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资料毕业的设计硬度计信号处理及显示电路
毕业设计(论文)
题目硬度计信号处理及显示电路
系统软硬件设计
专业测控技术与仪器
硬度计信号处理及显示电路系统软硬件设计
摘要
硬度计是检测材料和零件硬度比较精密的工具,用来测量材
料或者成品半成品的相对硬度,其性能指标主要体现在检测精度
和可操控性两个方面。
本文通过对现有的洛氏硬度计的工作原理
的分析,结合当前的科技水平,论述了以ATMEL公司的AT89S51
单片机为核心处理器【1】,通过光栅位移传感器对位移信号进行
采集【2】,然后送到细分辨向电路进行20细分,再送入单片机的
计数器,经处理后通过六位8段LED数码管显示出来。
在单片机
系统中,使用C语言实现计数和显示等部分的功能。
关键词:
洛氏硬度计;光栅位移传感器,AT89S51单片机;
LED数码管
Hardnessofsignalprocessinganddisplaysystem
hardwareandsoftwarecircuitdesign
Abstract
TheRockwellhardnesstesterisaprecisionmeasurementinstrumentin
materialandparthardnesstesting,whichisoftenusedindetectionofmaterials,
productandhalf-finishedproduct.Itsperformanceisdecidedbymeasurement
precisionandmanipulationcapability.BasedontheexistingRockwellhardness
oftheprincipleofcombiningthecurrentlevelofscienceandtechnology,
discussedthecompanytoATMELAT89S51microcontrollerasthecore
processor[1],throughthegratingdisplacementsensorsignalstothe
displacementofcollecting[2],andthensenttothefineresolutiontothe20
sub-circuits,andthensenttotheCounterSCM,treatedthroughthesixparagraph
8oftheLEDdigitaldisplay.IntheSCMsystem,theuseofClanguage,suchas
countinganddisplaysomeofthefunctions.
Keywords:
Rockwellhardness;Gratingdisplacementsensors;AT89S51SCM;LEDdigitaltube
1.绪论
1.1洛氏硬度计的发展与现状
洛氏硬度计的检测方法最初是由美国人洛克威尔
(S.P.Rockwell和H.M.Rockwell)在1914年提出的。
以后他们在
1919年和1921年两次对硬度计的设计进行了改进,奠定了现代洛
氏硬度计的雏形。
1930年,威尔逊(C.H.Wilson)进行了更新设计,
使洛氏硬度检测和设备更趋完善,一直沿用到现在【3】。
硬度计是一种经典式的材料试验仪器,传统的结构大多数都是采用砝码和杠杆放大机构加荷,有的还用砝码油压,加荷等等,一直延续了一个世纪。
本世纪60年代以来,蓬勃迅速发展的微电子技术,光栅技术,激光技术与自动调节技术等大大促进了硬度计在结构上的改革与更新,目前已经出现了伺服电机驱动的加,卸荷机构和光栅,磁栅测深显示机构以及差动调节系统,因而使得当代硬度计测量精度,测量速度和使用的简便性都有显著的提高。
特别是微电脑系统也被应用之后,硬度计的自动化程度和连续检测的稳定性以及即时显示与提供检测结果等功能都达到了一个前所未有的水平。
国外生产硬度计的厂家很多较为知名的有:
美国的威尔逊
