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摘 要 電子萬能材料試驗機是專門針對高等院校、科研院所而設計的新一代單空間微機控制萬能試驗機。電子萬能材料試驗機是材料生產(chǎn)行業(yè)和各級質檢部門對材料性能檢測最常用而且最重要的機電設備之一。它可以用來檢測各種材料及其制品在各種環(huán)境和模擬狀態(tài)下的力學性能、工藝性能、結構強度以及材料與構件內外表面缺陷。電子萬能材料試驗機測控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)單元、交流伺服系統(tǒng)單元、基于單片機的主測控器（下位機）以及微型計算機和配套軟件（上位機）組成。 本文主要設計了測控系統(tǒng)的測試部分、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)單元。主要包括測控系統(tǒng)總體結構，基于單片機的主控制器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊，A/D轉換器與單片機的接口，力、變形和位移測試的電路，測試軟件的部分等設計。實現(xiàn)電子萬能材料試驗機測控系統(tǒng)的整體設計。最后對測試系統(tǒng)進行了調試。 關鍵詞 ：試驗機； 單片機 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； 測試系統(tǒng)調試的溫濕度控制系統(tǒng)  ABSTRACT Electronic universal testing machine is one of the electrical and mechanical equipment used to detect an important material properties, it is used in material production and quality supervision departments at all levels of the enterprise. It can make detection and analysis in a variety of environments and state simulation of mechanical properties of materials, structural vibration capability, process performance, quality defects and balancing internal and external rotation performance materials and component parts. Data acquisition system, the main microcontroller unit and AC servo controller and the corresponding software microcomputer-based monitoring and control systems constitute the main body of the testing machine. This paper mainlydesigns the testingpart,data acquisitionunitand control system.Mainly includes the overallstructure ofcontrol system,the main controller based on MCU,data acquisitionmodule,A/Dconverter and single chipinterfacecircuit,stress,deformation and displacementtest,the designof test software.Achieve the overall design of electronic universal testing machine monitoring and control systems. Finally, the test system to debug. Key words：Testing machine； Single chip microcomputer； Data acquisition system Test system 目 錄 第一章 電子萬能試驗機測試系統(tǒng)總體設計方案 1 1.1前言 1 1.2 電子萬能試驗機概述 1 1.3試驗機測試系統(tǒng)方案設計 5 第二章 