CN108007415A - 一种圆度仪数据采集电路及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆度仪数据采集电路及其方法，涉及机械误差测量技术领域，采用16位的AD7961实现了高精度数据采集，以MCU为核心的圆度测量分析一体机，实现了圆度测量的智能化与嵌入式，MCU系统即开即用，16位AD7961代替传统数据采集卡，MCU系统代替传统PC机，造价降低了至少30倍。选用的STC15W4K61S4单片机中内置了EEPROM，这样就节省了片外资源，使用起来也更加方便。在当前“工业4.0”大背景的自动化、智能化趋势下，前景可观，具有较强的工程实践意义。

Description

一种圆度仪数据采集电路及其方法

技术领域

本发明涉及机械误差测量技术领域，特别是涉及一种圆度仪数据采集电路及其方法。

背景技术

圆度是指圆形零件在与其轴线垂直的平面内表面形状的不圆程度，它属于宏观几何形状误差，圆度误差测量是机械领域中一项非常重要的内容，圆度误差直接影响着零部件的配合精度、旋转精度、摩擦、振动、噪声等。圆度测量所用的仪器主要是圆度仪，它是以其高精度的回转轴为测量基准，利用传感器和被测零件接触(如电感测头)或不接触(如电容测头)，测量不同转角位置实际轮廓到回转中心半径的变化以评定圆度误差。

当下我国一部分机械厂使用的圆度仪，其测量主体部分都能保持较高精度,但数据采集处理部分性能落后，功能单一。典型的不足还有：上位机与下位机不同步，数据采集传送较慢，测量方法单一，计算结果与实际测量值存在较大偏差，特别是当工件误差值较大时(如存在毛刺)，测量容易出现偏差，测量系统稳定性较差、误差分辨率低、重复精度低。

国内外的圆度仪基本都是由上位机和下位机组成。下位机负责圆度数据的采集，上位机PC负责数据的处理分析。要进行圆度的测量必须上位机和下位机同时工作。因此，若能将下位机设计成集采集处理分析于一体，将能实现圆度仪的小型化，便携化。这也有助于在实现数字滤波、自动定标、主轴误差分离、圆度、同轴度测量等技术和方法的基础上，完成圆度仪的智能化、小型化。圆度仪精密化、小型化及智能化的核心在于圆度测量值数据的采集分析。目前的圆度测量数据采集部分通常有2种方式：

一种是使用数据采集卡，数据采集卡价格昂贵，而且受计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，扩展性差；

另一种是采用外置式采样，通过RS-232C与PC机相连，这种方式连接方便，但数据传输速度很慢，最高数据传输速度不超过115kb/s。

发明内容

本发明提供了一种圆度仪数据采集电路及其方法，可以解决现有技术中存在的问题。

本发明提供了一种圆度仪数据采集电路，所述采集电路包括运算放大器U1和U2、基准电压源U3、ADC芯片U4、三端稳压器U5、U6和U7、整流桥U8、单片机U9和液晶显示屏U10，传感器的检测到的信号输入所述运算放大器U1，所述运算放大器U1、U2、ADC芯片U4、单片机U9依次连接，所述基准电压源U3与所述运算放大器U2和所述三端稳压器U5均连接，所述三端稳压器U5与所述整流桥U8、三端稳压器U6和单片机U9均连接，所述整流桥U8与所述三端稳压器U6和U7均连接，所述液晶显示屏U10与所述单片机U9连接，所述ADC芯片U4的型号为AD7961，所述单片机U9的型号为STC15W4K61S4。

