【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 第 1 頁(yè) 共 58 頁(yè) 電容式條干儀在 紗線(xiàn)控制中 的應(yīng)用 摘要： 條干儀在紡紗中的應(yīng)用系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)主板電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、 CRT 驅(qū)動(dòng)板及旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)電路 6 部分所組成。信號(hào)調(diào)理電路主要實(shí)現(xiàn)將紗線(xiàn)的厚度通過(guò)電容橋式電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，以便從單片機(jī)進(jìn)行 AD 采集；單片機(jī)主板電路主要實(shí)現(xiàn) CRT界面的顯示、進(jìn)行 AD采集、 數(shù)據(jù)處理和 利用 SPI通信對(duì)各驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板和 CRT 驅(qū)動(dòng)板作為主單片機(jī)的控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和在 CRT上顯示所需要測(cè)量的不同參數(shù)。旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)電路作為人機(jī)交互的工具，通過(guò)左右 旋轉(zhuǎn)和確定鍵，來(lái)啟動(dòng)該系統(tǒng)。該系統(tǒng)的軟件包含對(duì)電壓信號(hào)的 AD采集、處理并存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)、啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、繪制 CRT顯示界面等。 關(guān)鍵詞： 信號(hào)調(diào)理； AD 采集； SPI通信；數(shù)據(jù)處理 Abstract: Evenness tester in spinning applications is made up of the signal conditioning circuit, microcontroller circuit, stepper motor drive circuit, CRT drive circuit and rotary switch circuit. The signal processing circuit is mainly to achieve the thickness of the yarn through a capacitor bridge circuit into a voltage signal in order to collect from the MCU AD。 MCU circuit is mainly to achieve the display of CRT screen, AD acquisition, data processing and using SPI munication on the drive control board to realize a plete system. Stepper motor driver board circuit and the CRT driver circuit as the object of the main MCU controlled, is to achieve the stepper motor rotation and the different parameters what need measure in the CRT screen. The rotary switch circuit as a tool for humanputer interaction, start the system through the left and right rotation and the OK button. The software design of the system contains the AD voltage signal acquisition, processing and storing the collected data, starting the motor, drawing the display in the CRT display screen. Key words: signal conditioning。 AD acquisition。 SPI munication。 data processing 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 第 2 頁(yè) 共 58 頁(yè) 前言 紗線(xiàn)、粗紗、條子的條干不勻是指紗條沿紗條長(zhǎng)度方向紗條線(xiàn)密度不均勻的程度，它是紗條品質(zhì)的重要指標(biāo)。條干不勻會(huì)反映在強(qiáng)力、伸長(zhǎng)、線(xiàn)密度以及染色等物理指標(biāo)中，給后加工造成困難并影響其產(chǎn)品質(zhì)量。條干均勻度儀是目前世界上廣泛采用的用于測(cè)量紗條隨機(jī)性不勻和周期性不勻的電子儀器，是衡量紗條軸向粗細(xì)不勻程度、控制半成品纖維或成品纖維質(zhì)量的經(jīng)典而又有效的儀器之一。紗條條干均勻度儀在我國(guó)紡織工廠中已廣泛使用，并成為條干均勻度評(píng)價(jià)分等及紗條不勻結(jié)構(gòu)分析的主要手段?，F(xiàn)在大多條干儀的數(shù)據(jù)處理采用工程計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)龐大 且價(jià)格昂貴。