【正文】 為單片機(jī)提供時(shí)鐘。 27 圖 310 ADμC812 的引腳排列由于 ADμC812 上述的優(yōu)越性能，再加上 ADμC812 可通過串口進(jìn)行程序的下載，而無須專用的編程器，有利于簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試，在保證精度的條件下，采用最簡單的硬件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，有利于提高系統(tǒng)性能以及縮小儀器的體積，該系統(tǒng)是一種方便、快捷、廉價(jià)的數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式。ADμC812 的功能方框如圖 39 所示。5. 片內(nèi)外設(shè)備：UART 串行接口 I/O；與 I2C 兼容的串行口和 SPI 串行總線；看門狗定時(shí)器；電源監(jiān)視器。3. 與 8051 兼容的內(nèi)核：額定工作頻率 12MHz(最大 16MHz)；3 個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)時(shí)器；32 條可編程的 I/O 線；端口 3 高電流驅(qū)動(dòng)能力；9 個(gè)中斷源，2 個(gè)優(yōu)先級(jí)。ADμC812 主要包括以下幾部分功能 [9,10]：1. 模擬 I/O：8 通道 12 位高精度 ADC，高速 200kSps；片內(nèi) 40106/℃電壓基準(zhǔn)；2 個(gè) 12 位電壓 DAC；一個(gè)片內(nèi)溫度傳感器。ADμC812的 MCU 內(nèi)核和模數(shù)轉(zhuǎn)換器二者均有正常、空閑以及掉電工作模式，它提供了適合于低功率應(yīng)用的靈活的電源管理方案。通過二個(gè)肖特基二極管保證運(yùn)算放大器輸出不會(huì)高于 VDD 或低于 GND，從而保護(hù)ADμC812 芯片。當(dāng)來自先前通道的 2pF 電荷被投放到它的時(shí)候， 電容器上的電壓變化不到 12 位分辨率的最低有效位(1LSB，即 FS/4096)。本課題中采用加入電容器的方法，即不增加軟件負(fù)擔(dān)，又不需要高成本的快速運(yùn)放，就可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的穩(wěn)定。由于 A/D 轉(zhuǎn)換器存在直流漏電流，如果電路信號(hào)源阻抗太大，就會(huì)產(chǎn)生明顯誤差，由數(shù)據(jù)手冊(cè)可知 ADμC812 模擬輸入最大有 10μA 的漏電流，即，源阻抗為 61Ω， 為基準(zhǔn)源時(shí)，誤差電壓有：10IA???10610UIRAV????????可知該誤差剛好對(duì)應(yīng) A/D 的 1LSB 誤差，輸入運(yùn)算放大器的接入有利于降低輸入信號(hào)的輸入阻抗，從而降低測量誤差。輸入通道電路原理如圖 38 所示。在本課題中采用 3V 外部基準(zhǔn)參考源，此時(shí) 12 位 A/D 采樣值的 1LSB 的變化代表的輸入電壓的變換量為 3V/4096=732μV，可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)電路的設(shè)計(jì)特別模擬輸入電路是要充分考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性，否則很難達(dá)到系統(tǒng)的精度要求。圖 37 使用片外基準(zhǔn)電源 ADC 原理采用單片機(jī)內(nèi)部的內(nèi)置 A/D 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，在簡化硬件電路， AD 控制及軟件編程方面有自己獨(dú)特的優(yōu)勢。198。216。170。165。188。208。186。AD170。12206。179。177。209。ADC0ADC7114AINMUX178。249。191。218。180。188。206。191。226。其模擬輸入電壓范圍為 0VVREF，內(nèi)部提供高精度、低漂移并經(jīng)過工廠標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)的 基準(zhǔn)電壓，同時(shí)也可由外部基準(zhǔn)經(jīng) VREF 驅(qū)動(dòng)，可在 引腳電壓范圍內(nèi)。使用的硬件平臺(tái)對(duì)后期的軟件和硬件設(shè)計(jì)決策有相當(dāng)大的影響，本課題選用 ADμC812 單片機(jī)。因?yàn)檫@樣能使系統(tǒng)連線大為減少，同時(shí)內(nèi)置的 12 位 ADC、DAC 使系統(tǒng)精度大為提高，這便大大簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)和程序的開發(fā)過程。 