表面粗糙度测量仪设计

《表面粗糙度测量仪设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《表面粗糙度测量仪设计（24页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、机械工程测试技术课程设计表面粗糙度测量仪设计院 （系）： 专 业： 班 级： 学 生： 学 号： 完 成 日 期： 目 录摘要.2第1章 绪论31.1 立题意义31.2 光纤传感技术的发展与现状31.3 虚拟仪器测试技术发展31.4 表面粗糙度测量技术的发展4第2章 粗糙度的基本概念52.1 表面粗糙度的概念52.2 表面粗糙度的测量参数52.3 反射式光纤位移传感器的结构52.4 反射式光纤位移传感器输出特性52.5 粗糙度测量原理5第3章 粗糙度测量仪的总体方案设计63.1 下位机硬件方案设计63.1.1 传感器的选择73.1.2 光纤传感器特性实验73.1.3 单片机数据采集和传输电路的

2、设计73.2 下位机软件系统设计7第4章 粗糙度测试仪的下位机设计84.1 信号调理电路84.2 单片机及其外围扩展电路的设计84.2.1 单片机介绍84.2.2 时钟电路设计94.2.3 复位电路的设计104.2.4 A/D转换电路的设计134.2.5 串行通信的设计154.3 下位机软件设计154.3.1 主程序设计154.3.2 ADC0809转换程序设计154.3.3 串口通信程序设计16第5章 粗糙度测试仪的上位机设计175.1 VISA简介175.2 VISA库中的串口通讯函数175.3 串行通信程序设计185.3.1 串行通信初始化的设计185.3.2 串口写入程序设计195.3

3、.3 串口读取节点程序设计205.4 数据处理程序设计205.5 数据存储21结论22社会经济效益分析22参考文献23致 谢24摘 要表面粗糙度是反映零件表面光滑程度的物理量。它是在切削过程中，由刀具在工件表面上留下的刀痕而产生的。目前广泛应用触针式轮廓仪可以实现粗糙度部分参数的评定，但存在测量参数较少、测量精度较低、测量结果输出不直观等缺点，已不能满足现代工件测量要求。本文根据表面粗糙度的定义，利用反射式光纤传感器的特点，应用光纤位移传感器，设计了一个基于虚拟仪器技术表面粗糙度测量仪。本仪器除能解决传统仪器目前存在的问题外，还具有测量速度快、自动化程度高和良好的人机界面等优点。文章介绍了表面

4、粗糙度的相关知识和反射式光纤位移传感器的工作原理，本设计系统分为上位机和下位机，下位机用于测量和采集数据，通过串口把数据传输到上位机，上位机用于对下位机采集到的数据进行处理，得出测量物体的表面粗糙度，对此数据进行显示和存储。关键词：单片机；光纤位移传感器；表面粗糙度；第一章 绪论1.1立题意义表面粗糙度是机械零件的一个主要精度指标，对零件的性能会产生重要的影响。零件表面粗糙度会直接影响零件的配合性质、疲劳强度、耐磨性、抗腐蚀性以及密封性等。因此，关于表面粗糙度测量的研究一直没有停止，传统的测量方法有比较法、针描法的、光切法、干涉法和印模法等多种，主要是使用样板、电动廓仪、光切显微镜、干涉显微镜

5、等多种工具和计量仪器。目前广泛应用触针式轮廓仪可以实现粗糙度部分参数的测量评定，但存在测量参数较少，测量精度较低，测量结果的输出不直观等缺点，已不能满足现代工件的测量要求，迫切需要开发研制新型的表面粗糙度测量仪来满足现代精密工件的测量要求，基于虚拟仪器技术开发出的表面粗糙度测量仪，除能解决传统仪器目前存在的问题外，还具有测量速度快，自动化程度高和良好的人机界面等优点，而且价格便宜，通用性强，将具有较大的市场潜力和应用价值。基于虚拟仪器技术的表面粗糙度参数测量仪，就是通过设计编写表面粗糙度参数测量的软件控制程序, 使得仪器的测试更加多样化，灵活，只要加上必要的硬件设备就可以根据用户需要构成测试仪

6、器。1.2光纤传感技术的发展与现状现代科学技术的迅猛发展，使人类社会从高度工业化向信息化转变。在信息化时代，人类将主要依靠对信息资源的开发及其变换、传输和处理进行社会活动。传感器是感知、获取、检测和转化信息的窗口，是实现信息化时代的主要技术基础。光纤与激光、半导体光探测器一样，是一种新兴的光学技术，形成了光电子学新的领域。是20世纪后半期重大发明之一。光纤传感技术是七十年代末期发展起来的一项新技术，它是纤维光学在非通信领域的应用。光纤传感技术是一门多科性学科，涉及知识面很广，如纤维光学、光电器件、电磁学、流体力学、弹性力学以及电子线路和微机应用等等。光纤传感器以其高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、

