摆锤式非金属材料冲击试验机控制器设计

时间:2017-7-5 9:18:00 来源:本网 添加人:admin

  (北方工业大学机电工程学院,北京100144)角度,通过硬件电路对编码器输出4倍频,以提高检测精度;使用单片机的计数器对光电编码器脉冲计数进行角度测量。实现了控制自动落锤,自动计算试件吸收能量和试件强度,试验数据的存储、查询等功能,试验数据掉电不丢失;试验结果由数码管显示,并可通过打印机打印输出或上传至上位机。

  0前言材料是用来制造器件、构件和其它可供使用物质的总称,是人类生产生活必须的物质基础。强度是材料的基本力学性质之一,是结构材料最为重要的性能指标。强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力,是材料破坏时所吸收的能量和其有效截面积的比值。材料承受不同的外力便有不同的强度,如抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。

  材料对于冲击荷载的抵抗能力称为抗冲击强度或冲击强度。根据冲击荷载的方向不同,分为冲击抗拉、冲击抗压和冲击抗弯三类。材料的冲击强度使用冲击试验机测量。本文所论述的冲击试验机为抗弯冲击试验机。

  1摆锤式冲击试验机的工作原理摆锤式冲击试验机主要由基座、机身、摆锤、夹具和显示操作面板组成0.其机械结构如所示。

  摆动轴摆锤S冲击刀刃夹具(a)侧视图(b)正视图摆锤式冲击试验机的机械结构示意图摆锤式冲击试验机利用摆锤的圆周运动将重力势能转化为动能,并在摆锤运动到最低点时将试件冲断。根据能量守恒原理,摆锤在冲断试件前后所具有的能量的差值即为试件所吸收的能量(不计摩擦损失)。如能测量此差值即可得知试件吸收的能量,并进而计算出试件的强度H. 2摆锤式冲击试验机控制器硬件设计根据摆锤式冲击试验机的基本功能要求,该试验机的控制器主要由主控CPU、角度检测模块、键控显示模块、信息指示模块、通信及打印模块、存储器扩展模块和电源模块共7个部分组成。系统结构图如所示。

  主控CPU为MCS-51兼容单片机,负责计算角度、检测摆锤最高点、计算试件的吸收能量和试件强度、显示控制、打印控制、通信控制、存储和读取数据等操作H.选用华邦(winbond)公司生产的W78E54C型单片机。该款单片机采用MCS-51架构,完全兼容51指令集,其40管脚DIP封装与8051管脚完全兼容0.角度检测模块由光电编码器、555定时器、D基金项目:北京市教委科技发展计划面上项目(KM200610009005)触发器和逻辑门电路组成,负责将摆锤的摆动信息转换为脉冲序列送入单片机的计数器。角度检测的设计思路是应用单片机的计数器功能,通过计数器对编码器输出的脉冲信号进行计数,读取计数器的值计算摆锤的摆动角度,从而实现对角度的检测。

  键控显示模块由八段数码管、按键和键盘显示管理芯片组成,负责按键检测和显示数据。由于按键个数和数码管个数都较多,所以不适合直接用单片机控制,应使用专用的按键显示控制芯片,以简化电路和程序。本系统使用CH451数码管驱动和键盘控制专用芯片。CH451采用+5V供电,可以直接驱动8位共阴数码管,具有闪烁控制、字数据左移、字数据右移功能;支持8x8按键扫描,内置按键消抖功能,按键中断时低电平为有效输出;4线高速串行输出方便与单片机接口。

  信息指示模块由发光二极管和隔离芯片组成,负责指示电源和数码管显示数据的单位,所有指示灯均采用发光二极管。每个数据单位指示灯由一个单片机引脚控制。为减小单片机负载并将单片机和输出电路隔离,所有数据单位指示灯均采用集电极开路的与门驱动。

  通信及打印模块采用RS~232串行口,负责与上位机通信或向打印机发送打印数据。通过该接口,控制器接收上位机发送的命令和数据,并执行相应的操作。也可以通过该接口向打印机发送打印数据。上位机通信是在试验机出厂时向EEP-ROM中写数据时使用,而打印功能是在用户试验时使用,所以打印机和上位机通信可以共用一个串行口。

