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毕业论文----基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计.doc

毕业论文----基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计

Jerome运锋
2017-09-26 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《毕业论文----基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计doc》,可适用于高等教育领域

毕业论文基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计I基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计摘要本设计的目的是采用线性分类的方法设计一个恒力弹簧质量检测装置。线性分类技术是近代信息处理领域中极为重要的技术其原理就是根据平面或者空间中点的某些特征用一条直线或者一个平面将这些点分成不同种类进行相关运算以确定最优的那条直线或者平面。恒力弹簧由于自身特殊构造具有张力输出比较稳定的特点它的应用十分广泛主要用于各种平衡装置以及各种要求恒力输出的装置如升降平衡装置、电机碳刷弹簧等。因此恒力弹簧的质量检测是极其重要的。整个设计的方案主要从测量装置的非电量部件开始一直到数据传送到计算机控制下位机工作的同时也可以对传送来的数据进行精密的计算与分析。设计中的难点主要在于上位机软件方面不但要正确无误的接受和控制下位机采集数据而且要进行高精度处理线性分类在其中发挥了重大作用。本文中采用线性分类方法的优点是结构简单计算快速。关键词:恒力弹簧线性分类数据采集,人机交互IIDesignofConstantSpringQualityTestingEquipmentBasedonClassificationofLinearVectorSpaceABSTRACTLinearclassificationtechnologyisinthefieldofmoderninformationprocessing,thetechnologyisveryimportantLinearclassificationisaccordingtothepointsplaneorsomeofthecharacteristicsofspace,withastraightlineoraplanewillthesepointsintodifferentkinds,undertakerelatedcalculationtodeterminetheoptimalthestraightlineorplaneHenglispringbecauseofitsspecialstructure,hasthecharacteristicsoftensionoutputrelativelystable,itismainlyusedforvariousbalancedeviceandvariousrequirementshenglioutputdevices,suchasliftingbalancedevice,electricalcarbonbrushspringetcCansayisinproductioniswidespreadapplicationsinthefieldThereforeconstantforcespringqualitytestingisextremelyimportantThisdesignmainlyfrommeasuringdeviceshavebeenthenonelectricquantitycomponentstotransferdatatothecomputer,thenhumancomputerinteraction,cannotonlycontrolthenextplacemachinetoworkcanalsotransmitthedatatothecalculationandanalysisofprecisionThedifficultyofthisdesignliesmainlyinthePCsoftware,notonlyshouldcorrectundercontrolandacceptanceofamachinetocollectdata,andhighprecisionprocessingForhenglispringqualityinspectiontechnologyhasavarietyof,suchasimagematchingtechnology,linearclassificationtechnology,thisdesignmainapplicationlinearclassificationtechnologyLinearclassificationistouseastraightlinewillcoordinatewiththemeasureddataareseparated,themeasurementdataisdividedinsomeareasinthespace,thenaskthisgroupofdatafluctuatingrange,stability,etc,willultimatelymeasureddata,comparedwithstandarddataresultsKEYWORDS:constantspring,linearclassification,datacollection,humancomputerinteraction目录摘要IABSTRACTII绪论课题的意义国内外发展状况设计方法论述恒力弹簧装置的研究方案恒力弹簧测量装置的设计装置的电气系统计算机系统的组成基于矢量空间线性分类的数据处理分类器的概述线性判别函数和决策超平面计算机系统的设计下位机的数据格式电气标准数据的传输格式上位机软件设计数据的传输模块数据的存储模块显示模块数据处理模块数据的判断模块人机交互与系统测试应用程序界面介绍应用程序功能介绍应用程序的测试软件算法的实现恒力弹簧数据的测试结果总结致谢参考文献附录基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计绪论课题的意义随着科学技术的迅猛发展恒力弹簧的应用无孔不入小到家庭生活中的家电例如电暖气的时间设置弹簧吸尘器的拉线弹簧等。大到工业中的支撑设备例如恒力弹簧支吊架可以通过它来悬吊和支撑管道及设备此时当管道或设备产生位移时只要在预先选定的载荷位移内不管其位移变化有多大它们可以通过恒力弹簧支架而始终获得恒定的支撑力。从而就不会给管道或设备带来新的附加压力这样就可以避免造成重大的设备和安全事故。一般在有热位移较大的重要部位就应考虑设置恒力弹簧支吊架由于怛力弹簧支吊架的这一特点因此在普通热力发电厂、核电站、石油和化工等热动力装置中得到愈来愈广泛的应用。因此恒力弹簧的质量检测是一个应该得到重视的问题。本课题是一个具有高度实用价值的题目目的是为了结合学过的关于数据处理的知识和计算机软硬件知识设计一种利用矢量空间线性分类进行恒力弹簧张力特性测试装置。研究该课题的目的是利用计算机对采集并处理恒力弹簧的张力特性通过矢量空间分类器对弹簧的特性加以评价从而为企业的生产提供参考数据对提高产品质量提高生产效率改进生产工艺均有重要作用。这是一个来自于企业的生产环节的课题具有一定现实意义。通过这次毕业设计一方面可以巩固知识另一方面也使得本人亲身经历设计有利于打开眼界。完成这个题目本人理论水平和实验水平都将有一个长足的提高动手能力得到锻炼眼界得到扩展为本人今后的工作和学习积累宝贵的经验。国内外发展状况随着恒力弹簧应用的普及恒力弹簧的质量能否被认可的重要性及其对社会的影响也越来越大与此同时基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计问题等也越开越具有现实意义。近年来我国在工业方面对恒力弹簧的应用与日俱增尤其是支吊架恒力弹簧装置但是对于大型恒力弹簧的装置大部分都是从国外引进因为我国的质量检测方面和国外有一定的差距。恒力弹簧吊架在电站设备、锅炉及水暖系统等一些要求承受恒定的系统中起着消除变形产生恒力的作用。恒力弹簧支吊架的质量直接影响使用该产品的系统及设备的工作性能。故对恒力弹簧支吊架产品的测试就显得十分重要。随着工程数学领域不断的深入以及计算机技术的飞速发展对于恒力弹簧的测试装置不断的智能化自动化于此同时对于采集到数据的处理方法也不断改善基于矢量空间的线性分类法不是于一种有效、经济的处理方法它不像利用图像处理那样需要更多的设备和资源。本设计给基于陕西科技大学毕业论文(设计说明书)矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计一种设计方案实现了测试系统的数据采样、传输、以及处理。与别的测试装置相比本测试系统具有以下特点:()稳定、可靠()经济实用成本低特别适合国内中小型企业的恒力弹簧产品的测试()系统界面简单使用操作方便。基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计设计方法论述恒力弹簧装置的研究方案本文是在测试双态弹簧张力的基础上对张力特性进行分析用线性分类的方法计算出弹簧的拉伸最大长度、张力波动范围及方差所以在测试过程中应包含测量张力与拉伸长度、对数据转换和存储的控制、数据接收、处理和分析并得出结论根据这个过程设计方法总体框架如下图所示:传感器将非电量转换为电量数据采集下位机控制数据的转换与存储数据接收计算机数据的接收、处理与分析图测试方法流程图在本文的设计方法中我们首先通过传感器将张力和拉伸位移转换为电量用单片机对转换过程进行控制并对暂时存储转换的结果然后通过计算机将数据输入并开发一个接收软件和一个数据处理软件接收软件负责对单片机的控制和接收数据数据处理软件对接收到的数据进行处理、分析得到数据分析结论。恒力弹簧测量装置的设计由于合格的恒力弹簧在限定的范围内张力F恒定或者变化缓慢因此这一测试系统是通过外事拉力使得弹簧产生拉伸位移通过测量拉伸位移和拉力值得到一个二维曲线通过对这二维曲线的数据分析、处理判断产品是否合格并为下一步调整提供参陕西科技大学毕业论文(设计说明书)考建议。因此本系统的关键是测量两个量:其一是拉伸位移量其二是拉力量。