表面粗糙度测量仪设计综述

《机械工程测试技术》课程设计表面粗糙度测量仪设计院（系专 业班 级：学 生：学 号：完成日期：目 录摘要 2第1章绪论 3立题意义 3光纤传感技术的发展与现状… 3虚拟仪器测试技术发展… 3表面粗糙度测量技术的发展… 4第2章粗糙度的基本概念 5表面粗糙度的概念 5表面粗糙度的测量参数 5反射式光纤位移传感器的结构… 5反射式光纤位移传感器输出特性… 5粗糙度测量原理… 5第3章粗糙度测量仪的总体方案设计… 6下位机硬件方案设计… 6传感器的选择… 7光纤传感器特性实验 7单片机数据采集和传输电路的设计 7下位机软件系统设计… 7第4章粗糙度测试仪的下位机设计 8信号调理电路 8单片机及其外围扩展电路的设计 8单片机介绍 8时钟电路设计… 9复位电路的设计… 10A/D转换电路的设计… 13串行通信的设计… 15下位机软件设计… 15主程序设计 15ADC0809转换程序设计… 15串口通信程序设计… 16第5章粗糙度测试仪的上位机设计 17VISA简介… 17VISA库中的串口通讯函数… 17串行通信程序设计 18串行通信初始化的设计… 18串口写入程序设计… 19串口读取节点程序设计… 20数据处理程序设计 20数据存储 21结论 22社会经济效益分析… 22参考文献… 23致 谢 241摘 要计了一个基于虚拟仪器技术表面粗糙度测量仪。本仪器除能解决传统仪器目前存在的问题关键词：单片机；光纤位移传感器；表面粗糙度；2第一章绪论立题意义目前广泛应用触针式轮廓仪可以实现粗糙度部分参数的测量评定，但存在测量参数较,根据用户需要构成测试仪器。光纤传感技术的发展与现状检测和转化信息的窗口，是实现信息化时代的主要技术基础。20世纪后半期重大发明之一。光纤传感技术是七十年代末期发展起来的一项新技术，它容性等独特的优点，受到世界各国广泛的重视，并具有十分广阔的发展前景。颜色、频率、相位、偏(光纤传感器；另一类是传感型()光纤传感器。光纤传感技术优于其他传感技术的原因在于它是在光纤通信的它形成一门能为光纤传感器所使用的基础科学。拟仪器虚测试技术发展（VirtualVIVI是计算机技术在仪器科学与技术领域的应用所形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类,它是适应卡式仪发展而提出的。传统仪器,,所以必须借助计算机强大的图形环境,建立图形化的虚拟面板,完成对仪器的控制、数据分析和显示。VI集成了当今的各领域高新技术,计算机等相关技术,运用虚拟现实技术令硬件尽可能软化,软件尽可能集成化,其重心不仅是相应的软件系统,,甚至VI应是对用户开放的,允许用户介入并定义其若干功能VI是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块硬件结合起来,用户可以通过友好的图形界面来操作计算机,,从而完成对被测量的采集、分VI3结合,GPIBVXIRS-232DAQ和可重,VI系统提供基本的软件模块。表面粗糙度测量技术的发展表面粗糙度与零件的工作性能和使用寿命都有着密切的关系粗糙度测量方法可分为两大类：接触式和非接触式。第二章粗糙度的基本概念表面粗糙度的概念表面粗糙度是反映零件表面微观几何形状误差的一个重要指标实际上，三者只有分级的不同，没有原则上的区别。表面粗糙度的测量参数60多个，这种错综GB/T《表面粗糙度符号、GB/T1031-1995ISO《表面粗糙度参数及其数值和给定要求的通则1995GB/T1031-1995《表面粗糙度参数及其数值度高度参数为R ，R ，R，R，R，R分别是：轮廓算数平均偏(R 轮廓最a z y a z y a大高度(Ry

)；微观不平度十点高度(Rz

)。Rz

—在取样长度L内轮廓偏距绝对值的算术平均值；Ry

—在取样长度L内轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离；Rz

—在取样长度内455Ra行粗糙度的测量。反射式光纤位移传感器的结构Y2.1理图。图2.1反射式光纤位移传感器的原理图反射式光纤位移传感器输出特性2.1所示，光源发出的光经发送光纤射向被测物体的表面（反射面）2.）当被测表面输出曲2.2为位移—电压输出特性图。粗糙度测量原理