(Wilson)公司,意大利的加利略(OfficineGalileo)公司,德国的莱比锡(Leipzig)公司与沃尔佩特(Worpert)公司,英国的维克斯(Vickers)公司,瑞士的葛耐姆(AlbertGnehm)公司以及日本的松泽公司和明石公司等,此外,捷克,匈牙利,独联体也有许
多生产厂家。
其中众多的产品都数字化和微电脑化了,除了试验
检测外,更多的产品被用于零件生产和工艺处理后的质量监督与
控制的生产线上。
目前广泛使用的数显洛氏硬度计,如莱州华银试验仪器公司生产的HRS-150型等等,已采用了高精度的光栅位移传感器测量压痕深度,以微电子技术进行程序控制,实现了检测力施加自动化,硬度指示数字化,检测过程自动化,具有数据采集,计算,
显示,打印及各种硬度值间换算等功能【4】。
另外,如HRD-150型电动洛氏硬度计,这种机型采用了自动对零专用表测量压痕深
度,仅以上升工作台操作即可完成施加预检测力和表针自动对零的过程,消除了人工对零的误差。
该机主轴系统为无摩擦式结构,主检测力的施加,保持,卸除均电器控制达到自动完成一个检测过程。
这些基本上是洛氏硬度计的发展现状,随着科学技术的发展,缺陷也在不断体现出来,所以还有相当大的改进空间。
随着国民经济建设的迅速发展,工业产品的品质与品种及新材料,新工艺的采用,使得硬度计也必将有更大的进步。
1.2课题提出的意义及研究内容
从洛氏硬度计目前的发展状况来看,有很多企事业单位还在
使用机械式测量,读数的的硬度计,不仅测量效率低,而且误差
比较大,特别是人为因素造成的误差(因为在测量读数方面对操
作人员的要求高)明显偏大。
对这种类型的洛氏硬度计进行数字
化改进是势在必行的。
本文主要的研究内容有:
1.总体方案的研究与设计
2.系统硬件电路的设计
3.系统软件方面的设计
4.整个软硬件系统的调试
本文主要围绕以上所列内容进行研究,其间,还会对在整个
设计中所必须要用到的仪器或软件进行必要的说明。
2系统总体设计方案的研究与设计
2.1洛氏硬度计的结构与检测方法
洛氏硬度计是检测材料和零件硬度较精密的计量仪器,它的示
值准确与否是非常重要的。
对硬度计的管理,使用与维护,出使
用部门和检测人员应认真对待外,还应定期委托国家计量部门检
定,以保证示值准确和检测质量。
2.1.1洛氏硬度计的结构
洛氏硬度计属于压入法硬度计,即也是静力法硬度计。
静力法硬度计一般是由机架,加荷机构,压头及测量装置及部分组成。
a.机架
它是硬度计所有部件的支撑体,应具有很好的刚性和稳定性。
按形状可分为门式和悬臂式两种。
洛氏硬度计采用的是悬臂式,
检测力一般都是通过杠杆放大之后加在主轴上的。
b.加荷机构
加荷机构包括产生检测力的装置,加卸荷装置,控制施加检
测力速度装置等。
洛氏硬度计是利用杠杆机构产生检测力的。
他
的优点是砝码通过杠杆放大形成检测力,体积小,质量轻。
一般
洛氏硬度计因其检测力仅为1470N(150kgf),多采用单杠杆的加荷
方法(如常用的HR-150A,HR-150DT,⋯⋯),如图2-1所示。
支点
加力点
支点
套型刀
c.测量装置压
痕的深度和平面几何尺寸的测量(后者指布氏,维氏及显微
硬度压痕)装置,可分为机械式和光学式测量。
洛氏硬度检测属
于机械式,测量工具是专用百分表。
d.压头
压头在硬度试验中是一个至关重要的部件,他的精度和品质
是保证示值准确性的重要因素。
由于实验方法的不同,压头有不
同的材料,不同的几何形状和不同的精度要求。
洛氏硬度实验法
用的是1.588和3.175的淬火钢球和夹角为120°的圆锥体金刚石
压头。
2.1.2洛氏硬度检测方法
a.原理
洛氏硬度是以顶角为120°的金刚石圆锥体或规定直径的淬
火钢球作压头,在初始检测力F0的作用下,再加上主检测力F1,
在总检测力F作用下,将压头压入试样表面。
之后卸除主检测力,
在保留初始检测力F0,测量压痕深度残余增量e,100(或130)
减去e所得到的值(e值以0.002mm为单位)即为洛氏硬度值。
b.符号及计算公式
洛氏硬度检测及计算公式所用符号及其含义见表2-1所示。
表2-1洛氏硬度符号及其说明
符号
说明
符号
说明
α
金刚石圆锥角(120°)
