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機(jī)械裝置性能綜合測(cè)試硬件設(shè)計(jì)畢業(yè)論文-文庫(kù)吧資料

2025-03-07 04:53本頁(yè)面
  

【正文】 ol11uFC60Cap Pol11uFC65Cap Pol11uFC64Cap Pol11uFC55Cap Pol15V 圖 壓力信號(hào)調(diào)理電路 167。由于傳 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 18 感器采集到的是毫伏級(jí)的電壓信號(hào),十分微弱,需要用兩級(jí)放大器進(jìn)行前置和后級(jí)驅(qū)動(dòng)放大,電壓匹配后把電壓信號(hào)輸入相應(yīng)的單片機(jī) I/O 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。3. 壓力信號(hào)調(diào)理 下圖 為壓力傳感器輸出信號(hào)的調(diào)理電路原理圖。其中 LM358 是高增益的雙運(yùn)算放大器,其芯片內(nèi)部含有兩個(gè)獨(dú)立的放大器,因此,只需兩個(gè) LM358 就可完成對(duì) 4 路模擬信號(hào)的放大,把電壓信號(hào)放大至 A/D 轉(zhuǎn)換相匹配的電壓。該調(diào)理電路簡(jiǎn)單,對(duì)直線 位移傳感器 、加速度傳感器 X、 Y 方向分別輸出的 4 路模擬信號(hào)進(jìn)行濾波放大處理。 167。辨向處理后雙 D 觸發(fā)器 Q1 端輸出信號(hào)輸入緩沖器進(jìn)行緩沖驅(qū)動(dòng)。濾波后的四路 信號(hào)經(jīng) 74HC14 六反相器(施密特觸發(fā)器)波形規(guī)整后, A、 Z 相對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)直接進(jìn)入 74HC245 方向可控緩沖器。 機(jī)構(gòu)主軸 切削阻力 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 滑枕震動(dòng) 光電編碼器 直線位移傳感器 壓力傳感器 震動(dòng)加速度傳感器 調(diào) 理 電 路 A/D 轉(zhuǎn)換 單片機(jī) 計(jì)算機(jī) 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 16 167。 信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì) 信號(hào)調(diào)理主要完成測(cè)試信號(hào)的放大、濾波和阻抗匹配等工作,把從傳感器獲得的信號(hào)調(diào)理至 A/D 轉(zhuǎn)換所允許的范圍之內(nèi)。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20LCD1LCD12864GNDGND1KR35RPotVCCVCCP00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P21 P22 P23P24 P25 P26 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 15 圖 單片機(jī)顯 示模塊 167。具有多種功能:光標(biāo)顯示、畫(huà)面位移、睡眠模式等。 .5 12864 顯示模塊 12864 液晶顯示模塊是 128 64 點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊,可顯示漢字圖形, 內(nèi)置國(guó)標(biāo) GB2312 碼簡(jiǎn)體漢字字庫(kù)、 128 個(gè)字符及 64 256 點(diǎn)陣顯示 RAM。 AIN01AIN12AIN23AIN44A05A16A27VSS8SDA9SCL10OSC11EXT12AGOD13VREF14AOUT15VDD16U13PCF8591C74CapAGNDAGNDTMPoutSVoutaXoutmVout1uFC73Cap Pol1+5V 圖 PCF8591 在本設(shè)計(jì)中 A/D 轉(zhuǎn)換的四路輸入信號(hào)分別是 加速度信號(hào)位移信號(hào)和壓力信號(hào),信號(hào)傳入后經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換 后通過(guò) SDA 口輸入到單片機(jī)的引腳 后在進(jìn)行信號(hào)的處理。 AOUT: D/A 轉(zhuǎn)換輸出端。 EXT:內(nèi)部、外部時(shí)鐘選擇線,使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí) EXT 接地。 SDA、 SCL: I2C總線的數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線。 A0A2:引腳地址端。在 PCF8591 器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號(hào)都是通過(guò)雙線雙向 I2C 總線以串行的方式進(jìn)行傳輸。C 總線接口 。 .4 PCF8591 簡(jiǎn)介 PCF8591 是一個(gè)單片集成、單獨(dú)供電、低功耗、 8bit CMOS 數(shù)據(jù)獲取器件。若使用頻率為 12MHz 的晶振,則復(fù)位信號(hào)應(yīng)持續(xù) 2181。手動(dòng) 按鍵 復(fù)位同樣是在 按鍵 按下的瞬間使電容完成先放電再充電的 過(guò)程,也能產(chǎn)生一個(gè)維持幾個(gè)機(jī)器周期的高電平脈沖使單片機(jī)有效復(fù)位。