試驗機測控系統(tǒng)硬件設計 10 2.1單片機概述 10 第三章 試驗機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)硬件設計 15 3.1數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設計 15 3.2 A/D轉換器的選擇及工作原理 23 3.3 A/D轉換器與單片機的接口 25 第四章 試驗機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)軟件設計 26 4.1數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)軟件設計 26 第五章 試驗機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)測試 29 5.1引伸計校準測試數(shù)據(jù)分析 29 5.2金屬拉伸試驗測試 30 參考文獻 32 謝 詞 33 第一章 電子萬能試驗機測試系統(tǒng)總體設計方案 1.1前言 電子萬能材料試驗機是用來測定材料各種力學性能、工藝性能、結構強度等特性的儀器設備。試驗機是屬于技術密集性的精密測試儀器，它涉及到機械、電氣、液壓、高溫、低溫、真空、光學、電子、材料、工藝、測量、測控等許多新技術與高技術領域，并且還綜合了近代閉環(huán)伺服、遙控、數(shù)顯、數(shù)控、激光、機電一體化以及電子計算機等技術，成為儀器儀表行業(yè)中具有多學科、多種技術特點的一類測試計量儀器。試驗機是材料生產(chǎn)行業(yè)和各級質檢部門對材料性能檢測最常用而且最重要的設備之一。在各類材料的產(chǎn)品質量檢測、生產(chǎn)過程質量測控、材料科學研究和教學試驗中都必須應用試驗機來進行材料的力學性能測試。它可以用來檢測各種材料及其制品在各種環(huán)境和模擬狀態(tài)下的力學性能、工藝性能、結構抗振強度、各種旋轉件的動平衡性以及材料與構件內外表面缺陷。 1.2 電子萬能試驗機概述 1.2.1試驗機測試系統(tǒng)簡述 材料試驗機測試系統(tǒng)其實就是一套自動檢測系統(tǒng)，能按照國家標準對試驗材料的各項規(guī)定，在對標準試樣進行加載直至完全破壞的整個過程中，依據(jù)制定的各項參數(shù)并能夠按照給定的各項數(shù)值進行測控的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的測控之下，試驗機的動橫梁、強電、弱電等各個部分能夠協(xié)調有序、相互配合的工作，從而形成了一個有機統(tǒng)一的整體，使得萬能試驗機的各項試驗功能都得以準確的實現(xiàn)，并對試驗過程中的負荷和試樣的形變量等重要的試驗實時數(shù)據(jù)進行記錄，依照數(shù)據(jù)對材料要求試驗的各項力學性能指標進行分析計算。萬能試驗機的測控系統(tǒng)也可以成為操作者與試驗機之間的接口,既能使操作者對機器進行簡單的操作，同時也能對機器的各種運行狀態(tài)進行記錄，方便及時地向操作者反饋，還可以對操作中出現(xiàn)的各種錯誤給出原因，對不正常的運行狀態(tài)及不正當?shù)牟僮魈岢鰣缶?，而且為操作員提供數(shù)據(jù)的各項分析計算、圖形的顯示和各種參考數(shù)據(jù)的編輯、儲存和輸入輸出等功能。 試驗機的測控系統(tǒng)是由硬件部分和軟件部分通過有機結合而組成的一個整體。測控系統(tǒng)的硬件部分主要包括：單片機控制器、外部設備、輸入輸出設備、PC微機。從而硬件部分就構成了萬能試驗機測控系統(tǒng)的實體部分,但如果想要完成對被控對象的測控作用還要為實體部分提供軟件系統(tǒng),萬能試驗機的軟件部分通常由系統(tǒng)軟件與應用軟件兩部分組成。其中，系統(tǒng)軟件由操作系統(tǒng)、語言處理系統(tǒng)和例行服務程序組成。應用軟件則是為了滿足那些需要由測控系統(tǒng)的專門設計人員開發(fā)的特定程序，其核心部分是過程控制程序。 1.2.2試驗機測量參數(shù)分析 為了繪制被測材料的力－形變圖或應力－應變圖，需要對材料在每個時間段的受力大小、式樣的形變量或應力大小、應變量進行測量。通過材料力學的知識可得： （1-1） （1-2） （1-3） (1-4) 其中F為加載在試驗材料上的外力，A則為試驗材料的橫截面積，L0為式樣變形前的固定長度，L為式樣變形后的長度示值，B為拉伸實驗材料在寬度方向上的示值。其中L0和B可以直接進行輸入，而F和△L則需要進行實時動態(tài)檢測。