本設(shè)計(jì)中將系統(tǒng)的核心部件 —— 工程計(jì)算機(jī)改成由多個(gè)單片機(jī)相互通信而組成的處理系統(tǒng)。單片機(jī)作為過(guò)去、現(xiàn)在乃至將來(lái)都十分普及的一種嵌入式芯片，其技術(shù)日趨完善，其功能也日益強(qiáng)大。在很大程度上，單片機(jī)這種嵌入式處理芯片能夠代替計(jì)算機(jī)內(nèi)的 CPU 完成很多功能，使得儀器不管是在體積上或是在成本上都大大降低，而其性能并沒(méi)有改變多少。 電容式條干儀在 紗線(xiàn)控制中的 應(yīng)用就是對(duì)這個(gè)系統(tǒng)中的主單片機(jī)所進(jìn)行的，同時(shí)與CRT 驅(qū)動(dòng)板、從單片機(jī)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板之間進(jìn)行通信；主單片機(jī)主要功能是先將發(fā)命令給電機(jī)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；在發(fā)命令給 從機(jī)，使其進(jìn)行 AD 采集，從機(jī)將電壓值傳送給主單片機(jī)，再由主單片機(jī)將數(shù)據(jù)送 CRT驅(qū)動(dòng)板顯示，并繪制線(xiàn)密度曲線(xiàn)和顯示界面。從機(jī)在進(jìn)行 AD采集的時(shí)候，先采 16個(gè)點(diǎn)，取其平均值后，一邊將實(shí)測(cè)電壓傳給主單片機(jī)，一邊將實(shí)測(cè)電壓與平均值進(jìn)行平方差運(yùn)算后，存入外部 RAM中，等到一管紗線(xiàn)測(cè)完后，主機(jī)發(fā)命令使電機(jī)停止，從機(jī)開(kāi)始計(jì)算 CV值和不同波長(zhǎng)的 CV值，計(jì)算結(jié)束后，將數(shù)據(jù)發(fā)給主機(jī)，主機(jī)再將這些數(shù)據(jù)送 CRT顯示，并繪制波 譜 圖。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 第 3 頁(yè) 共 58 頁(yè) 第 1 章 緒論 引言 自從 1970 年瑞士烏斯特（ Uster）公司推出 USTER TESTER I 紗線(xiàn)條干儀以來(lái)，技術(shù)不斷改進(jìn)，測(cè)試指標(biāo)不斷增加，功能不斷增強(qiáng)，到目前為止，已經(jīng)升級(jí)換代至USTER_4。新型 USTER TESTER 4_SX 采用模塊系統(tǒng)，便于客戶(hù)使用，該儀器能滿(mǎn)足紡紗者的多種需求。其基本模塊采用了最新發(fā)展的電容傳感器，便于測(cè)試短纖紗，精度可提高 10%。改進(jìn)的模塊可實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)試毛羽，并采用兩個(gè)完全新型的光學(xué)傳感器測(cè)試如棉籽殼碎片、紗線(xiàn)形狀和直徑等參數(shù)。 USTER TESTER 4_SX 的操作為滿(mǎn)足客戶(hù)需要已被簡(jiǎn)化。該儀器不僅可以存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)，而且可以繪制出報(bào)告的各種圖 形，如用于趨勢(shì)分析的長(zhǎng)片段報(bào)告；另一個(gè)特點(diǎn)就是在測(cè)量的同時(shí)可以打印出報(bào)告來(lái)。關(guān)于曲線(xiàn)圖的所有存儲(chǔ)結(jié)果可重新掉出來(lái)進(jìn)行研究，必要的話(huà)可以調(diào)整曲線(xiàn)圖的比例。由于 USTER TESTER 4_SX 測(cè)量的參數(shù)增加，因此重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)智能元件，以幫助客戶(hù)處理大量的新數(shù)據(jù)。這些智能元件可鑒別測(cè)試結(jié)果，其軟件可對(duì)客戶(hù)所需的基本參數(shù)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理，如預(yù)設(shè)的偏差能作為一個(gè)特殊的報(bào)告被打印出來(lái)。該系統(tǒng)能夠顯示機(jī)器元件缺陷造成的周期性錯(cuò)誤。這個(gè)功能大大縮短了從檢測(cè)到糾正錯(cuò)誤的時(shí)間，提高了紗線(xiàn)質(zhì)量，大大減少了廢料，增強(qiáng)了客戶(hù)的競(jìng) 爭(zhēng)力 [1]。 條干儀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在中國(guó)， 1987 年前后分別推出了 YG131（陜西寶雞長(zhǎng)嶺）和 YG133（蘇州長(zhǎng)風(fēng)）型紗線(xiàn)條干均勻度儀， 1993 年至 1995 年分別鑒定 YG135 型條干儀和 YG133A 型，技術(shù)水平和 USTERIII 相似或略低。到現(xiàn)在， USTER 公司推出了全計(jì)算機(jī)型的 USTER4，中國(guó)推出了全計(jì)算機(jī)型的 YG135G、 YG136（長(zhǎng)嶺）、 YG133C（長(zhǎng)風(fēng)），其中 YG135G型條干儀除了完全實(shí)現(xiàn)了 USTERIII 型的全部計(jì)數(shù)指標(biāo)和功能外還增加了偏移率 門(mén)限曲線(xiàn)、線(xiàn)密度 （ +100~+230%） 頻率分布圖和 CV 值水平、不勻指數(shù) I 值水平和專(zhuān)家斷分析系統(tǒng)，并對(duì)變異系數(shù) 切斷長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí) 75 點(diǎn)自動(dòng)計(jì)算，使電容條干測(cè)試分析系統(tǒng)的水平躍上了一個(gè)新的臺(tái)階。