由于電容兩端的電壓不能突變,在上電的瞬間電容負(fù)端的電位和正端的電位相同都為高電平 5V,緊接著電源給電容充電,經(jīng)過(guò)很快的時(shí)間充電過(guò)程結(jié)束,電容對(duì)于直流電來(lái)說(shuō)是斷路,此時(shí) RST 引腳通過(guò) R12接地。 167。 振蕩器的工作頻率一般在 ~ 12MHz 之間,由于制造工藝的改進(jìn),有些單片微機(jī)的頻率范圍正向兩端延伸,高端可達(dá) 40MHz,低端可達(dá) 0Hz, 一般用 晶振。外接晶體諧振器以及電容 C1 和C2 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路,接在放大器的反饋回路中。MCS51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振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。 167。 ( 10) XTAL1: 輸入到單片微機(jī)內(nèi)部振蕩器的反相放大器 。 ( 8) /PSEN: 片外 程序存儲(chǔ)器 讀 選通信號(hào) ,低電平有效 。 ( 6) RST:復(fù)位輸入 信號(hào),高電平有效 。 ( 4) P2 口: P2 口 是 一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口, P2口緩沖器可接收,輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流 。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 12 ( 2) P0 口: P0 口 是 一個(gè) 8 位 、 漏 極 開(kāi)路 的 雙向 I/O 口,每腳可吸收 8 個(gè) TTL門(mén)電流。 1 個(gè) 8 位的 CPU、 1 個(gè)布爾處理機(jī)、 1 個(gè)片內(nèi)震蕩器、 128 字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、 4K字節(jié)的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、尋址范圍為 64K 字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器、 21 字節(jié)的專用存儲(chǔ)器、 4 個(gè)并行 I/O 口、 1 個(gè)全雙工的串行口、 2 個(gè) 16位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、 5 個(gè)中斷源、 2 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)和 111 條指令,片內(nèi)采用單總線結(jié)構(gòu)。 單片機(jī)簡(jiǎn)介 此次設(shè)計(jì)的單片機(jī)是使用開(kāi)發(fā)版上的深圳宏晶科技 生產(chǎn)的 STC8954 單片機(jī)。 主控制電路及顯示模塊 此次設(shè)計(jì)是基于 LY51S 開(kāi)發(fā)板的設(shè)計(jì),主控制電路、 AD 轉(zhuǎn)換芯片、EEPROM、和顯示模塊都是基于開(kāi)發(fā)版來(lái)設(shè)計(jì)使用的。工作過(guò)程中,加速度作用使連桿偏斜,微分電容不平衡,進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)振幅與加速度成比例的方波信號(hào)輸出,經(jīng)解調(diào)器矯正并確定出加速度的方向 。該傳感器具有多晶硅面微機(jī)械結(jié)構(gòu)且附于硅膠片上,傳感器上的多晶硅彈片使其懸浮在膠片表面,并產(chǎn)生一個(gè)加速度反力。 ADXL320 的測(cè)量范圍是 5g ~ +5g,方向精度 176。 ADXL320內(nèi)部安裝雙軸加速度檢測(cè)芯片,圖 為其內(nèi)部電路圖。 167。當(dāng)傳感器彈性元件不受力時(shí),電阻應(yīng)變 片不產(chǎn)生變形,由于沒(méi)有阻值的變化,電橋維持初始平衡,輸出電壓為零;當(dāng)傳感器彈性元件受力時(shí),電阻應(yīng)變片承受應(yīng)力,電阻發(fā)生變化,電橋處于不平衡狀態(tài),輸出端電壓不為零且輸出電壓正比于應(yīng)變片受力產(chǎn)生的電阻變化量。主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片、測(cè)量電路和傳輸電纜組成。當(dāng)?shù)毒咔邢鞴ぜr(shí),刀 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 9 具受到切削阻力的作用,傳感器感應(yīng)部位承受壓力作用,引起內(nèi)部電阻發(fā)生改變,輸出電壓信號(hào)。 壓力傳感器 壓力傳感器用于測(cè)量刨刀的切削阻力,本系統(tǒng)采用一種定制的微型承載力傳感器,其量程為 5000N。主要參數(shù)如下: ?? 可測(cè)量范圍為 450mm ?? 標(biāo)稱阻值 5K???? 線性度誤差為 % ?? 電阻溫度系數(shù) ≤ % /176。內(nèi)部安裝一只 5k?的可變電阻,傳感器的信號(hào)端電壓隨導(dǎo)桿伸縮而變化。 根據(jù)執(zhí)行構(gòu)件的最大行程量,選用型號(hào)為 CWYDW450 的直線位移傳感器,最大行程為 450mm。傳感器內(nèi)部安裝有電位器,電位器上的可變電阻滑軌連接在被測(cè)設(shè)備固定位置,通過(guò)滑片在滑軌上移動(dòng)的位置來(lái)測(cè)量出不同的阻值。 