引伸計微機自動標定系統(tǒng)設計

引伸計微機自動標定系統(tǒng)設計孔慶祝(信息工程學院工電9902班)摘要：文中首先介紹了引伸計測定的意義、作用和需要測定的量一一施加的應力和在應力作用下金屬材料的形變伸長量。形變伸長量采用螺旋法實行定值等距測量；采用應變片組成的電橋?qū)D(zhuǎn)換為電壓信號輸出，然后利用單片機進行數(shù)據(jù)處理并顯示出來。設計中硬件電路包括信號放大、放大倍數(shù)轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示，其中還有按鍵控制和與上位機通信的設計。關鍵詞：引伸計單片機運放A/D轉(zhuǎn)換器接口可編程引伸計是為測定金屬材料的力學性能而設計的，以前采用人工的方法，有很多缺點，例如讀數(shù)誤差太大，人工計算比較麻煩，費時費力，從測量到出來結(jié)果時間較長，遠不能適應生產(chǎn)加工的需要。利用高精度的傳感器和高性能的單片機設計的微機自動標定系統(tǒng)，由于轉(zhuǎn)換精度高、處理器速度快，所以具有數(shù)據(jù)準確、時效快等特點，可以用于現(xiàn)場進行測試對機械加工和工業(yè)生產(chǎn)起到指導作用。1引伸計的工作原理1.1應變片介紹1.1.1應變效應設有一根長為1、截面積為S、電阻率為p的金屬絲，其電阻R為：R=p*l/s，將此式兩邊取對數(shù)得：1nR=1np+1n1-1nS，將等式兩邊微分得：巫=也+業(yè)-迪，式中巫表示RplSR電阻的相對變化；dl表示電阻率的相對變化，用￡表示；￡=dl稱為金屬絲長度方向的應ll變或軸向應變；dS為截面積的相對變化，因為S=nr2，r為金屬絲的半徑，則dS=2nrdr，SdS/S=2*dr/r，dr/r為金屬絲半徑的相對變化，即徑向應變?yōu)椤阹。又由《材料力學的公式有》：￡=-MX￡，式中|j為金屬材料的泊松比。又金屬材料電阻率與其體積有如下關系：dp/p=CXdV/V，其中C為金屬材料的某個常數(shù)，V為體積，考慮V=SX1，得dV/V=dS/S+d1/1=2￡+￡=-2p￡+￡=(1-2p)*￡，即dV/V=(1-2p)*￡，故rdp/p=C*(1-2|j)*￡，將上述關系式一并代入dR/R的表達式并都用r表示有：dR/R=C(1-2p)￡+￡+2p￡=Ks*￡，其中Ks=(1+2p)+C(1-2p)，它對于一種金屬材料在一定應變范圍內(nèi)為一常數(shù)，將微分dR、dl改寫成增量\r、△i，可寫成下式：AR/R=Ks△i/1=Ks*￡即金屬絲的相對變化與金屬絲的伸長或縮短之間存在比例關系。1.1.2金屬絲應變片金屬絲式應變片通常也稱為電阻應變片。它由敏感柵、基片和蓋片、粘結(jié)劑和引線組成，它的主要特性包括靈敏度系數(shù)、橫向效應、機械滯后、應變極限和動態(tài)特性，選擇電阻應變片時應注意這些問題。1.2引伸計傳感器工作原理1.2.1拉力形變原理一條各向同性的金屬棒，長L，截面積為A，在外力F作用下伸長0L，當呈平衡狀態(tài)時，在彈性限度內(nèi)，其拉力與其伸長量滿足線性關系，即胡克定律，有應力！=F/A與應變￡=0L/L成正比的關系。

1.2.2拉力傳感器原理弓形引伸計兩刀刃的位移變化借助于貼在彈性體上的電阻應變片將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵?，這種引伸計通常稱它為弓形電子引伸計。應變片可以組成半橋或全橋電路，圖1接成全橋電路。Vcd=UAB引伸計的位移變化時，應變片的電阻將發(fā)生其中，R1、R2、R3、R4為4個電阻應變片，組成了橋式測量電路。下面進行導出弓形電子引伸計輸出信號電壓與應變之間的關系。設電橋4個臂的應變片的電阻分別為R1、R2、R3和R4,橋路工作電壓為UAB，其輸出電壓VcdVcd=UAB引伸計的位移變化時，應變片的電阻將發(fā)生相應的變化，電橋輸出電壓也變化。這種變化可以通過對上式取微分來表示:R1R3dR1dR3R2R4dR2dR4dVcd=Uab[-(-1--3)-~~(--~4)](R1+R3)2RiR3(R2+R4)2R2R4對于電阻應變片，電阻的相對增量與其應變增量成正比關系：dR/R=Kd￡。