另外 YH121 在線(xiàn)條干儀可用于在細(xì)紗機(jī)上逐錠對(duì)紗線(xiàn)條干進(jìn)行檢測(cè)，操作簡(jiǎn)單易行； YG135T 條干儀專(zhuān)用于前紡，提供條子和粗紗的 CV值、畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 第 4 頁(yè) 共 58 頁(yè) 波普?qǐng)D； YG136 可以測(cè)量條子、粗紗、細(xì)紗，提供 CV 值、 12 檔紗疵值、 DR 值等多圖形數(shù)據(jù)，而且羅拉轉(zhuǎn)速和我啟動(dòng)停止完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制； YG136A 在 YG136 的基礎(chǔ)上增加了毛羽功能，可提供 USTER 定義的 H 值檢測(cè) [2]。 但是總體上來(lái)看，國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品與 USTER4 相比，技術(shù)含量、穩(wěn)定性、系統(tǒng)功能的可擴(kuò)展、應(yīng)用技術(shù)支撐等均有較大的差距。 現(xiàn)代科技的發(fā)展，促進(jìn)了電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和新型傳感器技術(shù)的不斷更新，使得紡織檢測(cè)技術(shù)水平迅速提高，檢測(cè)儀器的自動(dòng)化程度也進(jìn)一步提高和完善，然而現(xiàn)在自動(dòng)化程度的提高已經(jīng)不像過(guò)去那樣只是片面的強(qiáng)調(diào)效率，而更多的是為了檢測(cè)質(zhì)量、穩(wěn)定性、靈敏度和易操作性。自動(dòng)化控制從單片機(jī)發(fā)展到了計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，方便了數(shù)據(jù)的采集和管理，并大量采用先進(jìn)的微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)字化技術(shù)。這些新技術(shù)的應(yīng)用在國(guó)外主流 紡織檢測(cè)儀器上隨處可見(jiàn)，如以上介紹的 USTER TESTER 4[3]。 我國(guó)研究、生產(chǎn)紡織檢測(cè)儀器已有數(shù)十年的歷史，縱觀我國(guó)生產(chǎn)的紡織檢測(cè)儀器，絕大多數(shù)是仿造國(guó)際上已有的產(chǎn)品，再加上我國(guó)的生產(chǎn)制造水平不高，使得我國(guó)紡織檢測(cè)儀器很難再世界紡織檢測(cè)儀器市場(chǎng)上占有一席之地。因此，我國(guó)的紡織檢測(cè)儀器不僅要在價(jià)廉物美上做文章，而且要推出具有獨(dú)創(chuàng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。 各個(gè)國(guó)家及相關(guān)企業(yè)把條干均勻度儀當(dāng)作紡織專(zhuān)用測(cè)試儀器中的制高點(diǎn)來(lái)爭(zhēng)奪。一方面，彼此的競(jìng)爭(zhēng)促進(jìn)了產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步及質(zhì)量的提高，另一方面，技術(shù)封鎖和保密也是空前的，極 大地阻礙了條干測(cè)試技術(shù)、條子分析技術(shù)的研究與發(fā)展，國(guó)內(nèi)條干測(cè)試分析技術(shù)的現(xiàn)狀已經(jīng)充分說(shuō)明了這一點(diǎn)（其改進(jìn)大多是解決穩(wěn)定性和可靠性方面的問(wèn)題）。新型條干儀的研制成本在逐漸增加，如投入關(guān)鍵技術(shù)力量多人，耗費(fèi)約 70 萬(wàn)元，歷時(shí) 5年研制出中國(guó)第一臺(tái)條干儀，而電腦條干儀則耗費(fèi) 260 多萬(wàn)元，歷時(shí) 3 年半才完成，其中的主要原因在于： a，沒(méi)有研究平臺(tái)，難以獲得所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)； b，外界力量較難介入，技術(shù)封鎖和溝通困難，技術(shù)參數(shù)及數(shù)據(jù)接口不公開(kāi)，無(wú)法進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)； c，所有儀器是面向企業(yè)用戶(hù)的，測(cè)試時(shí)智能進(jìn)行簡(jiǎn)單條件設(shè)置，而基本參數(shù) 無(wú)法調(diào)整，如采樣頻率、數(shù)據(jù)處理方法、波普?qǐng)D調(diào)整，技術(shù)研究困難較大； d，原來(lái)依靠硬件實(shí)現(xiàn)的功能指標(biāo)，現(xiàn)在用軟件代替，技術(shù)的可學(xué)習(xí)模仿性降低 [4]。 課題的意義及研究的內(nèi)容 研制紗條條干均勻度測(cè)試儀與研究平臺(tái)，從數(shù)據(jù)的采集，到數(shù)據(jù)的處理和最終的顯畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 第 5 頁(yè) 共 58 頁(yè) 示都用單片機(jī)軟硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。