基于LabVIEW與單片機(jī)的切削溫度虛擬儀器構(gòu)建與應(yīng)用研究一、引言1.1研究背景與意義在機(jī)械加工領(lǐng)域，切削溫度作為一個關(guān)鍵因素，對加工質(zhì)量和刀具壽命有著舉足輕重的影響。切削過程中，機(jī)床所做的功會轉(zhuǎn)化為等量的切削熱，這些切削熱除了少量逸散到周圍介質(zhì)中，其余大部分都會傳入刀具、切屑和工件中。當(dāng)切削溫度過高時，會導(dǎo)致刀具表面硬度降低，磨損加劇，進(jìn)而縮短刀具的使用壽命，增加生產(chǎn)成本。同時，高溫還可能引發(fā)工件熱變形，影響工件的尺寸精度和形狀精度，降低加工質(zhì)量，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致工件報廢。過高的切削溫度還會使工件表面粗糙度增大，表面質(zhì)量下降，這是因為高溫會導(dǎo)致工件表面發(fā)生塑性變形，形成不規(guī)則的表面紋理。切削溫度對加工過程中的切削力也有影響，過高的溫度可能會使切削力突然增大，導(dǎo)致加工過程不穩(wěn)定。在實(shí)際生產(chǎn)中，合理控制切削溫度至關(guān)重要。然而，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先需要能夠精確測量切削溫度。目前，對切削溫度的研究主要包括理論分析研究和實(shí)驗測定。理論分析研究主要是利用有限元仿真來獲取切削過程中切削溫度的分布信息，但由于切削過程極為復(fù)雜，有限元仿真方法存在一定的局限性，難以準(zhǔn)確反映切削溫度分布的真實(shí)情況。因此，利用實(shí)驗方法測量切削溫度成為了研究切削溫度最為有效的手段。傳統(tǒng)的切削溫度測量儀器存在功能單一、靈活性差、智能化程度低等缺點(diǎn)，難以滿足現(xiàn)代制造業(yè)對高精度、高效率測量的需求。隨著計算機(jī)技術(shù)、儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬儀器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。虛擬儀器以計算機(jī)為硬件平臺，將原來需要硬件實(shí)現(xiàn)的各種儀器功能盡可能地軟件化，利用高效靈活的軟件控制高性能的硬件來完成各種測試、測量和自動化應(yīng)用，具有智能化程度高、處理能力強(qiáng)、復(fù)用性強(qiáng)、系統(tǒng)費(fèi)用低、可操作性強(qiáng)等顯著優(yōu)勢?；贚abVIEW和單片機(jī)的切削溫度虛擬儀器的研究，正是順應(yīng)了這一技術(shù)發(fā)展趨勢。LabVIEW作為一種圖形化的編程平臺，具有開發(fā)周期短、運(yùn)行速度快、可重用性好、使用方便靈活等優(yōu)點(diǎn)，為虛擬儀器的開發(fā)提供了強(qiáng)大的支持。單片機(jī)則具有體積小、成本低、可靠性高、控制能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度信號的采集、處理和傳輸。將LabVIEW與單片機(jī)相結(jié)合，開發(fā)切削溫度虛擬儀器，不僅可以實(shí)現(xiàn)對切削溫度的高精度測量和實(shí)時監(jiān)測，還能夠?qū)y量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和存儲，為切削工藝的優(yōu)化提供有力的數(shù)據(jù)支持。通過該虛擬儀器，能夠方便地研究金屬切削試驗中切削溫度的影響因素，如切削速度、進(jìn)給速度、切削深度以及材料特性等，從而為實(shí)際生產(chǎn)中以切削溫度作為重要指標(biāo)的切削參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2研究現(xiàn)狀切削溫度測量作為機(jī)械加工領(lǐng)域的關(guān)鍵研究內(nèi)容，多年來受到了廣泛關(guān)注，相關(guān)研究取得了豐富成果，測量方法不斷創(chuàng)新與完善。目前，切削溫度測量方法主要分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式測量方法中，熱電偶法應(yīng)用最為廣泛，包括自然熱電偶法和人工熱電偶法。自然熱電偶法利用刀具與工件材料化學(xué)成分的不同組成熱電偶兩極，通過測量熱電勢來確定切削區(qū)域的平均溫度，具有測量裝置簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但只能獲取平均溫度，無法測量具體點(diǎn)的溫度，且對刀具和工件材料有導(dǎo)電要求，材料變換時需重新標(biāo)定。人工熱電偶法可測量切削區(qū)刀、屑、工件某一具體點(diǎn)的溫度，其由事先標(biāo)定好的兩種絕緣金屬絲構(gòu)成，將熱端焊接于測溫點(diǎn)或埋入小孔內(nèi)，克服了自然熱電偶法的部分局限，但對于高硬度材質(zhì)刀具，開孔埋絲操作困難，限制了其應(yīng)用推廣。新型薄膜熱電偶法采用真空蒸鍍技術(shù)，將熱電偶材料沉積在絕緣基板上，熱容量小、響應(yīng)速度快，可測瞬變表面溫度和微小面積溫度，但對熱電偶材料的工程技術(shù)可靠性、測量精確度等要求較高。非接觸式測量方法如紅外熱像儀法，利用物體的熱輻射特性，通過偵測加工面輻射能量來獲取溫度圖像，可非接觸測量大面積溫度分布，使用方便，但價格昂貴，所測為相對溫度，存在一定滯后性。增強(qiáng)CCD相機(jī)法通過對切削區(qū)拍攝，依據(jù)標(biāo)定的“溫度-相機(jī)亮度水平”確定切削溫度分布情況，曝光時間短，但同樣存在測量精度等方面的問題。此外，還有將熱電偶與軟件相結(jié)合的溫度測量系統(tǒng)，利用LabVIEW等虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對鉆削溫度等較難測量溫度的測試，這種方式結(jié)合了硬件的信號采集能力和軟件的數(shù)據(jù)分析處理能力，為切削溫度測量提供了新的思路，但在系統(tǒng)穩(wěn)定性和兼容性方面仍有待提高。虛擬儀器技術(shù)自20世紀(jì)80年代由美國NI公司提出后，迅速成為自動測控領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和應(yīng)用前沿。近年來，世界各國眾多大型自動測控和儀器公司相繼研制了多種虛擬儀器開發(fā)平臺。其中，NI公司的LabVIEW圖形化開發(fā)平臺憑借其直觀的圖形化編程方式、豐富的函數(shù)庫和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析處理能力，在虛擬儀器開發(fā)中占據(jù)重要地位。LabVIEW可方便地實(shí)現(xiàn)與各種硬件設(shè)備的通信，內(nèi)置信號采集、測量分析與數(shù)據(jù)顯示等功能，能快速搭建滿足不同需求的虛擬儀器系統(tǒng)。除LabVIEW外，還有HP公司的HP-VEE與HP-TIG、Tektronix公司的Ez-Test和Tek-TNS等開發(fā)平臺，但在影響力和應(yīng)用廣泛性上稍遜一籌。國內(nèi)虛擬儀器研究起步相對較晚，但發(fā)展迅速，國家自然科學(xué)基金委員會將虛擬儀器研究列入“十五”期間優(yōu)先資助領(lǐng)域。部分研究取得了顯著成果，如重慶大學(xué)研發(fā)的“一體化虛擬儀器”，走出了一條自主創(chuàng)新的道路。在切削溫度測量與虛擬儀器技術(shù)結(jié)合方面，已有一些學(xué)者進(jìn)行了探索。例如，有研究利用LabVIEW和單片機(jī)開發(fā)了切削溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以人工熱電偶為傳感器，通過單片機(jī)完成溫度數(shù)據(jù)采集，經(jīng)串口發(fā)送給計算機(jī)，利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線測量和實(shí)時顯示。還有研究開發(fā)的切削溫度虛擬儀器，硬件包含K型熱電偶傳感器和單片機(jī)，軟件基于LabVIEW平臺，具備數(shù)據(jù)采集、查詢分析和正交試驗等模塊，可用于研究切削溫度影響因素和優(yōu)化切削參數(shù)。然而，當(dāng)前基于LabVIEW和單片機(jī)的虛擬儀器在切削溫度測量應(yīng)用中仍存在一些不足。在硬件方面，傳感器的精度和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高，以適應(yīng)復(fù)雜的切削環(huán)境；單片機(jī)與傳感器、計算機(jī)之間的通信可靠性和抗干擾能力還需加強(qiáng)。在軟件方面，數(shù)據(jù)分析處理算法的效率和準(zhǔn)確性需優(yōu)化，以更深入地挖掘切削溫度數(shù)據(jù)背后的信息；虛擬儀器界面的友好性和易用性也有提升空間，方便操作人員進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)查看。此外，現(xiàn)有研究大多集中在實(shí)驗室環(huán)境下的測試，在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場的應(yīng)用案例相對較少，如何將虛擬儀器更好地融入實(shí)際生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)對切削溫度的實(shí)時、精準(zhǔn)監(jiān)測和控制，是未來需要重點(diǎn)研究的方向。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究的核心目標(biāo)是開發(fā)一款基于LabVIEW和單片機(jī)的高精度、多功能切削溫度虛擬儀器，該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)對切削溫度的精確測量、實(shí)時監(jiān)測以及深入分析，為機(jī)械加工領(lǐng)域提供可靠的溫度監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析工具，助力切削工藝優(yōu)化和加工質(zhì)量提升。在硬件設(shè)計方面，需精心選型與設(shè)計。選用高精度K型熱電偶作為溫度傳感器，其具有熱電勢穩(wěn)定性好、測溫范圍廣等優(yōu)勢，能夠準(zhǔn)確感知切削過程中的溫度變化并將其轉(zhuǎn)化為電信號。采用AD590溫度傳感器進(jìn)行熱電偶的冷端補(bǔ)償，有效消除冷端溫度變化對測量精度的影響。設(shè)計信號調(diào)理電路，對熱電偶輸出的微弱電壓信號進(jìn)行放大、濾波處理，提高信號質(zhì)量，以滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求。選用P87LPC768型單片機(jī)作為核心控制器，其具備豐富的片上資源和強(qiáng)大的控制能力，負(fù)責(zé)完成溫度數(shù)據(jù)的采集、處理以及與計算機(jī)的通信任務(wù)。搭建以串口為通信方式的數(shù)據(jù)采集硬件電路，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定與可靠。軟件編程基于LabVIEW平臺展開，充分發(fā)揮其圖形化編程的優(yōu)勢。開發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊，通過調(diào)用VISA串口程序，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信，讀取單片機(jī)上傳的采樣數(shù)據(jù)，并進(jìn)行標(biāo)定處理，將對應(yīng)的溫度值在前面板上實(shí)時、準(zhǔn)確地顯示，方便操作人員直觀了解切削溫度的變化情況。構(gòu)建數(shù)據(jù)查詢分析模塊，建立切削溫度數(shù)據(jù)庫，利用LabSQL工具將切削試驗參數(shù)和采集到的溫度數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，用戶可通過輸入查詢條件進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，同時該模塊還具備對兩個相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析的功能，挖掘數(shù)據(jù)背后的潛在信息。針對金屬切削試驗中常用的正交試驗方法，開發(fā)正交試驗?zāi)K。在確定試驗因素及其水平后，程序能夠引導(dǎo)切削試驗的有序進(jìn)行，提示每次正交試驗的參數(shù)，完成整個正交試驗后自動生成正交試驗表。