考慮到電橋個應變片由于應變變化而引起其電阻的變化是各自獨立變化的，所以將dR/R=Kd￡帶入dVcd的表達式，并進行積分，于是得輸出信號電壓與應變的關系為：dVcd=Uab[R1R3(K§i-K33)-R2R4(K22-KS4)](R1+R3)2(R2+R4)2若使用同一種應變片，則上式變得簡單：△Vd=—KUAB(81-82-83+84)c42微機標定系統(tǒng)硬件設計2.1系統(tǒng)設計指導思想本此引伸計設計依據(jù)試樣被測的量的性質(zhì)不同而采取的方法不同。其中，試樣的伸長量采用螺旋測微計(千分尺)的原理，將1mm的長度分為n等份(例如50份，只要滿足精度要求即可)，這樣我們可以通過表盤上的刻度讀出我們施加應力時試樣微小的伸長量。而試樣所受到的應力我們可以借助于貼在試樣上的電阻應變片將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵?。借助于電阻應變片產(chǎn)生的電信號非常小，故需要進行放大，然后才能處理。根據(jù)所學的儀表放大器知識，設計的電路中包括四個部分：信號放大部分(三運放電路)、放大倍數(shù)轉(zhuǎn)換電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)顯示電路。其中還帶有鍵盤控制、與上位機通信用的接口設計。此設計本著先設計硬件后設計軟件的思想來逐步實現(xiàn)電路的設計和軟件的編程。2.2由三運放組成的差動放大電路2.2.1差放電路的特點三運放差放電路具有輸入阻抗高，輸出阻抗底，失調(diào)小，溫漂小，線形好和增益穩(wěn)定可調(diào)等特性，廣泛用于熱電偶，應變電橋，流量計，光電管，電信號和各種高內(nèi)阻傳感器信號放大。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中經(jīng)常用它作前置放大器，是因為它能在不利于精密測量的環(huán)境下良好地工作，實現(xiàn)精密測量。2.2.2電路設計與參數(shù)選擇根據(jù)放大電路原理知，放大倍數(shù)與放大電路的反饋電阻有關，所以設計時信號放大到一定程度，然再加一個運放進行二級放大，使總的放大倍數(shù)達到技術指標。所以，在此選擇了

高輸入阻抗、溫漂小、噪聲容限低的OP07運算放大器。2.3放大倍數(shù)轉(zhuǎn)換電路2.3.1放大倍數(shù)轉(zhuǎn)換在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，對于輸入的模擬信號一般都需加前置放大器，以使放大器輸出的模擬電壓適合于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換范圍。但由于被測信號的變化幅度在各種不同的場合下表現(xiàn)出不同動態(tài)范圍。信號電平可以從微伏級到伏級，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是不可能在各種情況下都與之相匹配。所以往往使A/D轉(zhuǎn)換器的精度不能最大限度的利用，或致使被測信號削頂飽和，造成很大的測量誤差，甚至使A/D轉(zhuǎn)換器損壞。如想用一固定增益的放大器，既不能兼顧動態(tài)范圍大的信號，也不能滿足不同傳感器輸出的要求。所以設計中采用系統(tǒng)自動選通放大倍數(shù)，具體措施是通過模擬開關來實現(xiàn)對放大電阻的選擇，從而實現(xiàn)對放大倍數(shù)的改變，使得A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換前的信號規(guī)范化。2.3.2放大倍數(shù)電路設計經(jīng)過一級放大后，需在二級放大前加上標準電壓采集電路，工作時，先采集標準電壓，再進行采樣，這樣就有基準進行比較了。故設計電路如下，圖中利用CD4051進行反饋電阻的選擇，利用CC4066進行配合未選中端接地控制。Pl/SS)P1J(￡2)pi.+(a)P13(E)PlM甫林活而亍CC+Ott1+13—JfcX7—LX5—!■INH——-VEE7Tcc+occCE40J1VDDB+JV□1+12Pl/SS)P1J(￡2)pi.+(a)P13(E)PlM甫林活而亍CC+Ott1+13—JfcX7—LX5—!■INH——-VEE7Tcc+occCE40J1VDDB+JV□1+1211||0IuF第拌期代」2.4A/D轉(zhuǎn)換及處理電路2.4.1A/D轉(zhuǎn)換芯片的詵.擇%A/D轉(zhuǎn)換器I位數(shù)的確定與整個測唯一確定系統(tǒng)的精度。