装置的机械系统图恒力弹簧测试机械装置图如图所示该装置主要由支架、恒力弹簧、拉力传感器、直线位移传感器、扶手组成。开始测量时手握扶手向后用力时红色按钮可传递测量开始的信号拉力传感器将弹簧所受的力转换成模拟信号传到AD转换器中直线位移传感器将移动的距离转换成模拟信号传到AD转换器等待处理处理之后传递给下位机最后经下位机到达上位机进行分析、处理。()拉力传感器本设计中的双态弹簧属于微小力量型弹簧其最大承受拉力不超过N为了减小测量中的误差在此采用ZLBS型拉力传感器。ZLBS型拉力传感器采用了箔式应变片贴在合金钢弹性体上承受拉、压力均可具有测量精度高、稳定性能好、温度漂移小、输出对称性好、结构紧凑规格齐全。可用于微小力量的测量等。传感器电气特性参数如表所示。表拉力传感器电气特性量程、、、、、、kg综合精度FS灵敏度mVV蠕变,FSmin非线性FS滞后误差FS重复性误差FS零点温度系数零点温度系数输出温度系数FS输入阻抗Ω输出阻抗Ω绝缘电阻MΩ供桥电压VDC工作温度范围基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计允许过负荷FS防护等级IP()直线位移传感器待测双态弹簧的最大长度为mm为了减小误差增加测量精度本设计采用位移传感器LTSV该传感器的技术参数如表所示。表直线位移传感器电气特性LTSV系列`电行程(TE)mm可用电行程(AE)mm机械行程(MT)mm工作电压DCV输出信号DCV独立线性率解析度rInfinite无断建议电流mA<使用温度C到防护等级IPIP(标准)IP(选购)操作力N不大于N(IP),不大于N(IP)功率WWW震动GIEC:G冲击GIEC:G外壳尺寸Amm装置的电气系统整个系统控制的核心部分是采用有大存储容量、高精度、高运算速度与处理能力的数字计算机来实现的。对于数字计算机能够直接产生控制下位机锁存、传输数据。而位拉伸位移量和拉伸张力由传感器产生的均为模拟量。模拟量必须转换为数字量才能为计算机系统所接受。由于工作现场可能存在着强的电、磁干扰(如电弧焊、大功率的机床的启停等)因而本系统用模数转换方案减少传感器产生的模拟量在长距离传送过程中所受强电、磁干扰在传感器旁即完成放大AD转换形成数字量再将所得数字量送向计算机系统。所有这一切中间控制过程可以由一个小的单片机系统完成。本系统采用单片机作下位机对采集到的数据进行控制并将采集的数据发送到上位机。用PC机作上位机负责控制单片机对数据的锁存、发送并将发送来的数据分、陕西科技大学毕业论文(设计说明书)处理之后将结果显示在界面上。整个硬件描述系统图所示:拉力传感RS接口AD单片机器电路PC进行数据检测、处理直线位移RS接口AD单片机传感器电路图硬件系统图()拉力信号采集电路本电路采拉力传感器由于本设计中对压力变化的要求严格测量所以采用用ZLBS型拉力传感器见图。输入电压为V最大负载可选择为N满量程输出为mV为了防止压力传感器的反馈采用AD稳压芯片输入电压为V输出电压为V。由于ZLBS输入最大电压为mV而后面的AD转换芯片用ads其输入电压为~当压力传感器满量程时输出逻辑电平选择为V因此用放大器OP芯片构成增益为Avo的放大电路。UoVAov,,,UimVVCCVUADVREFVCCVINOUTUARTGNDOPAKoutZLBSkΩCCµFRµFkΩRkΩ图拉力信号采集电路()拉伸长度信号采集电路LTSV系列直线位移传感器拥有信号转换和放大的作用因此在本设计中无需对其放大直接将输出信号传递给AD转换电路。下位机控制系统由AD转换、单片机、RS接口组成。AD转换采用十六位精度基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计的ADS芯片他是多通道十六位主次比较式转换器分辨率为其与单片机接口十分简单。由于采集的数据较多所以对单片机进行外存扩展采用芯片。单片机采用Atmel公司的ATC,其结构由KBFlashRom、BRAM、个IO、个UART组成其中还包含个位定时器等。计算机串口为RS电平所以本设计中下位机与上位机之间采用RS电平通信采用MAX芯片。在PC机与单片机之间采用RS电平不仅可以增加数据的传输路径也可以达到和PC机串口相同的逻辑电平。下位机控制系统电路图见图。计算机系统的组成当AD转换完毕之后将数据传送给下位机下位机与计算机之间的通信过程为本小结所要讨论的内容。单片机与计算机通信时由于双方所用的电平不一样所以中间要采用RS转换电路于此同时双方采用的通信协议也是极为关键的。具体介绍请下一节。陕西科技大学毕业论文(设计说明书)图下位机控制系统电路图基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计基于矢量空间线性分类的数据处理分类器的概述分类器是一种使待分对象被划归某一类而使用的分类装置或数学模型。他的设计目标是在通过学习后可自动将数据分到已知类别。应用在搜索引擎以及各种检索程序中。同时也大量应于数据分析与预测领域。分类器也是一种机器学习程序因此归为人工智能的范畴中。人工智能的多个领域包括数据挖掘专家系统模式识别都用到此类程序。对于分类器其实质为数学模型。针对模型的不同目前有多种分支包括:Bayes网络分类器决策树算法支持向量机算法等。我们知道在一定条件下基于后验概率或类条件概率密度的分类器可转化为线性分类器。