HAR
A标尺洛氏硬度=100-e
R
金刚石圆锥体顶部曲率半
HRC
C标尺洛氏硬度=100-e
径/mm
D
钢球直径/mm
HRD
D标尺洛氏硬度=100-e
F0
初始试验力/N
HRB
B标尺洛氏硬度=130-e
F1
主试验力/N
HRE
E标尺洛氏硬度=130-e
F
总试验力/N
HRF
F标尺洛氏硬度=130-e
h0
施加主试验力在初始试验
HRG
G标尺洛氏硬度=130-e
力下的压痕深度/mm
h1
在主试验力下的压痕深度
HRH
H标尺洛氏硬度=130-e
增量/mm
e
增量,用0.002mm为单位
HRK
K标尺洛氏硬度=130-e
根据洛氏硬度(HR)定义,一个洛氏硬度单位在特定条件下
定义为0.002mm压痕深度的残余增量。
规定洛氏硬度的读数如下:
当用金刚石圆锥压头(A.C.D)时
为100-e;当用钢球压头(B.E.F.G.H.K标尺)时为130-e,即HR=K-e
(式中K为定义常数,用钢球压头为130,用圆锥压头为100)。
由HR=K-e公式看出,压痕深度的残余增量越大,则洛氏硬度值越低;e越小,硬度值越高。
所谓标尺,是用不同压头和总检测力的组合加以区分。
例如用金刚石圆锥压头,总检测力为1471N
(150kgf)时,是HRC;如用1.587mm钢球做压头,总检测力为
980.7N(100kgf)是,是B标尺HRB。
e是去除主检测力后,在初始检测力F0的残余压痕深度增量。
用金刚石压头,1470N总检测力的条件下,在卸除主检测力后,如
e为0.08mm,因为每一洛氏硬度单位为0.002mm,则
HRC=100-40=60.由此可以看出此值无量纲为一有条件的无名数。
K值为什么定义为100和130?
当压头为金刚石圆锥体时,
因为HRC(A)规定用于测量较硬的材料,如淬火后的钢及硬质
合金等,一般不会出现压入深度为0.2mm而使硬度值为零的情况。
当压头为钢球时,多用于测量中等及较低硬度的材料,硬度值跨
度较大,为了避免出现负值将用钢球的洛氏硬度标尺K值均定为
130。
c.洛氏硬度标尺及技术参数
已被替代的GB230-83《金属洛氏硬度实验法》标准中只有
HRA,HRB,HRC三个标尺。
现行的GB/T230-91《金属洛氏硬度实
验法》标准将原来的三个洛氏硬度扩展为9个标尺。
见表2-2。
d.标尺的应用规则
HRA,适用于测定坚硬或薄硬质材料,如硬质合金,渗碳后
淬硬钢,经硬化处理后的薄钢带,薄钢板。
因为对于HRC>67材
料若仍用1471N检测力易于损坏金刚石压头。
宜用检测力较小,压入深度浅的HRA标尺。
表2-2洛氏硬度标尺及技术参数
洛
硬度
压头类型
初始
主
检
总检
洛氏硬度范
氏
符号
检测
测
力
测力
围
硬
力
F1/N
F/N
度
F0/N
标
尺
A
HRA
120°金刚石98.07
490.3
588.4
30~88HRA
圆锥
B
HRB
1.5875mm钢98.07
882.6
980.7
20~100BRB
球
C
HRC
120°金刚石98.07
1373
1471
20~70HRC
圆锥
D
HRD
120°金刚石98.07
882.6
980.7
40~77HRD
圆锥
E
HRE
3.175mm钢球
98.07
882.6
980.7
70~100HRE
F
HRF
1.5875钢球
98.07
490.3
588.4
60~100HRF
G
HRG
1.5875钢球
98.07
1373
1471
30~94HRG
H
HRH
3.175mm钢球
98.07
490.3
558.4
80~100HRH
K
HRK
3.175mm钢球
98.07
1373
1471
40~100HRK
HRB,适宜用于测定中等硬度的材料,如退火后的中碳和低
碳钢,可锻铸铁,各种黄铜和大多数的青铜以及经固溶处理时效
后的各种硬铝合金等。
适用范围是HRB20~100,当试样硬度小于
20HRB时,因为这些金属的蠕变行为,试样在检测力作用下变形
将持续很长时间,表上的指针或光学投影刻度将长时间的缓慢移
动,难以测量准确。
而当HRB>100时,因为钢球压入的深度过浅,