直線位移傳感器 選用 CWYDW 系列電阻式直線位移傳感器測(cè)量執(zhí)行構(gòu)件直線位移。若增量脈沖超前于辨向脈沖,對(duì)應(yīng)工作軸正轉(zhuǎn);若辨向脈沖超前于增量脈沖相,對(duì)應(yīng)工作軸反轉(zhuǎn)。同時(shí),編碼器具有辨 別方向的功能,辨向脈沖和增量脈沖是相位差為 90176。/m ,增量編碼器的分辨率取決于扇形區(qū)的多少,分辨率為 =360176。中間一圈碼道為增量碼道,最內(nèi)一圈碼道為辨向碼道。光源通過(guò)碼盤(pán)上的三個(gè)碼道,由三個(gè)光電元件接收,其對(duì)應(yīng)輸出 Z(零位脈沖)、 A(增量脈沖)、 B(辨向脈沖)三位脈沖信號(hào)。圖 為光電編碼器的外觀圖。 光電編碼器 光電編碼器用于測(cè)量系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主軸的轉(zhuǎn)角位移。其中,光電編碼器為數(shù)字傳感器,輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào);直線位移傳感器、壓力傳感器、功率傳感器、加速度傳感器是模擬傳感器,輸出信號(hào)是模擬信號(hào)。 為研究機(jī)械設(shè)備的機(jī)械效率、機(jī)械速度波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)等性能,系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主軸轉(zhuǎn)角、執(zhí)行構(gòu)件直線運(yùn)動(dòng)位移、 刨刀切削阻力、電機(jī)輸入功率、滑枕振動(dòng)加速度等參量進(jìn)行測(cè)量。數(shù)字傳感器將被測(cè)模擬參量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出,不需要 A/D轉(zhuǎn)換,可直接輸入控制器處理。 傳感器按照輸出 信號(hào)的形式分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器。傳感器總是處于測(cè)試系統(tǒng)的最前端,用來(lái)獲取檢測(cè)信息,其性能、精度將直接影響整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的性能和精度 [15]。計(jì)算機(jī)與主控制器間選用RS232 通信接口,進(jìn)行串行通信。一方面計(jì)算機(jī)接收主控制器傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),并存入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)曲線顯示以及相關(guān)的數(shù)據(jù)分析和處理。其中信號(hào)調(diào)理電路主要完成測(cè)試信號(hào)的放大、濾波和阻抗匹配等工作,把從傳感器獲得的信號(hào)調(diào)理至主控制器所允許的范圍機(jī) 械 裝置 信號(hào)調(diào)理電路 主控 制器 計(jì) 算 機(jī) 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 6 之內(nèi),以滿足 A/D轉(zhuǎn)換的滿量程輸入要求。機(jī)械裝置就是指 實(shí)驗(yàn)設(shè)備本身;數(shù)據(jù)采集模塊主要由傳感器、信號(hào)調(diào)理和主控制器組成; 通訊模塊主要包括下位機(jī)和計(jì)算機(jī) 。測(cè)試系統(tǒng)的總體框圖組成如圖 所示。 167。具體包括: 主控制電路模塊 、數(shù)據(jù)通信模塊、液晶顯示模塊、各測(cè)試參數(shù)對(duì)應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路。 測(cè)試系統(tǒng) 硬件 劃分 系統(tǒng)軟硬件劃分是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),軟硬件劃分的合理性,直接影響測(cè)試系統(tǒng)的研制周期、精度、可靠性、性能價(jià)格比。調(diào)試過(guò)程中可能會(huì)遇到各種問(wèn)題,若是硬件問(wèn)題,就應(yīng)修改硬件電路;若是軟件問(wèn)題, 就應(yīng)修改相應(yīng)程序;若是系統(tǒng)問(wèn)題,就應(yīng)對(duì)硬件、軟件同時(shí)修改,如此往復(fù),直到合格為止。整個(gè)電路設(shè)計(jì)完成之后,就可進(jìn)行電路板制作,最后進(jìn)行裝配與調(diào)試。軟硬件劃分時(shí)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期、性價(jià)比等因素做出合理分配。 ③ 擬定總體設(shè)計(jì)方案 把測(cè)試系統(tǒng)劃分為便于實(shí)現(xiàn)的軟硬件功能模塊。1 .1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般過(guò)程 測(cè)試系統(tǒng)的 開(kāi)發(fā)過(guò)程通常分為以下五個(gè)階段: ① 需求分析 需求分析就是根據(jù)用戶對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析。進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)時(shí),首先要了解測(cè)試系統(tǒng)設(shè) 計(jì)的一般過(guò)程、測(cè)試內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)功能及精度可靠性等要求,這樣才能設(shè)計(jì)出更為合適的系統(tǒng)方案 。 ○ 3 運(yùn)用 C語(yǔ)言完成下位機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、各參數(shù)信號(hào)的 AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議程序設(shè)計(jì),運(yùn)用 C++Builder進(jìn)行上位機(jī)數(shù)據(jù)接收、曲線動(dòng)態(tài)顯示、測(cè)試界面編制;聯(lián)機(jī)調(diào)試完成各個(gè)參數(shù)的測(cè)試工作,實(shí)現(xiàn)各參數(shù)曲線的動(dòng)態(tài)顯示、測(cè)試數(shù)據(jù)顯示、保存、打印。 ○ 2 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行需求分析,確定測(cè)試參數(shù)內(nèi)容并選擇滿足精度、測(cè)量范圍的傳感器,及下位機(jī)控制器(單片機(jī));針對(duì)不同的傳感器輸出信號(hào),設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路以滿足單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換的滿量程要求。運(yùn)用機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論,對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析,計(jì)算出各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律方程。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 3 能夠?qū)φn題中所要求的要實(shí)現(xiàn)的功能并結(jié)合 目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)中在機(jī)械性能參數(shù)測(cè)試研究方面存在的問(wèn)題 , 進(jìn)行分析并提出合 理的 設(shè)計(jì)方案。以美國(guó)為首的用戶和儀器廠商近年來(lái)提供了一種新的測(cè)試儀器理念和技術(shù) —— NxTest,它是基于局域網(wǎng)( LAN)的模塊化合成儀器( synthetic instrument)。新技術(shù)的應(yīng)用,尤其是 Inter 和 Intra 技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、圖像處理技術(shù)、和技術(shù)以及自動(dòng)化控制、智能控制的發(fā)展和應(yīng)用,使得現(xiàn)代測(cè)試儀器不斷朝著網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。許多原本要有多臺(tái)儀器實(shí)現(xiàn)的功能,現(xiàn)在可以通過(guò)集成在一臺(tái)儀器甚至一個(gè)芯片上的智能化儀器完成。越來(lái)越多的儀器選用以通用軟件和通用芯片為平臺(tái),采用通用商業(yè)軟件和基于軍用標(biāo)準(zhǔn)的軟件,用通用軟件代替儀器內(nèi)部操作軟件,易于與通用辦公室應(yīng)用軟件連接,充分發(fā)揮其效能。微電子學(xué)、微細(xì)加工技術(shù)和集成化工藝等方面的進(jìn)展,為這一發(fā)展趨勢(shì)提供了巨大推動(dòng)力。隨著微型計(jì)算機(jī) 時(shí)鐘頻率的大幅提高,與硬件控制的實(shí)時(shí)性的差距越開(kāi)越小 [9]。測(cè)量和控制范圍也大幅提高,如電壓的測(cè)量范圍從 109V 到 106V,電阻的測(cè)量范圍從超導(dǎo)到 1011Ω,頻率測(cè)量范圍最高達(dá) 1010Hz,溫度的測(cè)量范圍則是從決定零度到 1010℃等。 新型傳感器的發(fā)明、各種先進(jìn)的數(shù)字處理技術(shù)的應(yīng)用、新材料和新工藝的使用,將測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確度、分辨率、靈敏度、線性度和測(cè)量效率提高了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 自然科學(xué)研究的心成果不斷豐富著測(cè)試技術(shù)的設(shè)計(jì)思想。在機(jī)械工程性能參數(shù)方面的測(cè)試研究大部分都缺乏綜合性、通用性,因此針對(duì)機(jī)械性能綜合參數(shù)設(shè)計(jì)一種通用測(cè)試系統(tǒng)將具有重大意義 [1]。 測(cè)試技術(shù)存在于機(jī)械制造過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié),貫穿機(jī)械制造整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)的全部過(guò)程。為研究機(jī)械效率、機(jī)械速度波動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)等性能提供客觀真實(shí)的依據(jù),同時(shí)為學(xué)生工程實(shí)踐能力、動(dòng)手能力及綜合分析創(chuàng)新能力的提高提供一個(gè)設(shè)計(jì)制造與分析
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