【正文】 行口以及布爾處理器。此外，單片機(jī)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。 圖 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 單片機(jī)外圍擴(kuò)展電路主要包括時鐘電路、復(fù)位電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、 數(shù)據(jù)傳輸電路 。圖 為電壓放大電路電路圖。因此在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時，就要對信號進(jìn)行電壓放大以達(dá)到轉(zhuǎn)換要求。 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(jìn)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)。其具體功能框圖如圖所示： 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(jī) 結(jié)束 沈陽航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 圖 上位機(jī)程序設(shè)計流程圖 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 沈陽航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 第 4章 粗糙度測試儀的下位機(jī) 設(shè)計 根據(jù)總體設(shè)計方案的要求，本章詳細(xì)論述系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計。軟件總體流程圖如圖 所示。 下位機(jī) 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。輸出可直接連到單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線上，可對 05V 模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。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。因此往往事先測量一組數(shù)據(jù)，然后使用此數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到一條擬合曲線。兩光束混合后的端部是工作端亦稱探頭，它與被測體相距 X，由光源發(fā)出的光通過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)換的電量大小沈陽航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 與間距 X 有關(guān)。測量部分 主要包括傳感器的 選擇和表面粗糙度樣板的選擇， 單片機(jī)部分主要包括 數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)傳輸部分設(shè)計。下圖是總體方案功能框圖。 具體是利用光纖位移傳感器進(jìn)行粗糙度的測量，然后經(jīng)過單片機(jī)數(shù)據(jù)采集，串口通信傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，最后在 LabVIEW 平臺上顯示測量結(jié)果。 得出這種擬合曲線方程后，將用同樣加工方法得到的任意工件放在這種儀 器上測量，就能得出這種工件的表面粗糙度。有關(guān)數(shù)據(jù)如下表所示： 沈陽航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 表 不同樣板表面粗糙度與輸出電壓數(shù)據(jù)表 按表的實驗數(shù)據(jù)對 Ra 值和輸出電壓進(jìn)行曲線擬合，得出擬合曲線方程。取其中 Ra值最小的樣板為基準(zhǔn)，細(xì)調(diào)距離 d 使輸出電壓為最大，并將此距離固定。 圖 電壓 — 位移輸出特性 粗糙度測量原理 如前所述，在峰值點附近，輸出對距離的變化不敏感，而對粗糙度的變化最敏感，這正是測量粗糙度十分需要的特性。所以這個區(qū)域可用于對表面狀態(tài)進(jìn)行光學(xué)測量，即可用于粗糙度的測量。在后坡區(qū)，信號的減弱約與探頭和被測表面之間的距離平方成反比，可用于距離較遠(yuǎn)而靈敏度、線性度和精度要求不高的測量。當(dāng)被測表面繼續(xù)遠(yuǎn)離時，有部分反射光沒有反射進(jìn)接收光纖，而且由于接收光纖更加遠(yuǎn)離被測表面，接收到的光強(qiáng)逐漸減小，光敏元件的輸出信號逐漸減弱，進(jìn) 入曲線的后坡區(qū)。 圖 反射式光纖位移傳感器的原理圖 反射式光纖位移傳感器輸出特性 反射式光線位移傳感器如圖 所示， 光源發(fā)出的光經(jīng)發(fā)送光纖射向被測物體的表面（反射面）上，反射光有接收光纖收集，并傳送到光探測器轉(zhuǎn)換成電信號輸出，通過電信號的大小就可以測得物體距離探頭的位移。通過對光強(qiáng)的檢測而得到位移量。當(dāng)光源發(fā)出的光，經(jīng)光源光纖照射到位移反射體后，被反射的光又經(jīng)接收光纖輸出，被光敏器件接收。 反射式光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu) 傳 感器 通常是由光源光纖和接收光纖構(gòu)成。 aR — 在取樣長度 L 內(nèi)輪廓偏距絕對值的算術(shù)平均值； yR — 在取樣長度 L內(nèi)輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間的距離； zR — 在取樣長度內(nèi) 5個最大的輪廓峰高的平均值與 5 個最大的輪廓谷深的平均值之和。