本发明还提供了一种圆度仪数据采集方法，该方法包括：

寄存器初始化；

设置变量初值；

开IAP；

擦除扇区；

配置完成，开始写入数据到扇区；

判断写入1024组半径值是否完整，如果未完成则继续写入；

判断写入1024组角度值是否完成，如果未完成则继续写入；

半径值和角度值均写入完毕后，读1024组半径值和1024组角度值到主函数；

关IAP。

本发明实施例中的一种圆度仪数据采集电路及其方法，解决了传统圆度测量仪难以高精度、小型化、快捷性、低成本等问题，设计的精密工件圆度测量值模数转换电路，采用16位ADC的AD7961实现了高精度数据采集。以MCU为核心的圆度测量分析一体机，实现了圆度测量的智能化与嵌入式，符合当下“工业4.0”的大背景。MCU系统即开即用，16位AD7961代替传统数据采集卡，MCU系统代替传统PC机，造价降低了至少30倍。在当前“工业4.0”大背景的自动化、智能化趋势下，前景可观，具有较强的工程实践意义。工业实践中，圆度仪都是通过正负电压采集完成圆度的测量，本发明主要针对的传感器采集范围是-2.5V～+2.5V，选用的STC15W4K61S4单片机中内置了EEPROM，这样就节省了片外资源，使用起来也更加方便。EEPROM可用于保存一些需要在应用过程中修改并且掉电不丢失的参数数据。在用户程序中，可以对EEPROM进行字节读、字节编程、扇区擦除操作。从而完成圆度仪大数据采集读取、存储。具有准确性：大数据采集，确保数据和结果的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的圆度仪数据采集电路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明提供了一种圆度仪数据采集电路，包括运算放大器U1和U2、基准电压源U3、ADC芯片U4、三端稳压器U5、U6和U7、整流桥U8、单片机U9和液晶显示屏U10。传感器的检测到的信号输入所述运算放大器U1，所述运算放大器U1、U2、ADC芯片U4、单片机U9依次连接，所述基准电压源U3与所述运算放大器U2和所述三端稳压器U5均连接，所述三端稳压器U5与所述整流桥U8、三端稳压器U6和单片机U9均连接，所述整流桥U8与所述三端稳压器U6和U7均连接，所述液晶显示屏U10与所述单片机U9连接。

在本实施例中，所述运算放大器U1和U2的型号均为TL081，所述基准电压源U3的型号为ADR03，所述ADC芯片U4的型号为AD7961，所述三端稳压器U5的型号为7805，U6的型号为7815，U7的型号为7915，单片机U9的型号为STC15W4K61S4，液晶显示屏U10的型号为LCD12864。

具体地，所述运算放大器U1的同相输入端接传感器的输出信号，同时也经过电容C1接地，反向输入端连接在输出端，输出端通过电阻R1接所述运算放大器U2的同相输入端，运算放大器U2的同相输入端还通过电阻R2连接在所述基准电压源U3的引脚Z，反向输入端通过电阻R4接地，同时也通过电阻R3连接输出端，输出端连接在所述ADC芯片U4的引脚CH0。

U4的引脚CLK、DI和DO分别连接在所述单片机U9的引脚PA0/ADC0、PA1/ADC1、PA2/ADC2和PA3/ADC3，ADC芯片U4的引脚GND接地，引脚VCC接+5V电源。

所述单片机U9的引脚AREF和AVCC与所述基准电压源U3的引脚X2均连接在所述三端稳压器U5的引脚VO，所述基准电压源U3的引脚Y2接地，同时也通过电容C2连接在引脚Z。所述单片机U9的引脚通过按键K3接地，引脚PD6/ICP和PD7/OC2分别通过按键K2和K1接地，引脚AGND接地。本实施例中，所述按键K1为校核键，K2为圆度测量键，K3为复位键。所述单片机U9的引脚PB0/T0、PB1/T1、PB2/AIN0、PB3/AIN1、PB4/PB5/MOSI、PB6/MISO、PB7/SCK、PD0/RXD、PD1/TXD、PD2/INT0、PD3/INT1和PD4/OC1B分别连接在所述液晶显示器U10的引脚DB0、DB1、DB2、DB3、DB4、DB5、DB6、DB7、RS、RW和E，引脚-Vout和VCC分别连接在变阻器RV1的两端，引脚V0连接在变阻器RV1的滑动端，引脚和VCC均连接+5V电源，引脚GND接地。