通過前面對萬能試驗機的工作原理分析可知，為了測量出加載在試驗材料上的力，即要測量出荷載值F可以由高精度應變式負荷傳感器實現(xiàn)，而在此荷載值的作用下所引起的形變量，可以由電子引伸計對變形前后試驗材料長度的絕對差值△L進行測量。實際測量出的參數(shù)為拉力變形圖或應力－應變圖，如圖1.1所示。 圖1-1 應力-應變曲線圖 如前面所述，因為需要測量出試驗材料的應力與應變，將式(1-4)代入式(1-1)，可得 （1-5） 而在實際中，當試驗材料被拉伸（壓縮）時，試樣的橫截面積會變?。ㄗ兇螅?，即會發(fā)生形變，但當應力沒有超過比例極限時，試驗材料的橫向應變示值與軸向應變示值之比的絕對值會是一個常數(shù)，但是若桿件軸向伸長時橫向會縮小，而軸向縮短時橫向會增大，所以符號總是相反的，即: (1-6) 其中μ為橫向變形系數(shù)（泊松比），是一個沒有量綱的量。 若假設試驗材料在進行拉伸試驗前寬度方向的示值是B0，B0可以在試驗前由測量工具直接測出。由 (1-7) 而只考慮拉伸時: (1-8) 則: (1-9) 整理后，得: (1-10) (1-11) (1-12) 顯然，只需F和ΔL這兩個變量的輸入，就可以測試出應力б、應變ε。 1.2.3試驗機的組成及工作原理 電子萬能試驗機的結構由機械部分和電子測控部分兩個部分組成，機械部分是材料試驗機工作的主要載體，而測控部分則是主要的核心部分，控制著整個試驗機的運作和測量試驗，整個試驗機的性能由測控系統(tǒng)性能的好壞決定。電子萬能試驗機的實物圖如圖1-2所示。 圖 1-2 電子萬能試驗機實物圖 電子萬能試驗機測控系統(tǒng)主要包括交流電機、伺服驅動系統(tǒng)、控制主板、顯示屏等部分，能夠對整個系統(tǒng)進行控制，并能對力及位移數(shù)據(jù)進行采集、處理，并能進行顯示。測控系統(tǒng)的工作過程為：力傳感器受外力負載后會輸出一個正比于負載的微小信號，該信號途中不經(jīng)任何中間環(huán)節(jié)，直接輸入到A/D轉換器進行信號放大、轉換，再輸入到單片機，單片機進行信號處理，數(shù)字濾波后以直讀的方式顯示。試驗材料所承受的荷載直接由數(shù)字進行顯示。位移閉環(huán)控制和位移測量則由編碼器負責，其中光電編碼器主要是實現(xiàn)位置與電信號轉換，通過拖動電機轉動，光電編碼器能將角位移轉換成直線的位移，而輸出的脈沖數(shù)與編碼器的角位移的比值為常數(shù)。因此只要能對脈沖數(shù)進行識別從而就可以知道直線位移的大小，光電編碼器輸出的脈沖信號先經(jīng)過整形電路的整形然后再輸入給計算機，計算機用軟件的方法對接收到的脈沖信號進行計數(shù)、處理及方向的識別，最后顯示器對接收到的結果進行顯示。單片機在控制器內的作用是進行數(shù)字控制，將輸入接收到的反饋信號直接轉換為數(shù)字脈沖信號，從而實現(xiàn)對控制參數(shù)的數(shù)字化，再由管理模塊產(chǎn)生PWM信號，經(jīng)過隔離、放大等處理對電機進行驅動，實現(xiàn)對交流電機的啟動、調速、停止等操作。電子萬能試驗機的原理圖如圖1-3所示。 圖 1-3 電子萬能試驗機原理圖 1.3試驗機測試系統(tǒng)方案設計 1.3.1試驗機測試系統(tǒng)方案論證 目前，試驗機測控系統(tǒng)的設計方案主要有兩種:一種是通過采用單片機技術為核心的設計方案，另一種則是以現(xiàn)代通用的PC微機技術為核心的技術改造方案。 本測控系統(tǒng)的設計方案主要是采用第一種設計方案，即采用現(xiàn)代嵌入式單片機的結構，綜合使用微電子技術，使其外形雖然緊湊但還是具有完整的一系列的計算機功能，該系統(tǒng)使用簡潔方便、并且功能齊全。單片機內集成化較高，反應迅速，能夠很好的滿足測試系統(tǒng)的檢測精度及功能要求。測控系統(tǒng)總體結構圖如圖1-4所示。 圖1-4 測控系統(tǒng)結構圖 該測控系統(tǒng)以單片機作為控制核心，主要實現(xiàn)的是：對力的加載及控制，試驗材料測試數(shù)據(jù)的采集、處理、分析和計算，測試數(shù)據(jù)的儲存和LCD會實時顯示出應力－應變曲線圖。本測試重點主要是對傳統(tǒng)試驗機測量精度較低，對加載速率無法進行定量的測試控制，并且傳統(tǒng)系統(tǒng)缺乏實時性，對于曲線的繪制較單一，且自動化程度較差，測試系統(tǒng)效率較低等不足，對萬能試驗機的控測控統(tǒng)進行設計改造。該測控系統(tǒng)主要由單片機模塊，傳感器模塊，數(shù)據(jù)的采集、處理模塊以及LCD顯示模塊等組成。先利用單片機模塊對加載機構進行加載，然后，利用傳感器模塊將獲得的應力和應變的等信號輸送到數(shù)據(jù)的采集、處理模塊，對獲得的數(shù)據(jù)進行處理、分析和計算。