【文章內(nèi)容簡介】 光纖傳到端部射出后再經(jīng)被測體反射回來，由另一光纖接收光信號，再由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電量，而光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的電量大小與間距X 有關(guān)。 光纖傳感器特性實驗由于光纖傳感器探頭由于系統(tǒng)所獲得的數(shù)據(jù)具有非線性和測量儀器本身的誤差，輸人位移或粗糙度和輸出電壓之間沒有確定的函數(shù)關(guān)系。因此往往事先測量一組數(shù)據(jù)，然后使用此數(shù)據(jù)進行曲線擬合，得到一條擬合曲線。 采集數(shù)據(jù)電壓—位移位移(mm)0電壓(V)0 單片機數(shù)據(jù)采集和傳輸電路的設(shè)計本系統(tǒng)采用的單片機是AT89C52。選用的A/D轉(zhuǎn)換器是ADC0809，ADC0809是目前比較常用的一種逐次比較式8路模擬量輸入、8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選1的模擬開關(guān)，由C、B、A 的編碼來決定所選通道。輸出可直接連到單片機的數(shù)據(jù)總線上，可對05V模擬信號進行轉(zhuǎn)換。傳輸部分是基于RS232通信協(xié)議，通過MAX232芯片和計算機串口相連進行數(shù)據(jù)傳輸。 下位機軟件系統(tǒng)設(shè)計軟件系統(tǒng)主要包括主程序、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸。下面詳細介紹下位機的軟件設(shè)計思想。開始程序初始化數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸計算機結(jié)束 系統(tǒng)軟件總體流程圖 上位機總體設(shè)計上位機的設(shè)計實際就是LabVIEW的設(shè)計，其主要功能是以數(shù)字形式顯示被測量物體表面粗糙度。其具體功能框圖如圖所示：開始串口初始化打開串口發(fā)送命令接收數(shù)據(jù)顯示粗糙度數(shù)據(jù)存儲結(jié)束 上位機程序設(shè)計流程圖第4章 粗糙度測試儀的下位機設(shè)計根據(jù)總體設(shè)計方案的要求，本章詳細論述系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計。整體電路圖見附錄Ⅰ。 信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路的功能主要是完成對光纖傳感器輸出的微弱不穩(wěn)定信號進行放大濾波，使其輸出電壓信號滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求，在0～5V范圍內(nèi)。由于反射式光纖位移傳感器的輸出電壓信號很小。因此在進行A/D轉(zhuǎn)換時，就要對信號進行電壓放大以達到轉(zhuǎn)換要求。故而在傳感器和A/D轉(zhuǎn)換電路之間加入了一級有源放大電路，使輸出電壓為0～5V，從而為后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換電路提供必要條件。圖中的放大倍數(shù)為100倍可滿足設(shè)計要求。 電壓放大電路電路圖 單片機及其外圍擴展電路的設(shè)計單片機外圍擴展電路主要包括時鐘電路、復位電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)傳輸電路。 單片機介紹1. 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應用領(lǐng)域單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域。此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。單片機有8位、16位甚至32位機，但8位單片機以它的價格低廉、品種齊全、應用軟件豐富、支持環(huán)境充分、開發(fā)方便等特點而占著主導地位。MCS51系列高檔8位單片機是Intel公司1980年推出的產(chǎn)品，而AT89C51芯片是MCS51系列單片機中的代表產(chǎn)品，它內(nèi)部集成了功能強大的中央處理器，包含了硬件乘除法器、21個專用控制寄存器、4kB的程序存儲器、128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器、4組8位的并行口、兩個16位的可編程定時/計數(shù)器、一個全雙工的串行口以及布爾處理器。 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖AT89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C52是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。2. AT89C52特性其主要特性是：可與MCS51 兼容；8K字節(jié)可編程閃爍存儲器 ；壽命：1000寫/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時間：10年；全靜態(tài)工作：0Hz24Hz；三級程序存儲器鎖定；128*8位內(nèi)部RAM；32可編程I/O線；兩個16位定時器/計數(shù)器；5個中斷源；可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；片內(nèi)振蕩器和時鐘電路；VCC：供電電壓；GND：接地。 AT89C52管腳圖 時鐘電路設(shè)計89C52的時鐘可以兩種方式產(chǎn)生，一種是內(nèi)部方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路；另一種方式為外部方式。本系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘電路。下面介紹內(nèi)部時鐘方式。內(nèi)部有一個用于構(gòu)成震蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器。89C52雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外接元件。外接晶體（在頻率穩(wěn)定性不高，而盡可能要求廉價時，可選用陶瓷諧振器）以及電容CX1和CX2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響振蕩頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性，起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。～12MHz之間任選，電容CX1和CX2的典型值在20pF～100pF之間選擇，但在60pF～70pF時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。典型值通常選擇為30pF左右。外接陶瓷諧振器時，CX1和CX2的典型值約為47pF。在設(shè)計印刷電路板時，晶體或陶瓷振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應采用溫度穩(wěn)定性能好的NPO高頻電容。