22 圖36 低通濾波器電路 數(shù)據(jù)采集模塊一個(gè)測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制電路關(guān)鍵是微處理器以及 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇，以硬件電路設(shè)計(jì)簡單、電路成本低、有益于軟件設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)的總體原則。 低通濾波器通過濾波電路，將相敏整流后的信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，以反映位移量的變化，而被濾除的高頻信號(hào)為干擾信號(hào)、器件元件的噪聲、以及相敏整流信號(hào)的各種。由分析可知，在傳感器銜鐵移動(dòng)方向相反時(shí)，差動(dòng)電橋輸出 U0 的方向是相反的，即相位差為 180176。其整流波形如圖 35 所示： 21 圖 35 相敏整流波形圖相敏整流可用來檢測相位及幅值等。其原理為：三極管工作于開關(guān)狀態(tài)，振蕩信號(hào) Vosc 經(jīng)過比較器產(chǎn)生同相的方波信號(hào) V2，當(dāng) V2 為高電平時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，A 2 同相輸入端接地，U 0 加到 A2 的反相輸入端，放大器 A2 的放大倍數(shù)為―1，輸出信號(hào) UI=―U 0，在 V2 為低電平時(shí)，三極管截止，U 0 同時(shí)加到放大器的同相和反相輸入端，放大器 A2 的放大倍數(shù)為 +1，輸出信號(hào) UI= U0。 相敏整流器本課題采用的是方波相敏整流電路，如圖 34 所示： 20 圖 34 相敏整流電路 圖中 A1 為過零檢測器，A 2 和三極管構(gòu)成了相敏整流器。由 A3 組成的后級(jí)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差動(dòng)放大器，其產(chǎn)生的輸出誤差失調(diào)在增益為 1 的情況下也是很小的。圖33 放大電路原理圖AA A 3 按理想放大器分析，由圖可知，U 3=U1，U 4=U2，可求得 R2上的電流為：(25)21RI??進(jìn)一步可求得： 19 (26)1215URU????(27)26?定義 ，則有：21U???(28)1265RUU?????U5―U 6為后級(jí)的差分輸入電壓，可求得輸出電壓為： (29)43210)(?在電路設(shè)計(jì)中一般令R 3=R4，運(yùn)算放大器的增益公式簡化： (210))(210RU???由式 210 可見，調(diào)節(jié) R2 即可方便地調(diào)節(jié)電路增益。電路中電源電壓的大小和穩(wěn)定性直接影響著傳感器的靈敏度和精度。該信號(hào)調(diào)理模塊，通過測量電橋?qū)㈦姼辛孔兓儞Q為電信號(hào)，最終輸出正比于電感量變化的直流電壓信號(hào) [8]。結(jié)構(gòu)圖如圖 31 所示。當(dāng)振蕩器供電的電橋失去平衡而輸出一個(gè)交流電壓信號(hào)，其幅值則正比與磁芯的位移。當(dāng)磁芯處于兩線圈的中間位置時(shí)，兩線圈的電感量相等，電橋平衡。9．可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可缺少的一部分。7．整個(gè)系統(tǒng)的性能要盡量做到性能匹配。5．系統(tǒng)的擴(kuò)展及各功能模塊的設(shè)計(jì)，留有適當(dāng)?shù)挠嗟?，以備將來修改、擴(kuò)展之需。3．盡量選用功能強(qiáng)、集成度高的芯片，提高系統(tǒng)可靠性。為了使硬件電路設(shè)計(jì)趨向合理，借鑒別人的成功經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中著重考慮到如下幾個(gè)方面 [7]：1．盡可能選擇典型電路。 16 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)原則要實(shí)現(xiàn)一臺(tái)功能豐富、運(yùn)行穩(wěn)定、工作獨(dú)立的量儀，首先要考慮的就是系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。在整個(gè)測量環(huán)節(jié)中，傳感器的測量精度影響和決定著整個(gè)儀器可實(shí)現(xiàn)的測量精度，而傳感器輸出信號(hào)的后續(xù)信號(hào)處理電路對(duì)整個(gè)儀器的精度影響不大。但實(shí)際上，由于磁場強(qiáng)度分布的不均勻性，輸入量和輸出量之間的關(guān)系是 15 非線性的。單個(gè)線圈的電感為：(21)lrNL20???