最后，將處理完的數(shù)據(jù)采用應力－應變曲線圖的方式在LCD顯示器上進行顯示，并存儲在計算機中。改造后的電子萬能試驗機具有系統(tǒng)精準，自動化程度高，能夠對獲得的數(shù)據(jù)進行實時的顯示和存儲功能，且整體的性能比較完善，并且造價低等優(yōu)點。 1.3.2系統(tǒng)組成單元方案設計 電子萬能試驗機測控系統(tǒng)主要有交流伺服系統(tǒng)單元、數(shù)據(jù)采集模塊、單片機主測控器、人機交互式測控、上位PC機五部分組成。測控系統(tǒng)工作原理圖如圖1-5所示。 圖1-5 測控系統(tǒng)工作原理圖 1、交流伺服系統(tǒng)：該系統(tǒng)是萬能試驗機的核心部分。傳統(tǒng)的材料試驗機是采用直流電做動力，其最大的缺陷是非常容易損壞，需要經(jīng)常維護，而且在大轉矩下的工作穩(wěn)定性比較差，而現(xiàn)在的交流伺服電機的伺服驅動系統(tǒng)完善，不采用電刷，幾乎不需要進行維修，而且在小轉矩的情況下定位精度高，測量數(shù)據(jù)精準，在不丟失脈沖的情況下可以達到0.01mm的精度，這是直流電機所不能達到的。 2、數(shù)據(jù)采集模塊：對于本次電子萬能試驗機的設計，所配置得應變電測式傳感器，此傳感器通常有三種：一是用于測試力示值的拉壓力傳感器或測力傳感器；二是可以測定試驗材料變形量的變形傳感器；三是可以測定機器的動橫梁移動量的位移傳感器。本設計主要針對拉力、壓力、伸長量數(shù)據(jù)的采集，因此，采用了拉壓力傳感器。 3、單片機主測控器: 單片機主測控器是采用MCS-51系列的80C51單片機，外圍擴展存儲器模塊，液晶顯示器(LCD)和鍵盤作為人機交互接口設備，數(shù)據(jù)通信接口等。主測控器通過串口，以太網(wǎng)等與上位PC機進行通訊或者構成計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)。主測控器主要負責接受系統(tǒng)測量信號并進行處理、顯示，同時伺服系統(tǒng)測控算法由單片機芯片軟件編程實現(xiàn)。此外，試驗機運行的狀態(tài)、測控面板上的按鈕狀態(tài)等，則通過開關量的數(shù)字輸入，由單片機主測控器來進行判斷、檢測并做出相應的反應。 4、人機交互式測控：該測控軟件可以直接同測控部分進行通訊，主要目的是創(chuàng)造人機友好的交互式界面，為滿足現(xiàn)在對機器越來越簡潔的要求。 5、上位PC機:上位PC機按軟件工程理論分析電子萬能試驗機的測控功能的實現(xiàn)，然后進行模塊化、結構化的軟件設計，目標是使軟件具有人機界面友好、功能易擴充及易維護的優(yōu)點。 1.3.3試驗機的技術參數(shù) 1、最大試驗力 100KN、50KN、20KN。 2、負荷測量衰減倍率：1、、5、10。 3、負荷測量精度：各量程內起均為示值的 4、變形測量：測量范圍為傳感器容量的。 測量精度為指示值的示值分辨率為，顯示單位為。 引伸計標距可按25、、100系列選擇，測量范圍可按標距的選擇。 勻試驗力變形速率控制范圍：0.01-10%FS/s 勻試驗力變形速率控制誤差:小于0.05%FS為2%;大于 0.05%FS為0.5% 恒試驗力變形速率控制范圍：0.5-100%FS 恒試驗力變形速率控制誤差：小于10FS時為1%；大于10%FS時為0.1% 動橫梁位移測量：測量范圍為， 動橫梁位移測量精度為數(shù)字顯示，示值分辨率，位移零點任意設定。 5、記錄方式：負荷－變形、負荷－位移 6、工作環(huán)境：溫度在2010℃范圍內；相對濕度不大于，表面無結露；無沖擊、無振動的環(huán)境； 在固定的基礎上水平安裝，水平度應不超過；系統(tǒng)接地阻抗　。 試驗空間寬度： 活動橫梁行程： 7、主機約重： 8、工作電源：交流，總功率　 第2章 試驗機測控系統(tǒng)硬件設計 2.1單片機概述 2.1.1單片機的介紹 單片機是一個集成在一塊芯片上有完整計算機系統(tǒng)的控制器。雖然單片機的大部分功能都集成在一塊小芯片上，但是它卻具有一個完整計算機系統(tǒng)應具備的主要部件：中央處理器、內存儲器、內部與外部的總線系統(tǒng)，目前部分單片機還具有外存功能。同時集成例如通訊接口、定時器，時鐘等很多外圍的設備。而現(xiàn)在功能最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將音頻、圖片、網(wǎng)絡連接等復雜的輸入輸出系統(tǒng)都集成在一塊芯片上。 單片機也被稱為微控制器（Microcontroller），這是因為單片機最早被用于工業(yè)機器控制領域。單片機由一塊芯片內僅有一個中央處理器的專用處理器發(fā)展到現(xiàn)在的復雜系統(tǒng)。