光纤式板材测厚仪的设计

1、目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc361346472 0前言 光纤式板材测厚仪的设计摘要:本设计是基于光纤传感器测量厚度的设计。光纤传感器,具有灵敏度高、 抗电磁干扰能力强、几何形状适用性强、可用于高压、高温、腐蚀恶劣环境等特点。此种传感器在速度、压力、温度、 板材厚度测量及材质鉴别中应用广泛。光纤传感器有玻璃光纤、塑料光纤、阶跃型光纤、梯度型光纤、单模光纤和多模光纤几种类型，其中单模塑料阶跃型适于测量较薄的金属镀层或板材的厚度。关键词： 89C51单片机，光纤传感器，测量厚度0前言光纤是光导纤维的简称。实用光纤是一种三层介质的对称圆柱体，它是由纤芯、包层

2、和保护层三层结构组成。内外分三层，折射率分别为：n1， n2，n3。光纤传感器是光电传感器的一种，它是利用被测量对光纤内传输的光波进行调制，使光波的一些参数，如强度、频率、波长、相位、偏振态等特性产生变化的原理进行工作的。光纤传感器通常由光源、光调制器、光探测器、信号处理系统和光纤组成。在金属板材、带材的轧制过程中成品的厚度是最重要的物理指标之一。目前 国内的钢铁和有色金属行业多采用非接触式的测厚系统，如射线式、电容式等等 其中，射线测厚系统有一定的应用，但其存在着射线管的老化和易损问题，高压发生器的准确度和稳定性以及整套设备造价过于昂贵等。而电容式测厚系统则受引线电容，寄生电容的干扰较大，不

3、易消除。以单片机系统为核心，利用光纤式传感器对钢板厚度进行在线检测，通过实时数据采集，由单片机进行数据处理分析并通过LED进行显示的方法更精确实用。 1 总体方案设计针对本课题的设计任务，进行分析得到：本次设计用光纤传感器进行厚度测量，将测得的厚度变化转换为电信号，通过A/D转换，转换为能供单片机直接识别的数字信号。单片机将得到的信号进行处理，如果满足测量范围，正常输出信号，通过LED显示。如果不满足，则通过发光二极管显示来表示具体情况。该光纤测厚度的设计，总体上大致可分为一下几个部分组成：光纤检测部分，A/D转化部分，单片机处理部分，LED显示部分,键盘输入部分，不同颜色二极管发光报警部分。

4、本设计通过单片机对A/D转换、LED显示、键盘、报警等电路控制将由光纤传感器测得的电信号转化为厚度量进行显示，以达到测量厚度的目的。系统原理框图如图1所示。数码管显示光纤传感器测量系统单片机系统XITONG机A/D转换电路二极管发光报警超量程图1 系统原理框图整个电路的工作原理是利用光纤传感器对信号进行实时采集，并通过ADC0804芯片加以晶振电路和复位电路作为A/D转换电路，A/D转换电路把光纤传感器采集到的光信号转化为电压信号传输给单片机系统，单片机系统通过对电压信号进行处理并将信号传输给LED显示电路和声光报警电路进行数据的显示和超上下限报警的功能。2 硬件电路设计2.1光纤传感器如图2

5、所示， 被测体与光纤探头的距离X不同，光敏元件所接收到的反射光强度大小就不同，输出电压U就不同。根据所测厚度范围的不同，选择测量区间在0Xm或是XmXp。在0Xm区间中，线性较好，测量时准确度灵敏度都较高，在XmXp区间中，线性较差，测量时可能存在误差，可以根据测量的实际情况确定测量范围的区间。图2 输出电压与厚度关系图图3为测厚传感器的工作原理图，选取特性良好的光纤探头，使它的端面平行相对测量台，相距为D。设光纤探头的测量范围为E，待测物厚度为d，则在测量过程中，待测物由于各种原因可能产生抖动，但并不影响测量的结果。设探头接收的反射光强为I，所对应的反射面到探头的距离为x，则d=D-x测量前

6、应对探头进行定标，给出如图2所示的关系曲线，合理设置探头的工作点，使得x处在探头的测量范围内。根据实际测量情况选取曲线前沿或后沿并选取适当的放大电路，就可以对板材等进行厚度测量，数据的采集和处理可用单片机完成，这样就组成了测厚传感器。图3 光纤测厚传感器工作原理图2.2 单片机最小工作系统89C51系列单片机的复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用1030uF，单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。89C52单片机最小系统晶振X1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理