灵敏度降低,影响测量精度。
HRC,是用于测量经淬火及低温回火后的碳素钢、合金钢、
模具钢,也是用于测量冷硬铸铁,珠光体可锻铸铁,钛合金等。
一般HRB>100的材料可用C标尺测定,当HRC<20时,由于金
刚石压头压入过深,压头圆锥的影响增大,产生下滑现象,影响
测量的准确性,宜换用HRB标尺测定。
HRE,适于测定一般的铸铁、铝合金、镁合金轴承合金及其
类似软金属。
HRF,适用于韧化黄铜、紫铜、一般铝合金等。
HRG,适用相当于HRB近于100的材料。
因为这时可比HRB
检测近于100时的灵敏度高。
HRH,适用于铝、锌、铅等软金属合金,因为H标尺适用的
压头直径大;检测力又小,且可迅速直接读数。
HRK,适用于轴承合金和其他软金属材料。
以上除洛氏A、B、C三个标尺外,其余洛氏D、F、G⋯⋯
等6个标尺都是在修订后的标准中增添的。
洛氏硬度检测操作简便、迅速、工作效率高。
由于其使用检测力小,所产生的压痕布氏硬度检测的小,因而对制件表面没有明显损伤。
由于使用金刚
石压头和两种直径的钢球作为压头、有三种检测力,共计9个标
尺(见表2-2),使其测量范围很广。
再者有预检测力,所以试件
表面轻微的不平度对硬度值的影响比布氏维氏要小。
因此,适用
于成批生产大量检测的机械、冶金热加工过程以及半成品或成品
检测。
特别适用于刃具、模具、量具、工具等的成品制件检测。
2.2系统总体设计方案
该系统主要应用光栅位移传感器对位移信号进行采集和初
步处理,其输出的两路相位相差90°的方波信号,可以很方便的
供后续电路进行处理。
本系统通过C语言软件编程【5】实现对各
种外围设备的控制(包括显示电路,实时时钟电路),由于C语言
编写的程序具有很好的可移植性,是开发成本降低,缩短开发周
期,是一种可行的方法。
2.2.1系统硬件的结构设计
先经过五细分辨向电路对两路方波信号进行第一次细分【6】,
将处理后的信号送入四倍频专用集成电路中进行再次细分,这样
采集到的位移信号精度就可以满足要求了,通过单片机的两个计
数器对细分后的方波信号进行加减计数,然后单片机对记录到的
信号进行处理后,通过六个数码显示管显示出来。
对于新型洛氏硬度计我们按照模块化的设计思想,其硬件部
分主要包括中央处理模块、数据采集模块、数据显示模块,复位
模块,时钟模块等。
其中中央处理模块负责对各个模块进行协调
工作,是整个系统的关键所在。
系统总体电路原理框图如图
光栅位移传
感器
细分电
路
信号放大
电路
键盘输
入
微处理单
元
数据显
示
图2-2系统硬件结构示意图
2.2.2系统软件结构设计
系统软件总体框图如图2-3所示。
硬件驱动程序主要完成对
系统硬件资源的调用。
通过抽象底层硬件的物理行为,能够为软
件设计建立一个优良的接口,使上层软件在底层标准的接口的定
义下工作,这样的话,将来硬件性能提高了,上层软件不用做过
多的修改,只要修改底层驱动就可以了。
在软件的系统设计中,我们使用了单片机C语言进行编程,
因为C语言在开发速度,软件质量,结构严谨,程序坚固等方面
的优越性是汇编语言所不能比的,并且C语言的代码程度已经做
到了汇编水平的1.2~1.5倍、4K字节以上的速度。
Keyboard
存储任务
硬
操
用
件
作
户
采集任务
LED
系
任
驱
动
统
务
显示任务
UART
计数任务
2.3本章小结
本章对洛氏硬度计的结构和测量原理做了较为详细的介绍。
从对数字式光栅位移传感器的数据采集与处理出发,采用单片机C
语言编写软件对各个功能模块进行控制,并完成了系统软硬件的
总体设计。
3.系统硬件电路的研究与设计开发
本章重点讲述数显洛氏硬度计的检测系统中单片机和传感
器的选择以及硬件电路的具体实现,包括微控制系统,人机交互
模块,传感器输入模块等。
3.1AT89S51单片机的系统概述
美国ATMEL公司是国际上著名的半导体公司,从
20世纪80
年代中期到现在,,在短短几十年时间里ATMEL公司已发展成为
拥有先进的生产和设计技术,产品种类齐全,型号繁多的大公司,
在某些技术领域已处于国际领先地位。
AT89系列单片机是ATMEL
公司最早退出的,也是功能最简单的一个单片机系列,该系列的