輸入某個因素，即可生成切削溫度與該因素的關(guān)系曲線，用以深入分析在其他因素確定的條件下，該因素的變化對切削溫度的影響趨勢。系統(tǒng)集成與調(diào)試工作也不容忽視。將硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)集成，確保各部分之間協(xié)同工作。對整個系統(tǒng)進(jìn)行全面調(diào)試，檢查硬件電路的連接是否正確、通信是否正常，測試軟件功能是否完善、數(shù)據(jù)處理是否準(zhǔn)確。通過模擬實(shí)際切削環(huán)境，對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性和可靠性測試，及時發(fā)現(xiàn)并解決可能出現(xiàn)的問題。為驗證虛擬儀器的性能，進(jìn)行實(shí)驗驗證。利用該虛擬儀器進(jìn)行金屬切削試驗，研究切削速度、進(jìn)給速度、切削深度以及材料特性等因素對切削溫度的影響規(guī)律。將實(shí)驗結(jié)果與傳統(tǒng)切削溫度測量方法進(jìn)行對比分析，評估虛擬儀器在測量精度、實(shí)時性和數(shù)據(jù)分析處理能力等方面的優(yōu)勢與不足。根據(jù)實(shí)驗驗證結(jié)果，對虛擬儀器進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，進(jìn)一步提升其性能和實(shí)用性。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用理論分析、硬件電路設(shè)計、軟件編程和實(shí)驗測試等多種方法，旨在構(gòu)建一個高效、精準(zhǔn)的切削溫度虛擬儀器系統(tǒng)，具體如下：理論分析：深入研究切削溫度測量的基本原理，包括熱電偶的熱電效應(yīng)、信號調(diào)理電路的工作原理以及數(shù)據(jù)采集與通信的理論基礎(chǔ)等。全面剖析虛擬儀器的架構(gòu)和工作機(jī)制，明確LabVIEW在虛擬儀器開發(fā)中的關(guān)鍵作用和優(yōu)勢，為后續(xù)的硬件設(shè)計和軟件編程提供堅實(shí)的理論支撐。硬件電路設(shè)計：根據(jù)測量需求和理論分析結(jié)果，精心設(shè)計硬件電路。對K型熱電偶、AD590溫度傳感器、信號調(diào)理電路以及P87LPC768型單片機(jī)最小系統(tǒng)等關(guān)鍵硬件模塊進(jìn)行選型和參數(shù)設(shè)計，確保各硬件之間的兼容性和協(xié)同工作能力。利用電路設(shè)計軟件繪制硬件電路圖，并制作電路板，完成硬件系統(tǒng)的搭建。軟件編程：基于LabVIEW平臺進(jìn)行軟件開發(fā)，運(yùn)用其豐富的函數(shù)庫和工具，開發(fā)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)查詢分析和正交試驗等功能模塊。在編程過程中，注重軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能實(shí)現(xiàn)，采用模塊化編程思想，提高代碼的可讀性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。通過不斷調(diào)試和優(yōu)化，確保軟件功能的正確性和穩(wěn)定性。實(shí)驗測試：搭建實(shí)驗平臺，利用設(shè)計開發(fā)的虛擬儀器進(jìn)行金屬切削試驗。在實(shí)驗過程中，嚴(yán)格控制實(shí)驗條件，采集不同切削參數(shù)下的切削溫度數(shù)據(jù)。對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，研究切削溫度與各因素之間的關(guān)系，評估虛擬儀器的性能指標(biāo)，如測量精度、響應(yīng)時間、穩(wěn)定性等。與傳統(tǒng)切削溫度測量方法進(jìn)行對比，驗證虛擬儀器的優(yōu)勢和可行性。根據(jù)實(shí)驗測試結(jié)果，對虛擬儀器進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，進(jìn)一步提升其性能。在技術(shù)路線方面，本研究遵循從需求分析到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的邏輯順序，逐步推進(jìn)研究工作。首先，對機(jī)械加工領(lǐng)域中切削溫度測量的實(shí)際需求進(jìn)行深入調(diào)研和分析，明確虛擬儀器應(yīng)具備的功能和性能指標(biāo)?；谛枨蠓治鼋Y(jié)果，開展硬件電路設(shè)計和軟件編程工作，同時進(jìn)行相關(guān)理論研究，為系統(tǒng)設(shè)計提供理論依據(jù)。完成硬件和軟件的開發(fā)后，對系統(tǒng)進(jìn)行集成和調(diào)試，確保硬件與軟件之間的通信順暢和協(xié)同工作正常。搭建實(shí)驗平臺，進(jìn)行實(shí)驗測試，對虛擬儀器的性能進(jìn)行全面評估。根據(jù)實(shí)驗測試結(jié)果，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)滿足實(shí)際需求的切削溫度虛擬儀器系統(tǒng)。整個技術(shù)路線如圖1.1所示。[此處插入圖1.1技術(shù)路線圖]通過上述研究方法和技術(shù)路線，本研究致力于解決傳統(tǒng)切削溫度測量儀器存在的問題，開發(fā)出具有高精度、多功能、智能化等特點(diǎn)的切削溫度虛擬儀器，為機(jī)械加工領(lǐng)域的切削溫度測量和工藝優(yōu)化提供有力的技術(shù)支持。二、相關(guān)技術(shù)原理2.1LabVIEW技術(shù)概述2.1.1LabVIEW簡介LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是美國國家儀器公司（NI）推出的一款圖形化編程開發(fā)平臺，在虛擬儀器領(lǐng)域占據(jù)著舉足輕重的地位。與傳統(tǒng)的文本編程語言不同，LabVIEW采用獨(dú)特的圖形化編程語言——G語言進(jìn)行編程，其程序以圖形化的方式呈現(xiàn)，通過將各種功能模塊（即節(jié)點(diǎn)）用連線連接起來，形象地表達(dá)程序的邏輯和數(shù)據(jù)流向，這種編程方式猶如繪制電路圖一般直觀易懂。LabVIEW的功能模塊豐富多樣，涵蓋了數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲以及儀器控制等多個方面。在數(shù)據(jù)采集方面，它能夠與各類數(shù)據(jù)采集卡無縫對接，快速準(zhǔn)確地獲取來自傳感器等設(shè)備的原始數(shù)據(jù)。信號調(diào)理模塊則可對采集到的原始信號進(jìn)行放大、濾波、調(diào)制等處理，提高信號質(zhì)量，為后續(xù)的分析奠定基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)分析模塊集成了大量的算法和工具，如時域分析、頻域分析、統(tǒng)計分析等，可對信號進(jìn)行深入剖析，挖掘其中蘊(yùn)含的信息。數(shù)據(jù)存儲模塊支持將數(shù)據(jù)保存為多種常見格式，如文本文件、二進(jìn)制文件、數(shù)據(jù)庫等，方便數(shù)據(jù)的長期保存和后續(xù)調(diào)用。在儀器控制方面，LabVIEW憑借其強(qiáng)大的驅(qū)動支持，能夠輕松實(shí)現(xiàn)對各類儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和自動化操作。在虛擬儀器開發(fā)中，LabVIEW展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢。首先，其圖形化編程方式大大降低了編程門檻，即使是沒有深厚編程背景的工程師和科研人員，也能快速上手，輕松構(gòu)建復(fù)雜的測試測量系統(tǒng)，有效縮短了開發(fā)周期。其次，LabVIEW擁有豐富的函數(shù)庫和工具包，這些資源為開發(fā)者提供了便捷的開發(fā)手段，減少了重復(fù)開發(fā)的工作量，提高了開發(fā)效率。再者，LabVIEW具備良好的可擴(kuò)展性和靈活性，開發(fā)者可以根據(jù)實(shí)際需求，方便地添加或修改功能模塊，以適應(yīng)不斷變化的測試測量需求。此外，LabVIEW還支持多線程編程和分布式系統(tǒng)開發(fā)，能夠滿足對實(shí)時性和并行處理要求較高的應(yīng)用場景。2.1.2LabVIEW在數(shù)據(jù)采集與處理中的應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，LabVIEW通過專門的數(shù)據(jù)采集函數(shù)和工具，能夠與各種類型的數(shù)據(jù)采集硬件進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對模擬信號、數(shù)字信號等的采集。以切削溫度測量為例，K型熱電偶作為溫度傳感器，將切削過程中的溫度信號轉(zhuǎn)換為微弱的電壓信號。這些信號經(jīng)過信號調(diào)理電路的放大、濾波處理后，輸入到數(shù)據(jù)采集卡。LabVIEW通過調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集驅(qū)動程序，與數(shù)據(jù)采集卡建立通信連接，設(shè)置采集參數(shù)，如采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)、通道數(shù)等，從而實(shí)現(xiàn)對溫度信號的高速、準(zhǔn)確采集。在采集過程中，LabVIEW能夠?qū)崟r監(jiān)測采集狀態(tài)，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。采集到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時顯示，以便操作人員及時了解切削溫度的變化情況。LabVIEW的前面板提供了豐富的可視化控件，如溫度計、圖表、圖形等，開發(fā)者可以根據(jù)需求選擇合適的控件來展示溫度數(shù)據(jù)。通過將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時更新到這些可視化控件上，操作人員可以直觀地看到切削溫度隨時間的變化曲線，以及當(dāng)前的溫度值。這種實(shí)時顯示功能為切削過程的監(jiān)控和調(diào)整提供了重要依據(jù)。LabVIEW具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力，能夠?qū)Σ杉降那邢鳒囟葦?shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。例如，通過時域分析函數(shù)，可以計算溫度數(shù)據(jù)的均值、峰值、方差等統(tǒng)計參數(shù)，了解溫度的整體分布情況和波動特性。利用頻域分析函數(shù)，如快速傅里葉變換（FFT），可以將時域的溫度信號轉(zhuǎn)換到頻域，分析信號的頻率成分，找出可能存在的周期性溫度變化或異常頻率分量。此外，LabVIEW還支持各種高級數(shù)據(jù)分析算法，如小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，可用于提取溫度數(shù)據(jù)中的特征信息，預(yù)測溫度變化趨勢，為切削工藝的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。對于采集到的切削溫度數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行妥善存儲，以便后續(xù)的查詢、分析和研究。LabVIEW支持多種數(shù)據(jù)存儲方式，如將數(shù)據(jù)保存為文本文件，這種方式簡單直觀，便于使用通用的文本編輯工具進(jìn)行查看和處理。也可以將數(shù)據(jù)存儲為二進(jìn)制文件，二進(jìn)制文件具有存儲效率高、讀寫速度快的優(yōu)點(diǎn)，適合存儲大量的溫度數(shù)據(jù)。此外，LabVIEW還可以與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行集成，利用LabSQL等工具，將溫度數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理和高效查詢。通過建立合理的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)和索引，能夠方便地根據(jù)時間、切削參數(shù)等條件對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索和分析，為切削工藝的優(yōu)化和質(zhì)量控制提供有力的數(shù)據(jù)支持。