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1、摘要在检测机械零件外形尺寸的细微偏差时，传统方法有着测量功能单一、测量误差较大、无法对测量数据直接进行计算机处理和智能化等缺陷。然而这些参数对产品的使用性能有着重要的影响。为实现这些参数的高效、高精度的测量，针对目前的测量方式存在的这些问题，本课题结合传感器、检测、通讯和微型计算机等技术，采用模块化、通用化和标准化的设计思想，研究开发了三色电子柱量仪。本设计首先选定了自感式差动传感器并为其设计了信号采集处理的电路，再确定以高性能单片机ADC812为核心，以使电路设计得到简化、提高稳定性，然后围绕该单片机设计了可随总线速度无限擦写的存取器FM24C256、容错性能好的RS-485串行通讯接口、键
2、盘和12232F点阵式液晶显示器等一系列模块，接着采用FPGA器件实现LED三色光柱显示驱动，最后对量仪系统软件进行了设计。关键词ADC812；菜单结构；LED光柱显示；FPGA；RS485串口通讯AbstractWhen measuring subtle differences of the outer sizes of machine parts, the traditional methods have such defects as being singular in measuring function, existing too many errors and having no
3、way to computerize measured data directly. However, these parameters have great influence on products attributes. In order to measure these parameters efficiently and accurately, the system used the technology of sensor, automatic acquisition, communication and computer and adopted the design philos
4、ophy of modularization, generalization and standardization. We developed this there-color LED bargraph display measuring instrument which can measure the dimension and runout tolerances of mechanical parts.The system of hardware using the fully integrated 12-bit data acquisition system (ADC812) and
5、FPGA as the LED bar drive circuit to simplify the hardware design and enhance the stability of the hardware. The system of software offers the framework of the function extensibility and the instrument upgrading with the menu operation. At last, we design the serial communication protocol which is h
6、igh efficiency of data transfer and high performance of fault tolerant to connect with personal computer through the bus of RS-485. Also we develop the software of PC to manager the instrument and collect real-time measuring data with network and realize the user interface. The date of measure and c
7、onfiguration is stored in the ACCESS database convenient for managing, analyzing, displaying and printing the data. Key words: ADc812; Menu structure; LED bargraph display; FPGA; RS485 Serial communication protocol目 录摘要1ABSTRACT2第1章 绪论51.1 课题背景及来源51.2 国内外发展现状51.3 课题研究内容71.3.1 设计目的71.3.2 设计目标71.3.3 设
8、计内容8第2章 传感器测量原理92.1 传感器的定义及构成92.2 电感传感器102.2.1 电感式传感器的特点102.2.2 电感式传感器的分类102.3 本设计中传感器的工作原理11第3章 系统硬件设计153.1 硬件设计原则153.2 硬件框架的设计153.3 硬件各模块的设计163.3.1 传感器信号调理模块163.3.2 数据采集模块203.3.3 数据处理模块233.3.4 人机对话模块263.3.5 存储模块293.3.6 外部通讯模块323.3.7 光柱显示及其驱动模块333.3.8 单片机下载调试模块363.3.9 电源模块383.3.10 单片机下载调试模块39第4章 软件