单片机都是基于89C51(或80C32)内核的,内含Flash程序存储器的MCS-51系列兼容机,它和8051单片机是兼容的。
AT89S51
单片机是目前比较流行的,由于它比AT89C51系列单片机在片内
增加了ISP功能。
在实际使用AT89S51的过程中,其外围电路是
必不可少的【8】,在本课题中,由于AT89S51内置了看门狗电路,
只需要设计复位电路和时钟电路就可以了。
3.1.1AT89S51单片机的主要特性
AT89S51的片内含有容量为4KB的Flash存储器,在系统开
发过程中可以十分容易地进行程序修改,这大大缩短了系统的开
发周期。
同时在系统工作过程中,能有效地保存一些数据信息,
即使外电源损坏也不影响信息的保存。
RAM是128字节;有两个定时/计数器;与8051引脚兼容,不管采用40引脚还是44引脚的
产品,只要用相同引脚的89系列单片机取代即可;采用静态时钟
方式,所以节省电能,对于降低便携式产品的功耗十分有用。
AT89S51和AT89C51比起来,最大的特点是支持ISP功能,
AT89S51在工艺上进行了改进,采用0.35um新工艺,性能有了较
大提升,价格却基本不变,甚至比AT89C51还低,增强了竞争力。
AT89SXX可以向下兼容AT89CXX等51系列芯片。
AT89S51相对
于AT89C51增加的新功能包括:
AT89C51只支持并行写入,同时需要VPP烧写高压;AT89S51则支持ISP在线可编程写入技术,
串行写入,速度更快,稳定性更好,烧写电压也仅仅需要4~5V,而AT89C5X系列在电压低于4.8V和高于5.3V的时候则无法正常
工作。
AT89S5X
系列支持最高可达
33MHZ
的工作频率,而
AT89C51
工作频率最高只支持到
24MHZ。
具有双工
URT
串行通
道。
内部集成看门狗计时器,不再需要像
AT89C51那样外接看门
狗计时单元电路。
双数据指示器。
电源关闭标识。
全新的加密算
法,程序的保密性大大加强,可以有效的保护知识产权不被侵犯。
3.1.2AT89S51单片机的各管脚功能说明
本课题使用的AT89S51单片机是采用DIP(双列直插式)封装的40管脚的(如图1-1)。
AT89S51由于采用了新工艺新技术使外围电路大大简化,其部件结构(如图1-1)。
芯片共有40个引脚,引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口(见图a)左边那列引脚逆时针数起,依次为1、2、3、4。
。
。
40,其中芯片的1脚顶上有个凹点(见图1-1)。
在单片机的40个引脚中,电源引脚2根,外接晶体振荡器引脚2根,控制引脚4根以及4组8位可编程I/O引脚32根。
以下是管脚说明:
1.主电源引脚(2根)
VCC:
正电源,通常是+5V,但是应用中很难精确到5V,有一个电压范围,AT89S51的动态范围是+4V~+6V,属于比较大的动
态范围。
GND:
接地线。
2外接晶振引脚(2根)
XTAL1(Pin19):
片内振荡电路的输入端。
XTAL2(Pin20):
片内振荡电路的输出端。
3、控制引脚(4根)
RST/VPP(Pin9):
复位引脚,引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG(Pin30):
地址锁存允许信号
PSEN(Pin29):
外部存储器读选通信号
EA/VPP(Pin31):
程序存储器的内外部选通,接低电平从外部
程序存储器度指令,如果接高电平则从内部程序存储器度指令。
4、可编程输入/输出引脚(32根)
AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口,分别位P0、P1、P2、P3口,每个口有8位(8根引脚),共32根,每一根引脚都可以编程。
P0口(Pin39~Pin32):
8位双向I/O口线,名称为P0.0~P0.7,
P0口为一个8位漏级开路双向I/O
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