【正文】 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 第一章 總體方案的設(shè)計 測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計一般包括傳感器、模擬信號調(diào)理電路、 數(shù)字信號分析與處理電路、顯示部分以及將處理信號傳送給控制器或上位機(jī)系統(tǒng)的通信接口部分等。 167。 ② 設(shè)計任務(wù)的確定 根據(jù)測試系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能，編制設(shè)計任務(wù)書，確定測試系統(tǒng)設(shè)計的具體任務(wù)。測試系統(tǒng)中有些功能模塊既可以用軟件來實現(xiàn)，也可以用硬件來實現(xiàn)。 ④ 硬件電路與軟件系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試 硬件設(shè)計的一般流程是：首先根據(jù)測試系統(tǒng)硬件框圖按照模塊分別進(jìn)行電路設(shè)計，然后進(jìn)行硬件電路合成，將各模塊電路按硬件框圖組合在一起，構(gòu)成一個完整的硬件電路圖。 ⑤ 整機(jī)聯(lián)調(diào) 當(dāng)軟硬件分別調(diào)試合格后，要把硬件、軟件結(jié)合起來進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 167。 測試系統(tǒng)硬件的主要任務(wù)是對被測參數(shù)進(jìn)行信號采集、轉(zhuǎn)換處理后傳送給計算機(jī)進(jìn)行處理。為保證電路板的正常工作，還必須能為電路板提供匹配的工作電源，因此必須有電源模塊。 測試系統(tǒng) 硬件 系統(tǒng)總體框圖設(shè)計 系統(tǒng)的測試參數(shù)包括：執(zhí)行機(jī)構(gòu)主軸轉(zhuǎn)角位移、執(zhí)行構(gòu)件直線位移、刀具切削阻力、電機(jī)輸入功率、滑枕振動加速度五個參量。 光電編碼器 直線位移傳感器 壓力傳感器 振動 加速度傳感器 圖 硬件系統(tǒng)整體框圖 該測試系統(tǒng)包括機(jī)械裝置本體、 數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊三大部分。 ① 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集模塊主要功能是：將傳感器采集的各路信號經(jīng)信號調(diào)理之后進(jìn)入主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 ② 控制模塊 控制模塊主要功能是：以計算機(jī)為測試系統(tǒng)核心，計算機(jī)控制整個測試系統(tǒng)的正常工作。 ③ 通信模塊 通信模塊主要功能是實現(xiàn)各數(shù)據(jù)命令的傳輸。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第二章 傳感器的選擇 傳感器構(gòu)成測控系統(tǒng)的重要組成部分，大部分所測量的物理量都是由特定的傳感器轉(zhuǎn)換成電信號通過 A/D 卡采集到測控計算機(jī)中。 在實際測量中，大量的被測量是隨時間變化的動態(tài)信號，這就要求傳感器輸出不僅能夠精確放映出被測量的大?。o態(tài)特性），還要準(zhǔn)確的測量被測量隨時間變化的規(guī)律，即要求傳感器的動態(tài)特性要好。模擬傳感器將被測非電參量轉(zhuǎn)換為電信號輸出。傳感器選型時，要充分考慮被測量和被測對象的特點，在了解被測對象和各種傳感器特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)能否符合被測量精度、靜態(tài)及動態(tài)性能要求、被測量變化范圍、被測對象所處的環(huán)境條件、傳感器的體積以及整個測試系統(tǒng)性能要求等限制，合理選擇傳感器。分別選用光電編碼器、直線位移傳感器、壓力傳感器、功率傳感器、加速度傳感器。 167。本系統(tǒng)中選用長春東河光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的增量式編碼器，其每轉(zhuǎn)輸出脈沖個數(shù)為 1000。該增量式編碼器由光源、碼盤和光電元件組成，碼盤圖案和光脈沖信號均 勻，可將任意位置為基準(zhǔn)點，從該點開始按一定量化單位檢測。