根據(jù)表面粗糙度評定參數(shù)的發(fā)展，結(jié)合我國科技和生產(chǎn)發(fā)展的情況，特別是為了 適應(yīng)與國際接軌的要求，我國于 1995 年修訂的國標(biāo) GB/T 10311995《表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》，規(guī)定了表面粗糙度高度參數(shù)為 aR ， zR ， yR 。修訂后的標(biāo)準(zhǔn) GB/T 1311993《 表面粗糙度符號、代號及其注法》， GB/ T10311995《表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》，它們等效采用國際標(biāo)準(zhǔn) ISO13021992《技術(shù)制圖 — 標(biāo)注表面特征的方法》及參照采用國際標(biāo)準(zhǔn) ISO 4681982《表面粗糙度參數(shù)及其數(shù)值和給定要求的通則》。而對表面粗糙度僅依據(jù)某一單獨的評定參數(shù)是無法滿足這種多方面的要求，在研究工作中就出現(xiàn)了大量不同的評定參數(shù)，為要表征這些評定參數(shù)所需的一些術(shù)語、定義就多達(dá) 60 多個，這種錯綜復(fù)雜的情況，在尺寸公差中是沒有的，也比一般結(jié)合件的公差和配合復(fù)雜的多，而這也正是近年來國際上各個工業(yè)國家積極研究的領(lǐng)域，幾乎每年都在開展這方面的研究工作。實際上，三者只有分級的不同，沒有 原則上的區(qū)別。表面粗糙度不包括由機(jī)床幾何精度方面的誤差等所引起的表面宏觀幾何形狀誤差，也不包括在加工過程中由機(jī)床、刀具、工具系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動等所引起的介于宏觀和徽觀幾何形狀誤差之間的波紋度，以及氣孔、沙眼等。這些基本定義是設(shè)計實驗系統(tǒng)和編制計算機(jī)數(shù)據(jù)處理程序的理論依據(jù) 。針對硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)的結(jié)果進(jìn)行了具體的分析和說明。 對本課題任務(wù)進(jìn)行了具體分析 ，確定了的系統(tǒng)的總體設(shè)計方案 。 第三部分在上位機(jī)和下位機(jī)都 調(diào)試 成功的前提下，進(jìn)行聯(lián)調(diào)，得出設(shè)計最終結(jié)果。在 實驗板上每一個硬件電路焊接完成后，每一部分單獨調(diào)試，在各個部分調(diào)試成功后，聯(lián)調(diào)整個硬件電路，最后做出分析，得出結(jié)論。 本次設(shè)計的內(nèi)容安排可以分為三部分： 第一部分是下位機(jī)的設(shè)計，主要是硬件電路方案的設(shè)計、元器件的選擇等。條紋的相對彎曲度即反映被測表面的徽觀高度差。 光學(xué)探針法 —— 光學(xué)探針法的種類很多，但本質(zhì)上都是以一很小的聚焦光點入射到被測表面，來模擬機(jī)械觸針進(jìn)行測量。光學(xué)散射法的特點是：測量速度快、儀器結(jié)構(gòu)簡單。典型方法有以下幾種： 光學(xué)散射法 —— 工作原理為：當(dāng)激光以一定角度入射到粗糙表面上時，散射光沈陽航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 強(qiáng)度分布呈正態(tài)分布，其角分布與表面粗糙度之間有一定的對應(yīng)關(guān)系。 2．非接觸式 由于接觸式測量儀的缺點， 20 世紀(jì) 50 年代，光學(xué)技術(shù)被引入物體表面粗糙度的側(cè)量，從而實現(xiàn)了非接觸式測量。其最大缺點為：探針常常會劃傷被測表面。此外它還作為其它粗糙度測量技術(shù)的對比方法。它們一般采用金剛石探針，通過驅(qū)動桿控制探針沿著工件表面作上下往復(fù)的運動，從而正確地反映被側(cè)表面的實際輪廓曲線。 對于物體表面粗糙度測量技術(shù)的研究由來已久，一般來說，根據(jù)是否與被測表面接觸，表面粗糙度測量方法可分為兩大類：接觸式和非接觸式。不言而喻，納米級存儲密度需要有低于納米級粗糙度的表面作為基片，否則無 法實現(xiàn)信息提取。 近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和“信息時代”的到來，機(jī)械、光學(xué)工業(yè)對加工表面的質(zhì)量要求越來越高。 VI 相對傳統(tǒng)儀器優(yōu)勢明顯，下表列出了 VI 和傳統(tǒng)儀器性能的比較： 表格 虛擬儀器和傳統(tǒng)儀器性能比較 虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器 面向應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) , 可方便地與網(wǎng)絡(luò)、 外設(shè)相連接 與其他儀器設(shè)備的連接受限制 充分利用計算機(jī)的圖形界面并由計算機(jī)直接讀數(shù)、分析和處理 圖形界面少 , 人工讀數(shù) , 信息量少 軟件是關(guān)鍵 硬件是關(guān)鍵 數(shù)據(jù)可進(jìn)一步編輯、存儲和打印 擴(kuò)展性差 , 一般來說數(shù)據(jù)無法編輯 減少了硬件的使用 , 因而減少了測量誤差 信號每經(jīng)過一次硬件處理都會引起誤差 價格低 , 可重復(fù)利用 價格昂貴 技術(shù)更新快 技術(shù)更新慢 沈陽航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 表面粗糙度測量技術(shù)的發(fā)展 表面粗糙度與零件的工作性能和使用壽命都有著密切的關(guān)系，因此人們在很早以前就認(rèn)識到測量表面粗糙度的重要性。 VI 以透明方式將計算機(jī)資源和儀器硬件的測控能力相結(jié)合 , 實現(xiàn)儀器的功能運作。 VI 集成了當(dāng)今的各領(lǐng)域高新技術(shù) , 包括計量測試?yán)碚?、傳感技術(shù) 、 一次儀表和二次儀表、計算機(jī)等相關(guān)技術(shù) , 運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)令硬件盡可能軟化 , 軟件盡可能集成化 , 其重心不僅是相應(yīng)的軟件系統(tǒng) , 還應(yīng)該包含硬件裝置、測量方法和手段等的整個測試系統(tǒng) , 甚至還包含了被測對象。 