图2.2电压—位移输出特性7块研磨样板，其Ra取其中Ra值最小的样板为基准，细调距离d他研磨样板依次换上分别测出其输出电压，作为输出与Ra的关系如图所示：52.3粗糙度和电压的关系实验中分别对每块样板测出电压十次取平均值。有关数据如下表所示：2.1不同样板表面粗糙度与输出电压数据表样板编号123456Ra（um）0.0050.020.030.040.0450.05Ra（um）4.693.052.581.951.691.43按表的实验数据对Ra值和输出电压进行曲线拟合，得出拟合曲线方程。Ra0.366.4x28.71x2 式中Ra的单位为；输出电压的单位为V。第三章粗糙度测量仪的总体方案设计本设计是基于虚拟仪器开发的一种新的表面粗糙度测量仪LabVIEW平台上显示测量结果。总体方案包括下位机硬件和软件设计以及上位机的设计。下图是总体方案功能框图。3.1总体方案功能框图下位机硬件方案设计下位机硬件方案的设计主要包括测量部分和单片机部分的设计。测量部分主要包括传感器的选择和表面粗糙度样板的选择，单片机部分主要包括数据采集部分和数据传输部分设计。6传感器的选择CSY-GY型光纤，半圆分布即双D型，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光X有关。光纤传感器特性实验由于光纤传感器探头由于系统所获得的数据具有非线性和测量仪器本身的误差数据进行曲线拟合，得到一条拟合曲线。位移(mm)电压(V)位移(mm)电压(V)00.20.40.60.81.01.21.41.600.320.892.913.894.544.554.353.34单片机数据采集和传输电路的设计A/DADC0809，ADC0809是目前88位数字量输出的A/D81的模拟开关，由C、BA0-5VRS-232MAX232芯片和计算机串口相连进行数据传输。下位机软件系统设计开始程序初始化数据采集数据转换数据传输计算机结束开始程序初始化数据采集数据转换数据传输计算机结束3.2系统软件总体流程图74粗糙度测试仪的下位机设计信号调理电路信号调理电路的功能主要是完成对光纤传感器输出的微弱不稳定信号进行放大滤波其输出电压信号满足A/D0～5V范围内。由于反射式光纤位移传感器的输出电压信号很小。因此在进行A/D转换时，就要对信A/DA/D4.1为电压放大电路电路图。图中的放大倍数为100倍可满足设计要求。4.1电压放大电路电路图单片机及其外围扩展电路的设计单片机外围扩展电路主要包括时钟电路、复位电路、A/D转换电路、数据传输电路。单片机介绍单片机的内部结构及应用领域十分广泛的用途。单片机有816328位单片机以它的价格低廉、品种齐全、应用软件丰富、支持环境充分、开发方便等特点而占着主导地位。MCS-518位单片机是Intel1980年推出的产品，而AT89C51芯片是MCS-514kB1284816/4.2结构框图。84.2单片机的内部结构框图2.AT89C52特性MCS-51兼容；8K1000写/擦循年；全静态工作：0Hz-24Hz；三级程序存储器锁定；128*8位内部可编程I/O线；两个16/VCGN4.3为T89C52的管脚图复位电路的设计