2.2單片機(jī)技術(shù)概述2.2.1單片機(jī)工作原理單片機(jī)，全稱單片微型計算機(jī)（SingleChipMicrocomputer），是一種將中央處理器（CPU）、隨機(jī)存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、輸入輸出接口（I/O）等主要計算機(jī)部件集成在一塊芯片上的微型計算機(jī)系統(tǒng)。以常見的8位單片機(jī)為例，其基本結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。[此處插入圖2.18位單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖]中央處理器（CPU）是單片機(jī)的核心部件，由運(yùn)算器和控制器組成。運(yùn)算器負(fù)責(zé)執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算（如加、減、乘、除）和邏輯運(yùn)算（如與、或、非、異或），對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。控制器則負(fù)責(zé)指揮單片機(jī)各部件協(xié)調(diào)工作，它從程序存儲器中讀取指令，對指令進(jìn)行譯碼分析，然后產(chǎn)生各種控制信號，控制單片機(jī)的各個部件按照指令的要求進(jìn)行操作。存儲器用于存儲程序和數(shù)據(jù)，分為只讀存儲器（ROM）和隨機(jī)存取存儲器（RAM）。ROM主要用于存放單片機(jī)的程序代碼和一些固定不變的數(shù)據(jù)，如常數(shù)、表格等，其內(nèi)容在單片機(jī)運(yùn)行過程中一般不會改變，掉電后數(shù)據(jù)也不會丟失。RAM則用于存放程序運(yùn)行過程中的中間結(jié)果、變量等，其數(shù)據(jù)可以隨時被讀寫，但掉電后數(shù)據(jù)會丟失。定時器/計數(shù)器是單片機(jī)中用于實(shí)現(xiàn)定時和計數(shù)功能的部件。在定時模式下，定時器根據(jù)內(nèi)部時鐘信號或外部輸入的時鐘信號進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值達(dá)到預(yù)設(shè)值時，會產(chǎn)生定時中斷，通知CPU進(jìn)行相應(yīng)的處理。在計數(shù)模式下，計數(shù)器對外部輸入的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，同樣可以在計數(shù)值達(dá)到預(yù)設(shè)值時產(chǎn)生中斷。定時器/計數(shù)器常用于實(shí)現(xiàn)延時控制、頻率測量、PWM（脈寬調(diào)制）信號生成等功能。輸入輸出接口（I/O）是單片機(jī)與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通道。單片機(jī)通常具有多個I/O端口，每個端口可以配置為輸入模式或輸出模式。在輸入模式下，I/O端口可以接收外部設(shè)備輸入的信號，如傳感器的輸出信號。在輸出模式下，I/O端口可以向外部設(shè)備輸出控制信號，如控制電機(jī)的啟停、控制LED的亮滅等。不同的I/O端口還具有不同的功能，有些端口可以用于串行通信（如UART、SPI、I2C等），有些端口可以用于并行數(shù)據(jù)傳輸。中斷系統(tǒng)是單片機(jī)的重要組成部分，它允許單片機(jī)在執(zhí)行當(dāng)前程序的過程中，暫停當(dāng)前任務(wù)，轉(zhuǎn)而去處理外部或內(nèi)部發(fā)生的緊急事件，如定時器溢出、外部中斷請求等。當(dāng)中斷發(fā)生時，CPU會保存當(dāng)前程序的執(zhí)行狀態(tài)，然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理。處理完中斷事件后，CPU再恢復(fù)原來的程序執(zhí)行狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行被中斷的程序。中斷系統(tǒng)的存在大大提高了單片機(jī)的實(shí)時響應(yīng)能力和處理突發(fā)事件的能力。單片機(jī)的工作流程遵循馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)的基本原理。在單片機(jī)上電復(fù)位后，CPU會從程序存儲器的特定地址（通常是0x0000）開始讀取第一條指令。指令讀取完成后，CPU對指令進(jìn)行譯碼，分析指令的操作碼和操作數(shù)，確定指令的功能和所需執(zhí)行的操作。然后，CPU根據(jù)譯碼結(jié)果，執(zhí)行相應(yīng)的操作，如從存儲器中讀取數(shù)據(jù)、進(jìn)行算術(shù)邏輯運(yùn)算、將結(jié)果寫入存儲器或輸出到I/O端口等。執(zhí)行完一條指令后，CPU會自動指向下一條指令的地址，重復(fù)上述取指、譯碼、執(zhí)行的過程，直到程序結(jié)束或遇到停機(jī)指令。在程序執(zhí)行過程中，如果有中斷請求發(fā)生，且中斷允許標(biāo)志位被置位，CPU會暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行，響應(yīng)中斷請求，跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序執(zhí)行。中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢后，CPU再返回原來被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。通過這樣的循環(huán)工作方式，單片機(jī)能夠按照預(yù)先編寫的程序，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。2.2.2單片機(jī)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的作用在基于LabVIEW和單片機(jī)的切削溫度虛擬儀器系統(tǒng)中，單片機(jī)扮演著至關(guān)重要的角色，主要負(fù)責(zé)對溫度傳感器信號的采集、處理和傳輸。切削溫度測量采用K型熱電偶作為溫度傳感器，它利用兩種不同金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)，將切削過程中的溫度變化轉(zhuǎn)換為微弱的電壓信號。由于熱電偶輸出的電壓信號非常微弱，一般只有毫伏級，且容易受到干擾，因此需要經(jīng)過信號調(diào)理電路進(jìn)行放大、濾波處理。信號調(diào)理電路通常包括放大器、濾波器等部分，放大器用于將熱電偶輸出的微弱信號放大到適合A/D轉(zhuǎn)換的范圍，濾波器則用于去除信號中的噪聲和干擾，提高信號的質(zhì)量。經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后的模擬信號，需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號才能被單片機(jī)處理。單片機(jī)內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器（Analog-to-DigitalConverter），它能夠?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換的過程包括采樣、保持、量化和編碼。采樣是指在一定的時間間隔內(nèi)對模擬信號進(jìn)行取值，保持是將采樣得到的信號值在一段時間內(nèi)保持不變，以便進(jìn)行量化和編碼。量化是將采樣保持后的信號值按照一定的精度進(jìn)行離散化處理，將其轉(zhuǎn)換為有限個數(shù)字量。編碼則是將量化后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼，以便單片機(jī)進(jìn)行處理。在切削溫度測量中，根據(jù)測量精度的要求，選擇合適分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，以確保能夠準(zhǔn)確地將溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。單片機(jī)采集到溫度數(shù)字信號后，需要對其進(jìn)行處理。首先，由于熱電偶的熱電勢與溫度之間的關(guān)系并非線性，為了提高測量精度，需要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理。常用的線性化方法有查表法和計算法。查表法是預(yù)先將熱電偶的熱電勢與溫度的對應(yīng)關(guān)系制成表格，存儲在單片機(jī)的存儲器中。在測量時，根據(jù)采集到的熱電勢值，通過查表找到對應(yīng)的溫度值。計算法是根據(jù)熱電偶的分度表，建立熱電勢與溫度之間的數(shù)學(xué)模型，通過計算得到溫度值。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體情況選擇合適的線性化方法。此外，單片機(jī)還會對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，去除因干擾等因素產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。常用的濾波算法有算術(shù)平均值濾波、中值濾波、加權(quán)平均值濾波等。例如，算術(shù)平均值濾波是連續(xù)采集多個數(shù)據(jù)，然后計算這些數(shù)據(jù)的平均值作為最終的測量結(jié)果，通過多次采樣取平均值的方式，可以有效減小隨機(jī)噪聲的影響。經(jīng)過處理后的溫度數(shù)據(jù)，需要傳輸給上位機(jī)（如計算機(jī)）進(jìn)行進(jìn)一步的分析、顯示和存儲。單片機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸通常采用串口通信方式。串口通信是一種串行數(shù)據(jù)傳輸方式，它通過一根數(shù)據(jù)線逐位傳輸數(shù)據(jù)。在單片機(jī)中，通過配置串口通信相關(guān)的寄存器，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信連接。當(dāng)單片機(jī)將處理后的溫度數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，利用LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、解析和處理。LabVIEW通過調(diào)用VISA（VirtualInstrumentSoftwareArchitecture）串口通信函數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的串口通信，讀取單片機(jī)發(fā)送過來的溫度數(shù)據(jù)，并進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲操作。通過單片機(jī)與上位機(jī)的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了對切削溫度的實(shí)時采集、處理和監(jiān)測，為切削工藝的優(yōu)化提供了重要的數(shù)據(jù)支持。2.3切削溫度測量原理2.3.1熱電偶測溫原理熱電偶作為一種廣泛應(yīng)用的溫度傳感器，其測溫原理基于塞貝克效應(yīng)（SeebeckEffect）。1821年，德國物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B組成一個閉合回路時，如果兩個接點(diǎn)處的溫度不同（設(shè)高溫端溫度為T，低溫端溫度為T_0），回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，這種現(xiàn)象被稱為熱電效應(yīng)，該電動勢也被稱為塞貝克溫差電動勢，簡稱熱電動勢，記為E_{AB}(T,T_0)。熱電動勢的大小與兩種導(dǎo)體的材料性質(zhì)以及兩個接點(diǎn)的溫度差有關(guān)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：E_{AB}(T,T_0)=\int_{T_0}^{T}\alpha_{AB}(t)dt其中，\alpha_{AB}(t)為導(dǎo)體A和B的相對熱電勢率，它是溫度t的函數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，對于給定的熱電偶材料，\alpha_{AB}(t)是已知的，通過測量熱電動勢E_{AB}(T,T_0)，就可以根據(jù)上述公式計算出溫度T。