圆度测量仪的设计及制作

1、2018年全国职业院校技能大赛 电子产品设计及制作赛项江苏省选拔赛赛题 题目：圆度测量仪的设计及制作 一、竞赛任务 按赛题要求，根据下发的技术资料、元器件及配件完成圆度测量仪系统的如下工作任务： 1 .根据下发的文件要求， 根据原理图和印制电路板约束条件， 利用 Altium 软件绘制印制电路板图； 2 .根据所给资料结合传感器平台研究圆度测量仪的工作原理和功能要求； 3 .完成给定的 STM32 核心板和信号调理电路板的焊接装调任务； 4 .根据赛项提供的机箱完成简单的布局设计，包括开关、电路板、插座的安装及机内走线的规划； 5 .利用提供的圆度测量仪装置， 完成圆度测量仪系统的软硬件调试，

2、 使其达到规定功能要求和技术指标； 功能与技术要求 1 .系统原理说明 本赛项圆度测量仪的测试装置如下图 1 所示: 图1圆度测量仪测试装置 在本测试装置中，被测圆安装在直流减速电机上，由直流减速电机带动产生旋转运动, 电感式位移传感器测量用于测量被测圆的实际半径。测试装置上的接线端子 1、2 接原边（激励线圈）,3、4 和 5、6 分别接副边 1、副边 2（两个次级线圈）；接线端子 M+、M-为直流电机的输入端；VCC、GND、A、B 是电机测速模块接线端。 圆度是衡量实际圆对理想圆变动量的一项指标，其公差带是以公差值 t 为半径差的两同 心圆之间的区域。圆度公差属于形状公差，圆度误差值不大

3、于相应的公差值，则认为合格。 在实际测量中，两同心圆圆心位置的确定有最小包容区域法、最小外接圆法、最大内切圆法和最小二乘圆法四种方法，其中最小二乘圆法也叫平均圆法，当被测圆上各测点或误差曲线上的点至某圆圆心的距离平方和为最小时，该圆即为最小二乘圆，各测量点到该圆心的最大距离和最小距离之差即为该被测圆的圆度误差。在本赛项中假设直流减速电机的轴心即为同心圆的圆心位置。 圆度测量仪被测圆的半径测量采用电感式位移传感器，电感式位移传感器的结构示意图 如图 2 所示： 图2电感式位移传感器结构示意图 位移传感器由三个依次排列的线圈和可移动铁芯。工作时，激励线圈 P 通入交变激励电 流，次级线圈 S1、S

4、2 产生与磁耦合成正比的感应电动势。铁芯与被测对象固定在一起，随着被测对象的位移，铁芯在螺线管中的位置发生变化，从而使两个副边线圈感应到不同大小的电压。如铁心向右移动，则 S1 电压增加，S2 电压减小。 圆度测量仪输出 PWM 波驱动直流减速电机旋转，带动被测圆旋转，电感式位移传感器测量相应角度的被测圆半径，并在液晶屏上显示测量结果。整个系统由 DCP-400-A（STM32F103 核心板）、DCP-218-A （H 桥 PWM 输出直流减速电机驱动板） 、 DCP-208-A （申口 A/D 转换电路板） 、 DCP-226-A（多功能万用板）和电源等组成。 2 .功能实现 要求参赛队完

5、成以下功能： （1）印刷线路板绘制 ?根据赛项下发电子文档的 PCB 文件夹中给定的圆度测量仪主板原理图，完成紫色框中 参数设计区中 R15、R17 电阻值和 C6、C7 电容值的参数设计，使原理图完整。在赛项给定的 PCB 外形尺寸（如图 3 所示）进行印制电路板的设计； 线路板约束规则要求：采用双层板，最小间距 6mil,最小线宽 8mil,过孔最小孔径 15mil,过孔最小直径 30mil,敷铜最小间距 12mil；绘制完成后要求生成以下文件:完成整个工程后，输出BOM 表，保存为 PDF 格式。 完成整个工程后，输出 PCB 文件。 各参赛队在设计 PCB 时，不得改变给定的 PCB文