所述三端稳压器U5的引脚GND接地，引脚VI连接在所述三端稳压器U6的引脚VI，同时也通过串联的电容C5和C8连接在所述三端稳压器U7的引脚VI，U6的引脚GND接地，引脚VO均连接至所述运算放大器U1和U2的正向电源端，U7的引脚GND接地，引脚VO均连接至所述运算放大器U1和U2的负向电源端。所述整流桥U8的两个输入端分别连接在220V交流源两端，两个输出端分别连接在所述三端稳压器U6和U7的引脚VI，同时电容C3和C6串联后连接在所述整流桥U8的两个输出端，电容C4和C7串联后连接在所述整流桥U8的两个输出端，电容C3和C6之间、C4和C7之间以及C5和C8之间均接地。

所述三端稳压器U6的输出端提供+15V电源，U7的输出端提供-15V电源。本发明包括电压信号、及分别与所述电压信号连接的电压基准和滤波运放、与所述电压基准和滤波运放连接构成可采集正负电压的ADC，与ADC连接的单片机，与所述单片机连接构成处理分析数据后显示的液晶显示屏，所述电压信号和电压基准和滤波运放连接构成信号采集前端，该电压基准和滤波运放至少包括基准电压和滤波运放。所述电压信号用于提供原始采集正负电压信号，所述电压基准和滤波运放的电压基准用于将采集到的负电压信号通过与基准相加变为非负电压信号，所述滤波运放用于将原始信号进行滤波放大处理，所述ADC用于采集经过所述电压基准和滤波运放处理的AD信号。所述单片机用于校核圆度测量仪及处理分析ADC采集到的1024组数据，所述液晶显示屏用于结果的显示。

所述采集电路的工作过程为：传感器的正负电压信号(-2.5V～+2.5V)在输入运算放大器U1之前，经电容C1进行一次滤波，然后与基准电压源U3均通过电阻构成运算放大器U2的前端输入，然后由U2构成的加法器开始ADC的采集，将采集到的数据送入ADC芯片U4，由于采用了2.5V基准电压源，相当于在每次采集电压的基础上加了一个+2.5V，故采集的范围变成0V～+5V，达到了采集目的。通过ADC芯片U4送入单片机的全部是非负电压，保证了系统的安全性和可靠性，从而也解决了实际中AD芯片无法直接进行负电压采集的问题。设计的整流桥U8经电容C3、C4、C5、C6、C7、C8滤波后一端接三端稳压器U6输入端，另一端接三端稳压器U7输入端，所述三端稳压器U6输出端给运算放大器U1和运算放大器U2提供+15V电源U+，所述三端稳压器U7输出端给运算放大器U1和运算放大器U2提供-15V电源U-，三端稳压器U5的输出端给基准电压源U3和单片机U9提供5V工作电压，单片机U9接收到ADC芯片U4采集到的数据，按下校核键K1进行圆度仪测量前的校核工作，按下圆度测量键K2时将ADC采集的1024组圆度数据进行处理分析，最后由液晶显示屏显示结果。

基于同一个发明构思，本发明实施例还提供了一种圆度仪数据采集方法，该方法的实施基于上述采集电路完成，重复之处不再赘述，该方法包括以下步骤：

寄存器初始化；

设置变量初值；

开IAP(In Application Programming)；

擦除扇区；

配置完成，开始写入数据到扇区；

判断写入1024组半径值是否完整，如果未完成则继续写入；

判断写入1024组角度值是否完成，如果未完成则继续写入；

半径值和角度值均写入完毕后，读1024组半径值和1024组角度值到主函数；

关IAP。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种圆度仪数据采集电路，其特征在于，所述采集电路包括运算放大器U1和U2、基准电压源U3、ADC芯片U4、三端稳压器U5、U6和U7、整流桥U8、单片机U9和液晶显示屏U10，传感器的检测到的信号输入所述运算放大器U1，所述运算放大器U1、U2、ADC芯片U4、单片机U9依次连接，所述基准电压源U3与所述运算放大器U2和所述三端稳压器U5均连接，所述三端稳压器U5与所述整流桥U8、三端稳压器U6和单片机U9均连接，所述整流桥U8与所述三端稳压器U6和U7均连接，所述液晶显示屏U10与所述单片机U9连接，所述ADC芯片U4的型号为AD7961，所述单片机U9的型号为STC15W4K61S4。