在切削溫度測量中，選用K型熱電偶，即鎳鉻-鎳硅熱電偶。K型熱電偶是一種用量最大的廉價金屬熱電偶，其正極（KP）的名義化學(xué)成分為Ni:Cr=90:10，負(fù)極（KN）的名義化學(xué)成分為Ni:Si=97:3。K型熱電偶具有熱電勢穩(wěn)定性好、靈敏度較高、線性度較好、測溫范圍廣（-200\sim1300^{\circ}C）等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足切削溫度測量的需求。不同線徑的K型熱電偶推薦使用的最高溫度不同，在本研究中，根據(jù)實(shí)際測量精度要求和切削環(huán)境，選擇合適線徑的K型熱電偶。在使用K型熱電偶進(jìn)行溫度測量之前，需要對其進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定的目的是確定熱電偶的熱電勢與溫度之間的準(zhǔn)確對應(yīng)關(guān)系，以便在實(shí)際測量中能夠根據(jù)測量得到的熱電勢準(zhǔn)確計算出溫度值。標(biāo)定過程通常在標(biāo)準(zhǔn)溫度源中進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)溫度源提供一系列已知的標(biāo)準(zhǔn)溫度點(diǎn)，如冰點(diǎn)（0^{\circ}C）、水沸點(diǎn)（100^{\circ}C）等。將熱電偶的熱端置于標(biāo)準(zhǔn)溫度源中，測量在不同標(biāo)準(zhǔn)溫度下熱電偶的熱電勢輸出。然后，根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)，建立熱電勢與溫度之間的數(shù)學(xué)模型。常用的數(shù)學(xué)模型有多項式擬合、查表法等。多項式擬合是通過最小二乘法等方法，將測量數(shù)據(jù)擬合為一個多項式函數(shù)，如：T=a_0+a_1E+a_2E^2+\cdots+a_nE^n其中，T為溫度，E為熱電勢，a_0,a_1,a_2,\cdots,a_n為擬合系數(shù)。通過標(biāo)定得到的擬合系數(shù)，就可以根據(jù)測量得到的熱電勢計算出對應(yīng)的溫度值。查表法是將標(biāo)定得到的熱電勢與溫度的對應(yīng)關(guān)系制成表格，存儲在單片機(jī)或計算機(jī)中。在實(shí)際測量時，根據(jù)測量得到的熱電勢，通過查表找到對應(yīng)的溫度值。在本研究中，采用多項式擬合的方法對K型熱電偶進(jìn)行標(biāo)定，以提高溫度測量的精度。2.3.2冷端補(bǔ)償原理與方法在熱電偶測溫系統(tǒng)中，熱電偶的輸出熱電動勢不僅與熱端溫度有關(guān)，還與冷端溫度密切相關(guān)。根據(jù)熱電偶的測溫原理，其熱電勢與兩端溫度差成正比，只有當(dāng)冷端溫度T_0保持恒定時，熱電動勢才是熱端溫度T的單值函數(shù)。然而，在實(shí)際切削溫度測量過程中，熱電偶的冷端通常暴露在環(huán)境中，容易受到環(huán)境溫度波動的影響，難以保持恒定。若冷端溫度發(fā)生變化，即使熱端溫度不變，熱電偶的輸出熱電動勢也會改變，從而導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)誤差。例如，當(dāng)冷端溫度升高時，熱電偶的輸出熱電動勢會減小，若仍按照冷端溫度不變時的熱電勢-溫度關(guān)系進(jìn)行計算，會使測量得到的熱端溫度值偏低。因此，為了確保切削溫度測量的準(zhǔn)確性，必須對熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償。常用的冷端補(bǔ)償方法有多種，每種方法都有其獨(dú)特的原理和適用場景。冰點(diǎn)補(bǔ)償法，也稱為冰浴法，是利用冰水混合物的溫度（0^{\circ}C）作為參考點(diǎn)。在冷端放置一個溫度傳感器，當(dāng)冷端溫度變化時，通過電路調(diào)整輸出信號，使其與冷端溫度為0^{\circ}C時的輸出相匹配。該方法原理簡單，補(bǔ)償精度較高，但在實(shí)際應(yīng)用中，需要維持冰水混合物的環(huán)境，操作較為繁瑣，成本較高，一般僅適用于實(shí)驗室等對精度要求極高且條件允許的場合。電子補(bǔ)償法是使用電子電路，如運(yùn)算放大器、電阻、電容等，來模擬熱電偶在不同冷端溫度下的輸出。根據(jù)熱電偶的類型和冷端溫度，通過電子電路計算出相應(yīng)的補(bǔ)償值，并將其加到熱電偶的輸出信號上。這種方法能夠較為準(zhǔn)確地補(bǔ)償冷端溫度變化的影響，且響應(yīng)速度快，但電路設(shè)計相對復(fù)雜，成本也較高。軟件補(bǔ)償法是通過軟件算法來計算冷端溫度對熱電偶輸出的影響，并進(jìn)行補(bǔ)償。在測量設(shè)備中內(nèi)置或外接一個溫度傳感器，實(shí)時監(jiān)測冷端溫度，將監(jiān)測到的冷端溫度值輸入到單片機(jī)或計算機(jī)中，通過預(yù)先編寫好的軟件算法計算出補(bǔ)償值，然后對熱電偶的輸出信號進(jìn)行調(diào)整。該方法靈活性高，成本較低，且易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的補(bǔ)償算法，但對軟件編程要求較高，并且需要保證溫度傳感器的精度和穩(wěn)定性。在本研究的切削溫度虛擬儀器系統(tǒng)中，選用AD590溫度傳感器進(jìn)行冷端補(bǔ)償，采用軟件補(bǔ)償法。AD590是一種電流型溫度傳感器，其輸出電流與絕對溫度成正比，具有精度高、線性度好、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。將AD590溫度傳感器放置在熱電偶的冷端附近，實(shí)時測量冷端的環(huán)境溫度。單片機(jī)采集AD590輸出的電流信號，并將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度值。根據(jù)熱電偶的分度表和測量得到的冷端溫度值，利用軟件算法計算出冷端溫度變化對熱電勢的影響，并對熱電偶測量得到的熱電勢進(jìn)行修正。具體的軟件補(bǔ)償算法如下：首先，根據(jù)熱電偶的分度表，獲取在冷端溫度為0^{\circ}C時，不同熱電勢對應(yīng)的溫度值，建立熱電勢-溫度查找表。當(dāng)測量得到熱電偶的熱電勢E和冷端溫度T_0后，在查找表中查找與熱電勢E對應(yīng)的溫度值T_1（假設(shè)此時冷端溫度為0^{\circ}C）。然后，根據(jù)熱電偶的中間溫度定則，計算出實(shí)際熱端溫度T：T=T_1+\DeltaT其中，\DeltaT為根據(jù)冷端溫度T_0和熱電偶特性計算得到的溫度修正值。通過這種軟件補(bǔ)償方法，有效地消除了冷端溫度變化對切削溫度測量精度的影響，提高了虛擬儀器的測量準(zhǔn)確性。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1硬件總體架構(gòu)設(shè)計基于LabVIEW和單片機(jī)的切削溫度虛擬儀器硬件系統(tǒng)主要由溫度傳感器、信號調(diào)理電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸接口等部分組成，其總體架構(gòu)如圖3.1所示。[此處插入圖3.1硬件總體架構(gòu)圖]溫度傳感器選用K型熱電偶，它能夠?qū)⑶邢鬟^程中的溫度信號轉(zhuǎn)化為微弱的電壓信號。由于切削現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，存在各種電磁干擾和機(jī)械振動，K型熱電偶憑借其良好的穩(wěn)定性和抗干擾能力，能夠在這種惡劣環(huán)境下準(zhǔn)確感知溫度變化。其輸出的電壓信號非常微弱，一般在毫伏級，且容易受到噪聲的影響。為了提高信號質(zhì)量，滿足后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換的要求，需要通過信號調(diào)理電路對其進(jìn)行處理。信號調(diào)理電路主要包括放大器和濾波器兩部分。放大器選用高精度儀表放大器，如INA128，它具有高輸入阻抗、低噪聲、高精度等特點(diǎn)，能夠?qū)型熱電偶輸出的微弱電壓信號放大到合適的幅值范圍。濾波器采用低通濾波器，如巴特沃斯低通濾波器，其截止頻率根據(jù)信號的帶寬和噪聲特性進(jìn)行合理選擇，能夠有效濾除信號中的高頻噪聲和干擾，提高信號的信噪比。經(jīng)過信號調(diào)理電路處理后的模擬信號，需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號才能被單片機(jī)處理。單片機(jī)選用P87LPC768型單片機(jī)，它是一款高性能、低功耗的8位單片機(jī)，具有豐富的片上資源，如內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器、定時器/計數(shù)器、串口通信接口等。在本系統(tǒng)中，P87LPC768單片機(jī)負(fù)責(zé)完成溫度數(shù)據(jù)的采集、處理以及與計算機(jī)的通信任務(wù)。其內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器將經(jīng)過信號調(diào)理后的模擬溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以便單片機(jī)進(jìn)行后續(xù)的處理。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率和轉(zhuǎn)換速度是影響系統(tǒng)測量精度和實(shí)時性的重要因素，P87LPC768單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器具有較高的分辨率和較快的轉(zhuǎn)換速度，能夠滿足切削溫度測量的要求。單片機(jī)對采集到的數(shù)字溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如線性化處理、濾波處理等，以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)傳輸接口用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，本系統(tǒng)采用串口通信方式。串口通信具有硬件簡單、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適合在近距離、低速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊鲜褂?。在單片機(jī)端，通過配置串口通信相關(guān)的寄存器，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)與計算機(jī)的串口通信連接。在計算機(jī)端，利用LabVIEW軟件提供的VISA串口通信函數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)對串口數(shù)據(jù)的讀取和解析。通過串口通信，單片機(jī)將處理后的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機(jī)，計算機(jī)利用LabVIEW軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析、顯示和存儲。硬件總體架構(gòu)中的各個部分相互協(xié)作，共同完成對切削溫度的測量和數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。溫度傳感器負(fù)責(zé)感知切削溫度并將其轉(zhuǎn)化為電信號，信號調(diào)理電路對電信號進(jìn)行放大和濾波處理，單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集和初步處理，數(shù)據(jù)傳輸接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，最終將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)進(jìn)行后續(xù)的分析和處理。這種架構(gòu)設(shè)計具有結(jié)構(gòu)清晰、功能明確、易于實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足切削溫度虛擬儀器對硬件系統(tǒng)的要求。