專利名稱：顯微硬度計用數(shù)據(jù)處理機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于一種顯微硬度計配套數(shù)據(jù)處理機，用于實現(xiàn)材料硬度測量。
顯微硬度計是一種測定各種材料硬度的材料試驗機，其是通過加有一定試驗力的金剛鉆壓頭，用特定方式在被測物表面壓出一個正方形或菱形的壓痕，然后測出壓痕的對角線長度，再用公式算出被測物的硬度。本實用新型具體就是利用顯微硬度計和微處理機配套來實現(xiàn)材料硬度測量并進行數(shù)據(jù)處理，顯示和打印輸出。
目前現(xiàn)有技術(shù)和顯微硬度計配套的用于材料硬度測量數(shù)據(jù)處理的有HXD－1000型數(shù)字顯微硬度計控制器，測長機構(gòu)選用光柵，測長信號的處理細分采用中小規(guī)模集成電路和分立器件，電路復(fù)雜，成本高。繼后來用4位微機，但其內(nèi)存容量小，接口電路復(fù)雜，功能少。西德菜茨公司83年產(chǎn)品RZD－DO控制箱采用復(fù)雜的硬件對光柵測長信號進行處理細分，測量數(shù)據(jù)須用撥盤進行修正，在執(zhí)行某些功能后須對光柵重新校對零位，沒有控制加試驗力的功能。
本實用新型的目的，針對現(xiàn)有技術(shù)缺點，設(shè)計一臺顯微硬度計用數(shù)據(jù)處理機，減少測長信號處理細分的中小規(guī)模集成電路和分立器件，配用專用接口對光柵測長信號進行程序細分，采用8位微機、專用接口、鍵盤，增加內(nèi)存容量，增加光柵零位記憶功能，增加控制試驗力的功能。
為此本實用新型采用Z80八位CPU作為中央處理器組成最基本系統(tǒng)，光柵測長信號的處理細分用程序配用由運算放大器、A／D轉(zhuǎn)換器、比較器及單穩(wěn)態(tài)組成的接口電路進行。采用專用鍵盤、接口，增加控制試驗力控制電路。
本實用新型實施例結(jié)合附圖加以說明。


圖1為光柵細分電路方框圖；圖2為顯微硬度計用數(shù)據(jù)處理機主機原理圖；圖3為光柵測長信號原理圖；圖4為光柵細分流程圖；圖5為鍵盤接口電路；圖6為顯示器接口電路；圖7為試驗力控制電路。
本實用新型如圖2所示，包括對光柵測長信號進行處理的接口電路7、中央處理器(Z80八位CPU)6，用來存放測試。顯示、運算和打印程序的EPROM存儲器4、用于隨機存放輸入數(shù)據(jù)、各種標志、運算的中間與結(jié)果數(shù)據(jù)的RAM存儲器3、計數(shù)器定時器接口芯片CTC8、譯碼器5、顯示和打印、鍵盤的PIO接口2、打印機9、鍵盤10和顯示器1。對于被測工件上打出的硬度壓痕的對角線長度用光柵進行測量，用程序配用接口電路對光柵測長信號進行細分，再對長度信號進行數(shù)據(jù)修正和運算最后通過LED顯示和打印機輸出。
鍵盤和顯示器用并行接口片子PIO與譯碼器組成，如圖5、圖6所示，鍵盤有28個鍵，其中11個數(shù)字鍵、1個復(fù)位鍵、16個功能鍵根據(jù)需要自行定義，8位LED發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。打印機采用LASERPP40描繪器與微機通道Centionics標準接口相連，微機中的硬件采用PIO的一個通道接成。
鍵盤接口硬件也很少，硬件中僅用了PIO的A通道，其中4根線輸出并通三－八譯碼器變成鍵盤矩陣的8根行線，另4根線作列輸入，從而組成了二進制的鍵盤接口電路。如圖6所示的顯示器接口電路，用PIOA口4根線經(jīng)BCD七段顯示譯碼器74LS248接到LED段驅(qū)動線上，B口8根線分別經(jīng)驅(qū)動器接LED位控制線上，由于74LS248只能譯出7段，對于LED的第8段——小數(shù)點這里單獨用一根A口輸出線經(jīng)三極管驅(qū)動。