6、件板面尺寸大小、已给定的安装固 定孔的位置。 102,03 （2）硬件焊接组装和调试 ?电路板装调：根据提供的 DCP-400-A（核心板）和信号调理电路 功能万用板上）的原理图、材料清单及焊接套件完成电路板焊接装配任务，装配工艺按照 典型电子产品装接工艺要求执行。各参赛队选手在裁判长宣布比赛后 30 分钟内完成下发 74 单位: mm 4Q 38 Z 00 107,25 （焊接在 DCP-226-A多 儿器件的核查，若元器件缺损可以申请更换，超时申请元器件将按照每申请一个扣计入总成绩。圆度测量仪信号调理电路焊接在 DCP-226-A（多功能万用板）上，选手自行设计 R10、R13 电阻值和

7、C5、C6 电容值的参数，使 J1 点输出频率为 4KHz5KHz 的正弦波（以示波器测试结果为准），R10、R13、C5、C6 参数的可选择范围仅限于组委会下发 的材料袋中的直插电阻和直插电容（严禁选手使用自带元件）0 ?圆度测量仪的装调：圆度测量仪的装调工作要求在如图 4 所示意的同规格机箱中完成。 安装套件包括机箱、 前面板、 后面板、 安装底板、 DCP-400-A （STM32F103 核心板） 、 DCP-218-A（H 桥 PWM 输出直流减速电机驱动板） 、 DCP-208-A （串口 A/D 转换电路板） 、 DCP-226-A （焊接在多功能万用板上的信号调理电路）以及必需

8、的电气附件。 图4机箱参考图形 DCP-208-A（A/D 转换板）、DCP-218-A（H 桥 PWM 输出直流减速电机驱动板）采用参赛队自带的成品线路板。 DCP-400-A（核心板）、DCP-226-A（焊接在多功能万用板上的信号调理电路）由参赛队采用散件焊接调试。 参赛队员需自行完成圆度测量仪机箱内的布局设计和装调工作。 圆度测量仪的前面板需安装 DCP-400-A（核心板）和电源开关。前面板的布置如图 5 所示： 图5前面板示意图 圆度测量仪的后面板需安装 220V 交流电源插座(用于整机供电)，以及与圆度测试器的连接插座。后面板的布置如图 6 所示: 图6后面板示意图 (3)软件编

9、程和调试 通过面板上键盘实现圆度测量仪系统的设置、校验和执行功能，各界面之间关系如图 所示，面板上键盘功能定义如图 8 所示。 图7界面关系图 LCD12864 口国百四 日回13cg口口日E 图8装置面板及按键定义图 通过圆度测量仪前面板的按键（图 8 中的按键对应于 DCP-400-A模块中的相应按键）设置相关参数，可以实现圆度测量仪的参数设定和圆度测量功能。 ?系统上电后，核心板上蜂鸣器鸣叫一声，时长 3 秒，然后显示欢迎界面，如图 9 所示。 界面底部”请按 D 键进入菜单”每隔 1 秒闪烁一次。按下面板上的“D”号键，进入系统菜单。 江苏省选拔赛1、参数设定 工位号：* 2、圆度测量

10、请按 D键进入菜单 图9欢迎界面图10系统菜单示意图 ?系统菜单如图 10 所示，包含：1、参数设定；2、圆度测量，通过面板矩阵键盘上相应的数字键选择进入对应的子功能界面。 ?参数设定子功能界面如图 11 所示，包含大盘校准、小盘校准。圆度测量仪配有两个标准直径的圆盘，直径分别为 95mm（小盘）和 105mm（大盘），在被测圆位置安装上标准圆盘后可以对位移传感器进行标定。通过键盘上的“A”、“B”键来切换设置大盘校准和小盘校准电压，通过在设置对象前增加“”号来表示当前的设置对象（按下“A”键，号上移；按下“B”键，号下移）。将装置上的被测圆安装上大盘，当前电压显示大盘对应的信号调理电路输出电