早期單片機的設計理念只是通過將大量外圍設備與中央處理器集成到一塊芯片中，使運用到對體積要求嚴格的控制設備的計算機系統(tǒng)更小，更容易集成?，F(xiàn)在的單片機與一般微型計算機進行比較，具有以下特點： 1、系統(tǒng)結構比較簡單，使用較方便，能夠實現(xiàn)模塊化。 2、單片機的可靠性較高，可工作到小時無障礙。 3、處理功能較強，速度快，具有很強的邏輯操作的功能。 4、對于測控系統(tǒng)的功能較強。 5、環(huán)境適應能力也較強。 2.1.2單片機的選擇 單片機測控系統(tǒng)的設計，對于單片機的選擇是一個重要的環(huán)節(jié)。只有選擇了合適的單片機才能夠進一步對其外圍電路進行設計。單片機的選擇應根據(jù)實際要求來確定，在滿足設計要求的基礎上簡化設計難度并能夠節(jié)約成本。在選擇單片機是應注意考慮的因素有：單片機的性能、I/O口、定時器、計數(shù)器、存儲器、單片機的運算速度、工作電壓與功能消耗及抗干擾性等。 綜上所述的特點要求，結合實際情況，MCS-51單片機符合本測控系統(tǒng)的性能要求。MCS_51系列的單片機是INTEL公司在以前單片機的基礎上推出的一系列高性能8位單片機。它基本上可以滿足用戶的一系列要求，是工業(yè)工程測控、數(shù)控機床測控及通訊系統(tǒng)優(yōu)先選擇的機種、在此設計中選用了MSC-80C51單片機。 2.1.3單片機的結構 MSC-80C51單片機的結構主要包含四部分組成：中央處理器，存儲器，I/O口及定時器和計數(shù)器。單片機存儲器結構將數(shù)據(jù)存儲器及程序存儲器的尋址空間分開，所以單片機的存儲器在物理上有四個相互獨立的存儲空間：內程序存儲器，外程序存儲器，內數(shù)據(jù)存儲器，外數(shù)據(jù)存儲器。 對于單片機的中央處理器CPU，它是由兩部分組成：控制器及運算器，作為80C51單片機的核心組成部分，其在單片機的運行中占很大的比重，有面向測試系統(tǒng)的8位CPU。 1、運算器：運算器由五部分組成，包含作為核心的算術邏輯單元ALU，累加器A、B形式的寄存器，為程序狀態(tài)的寄存器PAW以及TMP1和TMP2這兩個8位暫存器組成。其可以運行的算術運算包括：加、減、乘、除、加1、減1、BCD數(shù)十進制調整、比較運算；也可以進行與或非、異或等邏輯運算； 還能進行判斷和程序轉移、循環(huán)移位等控制指令。 2、控制器：指令寄存器、PC程序計數(shù)器、振蕩器、指令譯碼器、定時電路和控制電路等部件組成了控制器；它能控制單片機各部分工作是通過不同的指令產(chǎn)生相應的操作時序和控制信號來完成的；PC控制著單片機執(zhí)行相應那條指令。 3、存儲器 （1）片內ROM是程序存儲器。 （2）片內RAM具有的功能包括：存放輸入、輸出和中間計算結果的數(shù)據(jù)，也可作為數(shù)據(jù)堆棧區(qū)使用。 4、I/O口 （1）并行口：有4個8位并行I/O口P0～P3，這四個并行I/O口均可并行輸入輸出8位數(shù)據(jù)。 （2）串行口：有1個串行I/O口，用于數(shù)據(jù)的串行輸入輸出。 5、定時器/計數(shù)器 （1）定時脈沖用于單片機的定時控制。 （2）用于計數(shù)方式，記錄外部事件的脈沖個數(shù)。 80C51單片機的結構組成框圖如圖2-1所示。 圖2-1 80C51單片機的結構框圖 2.1.4 80C51單片機引腳及其功能 80C51單片機的引腳組成如下所示 圖2-2 單片機引腳 各引腳說明如下： （1）電源引腳（2個） VCC：接+5V電源 VSS：接地端 （2）外接晶體引腳（2個） XTAL1：外接晶振輸入端 XTAL2：外接晶振輸入端 （3）并行輸入輸出引腳 P0.0~P0.7：通用I/O引腳； 此外可以作為數(shù)據(jù)低8位地址總線復用引腳來用； P1.0~P1.7：通用I/O引腳 P2.0~P2.7：通用I/O引腳； 此外可以作為高8位地址總線復用引腳； P3.0~P3.7：通用I/O引腳； 此外可以作為第二功能引腳； （4）控制引腳（4個） RST/VPD：復位信號輸入引腳； 也可作為備用電源輸入引腳； ALE：地址鎖存允許信號輸出引腳； 也可作為編程脈沖輸入引腳； VPP：內外存儲器選擇引腳； 也可作為片內EPROM編程電壓輸入引腳； 2.1.5試驗機的測控系統(tǒng)硬件設計 電子萬能試驗機的測控系統(tǒng)電路圖如圖2-3所示。 