这就是说线性分类器是基于Bayes决策理论设计的分类器的一个特例。贝叶斯分类器的分类原理是通过某对象的先验概率利用贝叶斯公式计算出其后验概率即该对象属于某一类的概率选择具有最大后验概率的类作为该对象所属的类。线性分类器的特点是结构简单计算工作量小。一个线性分类器的设计主要是它的线性判别函数和决策超平面。线性判别函数和决策超平面m我们先考虑一个两类问题及其线性判别函数。设特征空间维数为m即x,R超平面决策方程可写为:T()π:lx,wxw,T这里w=(w,w,?,w)为权值向量w为阈值。如果x、x两个点均在超平面,上则m有TT()wxw,wxw,或T()wx,x,显然w与xx垂直。有时人们称w为超平面,的法矢量。将()展开得π:lx,wxwxwxwmmm(),wx,,iii,平面,在坐标轴x上的截距为iwθ(),,iwi陕西科技大学毕业论文(设计说明书)xwTπl(x)>的区域ww,x)x=(x<wdd(x,π)w>w>πl(x)<的区域wwxπl(x)=xwxww=图线性分类器决策超平面示意图xπl(x)<的区域Tww,x)x=(x>wdd(x,π)w<w<πl(x)>的区域wwxwπl(x)=xwxww=图线性分类器决策超平面示意图图、给出了线性分类器决策超平面示意图。图、指出一个决策平面将输入空间分成了两个区域但到底哪个决策区域为分类器实际输出大于的区域取决于权值与阈值的正负号。例如,:l(x)=wxwx?wxw=与,:l(x)=wxwxmm?wxw=所决定的平面完全相同但它们的决策区域却完全相反。因此在判断决mm策区域时必须考虑法矢量的方向。根据该图坐标原点到决策平面,的欧氏距离为wwd,,()wwwwmT特征空间任意一点x=(x,x,?,x)到决策平面,的Euclid距离为mwxwxwxwxwlxiimmdx,π,,()wwwwm更一般地我们有lx,,wdx,π()称之为点x到平面的代数(有向)距离即所谓线性判别函数的值它是欧式距w离的倍。思考一下如何使有向距离l(x)变大。另外两点x、x在特征(输入)空间的距离为,=,xx,但ikikllww,,x,x,wx,wxikik(),wx,x,w,x,xcos,,w,,cos,ikik基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计是原来距离的倍。这里,为xx与w之间的夹角。事实上()表示的就是wcos,ik两点之差xx在权值向量或决策平面法矢量方向上的投影与阈值w无关如图ik所示。wxww=|xx|ikxixkdwwxπl(x)=xwxww=图两点x、x经w变换过程示意图ik由于式()表示w与x呈线性关系人们常称一个单输出线性分类器就是执行一个线性变换。推广以一下两点xx若经过两个线性变换l(x)和l(x)即线性分类、ik器的输出为相互之间的位置将发生变化如图所示。(x)xlπ(x)liwwxxikd(x)lkπll(x)l(x)(x)kix图两点xx经过次线性变换示意图、ik可以证明多次线性变换等价于一次线性变换。我们称,:l(x)=为决策超平面。若分类对象只有两类,、,决策规则为x,ω如果lx,,,x,ω如果lx,(),,不定如果lx,,若分类对象有多类决策函数形式上仍为Tπ:lx,wxw,j,,,,n()jjjj陕西科技大学毕业论文(设计说明书)但决策过程中会出现图所示的几种情况。类别数越多情况越复杂。因此线性分类器只对处理不同类别的样本分布在特殊区域的情况才是有效的。例如各个类别均位于超维立方体的顶端。ππωπωω图线性分类器对多类问题形成的决策区域基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计计算机系统的设计本系统采用集散型控制系统:它有一台PC机作为上位机两个C单片机系统作为下位机作现场测量与控制。下位机的数据格式上位机用一个具有快速、高处理能力、大存储容量的PC机作为上位机对数据进行集中处理、分析。也可产生对过程的控制信号传递给下位机使其对数据的锁存、发送。根据位置的分散性本系统采用两个C单片机系统作为下位机:其中一个作为拉伸位移数据的检测与传送另一个作为拉伸力的测量与传送。上、下位机的通讯采用计算机间通讯常用的RSC通讯协议(格式如图)这是一种起止式异步通讯标准:校起停验始至位数据位止位位位图起止式异步传输格式电气标准RSC中规定:逻辑“”的电平为~V逻辑“”的电平为~V将这种电平信号直接传送的最大距离为m与调制解调器相结合可以实现数据的远距离传送在小系统中可以采用三线制总线传送:发送数据线、接受数据线和一个信号地线。数据的传输格式本系统中上、下机间的实际距离小于m采用信号直接传送传送格式为:位起始位位数据位无校验位位停止位波特率默认位bps。由于RSC通讯协议中自身不包含地址信息在本系统设计中采用将对下位机编址即利用一个字节作为上位机对下位机的控制命令。格式如表。表数据格式DDDDDDDD其中各位的意义为:DD下位机发送拉伸位移数据下位机发送拉力数据陕西科技大学毕业论文(设计说明书)锁存当前采样数据上位机软件设计上位机完成对两个下位机采集的拉力和拉伸长度量集中处理绘制出拉伸位移张力的二维曲线并对数据计算得到“最大拉伸长度”、“张力波动区间”和张力波动方差三个值经过与国家标准给出的相应参数进行比较判断是否合格若合格则输出“是”若不合格则输出“否”。