2.如权利要求1所述的圆度仪数据采集电路，其特征在于，所述运算放大器U1和U2的型号均为TL081，所述基准电压源U3的型号为ADR03，所述三端稳压器U5的型号为7805，U6的型号为7815，U7的型号为7915，液晶显示屏U10的型号为LCD12864。

3.如权利要求2所述的圆度仪数据采集电路，其特征在于，所述运算放大器U1的同相输入端接传感器的输出信号，同时也经过电容C1接地，反向输入端连接在输出端，输出端通过电阻R1接所述运算放大器U2的同相输入端，运算放大器U2的反向输入端通过电阻R4接地，同时也通过电阻R3连接输出端，输出端连接在所述ADC芯片U4的引脚CH0；

ADC芯片U4的引脚CLK、DI和DO分别连接在所述单片机U9的引脚PA0/ADC0、PA1/ADC1、PA2/ADC2和PA3/ADC3，ADC芯片U4的引脚GND接地，引脚VCC接+5V电源；

所述单片机U9的引脚通过按键K3接地，引脚PD6/ICP和PD7/OC2分别通过按键K2和K1接地，引脚AGND接地，引脚PB0/T0、PB1/T1、PB2/AIN0、PB3/AIN1、PB5/MOSI、PB6/MISO、PB7/SCK、PD0/RXD、PD1/TXD、PD2/INT0、PD3/INT1和PD4/OC1B分别连接在所述液晶显示器U10的引脚DB0、DB1、DB2、DB3、DB4、DB5、DB6、DB7、RS、RW和E，引脚-Vout和VCC分别连接在变阻器RV1的两端，引脚V0连接在变阻器RV1的滑动端，引脚和VCC均连接+5V电源，引脚GND接地。

4.如权利要求3所述的圆度仪数据采集电路，其特征在于，所述运算放大器U2的同相输入端还通过电阻R2连接在所述基准电压源U3的引脚Z，所述单片机U9的引脚AREF和AVCC与所述基准电压源U3的引脚X2均连接在所述三端稳压器U5的引脚VO，所述基准电压源U3的引脚Y2接地，同时也通过电容C2连接在引脚Z；

所述三端稳压器U5的引脚GND接地，引脚VI连接在所述三端稳压器U6的引脚VI，同时也通过串联的电容C5和C8连接在所述三端稳压器U7的引脚VI，U6的引脚GND接地，引脚VO均连接至所述运算放大器U1和U2的正向电源端，U7的引脚GND接地，引脚VO均连接至所述运算放大器U1和U2的负向电源端，所述整流桥U8的两个输入端分别连接在220V交流源两端，两个输出端分别连接在所述三端稳压器U6和U7的引脚VI，同时电容C3和C6串联后连接在所述整流桥U8的两个输出端，电容C4和C7串联后连接在所述整流桥U8的两个输出端，电容C3和C6之间、C4和C7之间以及C5和C8之间均接地。

5.权利要求1中圆度仪数据采集电路的采集方法，其特征在于，该方法包括：

寄存器初始化；

设置变量初值；

开IAP；

擦除扇区；

配置完成，开始写入数据到扇区；

判断写入1024组半径值是否完整，如果未完成则继续写入；

判断写入1024组角度值是否完成，如果未完成则继续写入；

半径值和角度值均写入完毕后，读1024组半径值和1024组角度值到主函数；

关IAP。