7、可绕曲、体积小、结构简单以及光纤传输线路的相容性等独特的优点，受到世界各国广泛的重视，并具有十分广阔的发展前景。光纤传感器的基本原理是将光源发出的光经光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长(颜色)、频率、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光，再经光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。光纤传感器按其传感原理分为两类：一类是传光型(或称非功能型)光纤传感器；另一类是传感型(或称功能型)光纤传感器。光纤传感技术优于其他传感技术的原因在于它是在光纤通信的基础上发展的。光纤通信拥有一个广阔的市场，能提供一系列低价格的器件，更重要的是，它形成

8、一门能为光纤传感器所使用的基础科学。1.3拟仪器虚测试技术发展虚拟仪器（Virtual Instrument）简称VI。VI是计算机技术在仪器科学与技术领域的应用所形成的一种新型的、富有生命力的仪器种类 , 它是适应卡式仪发展而提出的。传统仪器主要由控制面板和内部处理电路组成 , 而卡式仪器由于自身不带仪器面板 , 所以必须借助计算机强大的图形环境 , 建立图形化的虚拟面板 , 完成对仪器的控制、数据分析和显示。VI集成了当今的各领域高新技术 , 包括计量测试理论、传感技术、一次仪表和二次仪表、计算机等相关技术 , 运用虚拟现实技术令硬件尽可能软化 , 软件尽可能集成化 , 其重心不仅是相应的

9、软件系统 , 还应该包含硬件装置、测量方法和手段等的整个测试系统 , 甚至还包含了被测对象。VI 应是对用户开放的 ,允许用户介入并定义其若干功能VI是指通过应用程序将通用计算机与功能化模块硬件结合起来 , 用户可以通过友好的图形界面来操作计算机 , 就像操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样 , 从而完成对被测量的采集、分析、判断、显示、数据存储等工作。VI以透明方式将计算机资源和仪器硬件的测控能力相结合 , 实现仪器的功能运作。应用程序将可选硬件 如 GPIB、VXI、RS-232、DAQ 和可重复使用源码库函数等软件结合实现模块间的通信、定时与触发 ,源码库函数为用户构造自己的VI系统

10、提供基本的软件模块。1.4表面粗糙度测量技术的发展表面粗糙度与零件的工作性能和使用寿命都有着密切的关系，因此人们在很早以前就认识到测量表面粗糙度的重要性。但是由于技术工艺水平的落后，最早只能单纯依靠人的视觉和触觉来估计，随着生产技术的发展，人们又采用了比较显微镜进行对比测量，但是这些比较原始的测量方法只能对表面微观不平度作出定性的综合评定。近年来，随着科学技术的不断进步和“信息时代”的到来，机械、光学工业对加工表面的质量要求越来越高。这主要是因为表面粗糙度不仅对机械性能、物理性能、集成电路成品率有影响，而且它还影响计算机磁盘存储器磁头和磁盘的耐磨性和寿命，同时也影响磁盘信号的读出幅度和信噪比。

11、不言而喻，纳米级存储密度需要有低于纳米级粗糙度的表面作为基片，否则无法实现信息提取。因此，为实现更高的表面加工质量，相应要求更高的表面粗糙度测量手段。对于物体表面粗糙度测量技术的研究由来已久，一般来说，根据是否与被测表面接触，表面粗糙度测量方法可分为两大类：接触式和非接触式。第二章 粗糙度的基本概念2.1表面粗糙度的概念表面粗糙度是反映零件表面微观几何形状误差的一个重要指标，它主要是由于在加工过程中刀具和零件表面之间的摩擦，切削分离时的塑性变形和金属撕裂，以及工艺系统中存在的高频振动等原因所形成的。表面粗糙度不包括由机床几何精度方面的误差等所引起的表面宏观几何形状误差，也不包括在加工过程中由机

12、床、刀具、工具系统的强迫振动等所引起的介于宏观和徽观几何形状误差之间的波纹度，以及气孔、沙眼等。形状误差、波纹度和粗糙度这三类表面几何形状偏差在一个表面上并非孤立存在，大多数加工表面常受其综合影响。实际上，三者只有分级的不同，没有原则上的区别。2.2表面粗糙度的测量参数在保证零件尺寸、形状和位置精度的同时，对表面粗糙度也有相应的要求。而对表面粗糙度仅依据某一单独的评定参数是无法满足这种多方面的要求，在研究工作中就出现了大量不同的评定参数，为要表征这些评定参数所需的一些术语、定义就多达60多个，这种错综复杂的情况，在尺寸公差中是没有的，也比一般结合件的公差和配合复杂的多，而这也正是近年来国际上各