3.2溫度傳感器選型與電路設(shè)計3.2.1傳感器選型依據(jù)在切削溫度測量系統(tǒng)中，溫度傳感器的選擇至關(guān)重要，其性能直接影響到測量的準(zhǔn)確性和可靠性。常見的溫度傳感器有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、集成溫度傳感器等，它們各自具有不同的特點(diǎn)和適用范圍。熱電阻是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性來測量溫度的。常見的熱電阻材料有鉑、銅等，其中鉑電阻的精度高、穩(wěn)定性好，測溫范圍一般為-200\sim850^{\circ}C，但其價格相對較高；銅電阻價格較低，測溫范圍為-50\sim150^{\circ}C，精度相對較低。熱電阻的優(yōu)點(diǎn)是測量精度高、穩(wěn)定性好，但響應(yīng)速度相對較慢，且需要外接電源和測量電路，適用于對溫度測量精度要求較高、溫度變化相對緩慢的場合。熱敏電阻是一種對溫度敏感的半導(dǎo)體電阻元件，其電阻值隨溫度的變化而發(fā)生顯著變化。熱敏電阻分為正溫度系數(shù)（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)（NTC）兩種類型。PTC熱敏電阻的電阻值隨溫度升高而增大，NTC熱敏電阻的電阻值隨溫度升高而減小。熱敏電阻具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但線性度較差，測溫范圍相對較窄，一般為-50\sim300^{\circ}C，適用于對溫度變化敏感、對測量精度要求不是特別高的場合。集成溫度傳感器是將溫度敏感元件、信號調(diào)理電路、放大器等集成在一個芯片上的溫度傳感器。它具有體積小、精度高、線性度好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，輸出信號一般為電壓或電流信號，可直接與單片機(jī)等數(shù)字電路接口。常見的集成溫度傳感器有AD590、LM35等。AD590是一種電流型集成溫度傳感器，其輸出電流與絕對溫度成正比，精度高、線性度好，測溫范圍為-55\sim150^{\circ}C；LM35是一種電壓型集成溫度傳感器，輸出電壓與攝氏溫度成正比，精度較高，測溫范圍為-55\sim150^{\circ}C。集成溫度傳感器適用于對溫度測量精度要求較高、測量電路簡單的場合。熱電偶是利用兩種不同金屬導(dǎo)體的熱電效應(yīng)來測量溫度的，當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體組成閉合回路，且兩個接點(diǎn)溫度不同時，回路中會產(chǎn)生熱電動勢，熱電動勢的大小與兩種金屬的材料性質(zhì)以及兩個接點(diǎn)的溫度差有關(guān)。熱電偶具有測溫范圍廣（-200\sim1800^{\circ}C）、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、可測量微小溫度變化等優(yōu)點(diǎn)，能夠在高溫、強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下工作。不同類型的熱電偶具有不同的特點(diǎn)和適用范圍，如K型熱電偶（鎳鉻-鎳硅熱電偶）是一種常用的熱電偶，其測溫范圍為-200\sim1300^{\circ}C，熱電勢穩(wěn)定性好、靈敏度較高、線性度較好，價格相對較低；S型熱電偶（鉑銠10-鉑熱電偶）測溫范圍為0\sim1600^{\circ}C，精度高，常用于高溫測量和精密測量，但價格昂貴。在本研究的切削溫度測量系統(tǒng)中，考慮到切削過程中溫度變化范圍較大，一般會達(dá)到幾百攝氏度甚至更高，同時切削現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，存在強(qiáng)電磁干擾和機(jī)械振動等因素。K型熱電偶具有測溫范圍廣、熱電勢穩(wěn)定性好、靈敏度較高、線性度較好、抗干擾能力強(qiáng)、價格相對較低等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足切削溫度測量的需求。因此，選擇K型熱電偶作為溫度傳感器。3.2.2熱電偶信號調(diào)理電路設(shè)計K型熱電偶輸出的是微弱的電壓信號，一般在毫伏級，且容易受到噪聲的干擾，為了滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求，需要對其進(jìn)行放大和濾波處理。信號調(diào)理電路中的放大器選用INA128高精度儀表放大器，它具有高輸入阻抗（典型值為10^{12}\Omega），能夠有效減少信號源的負(fù)載效應(yīng)，確保熱電偶輸出的微弱信號能夠被準(zhǔn)確采集。INA128的低噪聲特性（典型值為38nV/\sqrt{Hz}）可以降低噪聲對信號的影響，提高測量精度。其高精度（增益誤差典型值為0.05\%）能夠保證放大后的信號準(zhǔn)確反映熱電偶輸出的變化。INA128的增益可以通過外接電阻進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)熱電偶輸出信號的幅度和A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍，選擇合適的外接電阻，將增益設(shè)置為G，使得放大后的信號幅值在A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍內(nèi)。例如，若A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍為0\sim5V，熱電偶輸出信號的最大值為E_{max}，則增益G可根據(jù)公式G=\frac{5V}{E_{max}}進(jìn)行計算。濾波器采用二階巴特沃斯低通濾波器，其截止頻率f_c根據(jù)信號的帶寬和噪聲特性進(jìn)行選擇。在切削溫度測量中，溫度信號的變化相對緩慢，主要的噪聲為高頻噪聲。通過選擇合適的截止頻率，如f_c=10Hz，可以有效濾除信號中的高頻噪聲和干擾，提高信號的信噪比。二階巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)為：H(s)=\frac{1}{s^{2}+1.414s+1}其中，s=j\omega，\omega=2\pif，f為信號頻率。通過將該傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為電路形式，使用電阻和電容搭建濾波器電路，實(shí)現(xiàn)對信號的濾波處理。經(jīng)過放大器和濾波器處理后的信號，還需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便單片機(jī)進(jìn)行處理。A/D轉(zhuǎn)換器選用單片機(jī)內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器，如P87LPC768單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器。該A/D轉(zhuǎn)換器具有8位分辨率，能夠滿足切削溫度測量的精度要求。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時，需要設(shè)置合適的采樣率，采樣率的選擇應(yīng)根據(jù)溫度信號的變化頻率來確定，以確保能夠準(zhǔn)確采集到溫度信號的變化。例如，若溫度信號的最高頻率為f_{max}，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣率f_s應(yīng)滿足f_s\geq2f_{max}。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到噪聲等因素的影響，通常會選擇更高的采樣率，如f_s=100Hz。通過對A/D轉(zhuǎn)換器的控制寄存器進(jìn)行配置，設(shè)置采樣率、轉(zhuǎn)換通道等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對模擬溫度信號的A/D轉(zhuǎn)換。熱電偶信號調(diào)理電路的設(shè)計綜合考慮了放大器、濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器的性能和參數(shù)選擇，通過合理的設(shè)計和配置，能夠有效提高熱電偶輸出信號的質(zhì)量，為后續(xù)的溫度數(shù)據(jù)采集和處理提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)字信號。3.2.3冷端補(bǔ)償電路設(shè)計在熱電偶測溫系統(tǒng)中，為了消除冷端溫度變化對測量精度的影響，采用基于AD590溫度傳感器的冷端補(bǔ)償電路。AD590是一種電流型溫度傳感器，其輸出電流與絕對溫度成正比，具有精度高（典型精度為\pm0.3^{\circ}C）、線性度好（典型值為\pm0.1^{\circ}C）、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。冷端補(bǔ)償電路的設(shè)計原理是利用AD590實(shí)時測量熱電偶冷端的環(huán)境溫度，將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電流信號，再通過運(yùn)算放大器將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。根據(jù)熱電偶的分度表和測量得到的冷端溫度值，利用軟件算法計算出冷端溫度變化對熱電勢的影響，并對熱電偶測量得到的熱電勢進(jìn)行修正。具體電路實(shí)現(xiàn)如圖3.2所示。AD590的輸出電流I_{AD590}與絕對溫度T_{AD590}的關(guān)系為I_{AD590}=kT_{AD590}，其中k為比例系數(shù)，一般為1\muA/K。通過一個精密電阻R_1（如R_1=1k\Omega）將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號V_{AD590}，即V_{AD590}=I_{AD590}R_1。運(yùn)算放大器采用高精度的OP07，它具有低失調(diào)電壓（典型值為10\muV）、低失調(diào)電流（典型值為3nA）、高共模抑制比（典型值為120dB）等優(yōu)點(diǎn)，能夠確保電壓信號的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換和放大。運(yùn)算放大器將V_{AD590}進(jìn)行放大和調(diào)整，使其輸出電壓V_{comp}與冷端溫度的變化相對應(yīng)。[此處插入圖3.2冷端補(bǔ)償電路原理圖]在軟件實(shí)現(xiàn)方面，單片機(jī)采集AD590轉(zhuǎn)換后的電壓信號V_{comp}，并將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的冷端溫度值T_0。根據(jù)熱電偶的分度表和測量得到的熱電勢E，利用以下公式計算實(shí)際熱端溫度T：T=T_1+\DeltaT其中，T_1為假設(shè)冷端溫度為0^{\circ}C時，根據(jù)熱電勢E在分度表中查找得到的溫度值；\DeltaT為根據(jù)冷端溫度T_0和熱電偶特性計算得到的溫度修正值。通過這種方式，實(shí)現(xiàn)了對熱電偶冷端溫度的有效補(bǔ)償，提高了切削溫度測量的準(zhǔn)確性。冷端補(bǔ)償電路的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，充分利用了AD590溫度傳感器和運(yùn)算放大器的性能優(yōu)勢，結(jié)合軟件算法，有效地消除了冷端溫度變化對切削溫度測量精度的影響，為切削溫度虛擬儀器的高精度測量提供了重要保障。3.3單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計3.3.1單片機(jī)選型在切削溫度虛擬儀器的硬件系統(tǒng)設(shè)計中，單片機(jī)作為核心控制單元，其選型至關(guān)重要。經(jīng)過綜合考量多種因素，最終選擇了P87LPC768單片機(jī)，這款單片機(jī)具備諸多優(yōu)勢，能夠滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集、處理和通信的要求。P87LPC768是一款高性能、低功耗的8位單片機(jī)，由NXP公司推出。它基于80C51內(nèi)核，具有豐富的片上資源，為系統(tǒng)設(shè)計提供了便利。其內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，能夠直接對模擬信號進(jìn)行數(shù)字化處理。