圖2-3 試驗機測控系統(tǒng)電路圖 第三章 試驗機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)硬件設計 3.1數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設計 3.1.1數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的基本組成 電子萬能試驗機的數(shù)據(jù)采集處理模塊主要是對測試材料的力、變形量、位移量等物理量進行測量，然后把測量結果送給單片機和PC計算機進行數(shù)據(jù)處理。首先要根據(jù)測量材料物理量的不同選擇與其相對應型號的各種傳感器，從傳感器中輸出的電信號則需要進一步的放大、調理，從而將機器或數(shù)據(jù)不準產(chǎn)生的誤差補償?shù)?，提高抗干擾能力，濾波器的作用則是將信號中不需要出現(xiàn)的頻率分量過濾掉。最后再經(jīng)A/D轉換器將輸出的模擬信號轉換成數(shù)字信號，交給單片機和PC計算機進行處理等。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成如圖3-1所示。 圖3-1 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成圖 3.1.2數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要功能和技術指標 1、主要功能： (1)完成對試驗機應力、變形、位移的模擬、數(shù)字型號的采集和處理。 (2)試驗曲線圖形處理、試驗數(shù)據(jù)智能處理、數(shù)據(jù)庫管理、報告生成、打印。 (3)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)自動調零、自動標定、最大試驗力連續(xù)全程測量部分檔。 2、技術指標： (1)試驗力測試的范圍：試驗力小于100KN。 (2)試驗力測量誤差： (3)變形測量范圍：測量范圍為傳感器容量的，測量范圍為。 (4)變形測量誤差：指示值的示值分辨率為，顯示單位為。 (5)位移量程：250。 3、數(shù)據(jù)采集處理和控制部分：主要由數(shù)據(jù)采集、處理、控制電路、計算機軟硬件系統(tǒng)、打印機、手動控制器件等組成，主要完成整個系統(tǒng)的控制、各種參數(shù)的設置、顯示、試驗機過程結果的記錄、試驗數(shù)據(jù)的處理、存儲、試驗結果的輸出等功能。 4、檢測部分：主要有壓力傳感器、變形傳感器、位移傳感器、等組成，主要功能檢測試驗對象的所受的試驗力、變形及橫梁運動的位移。 3.1.3數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設計方案 本測控系統(tǒng)方案的設計基于單片和PC計算機的上下位機測控系統(tǒng)設計方案如圖3-2所示。 圖3-2測控系統(tǒng)設計方案圖 3.1.4數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)硬件設計 本文所設計的試驗機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，試驗應力測量采用金屬電阻應變式力傳感器，變形測量采用電子引伸計，位移測量采用電位計式位移傳感器，橫梁位移測量采用光編碼器。所以，本系統(tǒng)綜合考慮設計了五個信息通道，其中三個模擬信號采集通道，兩個數(shù)字信號采集通道?？刂戚敵隹烧{脈寬的數(shù)字脈沖信號。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)硬件結構圖如圖3-3所示。 圖3-3 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)硬件結構圖 1.傳感器的選擇及工作原理 （1）力傳感器 本設計選用的力傳感器采用試驗中最常使用的應變計電橋式傳感器，此傳感器包含彈性元件、電纜線、電阻應變計橋等部分。彈性元件主要是在材料被測物理量的作用下產(chǎn)生與其成正比的應變，然后電阻應變計會將應變轉換成電阻的變化，傳感器中的各種應變計組成橋路從而將應變引起電阻的變化便于轉換成電信號輸出，內部的線路則運用常用的惠更斯電橋，其內部電路的主要原理如圖3-4所示。當彈性體承受載荷產(chǎn)生形變時，輸出的信號電壓由(2-1)式給出: (3-1) 圖3-4 力傳感器原理圖 在電橋式傳感器的兩端各加上一個電壓，則如果應變片R受到應力作用時，電橋傳感器的兩端就會輸出電壓，此電壓與加在上面的應力成正比。 本設計的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)選用德國HBM公司的系列的力傳感器，其遲滯及非線性度均為,此數(shù)據(jù)滿足對式樣負載測試的高精度要求。