現(xiàn)有技術(shù)中對光柵測長的光電信號采用硬件細分，也即采用中小規(guī)模集成電路或分立元件對測長信號進行處理細分，電路復(fù)雜，典型電路如圖1所示，相位差為90°的兩列光柵測長信號分別由差分放大器1、2放大之后得到Sinθ和Cosθ兩路信號，Sinθ一路又經(jīng)倒相器取得－Sinθ。Sinθ、Cosθ和－Sinθ由串聯(lián)電阻鏈移相得到彼此之間相位差為18°的10路信號，這10路信號由跟隨器隔離，施密特觸發(fā)器整形成方波，再把方波倒相得到反相的另外10路信號，這種采用硬件細分光柵測長信號，電路復(fù)雜。本實用新型就省去現(xiàn)有技術(shù)中這部分復(fù)雜電路，而是采用程序配用由運算放大器、A／D轉(zhuǎn)換器、比較器及單穩(wěn)態(tài)組成的專用接口電路來實現(xiàn)。
根據(jù)光柵測長原理，位移置的大小和方向這二個信號包含在由莫爾條紋移動而產(chǎn)生的兩相交變信號之中。信號呈余弦波，兩信號的相位相差90°，如圖3所示，分別為cosθ(U1)、sinθ(U2)，設(shè)在測量區(qū)間〔0，l〕內(nèi)有N條干涉條紋，由此而產(chǎn)生的測長光電信號可以分二步，首先計算在位移區(qū)間的光電信號變化的周期數(shù)N，即計數(shù)經(jīng)過了多少個正峰值。程序中將U2整形后的前后沿產(chǎn)生中斷請求信號，在中斷期間判別正負峰和移動方向，并對正峰計數(shù)。右移作加，左移作減，從而完成了周期計數(shù)。然后測出光柵移動起始點和終止點到相鄰峰點距離△L，這是由U2信號判別該點所在像限，從而計算出△Ls與△LE，則相應(yīng)長度Lx可根據(jù)下式算出來Lx＝NT－ΔLs＋ΔLE(1)式中T為光柵尺的柵距(本機配置的光柵尺是每毫米為50線，故T＝20微米)。
根據(jù)圖2，測得長度信號cosθ通過運算放大器進行電平轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后送入微處理器數(shù)據(jù)總線供讀出，將sinθ信號通過過零觸發(fā)器整形成方波，一面送至數(shù)據(jù)總線供微機判別極性，另一方面雙單穩(wěn)態(tài)電路在方波正負沿上微分形成一定寬度的正向脈沖作為中斷請求信號(見圖3)。
細分程序見光柵細分流程圖(圖4)。
進入光柵細分程序后第一次讀得的cosθ值U1作為起始點電壓，同時讀出sinθ極性為以后判別像限所用，接著設(shè)立起始點已讀標志，使以后讀出的U1信號作為終止電壓。計算起始點或終止點離相鄰峰點的長度ΔL，需要經(jīng)過cosθ信號的正負峰二次以上中斷后才能進入下面的運算程序，并通過子程序GRASU來運算的(見圖4)，子程序GRASU中的Uco為偏移電壓，Um為平均值，用此數(shù)據(jù)算出的角度精度高，改善了由于直流漂移而引起的誤差。
要求得長度Lx除了對位移區(qū)間內(nèi)的光電信號變化周期進行計數(shù)外，尚需算出ΔL。為消除由于光電信號直流電平波動的誤差，計算長度用下列公式θ＝cos－1( (U′1)/(Um) ) (2)ΔL＝Kθ(3)進行計算(見圖4子程序流程)式中U′1＝U1－Uco為起始點或終止點去除直流電平偏移后的讀出值。
Um＝ 1/2 (Up－Us)為平均值
Uco＝ 1/2 (Up＋Us)為偏移值K為常數(shù)K＝ (T)/(2π)T＝20微米為縮短程序執(zhí)行時間，避免冗長復(fù)雜的運算以達到加快測長速度和顯示結(jié)果連續(xù)的目的。
(1)采用搜索查表來代替cos－1( (U′1)/(Um) )和ΔL＝Kθ的運算。
首先算出 (U′1)/(Um) (cosθ)的比值，再根據(jù)每毫米50線的光柵(T＝20μ)得到分辨率為1μ的要求，即在一個像限(π2)內(nèi)分成6點。
列表如下N0(孤度) cosθ Kθ(μ)1 0102 π/100.951.03 π/5 0.802.04 3/10π 0.583.05 2/5π0.304.06π/2 05.0