估算時，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比比總精度要求的最低分辯率高一位。是不是分辨率率選取的越精度相適應T丁｛要不低位的價格要高的勺多。'-（滿標電壓270000V），精度達±1計數(shù)。（2）自校零，保證零電壓輸入時讀數(shù)為零。（3）輸入阻抗大于100慮廠毒具有精確的差分輸入。（5）自動判別信號極性，保證+1J±20000計數(shù)1+139S6E-I20K量控制系統(tǒng)所要測量控制的范圍和精度有關。但又不能高越好呢？實際詵取的A/D型換-15V選得太高沒有實際意義的，何況高位的A/D轉(zhuǎn)換器比低在此選擇ICL71135專用四位半A/D轉(zhuǎn)換器。其性能如下：（1）總讀數(shù)達于它們就行。-1JV器的位數(shù)）應與其他環(huán)節(jié)所能達到的2.4.2A/D轉(zhuǎn)換電路的設計由于89C51是8位的單片機，而ICL7135每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為9位，所以中間設計利用了8255A接口進行過渡，這樣CPU讀一次數(shù)據(jù)就可以了，編程時簡單一些。設計中端口A和端口B都工作于方式0，即基本的輸入/輸出方式。端口B用來讀取萬位到個位的數(shù)位，而端口A則用來讀取每個數(shù)位的數(shù)值。2.5數(shù)據(jù)顯示譯碼電路2.5.1數(shù)據(jù)顯示電路芯片的選擇數(shù)據(jù)顯示采用動態(tài)顯示法，所以需要用到可編程的接口部件，這里選取最常用的Intel8279芯片，下面就介紹一下。Intel8279是一種通用的可編程的鍵盤/顯示器接口部件，可對64個開關矩陣組成的鍵盤進行自動掃描接收鍵盤上的信息存入內(nèi)部的FIFO緩沖器，并在有鍵輸入時向CPU請求中斷。8279內(nèi)部有一個16X8的顯示緩沖器，能對8位或16位LED自動掃描，使顯示緩沖器的內(nèi)容在LED上顯示出來。8279可以直接和MCS-51等單片機連接，使用它可以簡化系統(tǒng)的軟件設計，提高CPU的工作效率。2.5.2數(shù)據(jù)顯示電路設計_設計中用8279的RL0?RL7和74LS138的Y0、Yx組成鍵盤掃描電路，用于電路控制，再由用于顯示輸出的OUTA0?OUTA3和OUTB0?OUTB3接上7407進行段碼顯示；由74LS138接上75451進行數(shù)碼管的選擇。這里7407和75451都是增強驅(qū)動能力的。另外，由89C51的11腳TXD和10腳RXD接上ICL232芯片就可以與上位機進行通信了。參考文獻楊振江編著.A/D、D/A轉(zhuǎn)換器接口技術與實用線路.西安電子科技大學出版社.薛均義、張彥斌編.MCS--51系列單片微型計算機及其應用.西安交通大學出版社.IC（1991）速查手冊2300種.中國自動化技術公司.張朗先.微機在力學測試技術中的應用.理化檢驗一物理分冊.1998.3期.梁新邦.弓形電子引伸計的固有非線性分析.理化檢驗一物理分冊.1991.27⑸期.TheDesignOfTheAutomaticDemarcateSystemOfThe

ExtensometerBasedOnTheMicrocomputerAbstract:Firstofall,thispaperintroducesthesenseandactionoftheextensometer.Besidesthem,thevariable—thestressandthechangeoftheshapeofthemetalmaterialbecauseofthestress—thatneedtomeasureareintroducedinthepaper.Thechangeoftheshapeismeasuredisometryandstablyinthehelixlaw.Theelectricbridgeconsistsofresistancetransformsthestresstothevoltagesignalandputoutit.Thenthisvoltagesignalishandledbythesingle-chip-micro-computeranddisplayed.Thehardwareelectriccircuitinthisdesignincludesamplifyofthesignal,thetransformoft