上位机的软件由C语言基于MFC在Visualstudio平台编写主要分为以下几个模块:数据的传输、数据的存储、显示模块、数据的分析处理、数据的判断。数据的传输模块该部分负责对下位机的控制与数据的接收。发送控制控制下位机对数据的锁存、发送下位机数据到来时对其进行接收。在实际应用中常常要遇到PC机与单片机系统通信的问题。由于PC机和单片机都具有串口因此经常使用串口完成二者之间的数据交换。这就需要在PC端设计相应的串口通信程序。本设计中主要在Windows环境下编写产口通信程序的。在Windows环境下串口是系统资源的一部分。应用程序要使用串口进行通信必须使用之前向操作系统提出资源申请要求(打开串口)通信完成后必须释放资源(关闭串口)。在Windows的系统函数中均包含了支持通信中断的功能。对串口通信而言Windows为相应的串口设备开放了用户定义的输入输出缓冲区应用程序只能对输入输出缓冲区进行操作数据进出串口的操作均由后台完成。已接收为例系统每接受到一个字符就产生一个低级的硬件中断系统的串口驱动程序将接受到的字符送入输入缓冲区此时应用程序就可以通过访问输入缓冲区得到接受到的字符信息。Windows为用户提供了串行通信的种方法:()使用串口通信空间。针对串口通信微软公司专门提供了MSComm或SPComm等通信控件使用该控件进行串口通信设计是十分方便的程序员不必花时间去了解复杂的API函数。通过简单的修改控件的属性和使用控件提供的方法就可以实现对串口的配置、完成串口接收和发送数据。()使用Windows的API应用程序接口。Windows中串口是以文件的形式被打开和访问的。串口和串口通信驱动需要使用设备控制块进行配置。应用程序使用API函数CreateFile打开串口ReadFile读串口CreateEvent建立事件对象和CloseHandle关闭串口。()使用动态链接库DLL。自己编写端口驱动程序或使用第三方提供的DLL例程。动态链接库是一些过程或者函数的集合。这些过程或函数在程序运行期间动态地链基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计接到应用程序而不是在编译期间静态的连接到可执行文件。由于使用串口控件进行串口开发极为方便本设计中采用MSCommocx控件开发。MSComm是Microsoft公司提供的简化Windows下串行通信编程的ActiveX控件它为应用程序提供了通过串行接口收发数据的简单方法。在串口编程中使用MSComm控件非常方便仅需要通过简单的修改控件的属性和使用控件提供的方法就可以实现对串口的配置完成串口接收和发送数据的任务。MSComm控件有许多属性其中一些重要的属性如下:CommPort设置串口号Short类型。当其设置为时表示选择COM串口设置为时表示COM串口。Settings设置串口通信参数CString类型。其格式为“B,P,D,S”B表示波特率P表示奇偶校验D表示字节有效位S表示停止位。PortOpen设置或返回通信口得状态Bool类型。当设置为TRUE时表示打开串口当设置为FALSE时表示关闭串口。InputMode设置从缓冲区读取数据的格式Long类型。该属性的设置使程序能方便地选择从缓冲区读取数据的格式。当设置为时表示选择字符串格式当设置为时表示选择二进制格式。此属性对于单片机同喜尤为重要。Input从接受缓冲区读取数据Variant类型。Output向发送缓冲区写入数据Variant类型。InBufferSize接收缓冲区中的大小Short类型。InBufferCount接收缓冲区字节数Short类型。该属性用于查询方式接收。OutBufferSize发送缓冲区中的大小Short类型。OutBufferCount发送缓冲区字节数Short类型。该属性用于查询方式发送。InputLen设置或返回Input每次读出的字节数Short类型。CommEvent串口事件Short类型。数据的存储模块由于数据采集中数据量相当大所以本设计将从下位机得到的数据可以存储在文本中这样不但可以方便打印、数据提取当需要是也可以对其进行分析、处理。显示模块这部分用MFC基于可视化软件开发主要开发一个显示窗口用来显示一个二维坐标拉力为Y坐标轴拉伸位移为X坐标轴将接受到的数据以点的形式显示在相应的坐标区域内并绘制两条直线将次区域区分开。可以通过点的分布情况分析恒力弹陕西科技大学毕业论文(设计说明书)簧在某个范围内是否合格。该窗口还显示出实际计算的参数和输入标准参数:最大拉伸长度、张力波动区间、张力波动方差。最后一个操作按钮实现计算出的实际参数和标准参数的对比得出该弹簧是否合格。数据处理模块此模块主要用来分析、计算显示模块中需要显示的参数。通过逐次检索、比较接收到的拉伸位移得出最大的数值该数值即弹簧的最大拉伸长度。通过比较接受到的拉力数据得出最大值和最小值最大值和最小值区域极为张力的波动区间。最后计算接受到的拉力值的方差。将这些值保存在相应的变量中以便显示和标准参数的对比之后得出弹簧的特性以及对弹簧的标准参数进行适当的修改使不合格的弹簧在修改后的标准中可在此利用。数据的判断模块该模块中先输入标准参数然后根据实际计算出的参数进行分析、判断从而的出弹簧是否合格。