在本系統(tǒng)中，K型熱電偶輸出的模擬溫度信號經(jīng)信號調(diào)理電路處理后，可直接接入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道，無需外接額外的A/D轉(zhuǎn)換芯片，簡化了硬件電路設(shè)計。該單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器具有8位分辨率，在滿足切削溫度測量精度要求的同時，保證了系統(tǒng)的成本效益。在實(shí)際應(yīng)用中，對于切削溫度的測量精度要求一般在±1℃-±5℃之間，P87LPC768單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換精度能夠有效滿足這一需求，確保采集到的溫度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。P87LPC768單片機(jī)還集成了定時器/計數(shù)器，可用于實(shí)現(xiàn)精確的定時和計數(shù)功能。在數(shù)據(jù)采集過程中，通過定時器/計數(shù)器可以精確控制采樣時間間隔，保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。例如，在設(shè)定采樣率為100Hz時，利用定時器/計數(shù)器可以準(zhǔn)確地每隔10ms觸發(fā)一次數(shù)據(jù)采集操作，確保溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時性和連續(xù)性。定時器/計數(shù)器還可用于產(chǎn)生PWM信號，在一些需要對外部設(shè)備進(jìn)行脈寬調(diào)制控制的應(yīng)用場景中，如控制加熱裝置的功率以模擬不同的切削工況，P87LPC768單片機(jī)的定時器/計數(shù)器能夠發(fā)揮重要作用。串口通信接口也是P87LPC768單片機(jī)的重要片上資源之一。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)通過串口與計算機(jī)進(jìn)行通信，將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。串口通信具有硬件簡單、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合本系統(tǒng)中單片機(jī)與計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸需求。通過配置串口通信相關(guān)的寄存器，設(shè)置合適的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗位等參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)傳輸。在實(shí)際應(yīng)用中，通常將波特率設(shè)置為9600bps，既能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，又能滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸速度的要求。此外，P87LPC768單片機(jī)還具有低功耗的特點(diǎn)，這對于需要長時間運(yùn)行的切削溫度測量系統(tǒng)來說尤為重要。在系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)或數(shù)據(jù)采集間隔時間較長時，單片機(jī)可以進(jìn)入低功耗模式，降低系統(tǒng)的能耗，延長電池使用壽命，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。P87LPC768單片機(jī)憑借其豐富的片上資源、較高的性能以及低功耗等特點(diǎn)，成為了本切削溫度虛擬儀器硬件系統(tǒng)中單片機(jī)的理想選擇。它能夠有效地實(shí)現(xiàn)對溫度信號的采集、處理和傳輸，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和功能實(shí)現(xiàn)提供了堅實(shí)的硬件基礎(chǔ)。3.3.2時鐘電路設(shè)計時鐘電路是單片機(jī)最小系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是為單片機(jī)提供穩(wěn)定的時鐘信號，確保單片機(jī)內(nèi)部各部件能夠按照固定的時間節(jié)拍協(xié)調(diào)工作。對于P87LPC768單片機(jī)，常見的時鐘電路設(shè)計方式有兩種：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式利用單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路和外接的晶體振蕩器（簡稱晶振）及電容構(gòu)成時鐘產(chǎn)生電路。在本系統(tǒng)中，采用內(nèi)部時鐘方式進(jìn)行時鐘電路設(shè)計。具體電路連接如圖3.3所示。選用的晶振頻率為12MHz，它能夠為單片機(jī)提供穩(wěn)定的時鐘信號。晶振的兩端分別連接到單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳。在晶振的兩端還分別并聯(lián)了兩個電容C1和C2，電容值一般選擇為30pF左右。這兩個電容的作用是幫助晶振起振，并對振蕩頻率進(jìn)行微調(diào)，以確保時鐘信號的穩(wěn)定性。在實(shí)際電路設(shè)計中，電容的選擇需要考慮晶振的特性以及電路板的布線等因素。如果電容值選擇不當(dāng)，可能會導(dǎo)致晶振無法正常起振或振蕩頻率不穩(wěn)定。通過合理選擇電容值，可以使晶振在較短的時間內(nèi)穩(wěn)定起振，并保持穩(wěn)定的振蕩頻率。[此處插入圖3.3內(nèi)部時鐘方式的時鐘電路原理圖]時鐘信號的頻率直接影響單片機(jī)的運(yùn)行速度和性能。在P87LPC768單片機(jī)中，其指令周期與時鐘信號的頻率密切相關(guān)。一個指令周期通常由若干個機(jī)器周期組成，而一個機(jī)器周期又由若干個時鐘周期組成。對于12MHz晶振的P87LPC768單片機(jī)，其一個機(jī)器周期為1μs。這意味著單片機(jī)在執(zhí)行一條指令時，需要花費(fèi)1μs的時間。在數(shù)據(jù)采集過程中，需要根據(jù)采樣率的要求來合理設(shè)置定時器/計數(shù)器的定時時間。如果采樣率為100Hz，即每10ms采集一次數(shù)據(jù)，那么可以通過設(shè)置定時器/計數(shù)器的定時時間為10ms，利用單片機(jī)的中斷機(jī)制，在定時時間到達(dá)時觸發(fā)數(shù)據(jù)采集操作。外部時鐘方式則是由外部時鐘源直接為單片機(jī)提供時鐘信號。這種方式適用于需要與其他外部設(shè)備同步工作的場合。在一些對時鐘精度要求極高的系統(tǒng)中，可能會采用高精度的外部時鐘源來為單片機(jī)提供時鐘信號。在本切削溫度虛擬儀器系統(tǒng)中，由于對時鐘精度的要求相對不高，且內(nèi)部時鐘方式能夠滿足系統(tǒng)的性能需求，因此選擇內(nèi)部時鐘方式進(jìn)行時鐘電路設(shè)計。通過合理設(shè)計內(nèi)部時鐘電路，選用合適的晶振和電容，能夠為P87LPC768單片機(jī)提供穩(wěn)定可靠的時鐘信號，確保單片機(jī)正常工作，為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理和通信等功能的實(shí)現(xiàn)提供保障。3.3.3復(fù)位電路設(shè)計復(fù)位電路在單片機(jī)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它能夠確保單片機(jī)在啟動時或運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常情況時，恢復(fù)到初始的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)上電時，復(fù)位電路會使單片機(jī)的內(nèi)部寄存器和存儲器等部件初始化到默認(rèn)狀態(tài)，為程序的正常運(yùn)行做好準(zhǔn)備。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果受到外界干擾或出現(xiàn)程序跑飛等異常情況，復(fù)位電路能夠及時將單片機(jī)復(fù)位，使其重新開始正常工作，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。對于P87LPC768單片機(jī)，常見的復(fù)位電路有上電復(fù)位電路和按鍵復(fù)位電路。在本系統(tǒng)中，采用了上電復(fù)位和按鍵復(fù)位相結(jié)合的復(fù)位電路設(shè)計，以滿足系統(tǒng)在不同情況下的復(fù)位需求。上電復(fù)位電路的工作原理是利用電容的充電特性。具體電路連接如圖3.4所示。在系統(tǒng)上電瞬間，電源電壓VCC通過電阻R1對電容C3進(jìn)行充電。由于電容兩端的電壓不能突變，在充電初期，電容C3兩端的電壓近似為0V，此時RESET引腳處于高電平狀態(tài)。隨著電容C3的充電，其兩端電壓逐漸升高，當(dāng)電壓達(dá)到單片機(jī)的復(fù)位閾值電平時，RESET引腳變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)完成復(fù)位操作。在實(shí)際電路設(shè)計中，電阻R1和電容C3的取值需要根據(jù)單片機(jī)的復(fù)位要求和電源特性進(jìn)行合理選擇。一般來說，電阻R1的取值范圍為10kΩ-100kΩ，電容C3的取值范圍為10μF-100μF。通過合理選擇電阻和電容的值，可以確保在系統(tǒng)上電時，單片機(jī)能夠可靠地完成復(fù)位操作。[此處插入圖3.4上電復(fù)位和按鍵復(fù)位相結(jié)合的復(fù)位電路原理圖]按鍵復(fù)位電路則是通過手動按下按鍵S1來實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。當(dāng)按下按鍵S1時，RESET引腳直接與電源VCC相連，處于高電平狀態(tài)，單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。松開按鍵S1后，電源VCC通過電阻R1對電容C3充電，當(dāng)電容C3兩端電壓達(dá)到復(fù)位閾值電平時，RESET引腳變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)復(fù)位完成。按鍵復(fù)位電路為用戶提供了一種手動復(fù)位的方式，在系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，用戶可以通過按下按鍵S1快速將單片機(jī)復(fù)位，使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。通過將上電復(fù)位和按鍵復(fù)位相結(jié)合，本系統(tǒng)的復(fù)位電路既能夠在系統(tǒng)上電時自動完成復(fù)位操作，又能夠在系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常時，通過用戶手動按鍵實(shí)現(xiàn)復(fù)位，有效地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)位電路的可靠性至關(guān)重要。如果復(fù)位電路設(shè)計不合理，可能會導(dǎo)致單片機(jī)無法正常復(fù)位，從而使系統(tǒng)出現(xiàn)故障。因此，在設(shè)計復(fù)位電路時，需要充分考慮各種因素，確保復(fù)位電路能夠準(zhǔn)確、可靠地工作。3.4通信接口電路設(shè)計3.4.1串口通信原理串口通信，即串行通信（SerialCommunication），是一種數(shù)據(jù)傳輸方式，它將數(shù)據(jù)以位為單位，通過數(shù)據(jù)信號線、地線等，按順序逐位傳輸。在工業(yè)控制、儀器儀表、智能家居等眾多領(lǐng)域，串口通信都有著廣泛的應(yīng)用，因其具有硬件簡單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，成為了設(shè)備間短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)某Ｓ眠x擇。串口通信采用UART（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，通用異步收發(fā)傳輸器）協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。