13、个工业国家积极研究的领域，几乎每年都在开展这方面的研究工作。为了与国际接轨，我国又先后对标准进行了修订。修订后的标准GB/T 131-1993表面粗糙度符号、代号及其注法，GB/ T1031-1995表面粗糙度参数及其数值，它们等效采用国际标准ISO1302-1992技术制图标注表面特征的方法及参照采用国际标准ISO 468-1982表面粗糙度参数及其数值和给定要求的通则。新国标的发布实施将有利于积极采用国际标准和提高产品质量，有助于促进表面粗糙度量仪和检测方法的发展与统一，使表面粗糙度术语、评定参数与国际上绝大多数国家取得一致，促进国际间的技术交流和对外贸易。根据表面粗糙度评定参数的发展，结

14、合我国科技和生产发展的情况，特别是为了适应与国际接轨的要求，我国于1995年修订的国标GB/T 1031-1995表面粗糙度参数及其数值，规定了表面粗糙度高度参数为 ， ，分别是： 轮廓算数平均偏差( )；轮廓最大高度( ) ；微观不平度十点高度( )。在取样长度L内轮廓偏距绝对值的算术平均值；在取样长度L内轮廓峰顶线和轮廓谷底线之间的距离； 在取样长度内5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最大的轮廓谷深的平均值之和。本文将以 为参数进行粗糙度的测量。 2.3反射式光纤位移传感器的结构传感器通常是由光源光纤和接收光纤构成。位移传感器中光纤采用Y型结构，即两束光纤的一端合并为光纤探头，另一端分叉为两

15、束，分别为光源光纤和接收光纤，光纤只起传输信号的作用。当光源发出的光，经光源光纤照射到位移反射体后，被反射的光又经接收光纤输出，被光敏器件接收。其输出光强决定于反射体距光纤探头的距离，当位移变化时则输出光强作相应的变化。通过对光强的检测而得到位移量。图2.1为反射式光纤位移传感器原理图。 图2.1 反射式光纤位移传感器的原理图2.4反射式光纤位移传感器输出特性反射式光线位移传感器如图2.1所示，光源发出的光经发送光纤射向被测物体的表面（反射面）上，反射光有接收光纤收集，并传送到光探测器转换成电信号输出，通过电信号的大小就可以测得物体距离探头的位移。由于光纤有一定大小的孔径，当光纤探头端部紧贴被

16、测件时，发射光纤中的光不能反射到接收光纤中去，接收光中无光信号；当被测表面逐渐远离光纤探头时，发射光纤照亮被测表面的面积越来越大，因而接收光纤端面上被照亮的区域也越来越大，有一个线性增长的输出信号；当整个接收光纤被全部照亮时，输出信号就达到了位移一输出信号曲线（图2.2）上的“光峰点”，光峰点以前的这段曲线叫前坡区;当被测表面继续远离时，有部分反射光没有反射进接收光纤，而且由于接收光纤更加远离被测表面，接收到的光强逐渐减小，光敏元件的输出信号逐渐减弱，进入曲线的后坡区。在位移-输出曲线的前坡区，输出信号的强度增加得非常快，这一区域可以用来进行微米级的位移测量。在后坡区，信号的减弱约与探头和被测

17、表面之间的距离平方成反比，可用于距离较远而灵敏度、线性度和精度要求不高的测量。在光峰区，信号达到最大值，其大小取决于被测表面的状态。所以这个区域可用于对表面状态进行光学测量，即可用于粗糙度的测量。图2.2为位移电压输出特性图。图2.2 电压位移输出特性2.5粗糙度测量原理如前所述，在峰值点附近，输出对距离的变化不敏感，而对粗糙度的变化最敏感，这正是测量粗糙度十分需要的特性。这里挑选了7块研磨样板，其Ra值都是精确标定已知的。取其中Ra值最小的样板为基准，细调距离d使输出电压为最大，并将此距离固定。再将其他研磨样板依次换上分别测出其输出电压，作为输出与Ra的关系如图所示：图2.3 粗糙度和电压的

18、关系实验中分别对每块样板测出电压十次取平均值。有关数据如下表所示：表2.1 不同样板表面粗糙度与输出电压数据表样板编号123456Ra（um）0.0050.020.030.040.0450.05Ra（um）4.693.052.581.951.691.43按表的实验数据对Ra值和输出电压进行曲线拟合，得出拟合曲线方程。 （2.1） 式中Ra的单位为 ；输出电压 的单位为V。第三章 粗糙度测量仪的总体方案设计本设计是基于虚拟仪器开发的一种新的表面粗糙度测量仪，即利用传统的表面粗糙度测量仪与虚拟仪器技术相结合。具体是利用光纤位移传感器进行粗糙度的测量，然后经过单片机数据采集，串口通信传输到计算机，最