  存储器模块为非易失性可读写存储器,负责存储试验机参数和试验数据。华邦W78E54C单片机内部没有在线可读写非易失性存储器,所以需要进行外部扩展,存储器芯片选用两片Atmel公司的EEPROM芯片AT24C16,它具有2KB的存储容量,标准I2C总线接口,可擦写100万次,满足使用要求。

  电源模块由变压、整流和滤波等基本电路组成,负责整个控制器的供电。为方便用户,使用市电供电。系统采用耀华德昌公司生产的PE41174型变压器,电路板焊接式真空环氧灌装,单端7.5V输出,输出功率5VA.使用整流桥将交流7. 5V整流后送7805稳压芯片,经稳压后+ 5V输出。为消除电源干扰,在电源正负极之间接去耦电容,并在每个芯片的电源和地之间并接0.1uF的去耦电容。

  3摆锤式冲击试验机控制器软件设计3.1开发语言及开发环境本控制器功能较多,程序结构复杂,不适宜用汇编语言开发。且控制器对实时性要求不高,所以全部代码均使用C语言书写。相对于汇编语言,C51可靠性高,可移植性好,程序结构清晰、可读性好,开发周期短,开发成本相对较低。开发环境使用KeilC51,KeilC51公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。它提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具uVision3. 3.2设计思路本控制器软件最为关键的部分是摆锤最高点检测,只有可靠检测到最高点,其它功能才有意义。因为角度检测是使用计数器完成的,所以最高点检测只能在主程序中通过扫描计数器的值完成。为保证扫描速度,在做最高点检测时应先暂时关闭其它功能,包括按键、显示和所有中断。

  在计算摆锤角度、试件吸收能量和试件强度时,要用到浮点数,而且要计算三角函数值。试验机对控制器的运算速度要求不高,且RAM空间够用,所以可以使用KeilC51提供的库函数直接进行浮点数运算。

  在主程序循环中,首先判断是否正在试验(按下落锤键),如正在试验则只开启最高点检测功能,其它所有功能和所有中断均被关闭。试验结束后关闭最高点检测,开启其它功能和所有中断。这里的其它功能包括:处理上位机命令、打印、实时显示摆锤角度和按键管理。在主程序中不刷新显示,显示只在需要(显示数据变更)时刷新。主程序流程图如所示。

  3.3角度测量由于系统所用编码器为增量式编码器,所以在检测角度前应先设置位置。在位置将两个计数器清零,在摆锤偏离位置时,两计数器中的数值差即可表示摆锤的摆动角度。每个脉冲代表的角度k为360算,该差值乘以k即为摆锤相对于位置的角度。在计算试件吸收能量和试件强度时,角度值不区分正负,一律取绝对值。

  按键处理程序3.4最高点检测将两计数器的差值表示为有符号整型数d则d的符号表示了摆锤相对于点的位置,的变化则表示了摆锤的运动方向。

  设摆锤已摆至最高点,程序已检测到d第1次减小并记录了d',并且在其后的n次之内出现了干扰,T计数增加,d变大,此时程序不丢弃所记录的d',而是比较本次检测的d值和已记录的d'的大小,将二者中大的作为新的d',并重新开始计数。如此,虽然重新开始检测最高点,但不会错记最高点的d值,不会出现误判。

  在检测到最高点后,需要保存摆锤在最高点的角度值,以备计算时使用。本试验机一次最多允许做15个试样,所以需要记录15个数据。角度值是浮点型变量,占用4B的空间。最高点检测程序流程图如所示。

  3.5通信程序设计根据用户需要,试验数据可以上传至上位计算机,以打印正式试验报告,或存入数据库管理系统,以便对数据进行分析、管理。

  通信控制程序负责接收、执行上位机命令。

  所有上位机命令均占1B,但有的命令带有操作数,有的没有操作数。

  通信控制程序接收到上位机发送的命令后,首先对命令进行分析,如果不带操作数,则执行命令,如果带有操作数,则将操作数长度写入操作数接收计数器,并等待数据接受完成,待数据接收完成后执行命令。

  通信控制程序流程图如所示。

  4结论经过现场调试,控制器实现了设计的预定功能。能够自动落锤,试验后自动计算、显示试件吸收的能量;通过按键查询摆锤升角、试件吸收能量和试件强度;进行错误提示;正确显示试验结果并对试验数据进行保存;正确打印试验结果;正常与上位机通信,运行稳定、性能良好。

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