基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计人机交互与系统测试为了更好的实现通过计算机控制数据的接收和处理本设计专门开发了一个可执行应用程序Shows。在Shows中可实现上文提到过的显示模块、数据处理模块、判断模块、数据的传输模块、数据的存储模块其软件流程图如图所示。开始点击数据请求按钮对数据进行处理计算出相关参数同时在二维坐标中绘制出数向下位机发送数据请据的分布图求指令点击数据判断按钮接收数据将接收的数据存储在缓存中对所得的参数进行分析判断是否合格点击数据处理按钮显示最终结果图上位机软件流程图应用程序界面介绍由于该应用程序大部分功能为接受数据的坐标图形显示和经过后台处理后对数据的显示因此以Shows命名的。它的工作是向下位机请求数据然后将下位机发送来的数据以曲线形式绘制在二维坐标上与此同时计算出改组数据的相关实测参数当输入一组参考指标之后即可以判断该组数据是否合格。Shows应用程序的主界面见图。陕西科技大学毕业论文(设计说明书)图应用程序界面应用程序功能介绍为了使用户更方便也更熟悉的掌握该软件所拥有的功能以及对其的应用在此将Shows应用程序界面分解成A、B、C三个部分以便于接下来对每个部分做出最详细的解释。Shows界面分解见图。()A部分。这部分属于管理员操作的在工业机器的操作中一般生产线工人很少涉及到的操作就交给管理员操作由于这些操作不当可能会对设备产生严重的后果。这部分有需要管理员输入正确的口令和密码后可以登陆到内部的管理员操作界面。管理员操作界面见图。管理员操作界面包括六个操作项张力端口号和位移端口号分别表示接受张力数据和接受拉伸位移数据所需要的端口号默认情况下张力端口为COM位移端口为COM如果需要别的端口号点击下拉列表进行选择每个端口可供选择的范围为COM^COM。两个端口用的波特率、校验位、数据位、停止位因此这四项设置每项都是被两个端口共享的。波特率默认位bps如果需要可点击下拉列表进行选择下拉列表中列出了常用的波特率参数。校验位默认位N(无校验位)如果需要校验位可点击下拉列表进行选择下拉列表中列出了E(偶)、O(奇)校验位。数据位默认位为可以在下拉列表中选择、、、位。停止位默认为一位可在下拉列表选择、位设置停止位参数。设置完毕各基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计个选项之后(注意:在设置端口号时确定该软件运行的硬件平台有设置的端口号两个端口号不能重复否则会出错)按“确定”按钮即可完成设置该对话框即退出。图界面分解图图管理员操作界面()B部分。该部分包含一个二维坐标和一个弹簧模拟图形。当按C部分中的“数据请求”按钮时程序通过两个串口向下位机发送数据请求指令下位机接受到该指令后会立刻将自己锁存的数据传输给计算机计算机又通过发送指令的那两个串口接陕西科技大学毕业论文(设计说明书)收发送来的数据一边接受数据一边通过该部分下方的弹簧模拟图模拟弹簧拉伸状态实现外观上的实时性可以使用户方便的知道数据接收的时刻状态。当数据接收完毕时模拟弹簧拉伸到最大长度这是点击C部分的“数据处理”按钮该部分的坐标图上会绘制出数据对应的二维曲线图该坐标的Y坐标轴表示张力显示范围为^NX坐标轴表示位移,显示范围为^mm。()C部分。这部分较复杂包含的内容也较多。“数据请求”按钮主要向下位机发送指令实现对下位机的控制。“数据处理”按钮将接收到的数据进行曲线绘制、处理并将处理结果作为实测参数在“实测参数”部分显示出来以供参考和分析。“实测参数”部分包含最大拉伸长度、张力波动方差、张力波动区间。最大拉伸长度在程序中通过比较的方法找出拉伸长度中最大数据来实现的。张力波动方差是先求出张力数据的平均值然后求出方差值此过程虽然简单但计算次数繁琐尤其是数据的转换编写这部分的算法时花了翻小功夫。张力波动区间在程序的实现中通过比较找出张力的最大值和最小值。“参考指标”和“实测参数”中的内容一样不同的是这部分的参数由用户自己填写写入的内容都是经过严格检测做出的参考量。“判断数据”可以将用户输入的参考指标和实测参数进行比较得出该组数据是否合格。该程序应用方便界面干净整洁使用时无需安装只需点击可执行文件图标即可直接运行。应用程序的测试由于作者电脑没有集成硬件串口所以在做该测试中使用虚拟串口软件VSPDXP进行测试。为了测试作者专门开发了一款测试软件命名SerialComm。SerialComm程序专门实现下位机的功能当它通过串口接收到下位机的数据发送指令时便可以将输入在发送窗口的数据自动发送出去测试过程当中将SerialComm打开两次一个使用COM另一个使用COM作为通信端口(注意:先将第一次打开的串口关闭再进行第二次打开否则由于两次打开使用默认的同一个串口会出现错误提示)这是因为Shows程序打开时默认串口为COM和COM。如图、所示打开COM端口和COM端口COM端口发送张力数据COM端口发送拉伸位移数据。当按Shows中“数据请求”按钮时SerialComm中数据接收窗口会出现Shows向它发送的指令“”、“”分别表示张力数据请求和拉伸位移数据请求当“”、“”指令被接收之后便发送发送数据窗口中的数据发送完之后会在收到一个指令“”它表示对数据锁存。为了增加数据的精度下位机采用的是十六位精度的AD转换因此本系统传输中传输两位字节来表示一个数据又因为数据对小数的要求较高该传输时在下位机增加倍数据到达上位机是在减小倍这样做的是为了提高数据传输的精度。