VI 是計算機(jī)技術(shù)在儀器科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用所形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類 , 它是適應(yīng)卡式儀發(fā)展而提出的。我國對光纖傳感器的研究極為重視，在“七五”規(guī)劃中就已提出了 15項光纖傳感器項目。研究的光纖傳感器用于測量電流、電壓、電場、磁場、溫度、水聲、壓力、位移、速度、轉(zhuǎn)動、應(yīng)力、液位、濃度、 pH值等物理量，并己取得初步成果。我國光纖傳感器的研究工作起步較晚，1983年，國家科委新技術(shù)局在杭州召開了光纖傳感器的第一次全國性會議。 從 70年代中期到 80年 代中期近十年的時間，光纖傳感器已達(dá)近百種，它在國防軍事部門、科研部門以及制造工業(yè)、能源工業(yè)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和日常消費部門都得到實際應(yīng)用。 1977年，美國海軍研究所 (NRL)開始執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)計劃，這被認(rèn)為是光纖傳感器問世的日子。但是，在更為廣闊領(lǐng)域，即現(xiàn)在所說的光纖傳感技術(shù)，取得系列研究卻是在 10年之后，從那時起光纖技術(shù)就突破了徘徊不前的初始狀態(tài)，進(jìn)入了一日千里的時代。 光纖傳感器的概念不是新的，早在 60年代中期就出現(xiàn) 了第一個專利。光纖傳感技術(shù)優(yōu)于其他傳感技術(shù)的原因在于它是在光纖通信的基礎(chǔ)上發(fā)展的。 光纖傳感器的基本原理是將光源發(fā)出的光經(jīng)光纖送入調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū) 內(nèi)，外界被測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)如光的強(qiáng)度、波長 (顏色 )、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)光纖送入光探測器、解調(diào)器而獲得被測參數(shù)。光纖傳感技術(shù)是一門多科性學(xué)科，涉及知識面很廣，如纖維光學(xué)、光電器件、電磁學(xué)、流體力學(xué)、彈性力學(xué)以及電子線路和微機(jī)應(yīng)用等等。是 20世紀(jì)后半期重大發(fā)明之一。傳感器是感知、獲取、檢測和轉(zhuǎn)化信息的窗口，是實現(xiàn)信息化時代的主要技術(shù)基礎(chǔ)。 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使人類社會從高度工業(yè)化向信息化轉(zhuǎn)變。 目前廣泛應(yīng)用觸針式輪廓儀可以實現(xiàn)粗糙度部分參數(shù)的測量評定，但存在測量參數(shù)較少，測量精度較低，測量結(jié)果的輸出不直觀等缺點，已不能滿足現(xiàn)代工件的測量要求，迫切需要開發(fā)研制新型的表面粗糙度測量儀來滿足現(xiàn)代精密工件的測量要求，基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)出的表面粗糙度測量儀，除能解決傳統(tǒng)儀器目前存在的問題外，還具有測量速度快，自動化程度高和良好 的人機(jī)界面等優(yōu)點，而且價格便宜，通用性強(qiáng)，將具有較大的市場潛力和應(yīng)用價值。零件表面粗糙度會直接影響零件的配合性質(zhì)、疲勞強(qiáng)度、耐磨性、抗腐蝕性以及密封性等 。 surface roughness。 關(guān)鍵詞 ： 單片機(jī) ； 光纖位移 傳感器 ； 表面粗糙度 ； LabVIEW 沈陽航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） II Abstract Surface roughness is a reflection of the extent of parts of the physical surface. It is in the process of cutting by the cutter in the workpiece surface, the marks left behind created. Currently widely used touchstylus profilometer roughness of some parameters can be assessed, but there is less parameters, the lower the measurement accuracy, the measurement results are not intuitive, such as the shortings of the output can no longer meet the measurement requirements of modern work. In this paper, the definition of surface roughness based on the use of reflective characteristics of fiberoptic sensors, fiberoptic displacement sensor applications, design a virtual instrument based on surface roughness measuring instrument technology. In addition to the instruments of traditional instruments to solve the existing problems, but also with the measurement of speed and a high degree of automation and good man