11、压，按 D 键将当前电压值标定至大盘校准电 压；然后将装置上的被测圆更换为小盘，当前电压显示小盘对应的信号调理电路输出电 压，按 D 键将当前电压值标定至小盘校准电压；校准完成后按 ?圆度测量子功能界面如图 12 所示，包含手动测量、自动测量及数据回看。通过面板矩 阵键盘上相应的数字键选择进入对应的子功能界面，按“豺键返回上一级菜单 ?手动测量功能界面如图 13 所示，大盘校准和小盘校准菜单显示校验的大盘电压和小盘电压。将装置上的被测圆更换为不规则盘片，长按、号键启动直流减速电机，松开、号键后直流电机停止转动。在直流电机转动过程中，每转动 3 度，实时显示一次传感器测量的电压值，并根据电压值实

12、时显示被测盘片的半径。测量工作完成后，按“*”号键返回上 一级菜单。 ?自动测量功能界面如图 14 所示，将装置上的被测圆安装为不规则盘片，手动输入测量角度范围，角度起始点以进入圆度自动测量界面时被测圆接触点的位置为零位。按“D 键启 动直流减速电机，直流电机转动到输入的测量角度后自动停止转动。在直流电机转动过程中，每转动 3 度，实时显示一次传感器测量的电压值和实时转动角度值，并根据电压值实 时显示被测盘片的半径。 将被测盘片的半径测量数据记录在单片机的内存中， 用于数据回看 （仅存储本次测量数据）。测量工作完成后，按“*”号键返回上一级菜单。 ?数据回看功能界面如图 15 所示，将存储的被

13、测盘片的半径测量数据以图形方式显示转动角度和半径的关系，半径的零位以被测圆的名义半径 50mm 为零位，当实际测量半径大 于 50mm 时，测量值显示在坐标上方；当实际测量半径小于 50mm 时，测量值显示为坐 标下方。图形显示完成后蜂鸣器以 1Hz 的频率鸣叫三声，系统自动返回主界面。“豺键返回上一级菜 参数设定 当前电压： 0.00 大盘校准 0.00 小盘校准 0.00 圆度测量 1 .手动测量 2 .自动测量 3 .数据回看 图12圆度测量菜单示意图 图11参数设定功能示意图 本赛题包含印刷线路板设计、圆度测量仪的装调和圆度测量仪软件编写，参赛队在设计及制作时根据参赛队自身情况，合理安

14、排分工，完成各项任务。 在参赛队自己焊接的 DCP-400-A（STM32F103核心板）不能正常工作时，可以采用参赛 队自带的成品训练板代替，但根据竞赛规程将扣 10 分。参赛队自己焊接的信号调理电路（焊 接在 DCP-226-A多功能万用板上）不能正常工作时，可以采用组委会提供的成品板代替，但根据竞赛规程将扣 10 分。 三、提交方式 提交的文件刻录在组委会下发的光盘上递交。各队完成的全部文件存放在 “2018JSJNDSXX（2 位数字，竞赛队工位号，在参赛队报到后通过抽签获得）文件夹中。提 交的电子文件采用统一命名规则（类型名+工位号），不得以其他名称命名电子文件。因保密要求，提交的任

15、何文件中不得出现学校名称及设计者姓名；电子文件名称不符合命名规则， 体现学校信息的，总成绩以零分计算。示例：工位号为“02 的参赛队，建立的文件夹名称为 “2018JSJNDS02”印制板图文件的文件名为印制板图 02”，扩展名为默认。 参赛队需确认成功提交竞赛要求的文件，监考人员在监考记录单中情况记录栏做记录, 人盘校准： 0.00 小盘校准： 0.00 测量电压： 0.00 实时半径： 0.00 测量角度： *度 测量电压： 0.00 实时半径： 0.00 转动角度： *度 图14自动测量示意图 提交的文件清单如下: 序号 文件夹名称 保存的文件 1 PCB设计文件 生成的 BOM表（PDF格式）、PCB图（Altium格式） 四、评分标准 J*六丁P 评分项目 评分细则 分分 评分方式 1 安全操作规范 （10%） 安全用电 3 过程评分 环境清洁 2 操作规范 3 团队合作与职业岗位要求 2 2 电子设计工艺 （20%） 绘制印刷线路板符合赛卷强制性功能要求 10 结果评分