当1脚是低电平时,只要11脚(锁存控制端,G)上出现一个下降沿,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态. 锁存端LE 由高变低时，输出端8 位信息被锁存，直到LE 端再次有效。 当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许Q0Q7输出，OE为高电平时，输出悬空。G输入端，与8031ALE连高电平：畅通无阻低电平：关门锁存。图中OE使能端，接地。 当G=“1”时，74LS373输出端1Q8Q与输入端1D8D相同； 当G为下降沿时，将输入数据锁存。表3.1 74L373功能表EG功 能00直通Qi=Di01保持（Qi保持不变）1X 输出高阻3.2.5 液晶显示器T6963C相比于LED显示来说，液晶显示有明显的优势。晶体管只能显示数字，而液晶显示可以通过程序控制显示数字，英文字母，或者简单的误差曲线。因此本设计采用液晶显示器，可以显示步进电机的工作状态，显示误差曲线、用单词显示最终测量结果，显示结果更加简洁明了。（1） T6963C引脚电平设置的分析： /DUAL=1，为单屏结构； SDSEL=0，为1位串行传输； MDS=1，MD1=MD0=0，为128行，为1/128占空比系数； MD3=1，MD2=0，为320点列/行（40字/行）； FS1=FS，FS0=0，若FS=1，为6x8点阵字体； 若FS=0，为8x8点阵字体； /HALT=1，休眠控制信号为电平； FOSC=2x2Mx2NxFr=2x320x128x70=5.734MHz，选择为6MHz。图 3.10 T6963与8051接口电路3.3 键盘、显示器、I/O口扩展由于扩展键盘、显示器需要I/O接口较多，本测量采用8155对单片机的P0口进行了扩展。本测量仪采用4 4 的矩阵式键盘,它由行线和列线组成,按键位于行、列的交叉点上。采用函数char key(chart) 实现对键盘的查询与结果的返回。显示采用液晶显示器,它具有低压、微功耗、寿命长、无辐射等特点,是目前流行的显示方法。3.4数据采集模块本设计拟采用8051系列单片机为主控芯片，采用ADC0801将模拟信号转换为数字信号。由于成品的电感测微仪中内已设计有信号放大电路、滤波电路和相敏检波电路，因此输出模拟信号经采样保持后直接可有ADC0801转换为数字信号并进入单片机。如图3.3.1所示， ADC0801 将来自电感传感器的模拟信号转换为8位的数字信号，当有中断请求时，单片机8051选通ADC0801读端口，将转换后的数字信号采集进入8051进行处理。3.5 数据分析模块数据处理是字单片机内部，由程序实现。在步进电机的一个工作过程中，即测微仪走过一个齿轮渐开线的过程中，电感传感器将