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 碼盤上最外圈碼道上的一條透光狹縫，作為碼盤的基準(zhǔn)位置，每當(dāng)工作軸旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生一個零位脈沖信號，通常用于轉(zhuǎn)軸機(jī)械原點定位。這兩圈碼道等角距均勻分布著m 個透光與 m 個不透光扇形區(qū)，且彼此錯開半個扇形區(qū)，即 90176。/m 。 的正弦波，經(jīng)放大、整形后變成方波。 167。該類傳感器廣泛應(yīng)用于控制測量系統(tǒng)，線性度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠?？勺冸娮杌墐啥诉B接穩(wěn)態(tài)直流電壓，允許流過微安培的小電流，滑片和可變電阻滑 軌始端之間的電壓與滑片移動的長度成正比，從而傳感器把直線機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。圖 為其外觀圖。安裝時，傳感器可變電阻滑軌固定在牛頭刨床機(jī)架上，傳感器滑動導(dǎo)桿與刀架固定連接，隨刀具的往復(fù)直線運動而伸縮。 167。該傳感器內(nèi)嵌在刀架上。 該壓力傳感器是一種電阻應(yīng)變式傳感器，其工作原理是電阻應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體的電阻隨著機(jī)械變形而發(fā)生變化。電阻應(yīng)變片貼在彈性元件上，當(dāng)彈性元件受力變形時，其上的應(yīng)變片隨之變形，并導(dǎo)致電阻改變。該傳感器間接測量刀具的切削阻力，通過力矩平衡原理最終轉(zhuǎn)換為刨刀的切削阻力。 振動加速度傳感器 機(jī)床工作過程中，滑枕的振動是一般的機(jī)械振動，因此，選用美國 ADI公司生產(chǎn)的 ADXL320 雙軸加速度計進(jìn)行振動測量，安裝在牛頭刨床執(zhí)行構(gòu)件滑枕上，隨執(zhí)行構(gòu)件滑枕運動狀態(tài)的變化而變化，輸出相應(yīng)變化的電壓信號。ADXL320 傳感器檢測到信號后經(jīng)放大器（ ACAMP）放大，再由解調(diào)器（ DEMOD）將交流電壓還原為相應(yīng)的直流電壓，被放大后經(jīng)過 32k?電阻，最后通過外接的電容設(shè)置頻寬、濾波后輸出電壓信號。 加速度計包含內(nèi)置傳感器和單獨的調(diào)節(jié)電路，以完成檢測信號的開環(huán)加速度測量。通過 微分電容可測出懸浮結(jié)構(gòu)的偏角，而該電容的非固定極板與動片相連，固定極板由方波驅(qū)動。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 第三章 硬件電路設(shè)計 167。 167。 單片機(jī)的引腳信息及其 I/O 口的分配如下圖所示： P00P01P02P03P04P05P06P07P21P22P23P24P25P26P27RSTGND12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40U12P89C54X2BNP17VCCP20P15P16DIR1V1V2V3RXDTXDP14P13P36P37P10P11P12 圖 單片機(jī)引腳信息 該 單片機(jī)在一塊芯片上集成了 CPU、 ROM、 RAM、定時器 /計數(shù)器和多種 I/O功能部件，具有一臺微型計算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，主要包括下列部件。 單片機(jī) 各引腳的功能介紹如下所示： （ 1） VCC： 運行和程序校驗時接電源正端 。 （ 3） P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4 個 TTL 門電流。 （ 5） P3 口： P3 口是 一個 8 位 帶內(nèi)部上拉電阻的 準(zhǔn) 雙向 I/O 口，可接收輸出4個 TTL 門電流。 （ 7） ALE/PROG： 地址鎖存允許信號，輸出。 （ 9） /EA/VPP： 片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。 （ 11） XTAL2： 反相放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時鐘發(fā)生器。. 2 單片機(jī)的時鐘電路 系統(tǒng)的時鐘電路設(shè)計是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為22pF。時鐘電 路圖如圖 所示 [7]。. 2 單片機(jī)的時鐘電路 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 12Y2C71CapC72CapGND 圖 單片機(jī)晶振電路 復(fù)位電路是上電自動復(fù)位加按鍵復(fù)位。