因基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计此在SerialComm程序的发送数据窗口看到的就是增加了倍的四位十六进制数高字节表示低位低字节表示高位。测试方法如下:附录中的数据为本次试验测试数据将这些数据先增大倍然后转换成两个字节的十六进制数此时的数据相当于下位机传输来的数据用SerialComm将这些数据从串口发出并由Shows应用程序从串口接受之后进行相关的处理、显示、分析等操作见图图。图发送拉力数据的测试程序陕西科技大学毕业论文(设计说明书)图发送拉力位移数据的测试程序图接收数据窗口基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计图绘制图形窗口软件算法的实现在该程序中主要测量三个参数:最大拉伸长度、张力波动方差和张力波动区间。其中张力波动方差的判断中只求出其方差然后和所给出的标准方差进行比较即可得出结果。而最大拉伸长度和张力波动区间这两个参数应用了线性分类器进行处理的。()张力波动方差的求解设x,x,,xn为计算机接收到的n个张力数据其平均值为xxxnA,()n方差为d,A,xA,xA,x()n在进行数据判断的过程中如果计算出的方差d小于或等于给出的标准方差d标准则符合要求否则不符合。()线性分类器算法的实现线性分类器的原理在前面已经讲过不再赘述。这里主要讲述怎样运用线性分类器处理数据的。在线性分类器中可以处理多维空间和多类问题本文主要针对二维和两类陕西科技大学毕业论文(设计说明书)数据处理的。算法流程图见图简化并求解将标准样本带入根据样本所确定分类函分类函数分类函数求解在区域判断数l(x)=(xl(x)的值确定所测量数据l(x)=(x为为二维向量)属于哪个区域是否合格二维向量)图算法流程图公式已经在第三节讲述过这里为了更好的理解回过头来再看一次。T()π:lx,wxw,前面讨论的是特征空间维数为m由于本文中主要研究由拉伸长度和张力组成的二T维平面点所以在此讲解的特征空间维数为这里权值向量w=(w,w)将()展开得()π:lx,wxwxw在此,为一条分类线由于w和w决定了线的方向w决定了线的位置因此当一条分类线确定时w,w的比例是不变的所以将w作为一个常量时不会影响分类线的解。只是最终求解出的w会有所变化但这不影响我们所研究的问题。令w=式即变成下式()xww,x式为二元一次方程我们这样做的目的就是要简化并求解分类线。在计算机中求解二元一次方程不能用我们经常用的消元法求解方法这里使用万能公式。axby,c,设二元一次方程组为则有,dxey,f,ce,bf()x,ae,bdcd,af()y,bd,ae如图l(x)、l(x)分别为两个分类线将二维平面分为C、C、C三个区域其中C区是接收到弹簧的数据集合每个点由拉伸长度和张力组成。现在需要求出l(x)、l(x)使其数据集合刚好包含在两条分类线的中间。设点A(x,x)、B(x,x)是C区的两个点,则可构成方程组aabb,xwwx,aa根据公式()、()可求的,,xwwxbb,x,xabw,()x,xabxx,xxababw,()x,xba基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计将式w,w带入式()求出即求出分类线l(x)=。在前面我们已将说明过决策规划我们称,:l(x)=为决策超平面。若分类对象只有两类,、,决策规则为x,ω如果lx,,,x,ω如果lx,,,不定如果lx,,如果将弹簧数据集合的所有点带入l(x)都满足l(x)的话则说明该l(x)为最终,我们要找的分类线如果不满足则将弹簧数据集合的另外两点带入求出l(x)=,并判断所有点带入是否满足l(x)就这样一直找到满足要求的l(x)=。,对于求解l(x)=跟求解l(x)=几乎一样唯一不同的是将所有弹簧的数据结合点带入求解出的l(x)之后l(x)。,求解出连个分类线之后我们来进行判断Cl(x)=Cl(x)=C图线性分类图测量弹簧的数据:拉力和位移刚好在二维平面内组成一系列点这里用两个线性函l(x),l(x)进行两类分类处理如图所示。l(x)将C和C两个区域的数据分开g(x)将C和C两个区域的数据分开C区域的数据为弹簧合格的数据点C区域和C区域的方形点是标准给出的参数其中C区域的点为(最小拉伸长度最小张力)设为点DC区域的方形点为(最大拉伸长度最大张力)设为点E。将点D带入分类线l(x)时如果l(x)则合格否则不合格。将点E带入分类线l(x)时如果l(x),,则合格否则不合格。如果以上两个条件都合格并且张力标准波动方差,实测波动方差那么可以判定该弹簧是合格的如果有一个条件不符合那么该弹簧不合格。陕西科技大学毕业论文(设计说明书)恒力弹簧数据的测试结果利用上述方法对实验所得组数据(见附录I)进行处理分析可得到每组数据所对应弹簧的实测参数。如表所示:表实验数据对应弹簧的实测参数组别最大拉张力波张力波动区间(N)动伸长度最大值最小值方mm差基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计总结本文设计了一种基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置其主要研究成果及结论如下:()论述了恒力弹簧检测装置的设计意义在国内外的研究以及应用现状还有今后的发展趋势。