19、后在LabVIEW平台上显示测量结果。总体方案包括下位机硬件和软件设计以及上位机的设计。下图是总体方案功能框图。 图3.1 总体方案功能框图3.1下位机硬件方案设计下位机硬件方案的设计主要包括测量部分和单片机部分的设计。测量部分主要包括传感器的选择和表面粗糙度样板的选择，单片机部分主要包括数据采集部分和数据传输部分设计。3.1.1传感器的选择本设计选用CSY-G型光电传感器实验仪所提供的传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半圆分布即双D型，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光通过光纤传

20、到端部射出后再经被测体反射回来，由另一光纤接收光信号，再由光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量大小与间距X有关。3.1.2光纤传感器特性实验由于光纤传感器探头由于系统所获得的数据具有非线性和测量仪器本身的误差，输人位移或粗糙度和输出电压之间没有确定的函数关系。因此往往事先测量一组数据，然后使用此数据进行曲线拟合，得到一条拟合曲线。表3.1 采集数据电压位移位移(mm)00.20.40.60.81.01.21.41.6电压(V)00.320.892.913.894.544.554.353.343.1.3单片机数据采集和传输电路的设计本系统采用的单片机是AT89C52。选用的A/D转换器是

21、ADC0809，ADC0809是目前比较常用的一种逐次比较式8路模拟量输入、8位数字量输出的A/D转换器。片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A的编码来决定所选通道。输出可直接连到单片机的数据总线上，可对0-5V模拟信号进行转换。传输部分是基于RS-232通信协议，通过MAX232芯片和计算机串口相连进行数据传输。3.2下位机软件系统设计软件系统主要包括主程序、A/D转换、数据传输。下面详细介绍下位机的软件设计思想。软件总体流程图如图3.2所示。开始程序初始化数据采集数据转换数据传输计算机结束图3.2 系统软件总体流程图4粗糙度测试仪的下位机设计4.1信号调理电路 信号调理电路的功

22、能主要是完成对光纤传感器输出的微弱不稳定信号进行放大滤波，使其输出电压信号满足A/D转换的要求，在05V范围内。由于反射式光纤位移传感器的输出电压信号很小。因此在进行A/D转换时，就要对信号进行电压放大以达到转换要求。故而在传感器和A/D转换电路之间加入了一级有源放大电路，使输出电压为05V，从而为后续的A/D转换电路提供必要条件。图4.1为电压放大电路电路图。 图中的放大倍数为100倍可满足设计要求。图4.1 电压放大电路电路图4.2单片机及其外围扩展电路的设计单片机外围扩展电路主要包括时钟电路、复位电路、A/D转换电路、数据传输电路。4.2.1单片机介绍 1.单片机的内部结构及应用领域 单

23、片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。单片机有8位、16位甚至32位机，但8位单片机以它的价格低廉、品种齐全、应用软件丰富、支持环境充分、开发方便等特点而占着主导地位。MCS-51系列高档8位单片机是Intel公司1980年推出的产品，而AT89C51芯片是MCS-51系列单片机中的代表产品，它内部集成了功能强大的中央处理器，包含了硬件乘除法器、21个专用控制寄存器、4kB的程序存储器、128字节的数据存储器、4组8位的并行口、两个16位的可编程定时/计数器、一个

24、全双工的串行口以及布尔处理器。图4.2为单片机的内部结构框图。 图4.2 单片机的内部结构框图2 .AT89C52特性 其主要特性是：可与MCS-51 兼容；8K字节可编程闪烁存储器 ；寿命：1000写/擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0Hz-24Hz；三级程序存储器锁定；128*8位内部RAM；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路；VCC：供电电压；GND：接地。图4.3为AT89C52的管脚图 图4.3 AT89C52管脚图4.2.2复位电路的设计89C52的复位输入引脚RET（即RESET）为89

25、C52提供了初始化的手段。有了它可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的0000H地址单元开始执行程序。在89C52的时钟电路工作后，只要在RET引脚上出现两个机器周期以上的高电平时，单片机内部则初始复位。只要RET保持高电平，则89C52循环复位。只有当RET由高电平变成低电平以后，89C52才从0000H地址开始执行程序。本系统的复位电路是采用按键复位的电路，如图4.6所示，是常用复位电路之一。当89C52的ALE及PSEN两引脚输出高电平，RET引脚高电平到时，单片机复位。通过按动按钮产生高电平复位称手动复位。上电时，刚接通电源，电容C相当于瞬间短路，+5V立即加到RET/VPD端