7、速度，频率越大处理速度越快。51单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用1533pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。P0口为开漏输出，作为输出口时需要加上拉电阻，阻值一般为10K。其他接口内部有上拉电阻，作为输出口时不需要外加上拉电阻。即最小系统包含晶振电路、复位电路、电源电路。图4 单片机最小系统电路2.3 A/D转换电路采用芯片ADC0804。工作电压：+5V，即VCC=+5V。模拟输入电压范围：0+5V，即0Vin+5V。分辨率：8位，即分辨率为1/2=1/256，转换值介于0255之间。转换时间：100us（fCK=640KHz时）。转换误差：1LSB。参考电压：2.5

8、V，即Vref=2.5V。ADC0804是属于连续渐进式的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。CS、RD 、WR （引脚1、2、3）：是数字控制输入端，满足标准TTL 逻辑电平。其中CS 和WR 用来控制A/D 转换的启动信号。CS 、RD 用来读A/D 转换的结果，当它们同时为低电平时，输出数据锁存器DB0DB7 各端上出现8 位并行二进制数码。CLKI（引脚4）和CLKR（引脚19）：ADC08010805片内有时钟电路，只要在外部“CLKI”和“CLKR”两端外接一对电阻电容即可产生A/D 转

9、换所要求的时钟，其振荡频率为fCLK1/1.1RC。其典型应用参数为：R=10K，C=150PF，fCLK640KHZ，转换速度为100。若采用外部时钟，则外部fCLK 可从CLKI 端送入，此时不接R、C。允许的时钟频率范围为100KHZ1460KHZ。INTR （引脚5）： INTR 是转换结束信号输出端，输出跳转为低电平表示本次转换已经完成，可作为微处理器的中断或查询信号。如果将CS 和WR 端与INTR 端相连，则ADC0804 就处于自动循环转换状态。CS 0 时，允许进行A/D 转换。WR 由低跳高时A/D 转换开始，8 位逐次比较需88=64 个时钟周期，再加上控制逻辑操作，一次

10、转换需要6673 个时钟周期。在典型应用fCLK640KHZ 时，转换时间约为103114。当fCLK 超过640KHZ，转换精度下降，超过极限值1460KHZ 时便不能正常工作。图5 A/D转换电路2.4 报警电路报警电路采用发光二极管和蜂鸣器报警。由于二极管一端接在地上，即二极管高电平有效，在开始给P3.0口和P3.1口使能为0，程序中设定当二极管值大于5mm时高电平有效，红色灯发光，蜂鸣器响；当二极管值小于1mm时高电平有效，蓝色灯发光，蜂鸣器响。红色二极管为超出上限报警，蓝色二极管为低于下限报警。图6 声光报警电路2.5 键盘电路键盘是由若干按键开关组成的，用于控制系统的工作状态并向系

11、统输入数据，是智能仪器不可缺少的的输入设备。目前常用的按键有三种：机械触点式按键、导电橡胶式按键、柔性按键柔性按键。键盘按其结构形式可分为编码式键盘和非编码式键盘。在智能仪器系统中大多采用非编码式键盘，非编码式键盘按照与主机电路的连接方式又可分为独立式键盘和矩阵式键盘，此设计需要利用键盘进行上下限值的设定，所以采用了矩阵式键盘，如图7所示图7 矩阵式键盘电路3 软件设计 根据设计方案，应用Proteus软件进行仿真。设计的主要思想是模块化设计，总体分为主程序模块、数据采集模块、数据显示（数码管显示）模块、键盘扫描模块、阈值比较模块、报警模块。程序通过主程序调用子程序来完成所需要的各种功能。主程

12、序初始化数据采集数据处理数码管显示键盘扫描N键按下？Y设置阈值过报警上限?N Y过报警下限? Y报警图7 系统软件原理框图3.1 A/D转换子程序设计光纤传感器测得的电压信号送到A/D转换器并将转换值经过计算送入LED显示。如图8所示启动A/D转换转换数据处理送入LED显示返回开始如图8 A/D转换子程序设计3.2数据处理子程序设计数据处理程序是把由A/D转换器得到的数经过计算处理得到厚度值送入LED 显示。如图9所示开始将计算值保存返回A/D转换值转化为十进制数图9数据处理流程图3.3键盘子程序设计键盘报警程序由键盘程序（如图10所示）和报警程序（如图11），通过按键设置上下限阈值，当测量值