較高的保護等級，即使在惡劣的環(huán)境下，力傳感器依然可以獲得可靠且安全的測量結果。內置機械過載保護裝置，拉壓雙向的破壞負載高達額定量程的. 力傳感器提供極為優(yōu)異的線性，蠕變和溫度特性。傳感器采用的是工字梁型的剪切彈性類的敏感元件，此類元件的好處是當加載點位置發(fā)生變化是傳感器不會受影響，而且此類元件對于橫向力和偏心力有很大的抵抗能力，此類元件結構如圖所示。此類元件的腹板部分受到剪切力，其中中間最大的剪切力計算如下：，b為腹板的厚度。此類傳感器具有很強的穩(wěn)定性，同時保證了阻止過載和抵抗橫向測力的性能，很大程度上提高了橫向和縱向的抗彎能力，從而大大的保證了對于測試的測量精度。傳感器的安裝比較方便，所以適合各種試驗機的安裝。 對于剪切工字梁式彈性元件的作用原理分析：在剪切彈性元件受力作用后，并不是測量正應力，而是測量剪切力產(chǎn)生的切應力。如果要測量切應力本身是測量不出的，主要在于切應力可以引起拉伸應力與壓縮應力，也就是能產(chǎn)生與工字梁的中心軸線成45度角并且互相垂直的主應力。對于工字梁式測力傳感器就是將四個應變片分別貼在與中心軸線成45度角并且與工字梁腹板的兩段互相垂直的地方，則這四個應變片就組成了全橋。在測試材料受力時，電橋的對角線上與受到的力成正比的輸出量，傳感器就是應用這一原理對力的大小進行測量。彈性元件圖如圖3-5所示。 圖3-5 工字梁式剪切彈性元件圖 （2）形變引伸計 對金屬試驗材料的拉伸，壓縮，彎曲等力學性能的試驗分析時，除了對應變和應力的數(shù)據(jù)有很精準的要求之外，對于應變速率和位移速率也有很大的要求。但這些要求不僅需要傳感器完成測試，還需要對試樣變形和位移進行測量的傳感器，這樣才能實現(xiàn)對金屬和非金屬等各種材料力學性能的測試。 變形引伸計是在對試樣的測量過程中可以將拉伸變形轉換成電壓輸出的傳感器，是精密度較高的一種儀器。在對材料試樣進行力學性能的測試時，彈性階段的變形很小，例如在對金屬類的材料進行彈性伸長模量進行測試時，其伸長量常常只有數(shù)十微米的增量，在這種情況下就必須用到測量準確度較高的、且放大倍數(shù)較大的測試儀器進行測測量。變形引伸計就是這種測量儀器。在測量變形時，引伸計的刀刃會與試樣接觸，固定裝置會固定在試樣上，刀刃與試樣接觸從而感受變形，再通過變形傳遞桿，彈性元件與變形傳遞桿連接，所以粘貼在彈性元件上的應變片會感受到應變，從而輸出電量，而其在轉換，放大處理后，會變換為試驗材料的變形量。其結構原理如圖3-6所示。 圖3-6 變形引伸計結構圖 變形引伸計的性能測試主要是通過以下指標來完成的： 引伸計的放大倍數(shù)：， 。 引伸計標記：對于試驗材料在不同位置伸長度發(fā)生線變形的記錄，是引伸計所做標記之間的距離。， 量程：對于試驗材料的變形量及引伸計能測得的最大量值。按照引伸計能放大的倍數(shù)進行分類一般分為機械式、電子式的引伸計。本設計采用了電子式引伸計，主要組成元件包括：彈性元件，電阻應變片，變形傳遞元件等等。 對于引伸計的選擇，可以根據(jù)試驗材料的尺寸和形狀，對于變形測量準確度的要求來選擇與試驗機相符合的引伸計。本設計中選用在拉伸和壓縮試驗中最常用的ZYS-4型引伸計作為測試變形傳感器。此引伸計的主要性能指標如下： 1.標距：25/50mm 2.量程：15/20mm 3.線性度：0.05%--0.2%FS 4.最大應變示值誤差：0.0001 5.力傳感器和引伸計的電路原理圖如圖3-7所示。 圖3-7 力傳感器和引伸計的電路原理圖 （3）光電編碼器 光電編碼器如圖3-8所示。是一種把位置變化轉換為電信號的元件，當電機轉動后，編碼器的角位移就會被轉換為直線位移，其中光電編碼器的角位移和其輸出的脈沖信號的數(shù)量的比值為常數(shù)。所以只要知道了脈沖信號的數(shù)量就可以知道材料位移的變化多少。經(jīng)光電編碼器處理后輸出的脈沖信號，再經(jīng)過整形電路進行整形后輸入給計算機，對于接受到的脈沖信號計算機會用軟件中的方法對其進行采集，處理，計數(shù)，方向的識別。最后將獲得的數(shù)據(jù)結果送到顯示器進行顯示。單片機在測控系統(tǒng)中的作用是對其數(shù)字進行測試，為實現(xiàn)對測控數(shù)據(jù)的數(shù)字化，單片機對輸入的反饋信號會將其轉換成數(shù)字脈沖信號。事件管理模塊接受信號再經(jīng)過濾，隔離和放大產(chǎn)生能驅動電機的信號，實現(xiàn)對電機的啟動、調速、停止等功能。 圖3-8 光電編碼器 旋轉編碼器的機械安裝方式采用以下方式； 對于速度較高的高速端的安裝：安裝在齒輪連接處，或動力馬達電機的轉軸端，這種方法的好處是分辨率較高，可知編碼器有4100圈，如果馬達電機的圈數(shù)也在此范圍內，就可以充分提高分辨率。