26、，该高电平使89C52全机自动复位，这就是上电复位；若运行过程中需要程序从头执行，只需按动按钮即可。按下按钮，则直接把+5V加到了RET/VPD端从而复位称为手动复位。复位后，P0到P3并行I/O口全为高电平，其它寄存器全部清零，只有SBUF寄存器状态不确定。图 4.6 按键电平复位电路4.2.3 A/D转换电路的设计逐次逼近型A/D转换器是目前品种最多、应用最广的ADC器件。它有两个类别，一是单芯片集成化A/D转换器，另一是混合集成化A/D转换器。ADC0809转换器是单芯片集成化A/D转换器，是8位A/D转换芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D转换的。ADC0809由单一5V电源供电，片

27、内带有锁存功能的8位模拟多路开关，可对8路05V的输入模拟电压分时进行转换，完成一次转换约需时间100s（相应的时钟频率为640KHz），片内具有多路开关的地址译码器和锁存电路，高阻抗斩波器，比较器，输出缓冲锁存器，可以直接接到单片机的数据总线上。ADC0809内部没有时钟电路，故时钟信号应由单片机提供（接10脚CLOCK端）。本课题使用的单片机时钟频率为12MHz，若与单片机接口时，可利用其地址锁存允许信号ALE（2000KHz）经2个D触发器四分频获得500KHz的时钟，恰好满足0809对时钟频率的要求。图4.7为ADC0809的引脚图。图4.7 ADC0809管脚图该芯片共有28个引脚，

28、具体引脚功能如下：输入引脚IN0IN7是8路模拟量输入端，接收要转换的模拟数据；输出引脚 D0D7为数据输出端，其功能是将转换好的数据由此端输出；通道控制单元A、B、C为8路输入通道的选通单元，每次只能选通一条通道。C、B、A的编码由单片机提供， 地址通道编码见表4.1；START为启动A/D转换信号的控制端，在一个正脉冲作用之后，转换器就开始工作。；编码通道ABC000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ALE为地址锁存信号输入端，当ALE为高电平时，允许C、B、A所示的通道被选中，并将该通道的模拟量接入A/D转换器；时钟信号CLK是时钟

29、信号输入端，A/D转换器要求的时钟频率为640KHz，如果高于此频率，转换器无法正常工作；参考电压端口REF(+)和REF(-)是用来提供A/D转换的量化单位。一般REF(+)=5V，REF(-)=0V；输出允许控制信号OE，当OE为高电平时，允许从A/D转换器锁存器中读取数字量；标志信号EOC是A/D转换结束标志信号，当A/D转换完毕时，EOC端输出高电平，表示转换结束，因此EOC可作为CPU的中断或查询信号；电源端 VCC接地端GND。ADC0809工作时序如图4.8所示。由于本设计只要求一路模拟信号输入即可，因此C、B、A引脚并联接地便选通了IN0口，可以满足设计要求。图4.8为ADC0

30、809工作时序图： 图4.8 ADC0809工作时序图图4.9为ADC0809和单片机连接图： 图4.10 89C51单片机串行口内部结构 51单片机内部有SCON和PCON两个特殊功能寄存器，专门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各位的定义如下图所示：图4.11 SCON各位定义表4.2 串行口控制寄存器SCON各位的定义SM0 SM1工作方式选择工作方式波特率0 0方式0移位寄存器0 1方式110位异步收发波特率可变，由T1控制1 0方式211位异步收发或1 1方式312位异步收发波特率可变，由T1控制 图4.9 ADC0809和单片机连接图4.2.4串行通信的

31、设计串行口主要由数据发送缓冲器、输出控制门、数据接收缓冲器SBUF、接收控制器和输入移位寄存器组成。其中数据发送缓冲器和数据接收缓冲器共用一个地址，由于数据发送缓冲器只能写入，不能读出，而数据接收缓冲器只能读出，不能写入，所以会造成操作混乱。串行口是通过管脚TXD和RXD与外界进行通信的，如下图4.10所示： 图4.10 89C51单片机串行口内部结构 51单片机内部有SCON和PCON两个特殊功能寄存器，专门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各位的定义如下图所示：图4.11 SCON各位定义表4.2 串行口控制寄存器SCON各位的定义SM0 SM1工作方式选择工作

32、方式波特率0 0方式0移位寄存器0 1方式110位异步收发波特率可变，由T1控制1 0方式211位异步收发或1 1方式312位异步收发波特率可变，由T1控制电源控制寄存器PCON各位的名称如图所示，其字节地址位87H，不能寻址。最高位SMOD为串行口波特率倍增位，当SMOD=1时，串行口波特率加倍，单片机复位时SMOD=0。表4.3 电源控制寄存器PCON位名称SMODGF1GF0 PDIDL本课题采用的是串口工作方式2，为11位（即1位起始位、8位数据位、1位可编程位和1位停止位）的异步通信。发送数据的过程为：先发送起始位0，再由低位到高位发送8位数据位，然后发送可编程位TB8，最后发停止位

