摘 要

随着社会工业化发展越来越快，在生产过程中对工件的表面形貌精度要求越来越高，传统的接触式检测方式已经逐渐无法满足生产需要，越来越多非接触式的新型检测方式应用到工业化生产当中，其中光学检测具有高精度、高效率、低误差、零污染等特点从而受到科学界的重视。在信息化时代的当下，结合计算机进行相关工业生产是现代化工业制造的大趋势，本文基于激光检测的磨损表面形貌的测量进行了数据采集系统的设计，将测得的数据上传并保存到计算机中，并可进行基本的数据分析和人机交互功能。设计采用STC89C52RC单片机为控制核心，以激光测头、信号处理电路、数据采集模块、以及上位机显示模块为组成部分，构成磨损表面形貌测量数据采集系统。设计了包括信号放大电路，滤波电路的信号处理电路，并通过Multisim仿真进行了实现验证；数据采集模块则采用STC89C52RC单片机搭配16位的模数转换芯片AD7705，实现对信号处理电路输出的标准模拟信号数字化。

应用LabVIEW软件完成了上位机应用软件的设计。通过LabVIEW内置的VISA函数通过串口实现了与单片机的通信，完成了采集数据上传到上位机的功能；通过上位机控制界面的设计，使得系统能够实现表面粗糙度参数计算、数据可视化、保存与查询功能。设计的系统经过仿真测试，各个模块工作正常，各项基本功能达到了设计任务的要求,可用于工程实际中。

关键词：磨损；表面形貌；激光三角测量；STC89C52RC；电路仿真； LabVIEW

Abstract

. With the rapid development of social industrialization, in the production process of the workpiece surface accuracy requirements are higher and higher, the traditional contact detection method has gradually been unable to meet the production needs, more and more non-contact new detection methods are applied to industrial production, in which optical detection has the characteristics of high accuracy, high efficiency, low error, zero pollution and so on Attention of the scientific community. In the information age, it is the trend of modern industrial manufacturing to combine computer with related industrial production. In this paper, a data acquisition system is designed based on the measurement of wear surface topography by laser detection. The measured data is uploaded and saved to the computer, and the basic data analysis and human-computer interaction functions are carried out. Stc89c52rc single chip microcomputer is used as the control core in the design, and the laser probe, signal processing circuit, data acquisition module and upper computer display module are taken as the components to form the data acquisition system of wear surface topography measurement. The signal processing circuit including signal amplifying circuit and filtering circuit is designed and verified by Multisim Simulation; the data acquisition module uses stc89c52rc single chip computer with 16 bit analog-to-digital conversion chip AD7705 to realize the standard analog signal digital output of signal processing circuit. The upper computer application software is designed by LabVIEW software. Through the built-in visa function of LabVIEW, the communication with single chip microcomputer is realized through serial port, and the function of data collection and uploading to upper computer is completed; through the design of upper computer control interface, the system can realize the functions of surface roughness parameter calculation, data visualization, saving and query. After the simulation test, each module works normally, and each basic function meets the requirements of the design task, which can be used in engineering practice.

Key Words：abrasion；surface topography；STC89C52RC；Laser triangulation；circuit simulation；LabVIEW

目 录

第1章 绪论 1

1.1 设计的目的和意义 1

1.2 国内外的研究现状 1

1.2.1 国外研究历史与现状 1

1.2.2国内研究现状 1

1.2.3 课题设计内容 2

1.3 磨损表面形貌测量 2

1.3.1 形貌测量的两种方式 2

1.3.2 传感器的工作原理 3

第2章 总体设计方案 4

2.1 系统设计内容及技术要求 4

2.2 主要方案对比及整体方案的设计 4

第3章 系统的硬件设计 6

3.1 信号处理电路 6

3.2 单片机最小系统 7

3.3 LCD1602显示部分设计 8

3.3.1 主要技术参数 9

3.3.2 接口信号及引脚功能说明 9

3.4 A/D转换芯片ADC0832 10

3.5 Protues仿真结果 11

3.6 A/D转换芯片AD7705 12

第4章 系统的软件设计 15

4.1 上位机软件设计 15

4.1.1 与下位机通信的实现 17

4.1.2数据可视化的实现 18

4.1.3 上位机数据处理 19

4.1.4 数据存储的实现 20

4.1.5 其他人性化功能设计 21

4.2 下位机软件设计 23

第5章 结论 24

参考文献 25

致 谢 26

附录A：程序清单 27

附录B：元件清单 36

第1章 绪论

1.1 设计的目的和意义

科技的进步推动着我们社会各个方面的发展，例如经济，生产力等等。在工业化生产中，物体表面形貌检测对于得到工业产品的质量有着很重要的意义。近年来，磨损表面形貌检测工作对精度和速度的要求不断提高。如在汽车的表面缺陷、关于文物的表面检测、等领域^[1]。工业生产中，测量方法和原理也由二维向三维发展 ^[2]。表面轮廓的测量在工业环境中对于控制制造过程和最终产品都起着重要的作用，例如共聚焦激光扫描显微镜^[3]。基于三角测量的光学计量越来越普遍地应用到工业当中。

在不同的工业环境中，传感器的种类和型号千差万别，有的传感器缺乏配套的完整的数据采集系统，在完成安装后不能直接采集和分析数据。为了更好地对磨损表面形貌数据采集和数据分析，有针对性地设计一套完整地数据采集系统对于工业生产效率的提高有着直接的影响。

1.2 国内外的研究现状

1.2.1 国外研究历史与现状

国外对于表面形貌的测量发展起源于20世纪初, 那时候手工测量方法是最早的表面形貌测量方法 ^[4]。第一台表面形貌测量仪诞生于20世纪20年代 ^[5]。第一台车间用表面轮廓仪生产于1936年^[6] 。触针式表面轮廓仪研发于1942年^[7] 。20世纪的50年代，光学技术使得非接触式测量大放异彩。例如苏联在1958年制造的干涉显微镜 ^[8] 。绝大多数光学技术制造的磨损表面形貌测量仪器都是在20世纪八十年代被制造出来的,例如双焦轮廓仪^[9]。在这之后，表面形貌也从定性慢慢地往定量方向发展，在这期间分形理论被提出 ^[10]。

1.2.2国内研究现状

对于表面形貌测量技术我国的的研究起步稍晚，20世纪80年代才有基本雏形，在20世纪末，来自于清华大学外差干涉仪的研发成功，标志着我国正式进入形貌测量技术的研究 ^[11]。该干涉仪的面世标志着我国表面形貌技术的进步。

国内的分形理论研究始于1994年^[12,13]。陈国安^[14,15]等针对工程表面轮廓截面曲线, 利用分形维数D研究了磨损表面形貌的变化过程, 指出表面轮廓分形维数D能有效地反映表面粗糙度, 并在一定程度上克服了传统粗糙度参数尺度相关的不足。总之, 关于分形研究我国再这方面还方兴未艾。因此在这方面，我国还有很长的一段路要走。深入研究，不断地降低误差提高精度，利用新的原理新的方法设计新的仪器系统，都是刻不容缓的。

1.2.3 课题设计内容

课题为“磨损表面形貌测量数据采集系统设计”。内容为： 针对磨损表面设计一种形貌数据采集系统，系统包括传感器部分，信号采集与调理部分，数据采集模块及上位机软件等部分，上位机软件包括数据采集与处理、显示与存储等功能，并要求有良好的人机交互界面，同时能够与运动控制系统、机械结构相配合，完成数据的高速准确采集，采集误差5%内，并进行系统性能测试。