當(dāng)進(jìn)入線圈的鐵芯長度為 ，則線圈的電感為：c(22)220 ])1([lrlrLcr????當(dāng)鐵芯長度增加 時(shí)，則電感量的變化為：cl?(23)20)1(llrNcc?????式中 — 單個(gè)線圈的匝數(shù)； — 空氣的磁導(dǎo)率；N0 — 線圈半徑； — 線圈長度；r l 14 — 鐵芯半徑； — 鐵芯長度；cr cl— 鐵芯磁導(dǎo)率； — 鐵芯長度變化量；??例如現(xiàn)有一單線圈式傳感器與一差動(dòng)式傳感器，其各種情況均相同，線圈匝數(shù) =1000，線圈半徑 =，線圈長度 =25mm，磁芯半徑Nrl=，鐵芯長度 =25mm， =，這里的磁導(dǎo)率是指物質(zhì)的磁導(dǎo)crclcl率與真空的磁導(dǎo)率的比值，故空氣中的磁導(dǎo)率 可取值為 1，查表可得，鐵0?芯磁導(dǎo)率 =。使銜鐵上下位移，自感量將相應(yīng)變化，這就構(gòu)成螺管型傳感器。自感式螺管型差動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)圖 [6]如圖 22 所示。差動(dòng)式傳感器與單線圈式傳感器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：；度提高一倍，即銜鐵位移相同時(shí)，輸出信號(hào)大一倍；、電源波動(dòng)、外間干擾、電磁吸力對(duì)傳感器精度影響，能相互抵消而減少。所以，近年來這種類型傳感器的使用逐漸減少。也可以分為氣隙型、截面型和螺管型三種。一般，這種傳感器的二次線圈有兩個(gè)，接線方式又是差動(dòng)的，故常稱之為差動(dòng)變壓器式傳感器。此外，螺管型還具有自由行程可任意安排、制造方便等優(yōu)點(diǎn)，在批量生產(chǎn)中的互換性較好，這給測量儀器的調(diào)試、使用帶來很大的方便，尤其在使用多個(gè)測微儀組合來測量物體形狀的時(shí)候。截面型具有較好的線性，自幼行程較大，制造裝配比較方便，但靈敏度較低。自感式電感傳感器有氣隙型、截面型和鑼管型。此外，利用電渦流原理的電渦流式傳感器，利用壓磁原理的壓磁式傳感器，利用平面繞組互感原理的感應(yīng)同步器，亦屬此類。電感式傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)工作環(huán)境要求不高、分辨力較高（如在測量長度時(shí)一般可達(dá)） 、示值誤差一般為示值范圍的 %%、穩(wěn)定性好。 電感傳感器 電感式傳感器的特點(diǎn)電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化實(shí)現(xiàn)測量的一種裝置，其核心部分是可變自感或可變互感，在將被測量轉(zhuǎn)換成線圈自感或線圈互感的變化時(shí)，一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。敏感元件與轉(zhuǎn)換元件在結(jié)構(gòu)上常是裝在一起的，而基本轉(zhuǎn)換電路為了減小外界的影響也希望和它們裝在一起，不過由于空間的限制或者其他原因，基本轉(zhuǎn)換電路常裝入電箱中。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，如壓電式加速傳感器，其中質(zhì)量塊石敏感元件，壓電片是轉(zhuǎn)換元件，因傳感元件的輸出量已是電量，故無須轉(zhuǎn)換電路。傳感器只完成被測參數(shù)至電量的基本轉(zhuǎn)換，然后輸入到測控電路，進(jìn)行放大、運(yùn)算、處理等進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，以獲得被測值或進(jìn)行過程控制。如應(yīng)變式壓力傳感器中的應(yīng)變片就是傳感元件，它的作用是將彈性載體的變形轉(zhuǎn)換成電阻值的變化。如應(yīng)變式壓力傳感器的彈性載體就是敏感元件，它的作用是將壓力轉(zhuǎn)換成彈性載體的形變。從字面上可以作如下解釋：傳感器的功用是一感二傳，即感受被測信息并傳送出去。此定義具有以下幾方面的含義：部分，能完成部分監(jiān)測任務(wù)；，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；，這種量要便于轉(zhuǎn)換、處理等等，這種量可以是氣、光、電物理量，但主要是電物理量；有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。3. 電子柱量儀和控制軟件之間通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)內(nèi)容該課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括三部分：1. 電子柱量儀硬件電路的設(shè)計(jì)。4. 