所以只需要算出cosθ即 (U′1)/(Um) 的比值，再從表中查得相近的點，取出對應(yīng)的Kθ值即求得ΔL。
(2)將所有的算術(shù)運算(加、減、乘、除)中的數(shù)據(jù)在運算前根據(jù)精度要求限制到最少位數(shù)，在不需要考慮符號運算場合去掉符號判別而建立盡可短的運算子程序。圖4中ΔLs和ΔLE是根據(jù)始點或終止點所在像限再結(jié)合上表算出來的，在圖中還看到光柵移動方向用以下方法判斷當中斷時，如U1為正峰則立即讀出U2的極性(如為零則循環(huán)重讀)為正時則右移，負時則左移。
像限 Ⅰ Ⅱ Ⅲ ⅣU1正負 負正U2正(1) 正負(0) 負△LSK(π- θ) K(π+θ) K(2π-θ)Kθ(△L)△LE= 10-Kθ =10+Kθ = 20 - Kθ表中常數(shù)K＝T2πT＝20μ這兒采用的實際長度Lx運算公式(見式1)即取絕對值為結(jié)果，它有如下優(yōu)點a.當移動方向改變返回過零點后依然從零遞增計數(shù)，而不像硬件細分時以滿度開始遞減計數(shù)，這樣測量長度時不必限定移動方向。
b.像限的判別與移動方向無關(guān)，從而簡化了程序。
光柵細分程序中，對正峰的周期計數(shù)采用非屏蔽中斷方法執(zhí)行。因此，只要在開機進行光柵復(fù)零后，即使進入任何其他功能時，光柵發(fā)生移動，程序也能保持對光柵零位的記憶。
控制加試驗力的硬件控制器采用8D觸發(fā)器74LS273中的二組觸發(fā)器(見圖7)，它們一方面驅(qū)動紅色、綠色兩個LED發(fā)光二極管，其中綠色指示加試驗力，紅色指示試驗力保持。另一方面綠燈驅(qū)動信號經(jīng)倒相器控制試驗力加載馬達驅(qū)動器。
用扁平電纜和標準插件連接組件，按鍵和顯示器直接裝在印刷板上，這樣可減少連接線，這種工藝便利于流水線生產(chǎn)，提高可靠性。
本實用新型采用Z80八位CPU作為中央處理器組成最基本系統(tǒng)，光柵測長信號采用程序細分，配有專用接口、鍵盤，因此其功能多，具有一定通用性，可以用在各種類型硬度計中。
權(quán)利要求1.一種由光柵測長信號接口電路、中央處理器、EPROM存儲器、RAM存儲器、顯示器、鍵盤及接口電路組成的顯微硬度計用數(shù)據(jù)處理機，其特征在于a.由八位CPU作為中央處理器組成最基本系統(tǒng)；b.鍵盤和顯示器用并行接口片子PIO與譯碼器組成，鍵盤有28個鍵，16個功能鍵根據(jù)需要自行定義；c.打印機采用LASER-PP40描繪器與微機通道Centions標準接口相連；d、光柵測長信號的處理細分采用光柵細分程序配用由運算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、比較器及單穩(wěn)態(tài)組成的接口電路；e.由8D觸發(fā)器74LS273及紅、綠發(fā)光二極管組成加試驗力的控制電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顯微硬度計數(shù)據(jù)處理機，其特征在于采用扁平電纜和標準插件連接組件，按鍵和顯示器直接裝在印刷板上。
專利摘要本實用新型是一種和顯微硬度計配套用來實現(xiàn)材料硬度測量的數(shù)據(jù)處理機，它采用了Z80八位CPU作為中央處理器組成最基本系統(tǒng)，對光柵測長信號采用程序細分，提高分辨力，減少硬件，具有專用鍵盤，對細分后的測長信號進行一系列數(shù)據(jù)修正，最后通過LED顯示和打印機輸出。本實用新型具有一定的通用性，可以用在各種類型的硬度計中。
文檔編號G01N3/40GK2032320SQ8720119
公開日1989年2月8日 申請日期1987年3月31日 優(yōu)先權(quán)日1987年3月31日
發(fā)明者宣新年 申請人:上海第二光學(xué)儀器廠