9、系统设计424.1 软件设计原则424.2 单片机系统软件的设计434.3 软件各模块的设计444.3.1 A/D采样模块444.3.2 人机对话模块454.3.3 光柱控制模块474.3.4 存储器模块484.3.5 外部通讯模块48结论50致谢51参考文献52附录154附录258附录367第1章 绪论1.1 课题背景及来源机械零件的形位误差和尺寸误差参数1对产品的使用性能有着重要的影响，在进行检测时，传统方法是采用机械式量规、卡尺、千分尺和千分表等量具进行测量。但是传统方法的测量功能单一、测量误差较大、并且无法对测量数据直接进行计算机处理更谈不上智能化。电子柱量仪是一种用长度尺寸的相对法精
10、密测量的测量仪器，特别对圆度、平行度、垂直度等微小变动量的测量极为有用。主要用于机械制造、加工及各种检测中。在精密机械制造业、汽车拖拉机业、纺织业以及国防和科研等方面的精密测量中有着广泛地应用。但是目前国内的电子柱量仪存在数字化程度低、无超差报警、仪器功能扩展性差等不足，不能实现快速测量，越来越不能满足现代工业生产、制造及检测要求。1.2 国内外发展现状在现代工业生产中，各制造商在不断更新制造技术的同时，对生产检测技术都给予了极大的重视2。专家们逐渐认识到，制造技术与检测技术结下了不解之缘。新检测技术不断揭示了传统制造技术的不足之处，促使工艺师们进一步改善和创新；新制造技术有反过来对检测技术提
11、出了更高的要求，二者相辅相成，互相促进。世界各国的量仪厂之间的竞争是很激烈的。为了在竞争中取胜，就要不断提高质量，不断改进和推出下一代量仪。国内外各制造商对产品的质量都极为重视，而主要保证产品质量的手段之一，是先进的检测技术。一般认为检测技术的发展，机械量具算是第一代；气电量仪可做第二代的典型；电子柱量仪和计算机辅助测量系统等就列入第三代技术了。几年前，在检测领域一直保持着“三代同堂”的局面。这就是生产线上仍在使用卡板、塞规之类的专用量具的同时，气、电量仪几乎用于全部孔径和轴径的最终检验，而电子柱量仪等先进检测技术也纷纷登场。近年来，浮标气动量仪“一统天下”的局面在美国发生了根本的变化，取而代
12、之的是电子柱量仪。这一变化是出人意料的，因为美国是浮标气动量仪的发源地，为何变化如此之快呢？因为电子柱量仪克服了浮标气动量仪的许多缺点，如测量头初始间隙小，线性不好，浮标容易粘在玻璃管上等等。那么取而代之的电子柱量仪是什么呢？实际上电子柱就是一种显示装置，最早于1974年由美国的Bendix公司发明，测量时由气电转换器将气压转换成电压信号，经驱动电路把51只发光二极管中的一只点亮，由此读出发光二极管所对应的刻度值。美国专刊书3825827中为“浮标效果”。利用此类显示装置制造的量仪，定名为电子柱量仪。电感式测量仪虽具有高精度、高效率，能进行和差演算、记忆、峰值测量及数显等特点，但显示方式传统为
13、指针和数显，这种显示方式在单参数测量中还比较适用，用于多参数综合测量就极不方便。电感量仪的宽度一般为250毫米，如果需要多台合在一起时，将超出检验人员的视野。检验员要逐个观看指针是否在合格的范围内，既费时又疲劳。这个缺点就使电感测微仪的应用受到了限制。量仪设计师们自然想到量仪直列拼台式的优点。七十年代末，国外在显示领域又推出了等离子双光柱自动扫描显示装置，即PDP显示板，它具有亮度强、体积小、功耗低及显示面积和视角大等优点，但价格比发光二极管要昂贵。美国Vernon公司，西德Feinpruf公司和意大利Marposs公司等先后应用了PDP显示板，研制成电子柱电感式测微仪。测量时，电感传感器给出
14、电信号，由等离子器件发出醒目的橘红色亮光，形成一束彩色的光柱，达到直列式显示的目的，给电感式量仪带来了生机。八十年代中期，欧美一些国家先后推出了品种繁多的电子柱（气动或电感式）测微仪，显示装置常用101只发光二极管（简称LED光柱）或301只PDP光柱显示，测量时由一大串LED（或PDP）发亮，形成一条彩色光柱，示值清晰醒目，称之“温度计”效应。由于电子工业不断地发展，电子柱测微仪价格下降，目前在美国购买一台普通型电感式电子柱测微仪的售价为500至600美元，与浮标式气动量仪的价格相差无几，这也是电子柱测微仪在国外能迅速得到推广的一个重要原因。在现代工业测量控制领域中，各种仪器对参数的显示方式
15、中最常见的主要有两种：指针式和数字显示式，它们各有优缺点，在不同的应用场合应采用不同的显示方式。指针式显示表头对被指示参数的变化趋势一目了然，但是它抗震能力差，机械惯性大，对参数的较快变化无力反应；数字显示式表头虽具有较好的可靠性，但它却不能显示参数的变化趋势，特别是在工业现场多参数多表头显示时，更难辨明哪些参数在增加，哪些参数在减小。自上世纪九十年代以来，LED作为一种新型光源有了突飞猛进的发展。在我国，不仅开创了巨大的新兴市场，而且应用面越来越广泛。近年对LED光柱显示(又称为LED条形显示)开发和应用也开展了不少的研究，LED光柱显示是一种可以集指针显示和数字显示两者优点与一身的显示技术。LED光柱可以独立地用于指示信号幅度，也可以配合数字显示表头以增强动态效果，与指针摆动的动态效果相比，此外，LED光柱显示还具有不存在机械惯性、使用寿命比较长、在暗处也无需照明、显示精度比模拟指针显示精度高等优点。可以说LED光柱显示器替代仪表指针，已成为仪表仪器行业的新趋势3,4。随着时代的进步，国内的工业生产大量应用电子柱测微仪的趋势已经形成，这必将硬气量仪专业厂为了赶上国外先进水平，替代进口量仪的国产化而加速工作。1.3 课题研究内容1.3.1 设计目的本设计的目的是开发一种高精度的三色电子柱量仪。该仪器以常用而且测量精度很高的电感传感器为基础，将位移信号转换为电信号，