33、。数据发送完毕后由硬件置位TI，向CPU发中断请求信号，在中断服务程序中，应由软件给TI清零，这样才能再次进行下一帧数据串行发送。接收数据的过程为：当REN=1时，CPU开始对RXD不断采样，一旦采样到负跳变时，便开始接收8位数据，当8位数据接收完后，将可编程位（第9位数据）装入RB8。当SM2=0且RB8=1时，数据帧才有效。本课题实现的是PC机与单片机之间的通信，由于PC机采用的是RS-232C电平，而单片机采用的是TTL电平。所以需要电平转换。因此采用MAX232芯片实现。下图为PC机和单片机通信原理图：图4.12 单片机与PC机通信连接图4.3下位机软件设计4.3.1主程序设计主程序的

34、基本功能是实现各子程序的初始化和对各个模块程序实现调用。从而实现对整个测试系统的流程进行控制，以达到对被测表面进行测量的目的。其流程图如下：开始系统初始化A/D采样中断串口通信子程序结束YN图4.13 主程序流程图4.3.2ADC0809转换程序设计A/D转换子程序主要的作用是将传感器转换出来的模拟信号转换成计算机可以处理的数字信号，而A/D转换器的作用就是把模拟量转换成数字量，以便于计算机进行处理。A/D转换子程序流程图如图4.14所示。开始初始化启动ADC0809读出A/D转换值保存结果返回图4.14 ADC0809转换流程序4.3.3串口通信程序设计串口通信是把ADC0809转换后的数据

35、发送给计算机，由LabVIEW对所得到的数据进行分析和处理。由于LabVIEW接收串口数据只能接收字符串的形式，因此把待发送的数据转换成字符串的形式。流程图如下所示：开始串口初始化数据转换等待计算机命令数据发送返回NY图4.15 串口通信流程图第五章 粗糙度测试仪的上位机设计5.1 VISA简介LabVIEW提供了功能强大的VISA库。VISA(Virtual Instrument Software Architecture)虚拟仪器软件规范，是用于仪器编程的标准I/O函数库及其相关规范的总称。VISA库驻留于计算机系统中，完成计算机与仪器之间的连接，用以实现对仪器的程序控制，其实质是用于虚拟

36、仪器系统的标准的API。VISA本身不具备编程能力，它是一个高层API，通过调用底层驱动程序来实现对仪器的编程，其层次如图5.1所示。VISA是采用VPP标准的I/O接口软件，其软件结构包含三部分，如图5.1所示。图5.1 数据转换程序与其他现存的I/O接口软件相比，VISA的I/O控制功能具有如下几个特点：适用于各种仪器类型(如VXI仪器、GPIB仪器、RS-232串行仪器、消息基器件、寄存器器件、存储器器件等仪器)；适用于各种硬件接口类型；适用于单、多处理器结构或分布式网络结构；适用于多种网络机制。VISA的I/O软件库的源程序是唯一的，其与操作系统及编程语言无关，只是提供了标准形式的AP

37、I文件作为系统的输出。5.2 VISA库中的串口通讯函数本文用到的主要的串口通讯函数调用路径为：FunctionsInstrument I/OVISAVISA AdvancedInterface SpecificSerial中。(1) VISA 配置串口控件 (图5.2所示图5.2 VISA 配置串口该控件主要用于串口的初始化。主要参数意义如下： 启用终止符使串行设备做好识别终止符的准备。如值为TRUE（默认），VI_ATTR_ASRL_END_IN属性将被设置为识别终止符。如值为FALSE，VI_ATTR_ASRL_END_IN属性将被设置为0（无）且串行设备不识别终止符。 终止符通过调用终

38、止读取操作。从串行设备读取终止符后读取操作将终止。 0xA是换行符(n)的十六进制表示。消息字符串的终止符由回车(r)改为0xD。超时设置读取和写入操作的超时值，以毫秒为单位。默认值为10000。VISA资源名称指定要打开的资源。该控件也可指定会话句柄和类。波特率是传输速率。默认值为9600。数据比特是输入数据的位数。 数据比特的值介于5和8之间。默认值为8。奇偶指定要传输或接收的每一帧所使用的奇偶校验。停止位指定用于表示帧结束的停止位的数量。流控制设置传输机制使用的控制类型。(2) VISA 读取控件(图5.3所示) 图5.3 VISA 读取控件大数据处理功能对其进行分析处理。主要参数意义如