图4.3AT89C52管脚图89C52的复位输入引脚RET（即RESET）89C52提供了初始化的手段。有了它可以0000H89C52RETRET89C52RET由高电平变成低电平以后，89C520000H地址开始执行程序。9本系统的复位电路是采用按键复位的电路4.689C52ALEPSEN引脚高电平到时，单片机复位。通过按动按钮产C立即加到RET/VPD89C52+5VRET/VPD端从而复位称为P3I/O口全为高电平，其它寄存器全部清零，只有SBUF寄存器状态不确定。图4.6按键电平复位电路A/D转换电路的设计A/D转换器是目前品种最多、应用最广的ADCA/DA/D转换器。ADC0809A/D8A/DA/D转换的。ADC0809由单一＋5V880～5V100µs（相应的时钟频率为640KH器，比较器，输出缓冲锁存器，可以直接接到单片机的数据总线上。ADC0809内部没有时钟电路，故时钟信号应由单片机提供（10CLOCK端课题使用的单片机时钟频率为12MH（2000KHz）2D500KHz08094.7ADC0809的引脚图。图4.7ADC0809管脚图28个引脚，具体引脚功能如下：输入引脚IN0～IN78D0～D7为数据输出端，其功能是将转换好的数据由此端输出；通道控制单元ABC8C、BA4.1；STARTA/D转换信号的控制端，在一个正脉冲作用之后，转换器就开始工作编码通道A B 10编码通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ALE为地址锁存信号输入端，当ALE为高电平时，允许CBA并将该通道的模拟量接入A/D转换器；时钟信号CLK转换器要求的时钟频率为640KHzREF(+)和REF(-)是用来提供A/D转换的量化单位。一般REF(+)=5V，REF(-)=0V；输出允许控制信号OEOEA/D转换器锁存器中读取数字量；标志信号EOCA/D转换结束标志信号，当A/DEOC可作为CPUVCC接地端GNDADC08094.8所示。由于本设计只要求一路模拟信号输入即可，因此C、BA引脚并联接地便选通了IN0口，4.8为ADC0809工作时序图：图4.8 ADC0809工作时序图4.9为ADC0809和单片机连接图：11图4.1089C51单片机串行口内部结构51单片机内部有SCON和PCON和波特率。其中串行口控制寄存器SCON各位的定义如下图所示：图4.11SCON各位定义表4.2串行口控制寄存器SCON各位的定义SM0 SM10 00 11 0

012

选择工作方式移位寄存器1011

波特率f /12osc波特率可变，由T1控制f /64或f /12osc osc1 1 方式3 12位异步收发波特率可变，由T1控制12图4.9ADC0809和单片机连接图串行通信的设计SBUF、接收控制器和输串行口是通过管脚TXDRXD4.10所示：图4.1089C51单片机串行口内部结构51单片机内部有SCON和PCON两个特殊功能寄存器，专门用于控制串行口的工作方式和波特率。其中串行口控制寄存器SCON各位的定义如下图所示：13图4.11SCON各位定义4.2串行口控制寄存器SCON各位的定义SM0 SM10 00 11 0

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选择工作方式移位寄存器1011

波特率f /12osc波特率可变，由T1控制f /64或f /12osc osc1 1 方式3 12位异步收发波特率可变，由T1控制PCON87H，不能寻址。最高位SMOD为串行口波特率倍增位SMOD=1SMOD=04.3电源控制寄存器PCON位名称 SMOD —— —— GF1 GF0 PD IDL211位（1811位停止位）的异步通信。发送数据的过程为：先发送起始位0，再由低位到高位发送8位数据位，然后发送可编程位TB8，最后发停止位。数据发送完毕后由硬件置位TI，向CPU发中断请求信号，在中断服务程序中，应由软件给TI清零，这样才能再次进行下一帧数据串行发送。接收数据的过程为：当REN=1时，CPURXD88（9位数据RB8SM2=0RB8=1时，数据帧才有效。本课题实现的是PC机与单片机之间的通信，由于PC机采用的是RS-232C电平，而单片机采用的是TTL电平。所以需要电平转换。因此采用MAX232芯片实现。下图为PC机和单片机通信原理图：14主程序设计

图4.12单片机与PC机通信连接图主程序的基本功能是实现各子程序的初始化和对各个模块程序实现调用。从而实现对整个测试系统的流程进行控制，以达到对被测表面进行测量的目的。其流程图如下：开始系统初始化A/D采样中断YN串口通信子程序结束图4.13主程序流程图ADC0809转换程序设计A/D转换子程序主要的作用是将传感器转换出来的模拟信号转换成计算机可以处理的A/D4.14所示。15开始开始初始化ADC0809A/D转换值保存结果返回图4.14ADC0809转换流程序串口通信程序设计开始串口初始化数据转换N等待计算机命令Y数据发送返回开始串口初始化数据转换N等待计算机命令Y数据发送返回图4.15串口通信流程图16第五章粗糙度测试仪的上位机设计VISA简介LabVIEWVISAVISA(VirtualInstrumentSoftwareArchitecture)——虚拟仪器软件规范，是用于仪器编程的标准I/OVISAAPIVISAAPI，通过调用底层驱动程序来实现对仪器的编程，其层次如图5.1VISAI/O5.1图5.1数据转换程序I/O接口软件相比，VISAI/OVXI仪器、GPIBRS-232器器件等仪器)；适用于各种硬件接口类型；适用于单、多处理器结构或分布式网络结构；适用于多种网络机制。VISA的I/O软件库的源程序是唯一的，其与操作系统及编程语言无关，只是提供了标准形式的API文件作为系统的输出。VISA库中的串口通讯函数本文用到的主要的串口通讯函数调用路径为VISAAdvanced InterfaceSpecific Serial中。VISA5.2所示