整個過程會在 RST 引腳上產(chǎn)生一個維持幾個機(jī)器周期的高電平脈沖足以使單片機(jī)有效復(fù)位。 RST 引腳是復(fù)位信號的輸入端，復(fù)位信號是高電平有效，其有效時間應(yīng)持續(xù) 24 個振蕩周期 (即 2 個機(jī)器周期 ) 以上。s 以上， 復(fù)位電路 如圖 10kR36C75CapVCC5RSTGND 圖 單片機(jī)復(fù)位電路 167。 PCF8591 具有 4 個模擬輸入、 1 個模擬輸出和 1 個串行 I178。PCF8591 的 3 個地址 引腳 A0, A1 和 A2 可用于硬件地址 編程 ，允許在同個 I2C總線上接入 8 個 PCF8591 器件，而無需額外的 硬件。 引腳信息如下： 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 AIN0AIN3：模擬信號輸入。 VDD、 VSS：電源端（ ）。 OSC：外部時鐘輸入端，內(nèi)部時鐘輸出端。 AGDN：模擬信號地。 VREF：基準(zhǔn)電源端。 167?？膳c單片機(jī)直接接口，提供兩種界面來連接微處理機(jī)： 8 位并行串行兩種連接方式。 并且在該模塊中還可以使用 R35 滑動年租器進(jìn)行屏幕亮度的調(diào)節(jié)。 .6 獨立按鍵 S6SWPBS7SWPBS8SWPBS5SWPBS4SWPBS3SWPBS2SWPBGNDVCCP13P14P36P37P10P11P12 圖 獨立按鍵 167。前端放大器用于放大和緩沖輸入信號，由于傳感器輸出信號較弱，因此需要加以放大以滿足大多數(shù) A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入要求 。 角位移信號調(diào)理 OE19T/R1A13B117A24B216A35B315A46B414A57B513A68B612A79B711A02B018VCC20GND10U174HC245VCC14GND7PR4CLK3D2CLR1Q5Q6CLRPRU2A74HC74I11O12I23O24I35O36GND7O48I49O510I511O612I613VCC14U374HC7412P5Header 212P6Header 212P7Header 21KR8Res2C21Cap1KR9Res2C22Cap1KR10Res2C23Cap1KR11Res2C24CapC17C16CapVCCVCCC14Cap1KR4Res21KR5Res21KR6Res21KR7Res2C18CapC20CapVCCA3A3V1V2V3DIR1GNDGNDGND GNDGNDGNDGNDGND GNDGND GNDGNDGND1uFC19Cap Pol11uFC15Cap Pol1 圖 角位移信號調(diào)理電路 上圖 為光電編碼器輸出的三組（ A 相、 B 相、 Z 相） TTL 方波脈沖信號的調(diào)理電路圖。由于需要判斷光電編碼器的轉(zhuǎn)向， B 相信號觸發(fā)后，其輸出的雙向信號進(jìn)入 74HC74 雙 D觸發(fā)器進(jìn)行辨向處理，根據(jù)輸出信號電平的高低判別編碼器的轉(zhuǎn)向。緩沖器輸出的三路數(shù)字信號和一路方向信號進(jìn)入單片機(jī)外部中斷 I/O，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向異步通 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 信。 位移 、 加速度信號調(diào)理 圖 為 位移、 加速度傳感器輸出信號的調(diào)理電路圖。傳感器輸出的模擬信號經(jīng)濾波處理后進(jìn)入 LM358 雙運算放大器對電壓信號放大，從 LM358 輸出后直接輸入單片機(jī)相應(yīng)的 I/O 口進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 OUT11IN12+IN13GND42IN+52IN6OUT27VCC8U7LM3581 2P8 S1 2P9 TMP1 2P10 aX1 2P11 aY1KR16Res21KR17Res21KR18Res21KR19Res2C39CapC41CapC43CapC45CapSVin TMPin aXin aYin+12V10KR20Res210KR21Res2D9D ZenerC49CapTMPinC48CapSVin1KR23Res21KR22Res2D10D ZenerC50CapOUT11IN12+IN13GND42IN+52IN6OUT27VCC8U8LM358+12V10KR24Res210KR25Re