【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 光纖傳到端部射出后再經(jīng)被測(cè)體反射回來(lái)，由另一光纖接收光信號(hào)，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(shí)驗(yàn)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(xiàn)性和測(cè)量?jī)x器本身的誤差，輸人位移或粗糙度和輸出電壓之間沒(méi)有確定的函數(shù)關(guān)系。因此往往事先測(cè)量一組數(shù)據(jù)，然后使用此數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，得到一條擬合曲線(xiàn)。 采集數(shù)據(jù)電壓—位移位移(mm)0電壓(V)0 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集和傳輸電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用的單片機(jī)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(kāi)關(guān)，由C、B、A 的編碼來(lái)決定所選通道。輸出可直接連到單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線(xiàn)上，可對(duì)05V模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。傳輸部分是基于RS232通信協(xié)議，通過(guò)MAX232芯片和計(jì)算機(jī)串口相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 下位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xì)介紹下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)思想。開(kāi)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(jì)算機(jī)結(jié)束 系統(tǒng)軟件總體流程圖 上位機(jī)總體設(shè)計(jì)上位機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)際就是LabVIEW的設(shè)計(jì)，其主要功能是以數(shù)字形式顯示被測(cè)量物體表面粗糙度。其具體功能框圖如圖所示：開(kāi)始串口初始化打開(kāi)串口發(fā)送命令接收數(shù)據(jù)顯示粗糙度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)束 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖第4章 粗糙度測(cè)試儀的下位機(jī)設(shè)計(jì)根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案的要求，本章詳細(xì)論述系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)。整體電路圖見(jiàn)附錄Ⅰ。 信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路的功能主要是完成對(duì)光纖傳感器輸出的微弱不穩(wěn)定信號(hào)進(jìn)行放大濾波，使其輸出電壓信號(hào)滿(mǎn)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(hào)很小。因此在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，就要對(duì)信號(hào)進(jìn)行電壓放大以達(dá)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(jí)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 電壓放大電路電路圖 單片機(jī)及其外圍擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)外圍擴(kuò)展電路主要包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)傳輸電路。 單片機(jī)介紹1. 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用領(lǐng)域單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專(zhuān)用設(shè)備的智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域。此外，單片機(jī)在工商，金融，科研、教育，國(guó)防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。單片機(jī)有8位、16位甚至32位機(jī)，但8位單片機(jī)以它的價(jià)格低廉、品種齊全、應(yīng)用軟件豐富、支持環(huán)境充分、開(kāi)發(fā)方便等特點(diǎn)而占著主導(dǎo)地位。MCS51系列高檔8位單片機(jī)是Intel公司1980年推出的產(chǎn)品，而AT89C51芯片是MCS51系列單片機(jī)中的代表產(chǎn)品，它內(nèi)部集成了功能強(qiáng)大的中央處理器，包含了硬件乘除法器、21個(gè)專(zhuān)用控制寄存器、4kB的程序存儲(chǔ)器、128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、4組8位的并行口、兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器、一個(gè)全雙工的串行口以及布爾處理器。 單片機(jī)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(chǔ)器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)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(jià)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(chǔ)器 ；壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年；全靜態(tài)工作：0Hz24Hz；三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定；128*8位內(nèi)部RAM；32可編程I/O線(xiàn)；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；5個(gè)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(shí)鐘電路；VCC：供電電壓；GND：接地。 AT89C52管腳圖 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)89C52的時(shí)鐘可以?xún)煞N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(shí)鐘電路。下面介紹內(nèi)部時(shí)鐘方式。內(nèi)部有一個(gè)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(gè)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(gè)自激振蕩器。