【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 第 1 頁 共 58 頁 電容式條干儀在 紗線控制中 的應(yīng)用 摘要： 條干儀在紡紗中的應(yīng)用系統(tǒng)由信號調(diào)理電路、單片機(jī)主板電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板、 CRT 驅(qū)動板及旋轉(zhuǎn)開關(guān)電路 6 部分所組成。信號調(diào)理電路主要實(shí)現(xiàn)將紗線的厚度通過電容橋式電路轉(zhuǎn)化為電壓信號，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通信對各驅(qū)動板進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)一個完整的系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板和 CRT 驅(qū)動板作為主單片機(jī)的控制對象，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動和在 CRT上顯示所需要測量的不同參數(shù)。旋轉(zhuǎn)開關(guān)電路作為人機(jī)交互的工具，通過左右 旋轉(zhuǎn)和確定鍵，來啟動該系統(tǒng)。該系統(tǒng)的軟件包含對電壓信號的 AD采集、處理并存儲采集的數(shù)據(jù)、啟動步進(jìn)電機(jī)、繪制 CRT顯示界面等。 關(guān)鍵詞： 信號調(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)說明書 (論文 ) 第 2 頁 共 58 頁 前言 紗線、粗紗、條子的條干不勻是指紗條沿紗條長度方向紗條線密度不均勻的程度，它是紗條品質(zhì)的重要指標(biāo)。條干不勻會反映在強(qiáng)力、伸長、線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紡織工廠中已廣泛使用，并成為條干均勻度評價(jià)分等及紗條不勻結(jié)構(gòu)分析的主要手段。現(xiàn)在大多條干儀的數(shù)據(jù)處理采用工程計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，整個系統(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)改成由多個單片機(jī)相互通信而組成的處理系統(tǒng)。單片機(jī)作為過去、現(xiàn)在乃至將來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，而其性能并沒有改變多少。 電容式條干儀在 紗線控制中的 應(yīng)用就是對這個系統(tǒng)中的主單片機(jī)所進(jìn)行的，同時與CRT 驅(qū)動板、從單片機(jī)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板之間進(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；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)動板顯示，并繪制線密度曲線和顯示界面。從機(jī)在進(jìn)行 AD采集的時候，先采 16個點(diǎn)，取其平均值后，一邊將實(shí)測電壓傳給主單片機(jī)，一邊將實(shí)測電壓與平均值進(jìn)行平方差運(yùn)算后，存入外部 RAM中，等到一管紗線測完后，主機(jī)發(fā)命令使電機(jī)停止，從機(jī)開始計(jì)算 CV值和不同波長的 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)說明書 (論文 ) 第 3 頁 共 58 頁 第 1 章 緒論 引言 自從 1970 年瑞士烏斯特（ Uster）公司推出 USTER TESTER I 紗線條干儀以來，技術(shù)不斷改進(jìn)，測試指標(biāo)不斷增加，功能不斷增強(qiáng)，到目前為止，已經(jīng)升級換代至USTER_4。新型 USTER TESTER 4_SX 采用模塊系統(tǒng)，便于客戶使用，該儀器能滿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)測試毛羽，并采用兩個完全新型的光學(xué)傳感器測試如棉籽殼碎片、紗線形狀和直徑等參數(shù)。 USTER TESTER 4_SX 的操作為滿足客戶需要已被簡化。該儀器不僅可以存儲所有數(shù)據(jù)，而且可以繪制出報(bào)告的各種圖 形，如用于趨勢分析的長片段報(bào)告；另一個特點(diǎn)就是在測量的同時可以打印出報(bào)告來。關(guān)于曲線圖的所有存儲結(jié)果可重新掉出來進(jìn)行研究，必要的話可以調(diào)整曲線圖的比例。由于 USTER TESTER 4_SX 測量的參數(shù)增加，因此重點(diǎn)研究開發(fā)智能元件，以幫助客戶處理大量的新數(shù)據(jù)。這些智能元件可鑒別測試結(jié)果，其軟件可對客戶所需的基本參數(shù)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理，如預(yù)設(shè)的偏差能作為一個特殊的報(bào)告被打印出來。該系統(tǒng)能夠顯示機(jī)器元件缺陷造成的周期性錯誤。這個功能大大縮短了從檢測到糾正錯誤的時間，提高了紗線質(zhì)量，大大減少了廢料，增強(qiáng)了客戶的競 爭力 [1]。 條干儀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在中國， 1987 年前后分別推出了 YG131（陜西寶雞長嶺）和 YG133（蘇州長風(fēng)）型紗線條干均勻度儀， 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，中國推出了全計(jì)算機(jī)型的 YG135G、 YG136（長嶺）、 YG133C（長風(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 門限曲線、線密度 （ +100~+230%） 頻率分布圖和 CV 值水平、不勻指數(shù) I 值水平和專家斷分析系統(tǒng)，并對變異系數(shù) 切斷長度實(shí)現(xiàn)了實(shí)時 75 點(diǎn)自動計(jì)算，使電容條干測試分析系統(tǒng)的水平躍上了一個新的臺階。