UART的工作原理是將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，在接收端再將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回并行數(shù)據(jù)。一個完整的串口通信數(shù)據(jù)幀格式通常包括起始位、數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位。起始位用于表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始，它固定為1位，且為低電平信號。當(dāng)接收方檢測到起始位的下降沿時，便知道數(shù)據(jù)傳輸即將開始，從而啟動數(shù)據(jù)接收過程。數(shù)據(jù)位是實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)部分，其位數(shù)可以是5位、6位、7位或8位，具體取決于通信雙方的約定。在ASCII碼字符傳輸中，通常使用7位數(shù)據(jù)位來表示一個字符；而在一般的數(shù)據(jù)傳輸中，常用8位數(shù)據(jù)位。校驗位用于接收方對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，以判斷數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否發(fā)生錯誤。常見的校驗方式有奇校驗、偶校驗和無校驗。奇校驗規(guī)定，正確的代碼一個字節(jié)中1的個數(shù)必須是奇數(shù)，若非奇數(shù)，則在最高位b7添1；偶校驗則規(guī)定，正確的代碼一個字節(jié)中1的個數(shù)必須是偶數(shù)，若非偶數(shù)，同樣在最高位b7添1。停止位表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束，它可以是1位、1.5位或2位，且為高電平信號。停止位的作用是為了讓接收方有足夠的時間處理接收到的數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)備接收下一幀數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，停止位和空閑位都處于高電平狀態(tài)。串口通信的波特率是一個重要參數(shù)，它表示每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)，單位是每秒比特數(shù)（bps）。常見的波特率有4800bps、9600bps、19200bps、38400bps、115200bps等。波特率的選擇需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景和數(shù)據(jù)傳輸需求來確定。如果數(shù)據(jù)傳輸量較小，對傳輸速度要求不高，可以選擇較低的波特率，如4800bps或9600bps，這樣可以降低硬件成本和系統(tǒng)復(fù)雜度。而在數(shù)據(jù)傳輸量較大、對實(shí)時性要求較高的情況下，則需要選擇較高的波特率，如115200bps。但需要注意的是，波特率越高，對傳輸線路的質(zhì)量和抗干擾能力要求也越高。在進(jìn)行串口通信之前，通信雙方必須設(shè)置相同的波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位和停止位等參數(shù)，否則會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯誤。串口通信根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方向的不同，可分為單工模式、半雙工模式和全雙工模式。單工模式的數(shù)據(jù)傳輸是單向的，通信雙方中，一方固定為發(fā)送端，另一方固定為接收端，信息只能沿一個方向傳輸，僅使用一根傳輸線。例如，在一些簡單的傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，傳感器作為發(fā)送端，將采集到的數(shù)據(jù)單向傳輸給上位機(jī)，這種情況下就可以采用單工模式。半雙工模式通信使用同一根傳輸線，既可以發(fā)送數(shù)據(jù)又可以接收數(shù)據(jù)，但不能同時進(jìn)行發(fā)送和接收。在數(shù)據(jù)傳輸時，允許數(shù)據(jù)在兩個方向上傳輸，不過在任何時刻只能由其中的一方發(fā)送數(shù)據(jù)，另一方接收數(shù)據(jù)。半雙工模式既可以使用一條數(shù)據(jù)線，也可以使用兩條數(shù)據(jù)線。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，半雙工通信中每端需有一個收發(fā)切換電子開關(guān)，通過切換來決定數(shù)據(jù)向哪個方向傳輸。由于存在切換過程，會產(chǎn)生一定的時間延遲，導(dǎo)致信息傳輸效率相對較低。例如，在一些對講機(jī)通信系統(tǒng)中，就采用了半雙工模式，用戶通過按下按鈕來切換發(fā)送和接收狀態(tài)。全雙工模式通信允許數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳輸，它是兩個單工通信方式的結(jié)合，要求發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備都有獨(dú)立的接收和發(fā)送能力。在全雙工模式中，每一端都有發(fā)送器和接收器，有兩條傳輸線，信息傳輸效率高。在計算機(jī)與打印機(jī)的通信中，計算機(jī)可以同時向打印機(jī)發(fā)送打印任務(wù)數(shù)據(jù)，打印機(jī)也可以向計算機(jī)返回打印狀態(tài)信息，這種情況下就適合采用全雙工模式。3.4.2串口通信電路設(shè)計在基于LabVIEW和單片機(jī)的切削溫度虛擬儀器系統(tǒng)中，單片機(jī)與計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸采用串口通信方式。這種通信方式的硬件連接相對簡單，成本較低，且能夠滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸速度和可靠性的要求。在單片機(jī)端，以P87LPC768單片機(jī)為例，其本身集成了串口通信接口。通過配置單片機(jī)的串口控制寄存器，如SCON（SerialControlRegister），可以設(shè)置串口的工作模式、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗位等參數(shù)。例如，將SCON寄存器的SM0和SM1位設(shè)置為01，可選擇串口工作在模式1，即8位UART模式，這種模式適用于大多數(shù)數(shù)據(jù)傳輸場景。波特率的設(shè)置則通過對定時器/計數(shù)器的配置來實(shí)現(xiàn)。假設(shè)使用定時器T1作為波特率發(fā)生器，將T1設(shè)置為工作模式2，即自動重裝初值的8位定時器模式。通過計算所需的波特率對應(yīng)的定時器初值，將其寫入TH1和TL1寄存器中，從而實(shí)現(xiàn)對波特率的設(shè)定。若需要設(shè)置波特率為9600bps，對于12MHz晶振的P87LPC768單片機(jī)，經(jīng)過計算，可將TH1和TL1寄存器的值設(shè)置為0xFD。同時，還需將PCON寄存器的SMOD位設(shè)置為0或1，以確定是否對波特率進(jìn)行加倍。當(dāng)SMOD=0時，波特率不加倍；當(dāng)SMOD=1時，波特率加倍。在本系統(tǒng)中，若設(shè)置SMOD=0，則通過上述配置，可實(shí)現(xiàn)9600bps的波特率設(shè)置。由于單片機(jī)的串口輸出電平為TTL（Transistor-TransistorLogic）電平，而計算機(jī)的串口通常為RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)，兩者的電平不兼容，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。常用的電平轉(zhuǎn)換芯片有MAX232，它能夠?qū)崿F(xiàn)TTL電平與RS-232電平之間的轉(zhuǎn)換。MAX232芯片內(nèi)部包含了電荷泵電路，可將+5V電源電壓轉(zhuǎn)換為RS-232電平所需的±10V左右的電壓。其工作原理是通過內(nèi)部的電容和二極管組成的電荷泵，將輸入的+5V電壓進(jìn)行倍壓和反相，從而產(chǎn)生RS-232電平所需的正負(fù)電壓。在電路連接方面，MAX232芯片的11腳（T1IN）連接到單片機(jī)的TXD引腳，用于接收單片機(jī)發(fā)送的TTL電平數(shù)據(jù)；12腳（R1OUT）連接到單片機(jī)的RXD引腳，用于將轉(zhuǎn)換后的RS-232電平數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。同時，MAX232芯片的14腳（TXD）連接到計算機(jī)串口的RXD引腳，用于將單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS-232電平后發(fā)送給計算機(jī)；3腳（RXD）連接到計算機(jī)串口的TXD引腳，用于接收計算機(jī)發(fā)送的RS-232電平數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為TTL電平后發(fā)送給單片機(jī)。此外，還需要在MAX232芯片的電源引腳（16腳VCC接+5V電源，15腳GND接地）和電荷泵電容引腳（如1腳、2腳、3腳、4腳之間連接合適的電容，一般為0.1μF的陶瓷電容）進(jìn)行正確的連接，以確保芯片正常工作。通過MAX232芯片的電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與計算機(jī)之間串口通信的硬件連接。在計算機(jī)端，利用LabVIEW軟件提供的VISA（VirtualInstrumentSoftwareArchitecture）串口通信函數(shù)庫來實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的串口通信。VISA函數(shù)庫提供了豐富的函數(shù)和工具，用于配置串口參數(shù)、打開串口、讀取和寫入數(shù)據(jù)等操作。在LabVIEW中，首先使用“VISAConfigureSerialPort”函數(shù)來配置串口參數(shù)，如串口號、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗位等，這些參數(shù)必須與單片機(jī)端的設(shè)置一致。然后，使用“VISAWrite”函數(shù)將計算機(jī)中的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，使用“VISARead”函數(shù)從單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)。在讀取數(shù)據(jù)時，可設(shè)置合適的超時時間，以確保在規(guī)定時間內(nèi)讀取到數(shù)據(jù)，避免程序長時間等待。通過這些函數(shù)的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)與單片機(jī)之間穩(wěn)定、可靠的串口通信，使得單片機(jī)采集到的切削溫度數(shù)據(jù)能夠順利傳輸?shù)接嬎銠C(jī)進(jìn)行后續(xù)的分析、顯示和存儲。四、系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1軟件總體架構(gòu)設(shè)計基于LabVIEW平臺開發(fā)的切削溫度虛擬儀器軟件系統(tǒng)，整體架構(gòu)設(shè)計遵循模塊化、層次化的原則，旨在實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)采集、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析以及便捷的用戶交互。該軟件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)查詢分析模塊和正交試驗?zāi)K三大核心功能模塊組成，各模塊相互協(xié)作，共同完成對切削溫度的監(jiān)測、分析與研究任務(wù)。軟件總體架構(gòu)如圖4.1所示。