能夠通過外部通訊口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備的通訊。 9 2. 通過設(shè)定不同的報(bào)警/預(yù)警公差帶的上下限，并搭配不同的自感式差動(dòng)傳感器及其信號(hào)處理模塊可實(shí)現(xiàn)不同尺寸的測量。 設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：1. 通過自感式差動(dòng)傳感器可測量工件的形位誤差或尺寸誤差，并用 LED三色光柱對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示。 課題研究內(nèi)容 設(shè)計(jì)目的本設(shè)計(jì)的目的是開發(fā)一種高精度的三色電子柱量儀?？梢哉fLED 光柱顯示器替代儀表指針，已成為儀表儀器行業(yè)的新趨勢 [3,4]。近年對(duì) LED 光柱顯示(又稱為 LED 條形顯示)開發(fā)和應(yīng)用也開展了不少的研究，LED 光柱顯示是一種可以集指針顯示和數(shù)字顯示兩者優(yōu)點(diǎn)與一身的顯示技術(shù)。自上世紀(jì)九十年代以來，LED 作為一種新型光源有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在現(xiàn)代工業(yè)測量控制領(lǐng)域中，各種儀器對(duì)參數(shù)的顯示方式中最常見的主要有兩種：指針式和數(shù)字顯示式，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，在不同的應(yīng)用場合應(yīng)采用不同的顯示方式。八十年代中期，歐美一些國家先后推出了品種繁多的電子柱（氣動(dòng)或電感式）測微儀，顯示裝置常用 101 只發(fā)光二極管（簡稱 LED 光柱）或 301 只 PDP光柱顯示，測量時(shí)由一大串 LED（或 PDP）發(fā)亮，形成一條彩色光柱，示值清晰醒目，稱之“溫度計(jì)”效應(yīng)。美國 Vernon 公司，西德 Feinpruf 公司和意大利 Marposs 公司等先后應(yīng)用了 PDP 顯示板，研制成電子柱電感式測微儀。量儀設(shè)計(jì)師們自然想到量儀直列拼臺(tái)式的優(yōu)點(diǎn)。檢驗(yàn)員要逐個(gè)觀看指針是否在合格的范圍內(nèi)，既費(fèi)時(shí)又疲勞。電感式測量儀雖具有高精度、高效率，能進(jìn)行和差演算、記憶、峰值測量及數(shù)顯等特點(diǎn)，但顯示方式傳統(tǒng)為指針和數(shù)顯，這種顯示方式在單參數(shù)測量中還比較適用，用于多參數(shù)綜合測量就極不方便。美國專刊書 3825827 中為“浮標(biāo)效果” 。這一變化是出人意料的，因?yàn)槊绹歉?biāo)氣動(dòng)量儀的發(fā)源地，為何變化如此之快呢？因?yàn)殡娮又績x克服了浮標(biāo)氣動(dòng)量儀的許多缺點(diǎn)，如測量頭初始間隙小，線性不好，浮標(biāo)容易粘在玻璃管上等等。這就是生產(chǎn)線上仍在使用卡板、塞規(guī)之類的專用量具的同時(shí)，氣、電量儀幾乎用于全部孔徑和軸徑的最終檢驗(yàn)，而電子柱量儀等先進(jìn)檢測技術(shù)也紛紛登場。一般認(rèn)為檢測技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械量具算是第一代；氣電量儀可做第二代的典型；電子柱量儀和計(jì)算機(jī)輔助測量系統(tǒng)等就列入第三代技術(shù)了。為了在競爭中取勝，就要不斷提高質(zhì)量，不斷改進(jìn)和推出下一代量儀。新檢測技術(shù)不斷揭示了傳統(tǒng)制造技術(shù)的不足之處，促使工藝師們進(jìn)一步改善和創(chuàng)新；新制造技術(shù)有反過來對(duì)檢測技術(shù)提出了更高的要求，二者相輔相成，互相促進(jìn)。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，各制造商在不斷更新制造技術(shù)的同時(shí)，對(duì)生產(chǎn)檢測技術(shù)都給予了極大的重視 [2]。在精密機(jī)械制造業(yè)、汽車拖拉機(jī)業(yè)、紡織業(yè)以及國防和科研等方面的精密測量中有著廣泛地應(yīng)用。電子柱量儀是一種用長度尺寸的相對(duì)法精密測量的測量儀器，特別對(duì)圓度、平行度、垂直度等微小變動(dòng)量的測量極為有用。 RS485 Serial munication protocol 3 目 錄摘要 .............................................................................................................................1ABSTRACT..........................