()系统的论述了数据采集和串行通信系统以及一些数据处理的方法。()设计完成了弹簧拉力和位移的非电量转换成电量并通过下位机传送给PC机以及在PC机上进行处理实现人机交互用线性分类的方法进行数据处理最后根据所得的结果进行弹簧的评价以及参数的合理定义。虽然对课题进行了很多研究做了很多工作但还是存在一些问题需要进一步的研究。在测量过程中能否进一步增加测量的精确度减小测量误差。怎样将整个系统连入Internet进行远程控制。还有就是怎么实现机械系统方面的自动化不用人为的去拉弹簧用户只需坐在计算机前操作即可实现弹簧的一系列测试除此之外在编程过程中应用的MSComm控件没有直接用API那么灵活无论是在时间还是控件复杂度来说直接用API编程效果最好使用API也使软件的移植性较好。这些都是需要在今后的学习和生活中努力改进的地方。陕西科技大学毕业论文(设计说明书)致谢本学位论文是在导师蔡陈赟的悉心指导和关怀下完成的。从论文的选题、实验设计、结果讨论到论文的撰写及最后的定稿无不倾注了蔡陈赟老师的心血。是他的热情教诲和帮助激励着我完成了本文的研究工作。蔡老师在教学和科研工作中表现出的高尚的思想情操、对事业的执着追求、严谨的治学态度、敏锐的洞察力和对问题的独到见解与看法都给本人以莫大的鼓励。他在学习、工作和生活等方面给予的像慈父般的耐心培养和深切关怀不胜枚举时时令我为之感动。值此学位论文完成之际谨向敬爱的恩师表示由衷的感谢致以崇高的敬意。同时向在大学四年学习期间在学习和生活上给予我许多帮助的领导、各位老师及级的全体同学表示感谢。感谢各位老师的辛勤工作也祝愿级的全体同学都拥有精彩的未来。感谢我的家人是他们的支持和鼓励使我得以集中精力完成了论文。最后感谢担任我的论文评审工作的各位专家、教授谢谢您提出的宝贵意见和建议使我的论文工作更加完善。基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计参考文献梅丽凤王艳秋汪毓铎任国臣单片机原理及接口技术(第三版)M清华大学出版社李朝青刘艳玲沈怡麟单片机与PC机网络通信技术M北京航空航天大学出版社黄贤英,刘恒洋C面向对象与VisualC程序设计案例教程M北京:北京大学出版社黄维通,VisualC面向对象与可视化程序设计(第二版)M清华大学出版社北京大学数学系几何与代数教研室前代数小组高等代数(第三版)M北京:高等教育出版社赵树嫄线性代数(第三版)北京:中国人民大学出版社同济大学应用数学系编《工程数学线性代数》(第四版)M高等教育出版社徐勇,杨强,杨静宇基于核的快速特征抽取及识别方法J解放军理工大学学报(自然科学版),徐勇,张重阳,杨静宇基于多目标优化问题模型的鉴别分析方法J南京理工大学学报(自然科学版),王新,沈峥Boosting及其在数据挖掘中的应用J云南民族大学学报(自然科学版),陈绵书,陈贺新,刘伟一种新的求解无相关鉴别矢量集方法J计算机学报,王文胜,陈伏兵,杨静宇一种基于奇异值分解的特征抽取方法J电子与信息学报,刘金铎介绍一种简单的符号特征抽取方法J计算机研究与发展,陈元琰等VisualC编程使用技术与案例M北京:清华大学出版社胡哲源掌握VisualCMFC程序设计与剖析M北京:清华大学出版社边肇祺,张学工等模式识别M第二版,清华大学出版社,陕西科技大学毕业论文(设计说明书)附录弹簧张力测试数据第一组:延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)弹簧张力测试数据第二组:延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计弹簧张力测试数据第三组:延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)弹簧张力测试数据第四组:延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)陕西科技大学毕业论文(设计说明书)弹簧张力测试数据第五组:延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)弹簧张力测试数据第六组:延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计弹簧张力测试数据第七组:延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)弹簧张力测试数据第八组:延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)陕西科技大学毕业论文(设计说明书)弹簧张力测试数据第九组:延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)弹簧张力测试数据第十组:延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)延伸长度(mm)拉伸张力(N)基于矢量空间线性分类的恒力弹簧质量检测装置设计

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