89C52雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)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(jià)時(shí)，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(duì)外接電容的值雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)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?！?2MHz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(shí)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(shí)，CX1和CX2的典型值約為47pF。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體或陶瓷振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)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(yīng)采用溫度穩(wěn)定性能好的NPO高頻電容。本設(shè)計(jì)考慮到打印機(jī)的時(shí)序的要求。 89C52片內(nèi)振蕩器電路圖 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)89C52的復(fù)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(kāi)始執(zhí)行，即從程序存儲(chǔ)器中的0000H地址單元開(kāi)始執(zhí)行程序。在89C52的時(shí)鐘電路工作后，只要在RET引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部則初始復(fù)位。只要RET保持高電平，則89C52循環(huán)復(fù)位。只有當(dāng)RET由高電平變成低電平以后，89C52才從0000H地址開(kāi)始執(zhí)行程序。本系統(tǒng)的復(fù)位電路是采用按鍵復(fù)位的電路，是常用復(fù)位電路之一。當(dāng)89C52的ALE及PSEN兩引腳輸出高電平，RET引腳高電平到時(shí)，單片機(jī)復(fù)位。通過(guò)按動(dòng)按鈕產(chǎn)生高電平復(fù)位稱(chēng)手動(dòng)復(fù)位。上電時(shí)，剛接通電源，電容C相當(dāng)于瞬間短路，+5V立即加到RET/VPD端，該高電平使89C52全機(jī)自動(dòng)復(fù)位，這就是上電復(fù)位；若運(yùn)行過(guò)程中需要程序從頭執(zhí)行，只需按動(dòng)按鈕即可。按下按鈕，則直接把+5V加到了RET/VPD端從而復(fù)位稱(chēng)為手動(dòng)復(fù)位。復(fù)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(fù)位電路 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器是目前品種最多、應(yīng)用最廣的ADC器件。它有兩個(gè)類(lèi)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(kāi)關(guān)，可對(duì)8路0～5V的輸入模擬電壓分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換約需時(shí)間100181。s（相應(yīng)的時(shí)鐘頻率為640KHz），片內(nèi)具有多路開(kāi)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(jī)的數(shù)據(jù)總線(xiàn)上。ADC0809內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，故時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)由單片機(jī)提供（接10腳CLOCK端）。本課題使用的單片機(jī)時(shí)鐘頻率為12MHz，若與單片機(jī)接口時(shí)，可利用其地址鎖存允許信號(hào)ALE（2000KHz）經(jīng)2個(gè)D觸發(fā)器四分頻獲得500KHz的時(shí)鐘，恰好滿(mǎn)足0809對(duì)時(shí)鐘頻率的要求。 ADC0809管腳圖該芯片共有28個(gè)引腳，具體引腳功能如下：輸入引腳IN0～I(xiàn)N7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(jī)提供， ；START為啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)的控制端，在一個(gè)正脈沖作用之后，轉(zhuǎn)換器就開(kāi)始工作。； 地址編碼編碼通道ABC000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ALE為地址鎖存信號(hào)輸入端，當(dāng)ALE為高電平時(shí)，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(shí)鐘信號(hào)CLK是時(shí)鐘信號(hào)輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器要求的時(shí)鐘頻率為640KHz，如果高于此頻率，轉(zhuǎn)換器無(wú)法正常工作；參考電壓端口REF(+)和REF()是用來(lái)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(hào)OE，當(dāng)OE為高電平時(shí)，允許從A/D轉(zhuǎn)換器鎖存器中讀取數(shù)字量；標(biāo)志信號(hào)EOC是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完畢時(shí)，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(xún)信號(hào)；電源端 VCC接地端GND。由于本設(shè)計(jì)只要求一路模擬信號(hào)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。： ADC0809工作時(shí)序圖： ADC0809和單片機(jī)連接圖 串行通信的設(shè)計(jì)串行口主要由數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器、輸出控制門(mén)、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(gè)地址，由于數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器只能寫(xiě)入，不能讀出，而數(shù)據(jù)接收緩沖器只能讀出，不能寫(xiě)入，所以會(huì)造成操作混亂。串行口是通過(guò)管腳TXD和RXD與外界進(jìn)行通信的，： 89C51單片機(jī)串行口內(nèi)部結(jié)構(gòu) 51單片機(jī)內(nèi)部有SCON和PCON兩個(gè)特殊功能寄存器，專(zhuān)門(mén)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(chēng)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(dāng)SMOD=1時(shí)，串行口波特率加倍，單片機(jī)復(fù)位時(shí)SMOD=0。 電源控制寄存器PCON位名稱(chēng)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(guò)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(qǐng)求信號(hào)，在中斷服務(wù)程序中，應(yīng)由軟件給TI清零，這樣才能再次進(jìn)行下一幀數(shù)據(jù)串行發(fā)送。接收數(shù)據(jù)的過(guò)程為：當(dāng)REN=1時(shí)，CPU開(kāi)始對(duì)RXD不斷采樣，一旦采樣到負(fù)跳變時(shí)，便開(kāi)始接收8位數(shù)據(jù)，當(dāng)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(dāng)SM2=0且RB8=1時(shí)，