并使軟硬件模塊化，可以帶來(lái)制造成本的下降、精度的提高、處理上的靈活性、功能上的強(qiáng)大性、使用上易操作性和友好性、維護(hù)上的方便性、需求上的易擴(kuò)展性；另一方面，原始數(shù)據(jù)可與保存到單片機(jī)的外圍存儲(chǔ)器里，以后可不斷的被調(diào)出和利用，根據(jù)不同的算法 由軟件得到指標(biāo)，方便數(shù)據(jù)處理技術(shù)的研究，相應(yīng)算法模塊的更新，意味著條干儀的更新。 現(xiàn)代信息技術(shù)主要由三大支柱：一是信息的采集技術(shù)（感測(cè)技術(shù)），二是信息的傳輸技術(shù)（通信技術(shù)），三是信息的處理技術(shù)（計(jì)算機(jī)技術(shù)）。所謂信息的采集是指自然界中、生產(chǎn)過(guò)程中或科學(xué)試驗(yàn)中獲取人們需要的信息。信息的采集是通過(guò)感測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，因此感測(cè)技術(shù)實(shí)際上也就是信息采集技術(shù)。顯而易見(jiàn)，在現(xiàn)代信息技術(shù)的三大環(huán)節(jié)中，“采集”是首要的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，沒(méi)有“采集”到的信息通信“傳輸”就是“無(wú)源之水”，計(jì)算機(jī)處理更是“無(wú)米之炊”。敏感元件及傳感器作為信 息技術(shù)和信息系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)元器件和最前沿工具，其技術(shù)水平直接影響檢測(cè)控制系統(tǒng)及信息系統(tǒng)的技術(shù)水平，起到了促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和行業(yè)的技術(shù)跳躍式進(jìn)步，同時(shí)拓展和涉足新的非傳統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用的作用。因此，傳感器技術(shù)在現(xiàn)代信息社會(huì)的作用將更加重要 [5]。 21 世紀(jì)初期 （ 2022 年前后），敏感元件與傳感器發(fā)展的總趨勢(shì)式小型化、集成化、陣列化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化。傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高，各國(guó)競(jìng)相并加速新一代傳感器的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。以計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算機(jī)技術(shù)是信息處理環(huán)節(jié)的主要核心技術(shù)。信息采集過(guò) 來(lái)不進(jìn)行處理，再多的數(shù)據(jù)也只是一堆數(shù)字，沒(méi)有其實(shí)實(shí)在在的意義。現(xiàn)在均勻度儀的數(shù)據(jù)處理采用 WINDOWS 處理系統(tǒng)，將采集過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行求均算出紗線(xiàn)的不勻度，偏差率等對(duì)紗線(xiàn)的各項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估以達(dá)到對(duì)紗線(xiàn)質(zhì)量檢測(cè)的目的并將其結(jié)果用顯示器顯示出來(lái)。本次設(shè)計(jì)就是用單片機(jī)代替 WINDOWS 處理系統(tǒng)，利用匯編語(yǔ)言對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理并送到顯示驅(qū)動(dòng)板，使用驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng) CRT 顯示所要顯示的圖形。由于是使用單片機(jī)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在很大程度上縮小了儀器的體積和成本，便于儀器的攜帶，也使儀器更有市場(chǎng)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 第 6 頁(yè) 共 58 頁(yè) 第 2 章 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)的總體框圖如圖 21所示，主機(jī)先繪制顯示界面，然后主機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行 SPI通信，主機(jī)發(fā)命令將步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)；再發(fā)命令使從機(jī)進(jìn)行 AD采集從信號(hào)調(diào)理出來(lái)的電壓值進(jìn)行運(yùn)算并存儲(chǔ)；當(dāng)主機(jī)等待由從機(jī)傳送過(guò)來(lái)的電壓值時(shí)，先存入主單片機(jī)的內(nèi)部擴(kuò)展的 RAM，再經(jīng)過(guò)主機(jī)運(yùn)算進(jìn)行 BCD拆分后，送 CRT顯示 ,當(dāng)存到 64個(gè)點(diǎn)后，便在 CRT上繪制一段長(zhǎng) 64的曲線(xiàn)，再重新開(kāi)始存下 64個(gè)點(diǎn)，如此往復(fù)。當(dāng)紗線(xiàn)走完時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，開(kāi)始計(jì)算 CV值，并繪制波譜圖