[此處插入圖4.1軟件總體架構(gòu)圖]數(shù)據(jù)采集模塊是整個軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)與硬件設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對切削溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時采集。該模塊通過調(diào)用VISA串口程序，與單片機(jī)建立穩(wěn)定的通信連接。VISA串口程序是LabVIEW提供的用于串口通信的工具包，它封裝了底層的串口通信協(xié)議，提供了簡潔易用的函數(shù)接口，使得開發(fā)者能夠方便地進(jìn)行串口參數(shù)配置、數(shù)據(jù)讀取和寫入等操作。在數(shù)據(jù)采集過程中，數(shù)據(jù)采集模塊首先對串口進(jìn)行初始化，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位等通信參數(shù)，確保與單片機(jī)的通信正常。然后，按照設(shè)定的采樣頻率，定時從單片機(jī)讀取采樣數(shù)據(jù)。由于單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)是經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，需要進(jìn)行標(biāo)定處理，將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度值。數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)熱電偶的標(biāo)定曲線和冷端補(bǔ)償算法，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和修正，得到準(zhǔn)確的切削溫度值。最后，將處理后的溫度值實(shí)時顯示在前面板的溫度計、圖表等控件上，以便操作人員直觀地了解切削溫度的變化情況。為了保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和可靠性，數(shù)據(jù)采集模塊還設(shè)置了數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用于暫存采集到的數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)丟失。同時，采用多線程技術(shù)，將數(shù)據(jù)采集任務(wù)與其他任務(wù)分離，避免數(shù)據(jù)采集過程對其他模塊的運(yùn)行產(chǎn)生影響。數(shù)據(jù)查詢分析模塊主要負(fù)責(zé)對采集到的切削溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、查詢和分析。在數(shù)據(jù)存儲方面，該模塊利用LabSQL工具，建立切削溫度數(shù)據(jù)庫。LabSQL是LabVIEW與數(shù)據(jù)庫之間的橋梁，它提供了一系列函數(shù)和工具，使得LabVIEW能夠方便地與各種數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互。通過LabSQL，數(shù)據(jù)查詢分析模塊可以將切削試驗參數(shù)（如切削速度、進(jìn)給速度、切削深度等）和采集到的溫度數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長期存儲和規(guī)范化管理。在數(shù)據(jù)查詢功能上，用戶可以通過輸入查詢條件，如試驗時間、切削參數(shù)范圍等，從數(shù)據(jù)庫中檢索出符合條件的溫度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)查詢分析模塊還具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力，能夠?qū)蓚€相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。例如，通過比較不同切削速度下的切削溫度數(shù)據(jù)，分析切削速度對切削溫度的影響規(guī)律；或者比較同一切削參數(shù)下不同刀具材料的切削溫度，為刀具材料的選擇提供依據(jù)。在數(shù)據(jù)分析過程中，采用了多種數(shù)據(jù)分析算法，如統(tǒng)計分析、曲線擬合等，深入挖掘數(shù)據(jù)背后的信息，為切削工藝的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。正交試驗?zāi)K針對金屬切削試驗中常用的正交試驗方法進(jìn)行設(shè)計，旨在幫助用戶高效地研究切削溫度的影響因素。在進(jìn)行正交試驗時，用戶首先需要確定試驗因素及其水平。正交試驗?zāi)K根據(jù)用戶輸入的試驗因素和水平，自動生成正交試驗表。正交試驗表是一種科學(xué)的試驗設(shè)計工具，它能夠在保證試驗結(jié)果代表性的前提下，大大減少試驗次數(shù)，提高試驗效率。在試驗過程中，正交試驗?zāi)K會引導(dǎo)切削試驗的進(jìn)行，提示用戶每次正交試驗的參數(shù)設(shè)置。用戶按照提示進(jìn)行試驗操作，采集相應(yīng)的切削溫度數(shù)據(jù)。完成整個正交試驗后，正交試驗?zāi)K可以根據(jù)用戶輸入的某個因素，生成切削溫度與該因素的關(guān)系曲線。通過分析這些關(guān)系曲線，用戶可以直觀地了解在其他因素確定的條件下，該因素的變化對切削溫度的影響趨勢，從而為切削參數(shù)的優(yōu)化提供指導(dǎo)。為了方便用戶使用，正交試驗?zāi)K還提供了試驗結(jié)果的可視化展示功能，如將正交試驗表和關(guān)系曲線以圖表的形式顯示在前面板上，便于用戶查看和分析。4.2數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計4.2.1VISA串口通信程序設(shè)計在LabVIEW中，使用VISA串口函數(shù)實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信，需要按照以下步驟進(jìn)行：串口初始化：在數(shù)據(jù)采集模塊開始執(zhí)行時，首先調(diào)用“VISAConfigureSerialPort”函數(shù)對串口進(jìn)行初始化配置。該函數(shù)的輸入?yún)?shù)包括串口號、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗位等。在切削溫度虛擬儀器系統(tǒng)中，根據(jù)單片機(jī)端的串口配置，設(shè)置串口號為實(shí)際連接的串口（如COM1），波特率為9600bps（與單片機(jī)端設(shè)置一致），數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，校驗位為無校驗。通過正確配置這些參數(shù)，確保LabVIEW與單片機(jī)之間能夠建立穩(wěn)定的通信連接。數(shù)據(jù)讀?。菏褂谩癡ISARead”函數(shù)從串口讀取單片機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。該函數(shù)的輸入?yún)?shù)包括已配置好的串口資源引用和讀取數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。在讀取數(shù)據(jù)時，需要預(yù)先確定每次讀取的數(shù)據(jù)量。考慮到單片機(jī)每次發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)為1個字節(jié)（8位），可以設(shè)置讀取字節(jié)數(shù)為1?！癡ISARead”函數(shù)會返回讀取到的數(shù)據(jù)以及實(shí)際讀取的字節(jié)數(shù)。為了確保數(shù)據(jù)讀取的準(zhǔn)確性，在讀取數(shù)據(jù)后，需要對實(shí)際讀取的字節(jié)數(shù)進(jìn)行判斷。若實(shí)際讀取字節(jié)數(shù)與設(shè)置的讀取字節(jié)數(shù)不一致，可能表示數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)錯誤，需要進(jìn)行相應(yīng)的錯誤處理，如重新讀取數(shù)據(jù)或提示用戶檢查通信連接。數(shù)據(jù)解析：單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)是經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，需要進(jìn)行解析和處理，才能得到對應(yīng)的溫度值。首先，根據(jù)熱電偶的標(biāo)定曲線和冷端補(bǔ)償算法，將讀取到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為實(shí)際的溫度值。例如，通過查找預(yù)先存儲的熱電偶分度表，將數(shù)字量對應(yīng)的熱電勢轉(zhuǎn)換為溫度值。考慮到冷端溫度的影響，利用AD590溫度傳感器測量得到的冷端溫度值，對計算得到的溫度值進(jìn)行修正。在數(shù)據(jù)解析過程中，還需要考慮數(shù)據(jù)的單位轉(zhuǎn)換，將溫度值從原始的物理量單位（如mV）轉(zhuǎn)換為常用的溫度單位（如℃）。為了確保串口通信的穩(wěn)定性和可靠性，在程序設(shè)計中還需要添加一些錯誤處理和異常處理機(jī)制。在串口初始化過程中，如果配置失敗，需要彈出錯誤提示框，告知用戶可能的錯誤原因，如串口號錯誤、波特率不匹配等，并提供相應(yīng)的解決建議。在數(shù)據(jù)讀取過程中，若出現(xiàn)超時未讀取到數(shù)據(jù)的情況，需要重新嘗試讀取數(shù)據(jù)，并記錄超時次數(shù)。當(dāng)超時次數(shù)超過一定閾值時，判定通信出現(xiàn)故障，停止數(shù)據(jù)采集，并提示用戶檢查通信線路和設(shè)備連接。在數(shù)據(jù)解析過程中，若出現(xiàn)數(shù)據(jù)格式錯誤或超出合理范圍的情況，需要進(jìn)行相應(yīng)的錯誤處理，如丟棄錯誤數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù)或提示用戶重新采集數(shù)據(jù)。通過這些錯誤處理和異常處理機(jī)制，可以有效提高串口通信的穩(wěn)定性和可靠性，確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和完整性。4.2.2數(shù)據(jù)標(biāo)定與實(shí)時顯示數(shù)據(jù)標(biāo)定是將采集到的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際物理量（如溫度值）的關(guān)鍵過程，其準(zhǔn)確性直接影響到測量結(jié)果的可靠性。在本系統(tǒng)中，采用多項式擬合的方法對K型熱電偶進(jìn)行標(biāo)定。具體步驟如下：首先，在標(biāo)準(zhǔn)溫度源中對K型熱電偶進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗。將熱電偶的熱端分別置于一系列已知的標(biāo)準(zhǔn)溫度點(diǎn)（如0℃、100℃、200℃、300℃等），同時使用高精度溫度計作為參考，測量熱電偶在不同標(biāo)準(zhǔn)溫度下的熱電勢輸出。記錄下每個標(biāo)準(zhǔn)溫度點(diǎn)對應(yīng)的熱電勢值，形成一組標(biāo)定數(shù)據(jù)。然后，利用最小二乘法對這些標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式擬合。假設(shè)熱電偶的熱電勢E與溫度T之間的關(guān)系可以用n次多項式表示：T=a_0+a_1E+a_2E^2+\cdots+a_nE^n通過最小二乘法求解出多項式的系數(shù)a_0,a_1,a_2,\cdots,a_n。在實(shí)際計算中，可利用LabVIEW提供的曲線擬合函數(shù)，如“CurveFitting”函數(shù)，輸入標(biāo)定數(shù)據(jù)，選擇多項式擬合類型，并設(shè)置多項式的階數(shù)（根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的階數(shù)，一般3-5階能夠滿足精度要求），即可自動計算出擬合系數(shù)。得到擬合系數(shù)后，將其存儲在程序中。在數(shù)據(jù)采集過程中，當(dāng)讀取到熱電偶的熱電勢數(shù)據(jù)后，根據(jù)上述多項式公式，代入擬合系數(shù)，計算出對應(yīng)的溫度值。例如，若采集到的熱電勢