InstrumentI/O VISA5.2VISA该控件主要用于串口的初始化。主要参数意义如下：启用终止符使串行设备做好识别终止符的准备。如值为TRUE（VI_ATTR_ASRL_END_INFALSE，VI_ATTR_ASRL_END_IN0（无）且串行设备不识别终止符。终止符通过调用终止读取操作。从串行设备读取终止符后读取操作将终止。0xA是换行符(\n)的十六进制表示。消息字符串的终止符由回车(\r)改为0xD。超时设置读取和写入操作的超时值，以毫秒为单位。默认值为10000。VISA资源名称指定要打开的资源。该控件也可指定会话句柄和类。波特率是传输速率。默认值为9600。588奇偶指定要传输或接收的每一帧所使用的奇偶校验。17停止位指定用于表示帧结束的停止位的数量。流控制设置传输机制使用的控制类型。VISA(5.3)图5.3VISA读取控件大数据处理功能对其进行分析处理。主要参数意义如下：VISA资源名称指定要打开的资源。字节总数是要读取的字节数量。VISA资源名称输出是由VISA函数返回的VISA资源名称的副本。读取缓冲区包含从设备读取的数据。返回数包含实际读取的字节数。VISA(5.4)5.4VISA写入控件将写入缓冲区的数据写入VISA资源名称指定的设备或接口中。主要参数意义如下：VISA资源名称指定要打开的资源。写入缓冲区包含要写入设备的数据。VISA资源名称输出是由VISA函数返回的VISA资源名称的副本。返回数包含实际写入的字节数。串行通信程序设计串行通信初始化的设计首先将VISA配置串口节点进行初始化。即设定通信口、波特率、校验位等。考虑到可能用到一个或多个串口以及下位机波特率的设定的变化，这里用了2个Case结构。这里由于计算机只有两个COM口，所以只设定了COM1口和COM2口，设定了4个可选择的波特率，即1200、2400、4800、9600。下图是通讯口和波特率设定程序：5.5通讯口和波特率设定程序对于VISA配置串口节点分别用了2个Case结构，属于嵌套的关系。外面的Case结构作用是打开串口，里面的Case结构作用是判断通讯口的设定是否正确。程序设计图如下所示：18图5.6串口初始化程序设计串口写入程序设计16冲区的数据进行转换，即把字符串转换成16图5.7数据转换程序为了简化主程序的结构，把上面的数据转换设计成子VI。为使程序更完美，设计了计算上位机发送数据字节数以及清空字节数的程序。19图5.8串口写入节点程序设计串口读取节点程序设计此节点主要作用是从读取下位机发送上来的数据据全部读取，在使用串口读取节点前加一个BytesatSerialPort输入缓存中存在的字节数，然后串口读取节点由此指定节点数读取数据。图5.9串口读取节点程序设计数据处理程序设计数据处理是对上位机接收到来自下位机的数据进行分析和处理，以得到我们想要的结果，即本课题所研究的表面粗糙度。下图为数据处理的程序：20图5.10数据处理程序（十进制数字符串经过十进制数字符串至数值转换得出十进制数值，由于下位机经过转换发送上来的数据是0-2550-5V0.019VI（可以写入公式,即所对应的电压-粗糙度关系）得出所测量的粗糙度。数据存储点，对所要保存的粗糙度和所对应的电压值进行保存。程序如图5.11图5.11数据存储程序21结论糙度测量仪来满足现代精密工件的测量要求，基于虚拟仪器技术开发出的表面粗糙度测量界面等优点，而且价格便宜，通用性强，将具有较大的市场潜力和应用价值。反射面)用光纤位