39、下： VISA资源名称指定要打开的资源。字节总数是要读取的字节数量。VISA资源名称输出是由VISA函数返回的VISA资源名称的副本。读取缓冲区包含从设备读取的数据。返回数包含实际读取的字节数。(3) VISA 写入控件(图5.4所示)图5.4 VISA 写入控件将写入缓冲区的数据写入VISA资源名称指定的设备或接口中。主要参数意义如下：VISA资源名称指定要打开的资源。写入缓冲区包含要写入设备的数据。VISA资源名称输出是由VISA函数返回的VISA资源名称的副本。返回数包含实际写入的字节数。5.3 串行通信程序设计5.3.1 串行通信初始化的设计首先将VISA配置串口节点进行初始化。即设定

40、通信口、波特率、校验位等。考虑到可能用到一个或多个串口以及下位机波特率的设定的变化，这里用了2个Case结构。这里由于计算机只有两个COM口，所以只设定了COM1口和COM2口，设定了4个可选择的波特率，即1200、2400、4800、9600。下图是通讯口和波特率设定程序：图5.5 通讯口和波特率设定程序对于VISA配置串口节点分别用了2个Case结构，属于嵌套的关系。外面的Case结构作用是打开串口，里面的Case结构作用是判断通讯口的设定是否正确。程序设计图如下所示： 图5.6 串口初始化程序设计5.3.2 串口写入程序设计串口写入节点主要作用是上位机向下位机发送命令，由于下位机即单片机

41、只能处理16进制数据，而上位机写入缓冲区的数据是字符串，两部分数据类型不同，所以需要对写入缓冲区的数据进行转换，即把字符串转换成16进制整型字符串。下图为数据转换程序设计： 图5.7 数据转换程序为了简化主程序的结构，把上面的数据转换设计成子VI。为使程序更完美，设计了计算上位机发送数据字节数以及清空字节数的程序。图5.8 串口写入节点程序设计5.3.3 串口读取节点程序设计此节点主要作用是从读取下位机发送上来的数据，为了保证依次将串口输入缓存中的数据全部读取，在使用串口读取节点前加一个Bytes at Serial Port属性节点，来检验当前串口输入缓存中存在的字节数，然后串口读取节点由此

42、指定节点数读取数据。为了便于后续的数据处理，在大循环上建立移位寄存器，保证每次循环读取的值可以保存在数据接受区。在节点之后加上计算接收数据字节数和清空字节数的程序，可是接收的数据更直观。程序如下图所示：图5.9 串口读取节点程序设计5.4 数据处理程序设计数据处理是对上位机接收到来自下位机的数据进行分析和处理，以得到我们想要的结果，即本课题所研究的表面粗糙度。下图为数据处理的程序：图5.10 数据处理程序 通过上图可以看出，接收到的数据（十进制数字符串）经过十进制数字符串至数值转换得出十进制数值，由于下位机经过转换发送上来的数据是0-255，此数值代表的是0-5V的电压值，所以需要对转换后的数

43、值乘以0.019，得出的数值就是所对应的电压值。经过公式VI（可以写入公式,即所对应的电压-粗糙度关系）得出所测量的粗糙度。5.5 数据存储 数据存储是对每次测量值进行保存，以便于管理。本部分采用的是写入电子表格文件节点，对所要保存的粗糙度和所对应的电压值进行保存。程序如图5.11所示：图5.11数据存储程序结论传统的粗糙度测量方法有比较法、针描法的、光切法、干涉法和印模法等，主要是使用样板、电动轮廓仪、光切显微镜、干涉显微镜等多种工具和计量仪器。目前广泛应用触针式轮廓仪可以实现粗糙度部分参数的测量评定，但存在测量参数较少，测量精度较低，测量结果的输出不直观等缺点，已不能满足现代工件的测量要求

44、，迫切需要开发研制新型的表面粗糙度测量仪来满足现代精密工件的测量要求，基于虚拟仪器技术开发出的表面粗糙度测量仪，除能解决传统仪器目前存在的问题外，还具有测量速度快，自动化程度高和良好的人机界面等优点，而且价格便宜，通用性强，将具有较大的市场潜力和应用价值。1光纤位移传感器的特性是：当光源发出的光经发送光纤射向被测物体的表面(反射面)上，反射光有接收光纤收集，并传送到光探测器转换成电信号输出，电信号的大小随着探头与被测物体的距离变化而变化。本文应用光纤位移传感器的输出特性设计了表面粗糙度测试仪，为实现表面粗糙度的精确测量提供了较好的途径，而且随着材料技术和传感器技术的不断发展，该方法将会更加的完