另外 YH121 在線條干儀可用于在細(xì)紗機(jī)上逐錠對紗線條干進(jìn)行檢測，操作簡單易行； YG135T 條干儀專用于前紡，提供條子和粗紗的 CV值、畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 第 4 頁 共 58 頁 波普圖； YG136 可以測量條子、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)速和我啟動停止完全實(shí)現(xiàn)自動控制； 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 [2]。 但是總體上來看，國內(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，使得紡織檢測技術(shù)水平迅速提高，檢測儀器的自動化程度也進(jìn)一步提高和完善，然而現(xiàn)在自動化程度的提高已經(jīng)不像過去那樣只是片面的強(qiáng)調(diào)效率，而更多的是為了檢測質(zhì)量、穩(wěn)定性、靈敏度和易操作性。自動化控制從單片機(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)用在國外主流 紡織檢測儀器上隨處可見，如以上介紹的 USTER TESTER 4[3]。 我國研究、生產(chǎn)紡織檢測儀器已有數(shù)十年的歷史，縱觀我國生產(chǎn)的紡織檢測儀器，絕大多數(shù)是仿造國際上已有的產(chǎn)品，再加上我國的生產(chǎn)制造水平不高，使得我國紡織檢測儀器很難再世界紡織檢測儀器市場上占有一席之地。因此，我國的紡織檢測儀器不僅要在價(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。 各個國家及相關(guān)企業(yè)把條干均勻度儀當(dāng)作紡織專用測試儀器中的制高點(diǎn)來爭奪。一方面，彼此的競爭促進(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 大地阻礙了條干測試技術(shù)、條子分析技術(shù)的研究與發(fā)展，國內(nèi)條干測試分析技術(shù)的現(xiàn)狀已經(jīng)充分說明了這一點(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 萬元，歷時 5年研制出中國第一臺條干儀，而電腦條干儀則耗費(fèi) 260 多萬元，歷時 3 年半才完成，其中的主要原因在于： a，沒有研究平臺，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，無法進(jìn)行二次開發(fā)； c，所有儀器是面向企業(yè)用戶的，測試時智能進(jìn)行簡單條件設(shè)置，而基本參數(shù) 無法調(diào)整，如采樣頻率、數(shù)據(jù)處理方法、波普圖調(diào)整，技術(shù)研究困難較大； d，原來依靠硬件實(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試儀與研究平臺，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)說明書 (論文 ) 第 5 頁 共 58 頁 示都用單片機(jī)軟硬件來實(shí)現(xiàn)。并使軟硬件模塊化，可以帶來制造成本的下降、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。信息的采集是通過感測技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，因此感測技術(shù)實(shí)際上也就是信息采集技術(shù)。顯而易見，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)，沒有“采集”到的信息通信“傳輸”就是“無源之水”，計(jì)算機(jī)處理更是“無米之炊”。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，各國競相并加速新一代傳感器的開發(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 來不進(jìn)行處理，再多的數(shù)據(jù)也只是一堆數(shù)字，沒有其實(shí)實(shí)在在的意義?，F(xiàn)在均勻度儀的數(shù)據(jù)處理采用 WINDOWS 處理系統(tǒng)，將采集過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行求均算出紗線的不勻度，偏差率等對紗線的各項(xiàng)指標(biāo)評估以達(dá)到對紗線質(zhì)量檢測的目的并將其結(jié)果用顯示器顯示出來。本次設(shè)計(jì)就是用單片機(jī)代替 WINDOWS 處理系統(tǒng)，利用匯編語言對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理并送到顯示驅(qū)動板，使用驅(qū)動板驅(qū)動 CRT 顯示所要顯示的圖形。由于是使用單片機(jī)來進(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。 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 (論文 ) 第 6 頁 共 58 頁 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)動進(jìn)行 SPI通信，主機(jī)發(fā)命令將步進(jìn)電機(jī)啟動；再發(fā)命令使從機(jī)進(jìn)行 AD采集從信號調(diào)理出來的電壓值進(jìn)行運(yùn)算并存儲；當(dāng)主機(jī)等待由從機(jī)傳送過來的電壓值時，先存入主單片機(jī)的內(nèi)部擴(kuò)展的 RAM，再經(jīng)過主機(jī)運(yùn)算進(jìn)行 BCD拆分后，送 CRT顯示 ,當(dāng)存到 64個點(diǎn)后，便在 CRT上繪制一段長 64的曲線，再重新開始存下 64個點(diǎn)，如此往復(fù)。當(dāng)紗線走完時，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，開始計(jì)算 CV值，并繪制波譜圖