本設(shè)計考慮到打印機的時序的要求。 89C52片內(nèi)振蕩器電路圖 復位電路的設(shè)計89C52的復位輸入引腳RET（即RESET）為89C52提供了初始化的手段。有了它可以使程序從指定處開始執(zhí)行，即從程序存儲器中的0000H地址單元開始執(zhí)行程序。在89C52的時鐘電路工作后，只要在RET引腳上出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平時，單片機內(nèi)部則初始復位。只要RET保持高電平，則89C52循環(huán)復位。只有當RET由高電平變成低電平以后，89C52才從0000H地址開始執(zhí)行程序。本系統(tǒng)的復位電路是采用按鍵復位的電路，是常用復位電路之一。當89C52的ALE及PSEN兩引腳輸出高電平，RET引腳高電平到時，單片機復位。通過按動按鈕產(chǎn)生高電平復位稱手動復位。上電時，剛接通電源，電容C相當于瞬間短路，+5V立即加到RET/VPD端，該高電平使89C52全機自動復位，這就是上電復位；若運行過程中需要程序從頭執(zhí)行，只需按動按鈕即可。按下按鈕，則直接把+5V加到了RET/VPD端從而復位稱為手動復位。復位后，P0到P3并行I/O口全為高電平，其它寄存器全部清零，只有SBUF寄存器狀態(tài)不確定。圖 按鍵電平復位電路 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器是目前品種最多、應用最廣的ADC器件。它有兩個類別，一是單芯片集成化A/D轉(zhuǎn)換器，另一是混合集成化A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0809轉(zhuǎn)換器是單芯片集成化A/D轉(zhuǎn)換器，是8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的。ADC0809由單一＋5V電源供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8位模擬多路開關(guān)，可對8路0～5V的輸入模擬電壓分時進行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換約需時間100181。s（相應的時鐘頻率為640KHz），片內(nèi)具有多路開關(guān)的地址譯碼器和鎖存電路，高阻抗斬波器，比較器，輸出緩沖鎖存器，可以直接接到單片機的數(shù)據(jù)總線上。ADC0809內(nèi)部沒有時鐘電路，故時鐘信號應由單片機提供（接10腳CLOCK端）。本課題使用的單片機時鐘頻率為12MHz，若與單片機接口時，可利用其地址鎖存允許信號ALE（2000KHz）經(jīng)2個D觸發(fā)器四分頻獲得500KHz的時鐘，恰好滿足0809對時鐘頻率的要求。 ADC0809管腳圖該芯片共有28個引腳，具體引腳功能如下：輸入引腳IN0～IN7是8路模擬量輸入端，接收要轉(zhuǎn)換的模擬數(shù)據(jù)；輸出引腳 D0～D7為數(shù)據(jù)輸出端，其功能是將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)由此端輸出；通道控制單元A、B、C為8路輸入通道的選通單元，每次只能選通一條通道。C、B、A的編碼由單片機提供， ；START為啟動A/D轉(zhuǎn)換信號的控制端，在一個正脈沖作用之后，轉(zhuǎn)換器就開始工作。； 地址編碼編碼通道ABC000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ALE為地址鎖存信號輸入端，當ALE為高電平時，允許C、B、A所示的通道被選中，并將該通道的模擬量接入A/D轉(zhuǎn)換器；時鐘信號CLK是時鐘信號輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器要求的時鐘頻率為640KHz，如果高于此頻率，轉(zhuǎn)換器無法正常工作；參考電壓端口REF(+)和REF()是用來提供A/D轉(zhuǎn)換的量化單位。一般REF(+)=5V，REF()=0V；輸出允許控制信號OE，當OE為高電平時，允許從A/D轉(zhuǎn)換器鎖存器中讀取數(shù)字量；標志信號EOC是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標志信號，當A/D轉(zhuǎn)換完畢時，EOC端輸出高電平，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，因此EOC可作為CPU的中斷或查詢信號；電源端 VCC接地端GND。由于本設(shè)計只要求一路模擬信號輸入即可，因此C、B、A引腳并聯(lián)接地便選通了IN0口，可以滿足設(shè)計要求。： ADC0809工作時序圖： ADC0809和單片機連接圖 串行通信的設(shè)計串行口主要由數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器、輸出控制門、數(shù)據(jù)接收緩沖器SBUF、接收控制器和輸入移位寄存器組成。其中數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器和數(shù)據(jù)接收緩沖器共用一個地址，由于數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器只能寫入，不能讀出，而數(shù)據(jù)接收緩沖器只能讀出，不能寫入，所以會造成操作混亂。串行口是通過管腳TXD和RXD與外界進行通信的，： 89C51單片機串行口內(nèi)部結(jié)構(gòu) 51單片機內(nèi)部有SCON和PCON兩個特殊功能寄存器，專門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各位的定義如下圖所示： SCON各位定義 串行口控制寄存器SCON各位的定義SM0 SM1工作方式選擇工作方式波特率0 0方式0移位寄存器0 1方式110位異步收發(fā)波特率可變，由T1控制1 0方式211位異步收發(fā)或1 1方式312位異步收發(fā)波特率可變，由T1控制電源控制寄存器PCON各位的名稱如圖所示，其字節(jié)地址位87H，不能尋址。最高位SMOD為串行口波特率倍增位，當SMOD=1時，串行口波特率加倍，單片機復位時SMOD=0。 電源控制寄存器PCON位名稱SMOD————GF1GF0 PDIDL本課題采用的是串口工作方式2，為11位（即1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位可編程位和1位停止位）的異步通信。發(fā)送數(shù)據(jù)的過程為：先發(fā)送起始位0，再由低位到高位發(fā)送8位數(shù)據(jù)位，然后發(fā)送可編程位TB8，最后發(fā)停止位。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后由硬件置位TI，向CPU發(fā)中斷請求信號，在中斷服務程序中，應由軟件給TI清零，這樣才能再次進行下一幀數(shù)據(jù)串行發(fā)送。接收數(shù)據(jù)的過程為：當REN=1時，CPU開始對RXD不斷采樣，一旦采樣到負跳變時，便開始接收8位數(shù)據(jù)，當8位數(shù)據(jù)接收完后，將可編程位（第9位數(shù)據(jù)）裝入RB8。當SM2=0且RB8=1時，