13、超过设定值启动声光报警程序报警。开始有按下键？ N Y判断键值键值处理返回图10键盘程序流程图3.4报警子程序设计判断测量值是否超过上下限阈值，超过阈值使LED灯发光，蜂鸣器响来达到报警。程序流程图如图11所示开始测量值大于上限阈值？测量值小于下限阈值？报警返回 Y N N N Y图11报警程序流程图3.5显示子程序设计显示程序是将测量值在LED上显示出来，如图12所示开始显示返回单片机控制段选单片机控制位选图12显示程序设计4 调试分析 将生产的Hex文件拷入单片机后，数码管正常显示采集到的数据，然后通过键盘设定05mm之间任意的阈值范围，系统中设定的阈值范围为13mm。当采集到的数据不在设

14、定范围之内的时候，发光二极管点亮，蜂鸣器响，即启动了报警系统。程序及硬件都正常运行。 图13 超上限声光报警截图图14 超下限声光报警截图5 结论及进一步设想 本课设通过光纤传感器来测量板材厚度，以单片机为核心控制A/D转换器将光纤传感器测得的电压信号送入LED数码管显示，用独立按键设置上下限阈值，通过LED灯点亮和蜂鸣器报警。由于设计分成了多个模块软件程序编写较多，需要合理安排子程序的调用。本设计可进一步拓展，可以用遥控器远程控制仪器工作设定上下限阈值，将设计进一步智能化。 参考文献1.刘利秋 传感与测试技术 清华大学出版社 20122.孙传友，孙晓斌 测控系统原理与设计 北京航空航天大学出

15、版社 20073.胡乾斌，李光斌 单片微型计算机原理与应用 19964.袁希光 传感器技术手册 19865.余席桂，赵燕 测试技术 19966.黄长艺, 严普强机械工程测试技术基础 机械工业出版社, 19957.刘金环, 任玉田机械工程测试技术 北京理工大学出版社, 1999课设体会在本次课程设计中，通过上网查资料，到图书馆借阅图书等方法了解了单片机电路的设计方法，并通过使用Proteus软件成功仿真出来了。总体设计方案是模块化的，在做计数显示电路的时候，通过将以前学习的数字电路的知识应用其中，从而方便的解决了这一问题，在仿真过程中，通过自己调试，将电路连接成果并且成功仿真出来了。在课程设计这

16、段时间里，使我对以前的知识有了更加深刻的了解，将以前学习的数字电路和智能仪器联系起来，并且将他们都应用于实际当中，最终完成了设计任务。通过本次课设，让我了解到要完成一个设计任务，可以将任务分成几个功能模块，分开完成。这样可以提高设计效率，并且将设计难度简化了。当所有功能模块都能达到预定的功能时，再将其组合在一起，最终完成我所要完成的设计任务。在课设过程中，通过不同功能的电路组合在一起就可以实现我所想要得到的功能，这些都使我受益匪浅。在仿真过程中，通过自己连接电路图，使用仿真软件，使我对Keil、proteus和protel等软件的运用更加熟练了，找寻各种器件也更加的快速，这样可以更加快速的完成

17、电路图，并且对如何测量各种数据也都有了了解。在上网查资料和阅读相关书籍的时候，使我学到了很多在课堂上没有学到的知识，并且将这些知识应用与实际中了，这次课程设计给了我一次很好的实践，会给我再下学期做毕设设计奠定了基础。课程设计期间遇到了很多问题老师给与了我极大的帮助，我相信老师的付出得到了回报，我按时完成了指定的任务，并且学到了许多知识，受益匪浅。最后，感谢老师的付出！2013年7月 10日完成附录1 电路原理图附录 程序清单#include /51系列单片机头文件#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int int

18、t1,i;float t;uint up=300,low=100;sbit clock = P31;sbit beep=P26;/蜂鸣器sbit u=P22;sbit uge=P24;sbit m1=P23;sbit uxiao=P20;sbit uxiao2=P21;sbit led_red=P30; /上限报警灯sbit led_blue=P31; /下线报警灯sbit cs=P27;sbit adwr=P36;/定义AD的WR端口sbit adrd=P37; /定义AD的RD端口uchar a,A1,A2,A3,adval;uchar code table0=0 xbf,0 x86,0

19、xdb,0 xcf,0 xe6,0 xed,0 xfd,0 x87,0 xff,0 xef,0 xf7,0 xfc,0 xb9,0 xde,0 xf9,0 xf1;uchar code table1=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x77,0 x7c,0 x39,0 x5e,0 x79,0 x71;void delayms(uint xms)uint i,j;for(i=xms;i0;i-) /i=xms即延时约xms毫秒for(j=110;j0;j-);void display(A1,A2,A3) /显示子函数 A1= t1/100;/分出百，十，和个位 A2= (t1%100)/10; A3= (t1%100)%10;/P2=0 xe0;u=1;P0=0 x00;u=0;delayms(5); /延时m1=1;P0=0 x00;m