45、善。2本文通过对测试样件的测量对所设计的粗糙度测试仪进行了实验验证，结果证明应用光纤位移传感器的粗糙度测试仪可以很好的进行粗糙度的测量。3本论文中设计的粗糙度测试仪是基于虚拟仪器而设计的，随着虚拟仪器功能的不断增强，尤其在测试领域的所具有的优势，可以很好的完成所需的要求。4因为没有标定的样板，所以本论文没有对所设计的粗糙度测试仪的精度进行具体的标定，因此没有办法保证测量的精度。如果有时间，或者调节允许，该设计将会取得更好的效果。 总之，应用光纤位移传感器的输出特性，基于虚拟仪器技术的表面粗糙素测试仪可以实现对零件的表面进行测量，可以很好实现对测量结果的显示和存储，便于对测量工件的管理。社会经济

46、效益分析在工业生产加工中，零件表面粗糙度会直接影响零件的配合性质、疲劳强度、耐磨性、抗腐蚀性以及密封性等。因此，表面粗糙度测试仪在今后的工业生产中有着广泛的应用。本系统硬件选用了市场上应用较多的、光学性能优良、反应敏感、光纤位移传感器，以及性价比很高的AT89C51芯片和ADC0809等芯片，其中ADC0809是目前比较常用的一种逐次比较式8路模拟量输入、8位数字量输出的A/D转换器，这些元件价格低廉，性能稳定。而软件的设计除能解决传统仪器目前存在的问题外，还具有测量速度快，自动化程度高和良好的人机界面等优点，而且价格便宜，通用性强，将具有较大的市场潜力和应用价值。本设计的成本很小，但自动化程

47、度很高。因此，应用本设计所采用的方法，可以对加工的零件实现大面积测量，具有一定的应用价值，该设计具有较好的经济效益和社会效益。参考文献1贾伯年. 传感器技术. 东南大学出版社. 20002赵茂泰. 智能仪器原理及应用. 电子工业出版社, 20043原荣. 光纤通信. 北京: 北京电子工业出版社, 20024赵继文. 传感器与应用电路设计. 北京: 科学出版社, 20035张毅刚. 新编MCS-51单片机应用设计基础. 哈尔滨工业大学出版社, 20036杨旭东. 表面粗糙度测量仪的工作原理分析及改进方案. 贵州工业大学学报, 2001, 30(1): 45-487黄国权等. 虚拟仪器技术的表面粗

48、糙度测量仪. 机床与液压, 2007, (6): 21-248进金杰,李奕,曾祥烨. 光纤探针式表面粗糙度测量仪实验研究. 南开大学学报(自然科学版), 2005,38(1): 49-529吕会娣,朗岩梅. 触针式表面粗糙度测量仪的性能指标及检测. 机械工程师, 2003, 5:72-73 10陈爱弟,王信义. 零件表面粗糙度的在线检测方法研究. 中国机械工程, 2002,13(6):494-49611王文卓,李大勇,陈捷. 表面粗糙度非接触式测量技术研究概况. 机械工程师, 2004,11:6-912梁艺军,苑立波,刘志海,王宏淘. 光纤二维粗糙度传感器. 哈尔滨工程大学学报, 2002,2

49、3(2):87-9013张慧君. 表面粗糙度评定参数的发展与分析. 上海标准化, 2001,3 (1):52-5314关国强. 表面粗糙度检测技术发展概述. 实用工业技术, 2004,17(2):42-4315徐建强,江驰,张惠,夏霄红,刘裕勤. 检测表面粗糙度的光纤传感器研究. 计量学报, 2002,23(4):280-29316马宏伟等基于LabVIEW的超声检测虚拟仪器开发J. 仪器仪表学报, 2006,12(6):48-5217孙俊卿,裘道源. 光纤探式轮廓仪的理论与实验研究. 电子科技大学学报, 2003,32(1) :56-5918Gehrtz M Streck H Grimm H

50、 Scanning. Tunneling Micorscopy of Machined Surface. Sci-Technol. 1988,A6(2):432-435致 谢设计即将完成，首先向我的指导教师致以深深的谢意。为了让我们更好的做设计，给我们提供了做毕设的专用实验设备，在这样良好的学习环境中我们互相探讨问题，学习氛围很浓。在这段毕设时期里，老师渊博的知识、严谨的治学作风深深感染着我。当我的毕设进度慢下来的时候，老师不断鞭笞我努力向前。在指导我如何分析问题，解决问题的同时，更教会我做人的道理。这一切将让我在以后的道路中受益匪浅。当然也要感谢实验室的老师们为我们提供了很好的毕设条件。最后衷心祝愿你们，“工作顺利，万事顺心”。24