但當物體在經(jīng)過減速齒輪的運動后，在來回的過程中會產(chǎn)生間隙誤差，對于測量產(chǎn)生影響，所以一般用單向的高精度測試定位系統(tǒng)。對于直接安裝在高速端的編碼器，為防止編碼器的損壞，一般馬達電機的抖動幅度應較小。 對于速度較低的低速端的安裝：一般安裝在減速齒輪的后面，或減速齒輪最后一節(jié)的軸端，這種方法對于經(jīng)過齒輪的運動物體已經(jīng)沒有了來回的行程，所以測量較直接，而且精度準確度較高，這種方法一般用于測定長距離的定位裝置。 3.2 A/D轉換器的選擇及工作原理 常采用的A/D轉換采集方案如圖3-4所示。 圖3-9 測控系統(tǒng)的A/D轉換器方案圖 本方案中，ADC0809是采用CMOS工藝的8位逐次逼近型A/D轉換器。其工作原理是由芯片內的D/A轉換器生成一個模擬電壓，并且芯片內比較器將被測模擬輸入電壓生成的模擬電壓進行比較，并按比較的結構去修正片內的D/A轉換器輸入的數(shù)字量，直到比較器量輸入端模擬電壓相等為止。其內部機構及引腳如圖3-5所示。 圖3-10 ADC0809內部結構及引腳圖 ADC0809的采樣頻率為8位，是用逐次逼近的原理對信號進行模--數(shù)轉換的元件。ADC0809單片機的內部有一個多通道多路的開關，它主要是根據(jù)對輸入的信號進行地址碼鎖存然后進行譯碼，并根據(jù)譯碼的信號選擇模擬的通路將其進行A/D轉換，然后傳輸給下一個系統(tǒng)。 1.ADC0809單片機的主要特性 　1）分辨率8位,即8路8位A/D轉換器。 2）控制端可以進行啟動和停止的轉換。 3）轉換時間為 4）單個電源進行供電 5）模擬輸入的電壓范圍，不需零點的校核及滿刻度的校準。 　6）工作溫度范圍為℃ 7）低功耗，約15mW。 2．內部結構 ADC0809是CMOS單片機形式的逐級逼近式的A/D轉換器，它是由8路模擬開關、，比較器、地址鎖存， 8位開關型D/A轉換器。 3．外部特性（引腳功能）ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝， 下面說明各引腳功能： ：8路模擬量輸入端。 2-1～2-8：8位數(shù)字量輸出端。 ：是3位地址的輸入線，主要用于選通8路模擬輸入線中的一路 ：地址鎖存允許輸入的信號，輸入高電平才有效。 　START： 是A/D轉換器啟動脈沖的輸入端，輸入一個至少100ns寬的正脈沖信號，使其啟動時脈沖上升沿兒使ADC0809復位，下降沿兒啟動時A/D轉換信號輸出。 EOC： A/D轉換器結束信號輸出端，當A/D轉換結束時，此端輸出一個高電平（轉換期間一直為低電平）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當A/D轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基準電壓。 VCC：電源，單一＋5V。 GND：接地。 3.3 A/D轉換器與單片機的接口 A/D接口用來實現(xiàn)轉換器芯片的啟動轉換、轉換結束及數(shù)據(jù)輸出的引腳與單片機構造總線的連接。一般有直接連接方法和間接連接方法兩種，ADC0809與單片機一般采用直接連接法。其接口電路如圖3-11所示。 圖3-11 A/D轉換器和單片機的接口線路圖 第4章 試驗機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)軟件設計 4.1數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)軟件設計 利用計算機豐富的軟硬資源，本文數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設計實現(xiàn)了試驗參數(shù)的界面設置；試驗數(shù)據(jù)的實時采集、存儲、顯示；試驗曲線的自動生成和實時顯示；試驗數(shù)據(jù)的智能處理和報告生成；數(shù)據(jù)庫管理等功能。數(shù)據(jù)采集處理軟件系統(tǒng)流程如圖4-1所示。主要包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、通道校正、參數(shù)設置、試驗曲線圖形處理、數(shù)據(jù)庫管理、試驗分析報告生成七個主要功能模塊。其主測試界面如圖4-2所示。 圖4-1 數(shù)字采集軟件流程圖 圖4-2 試驗機主測試界面圖 4.1.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺和工具選擇 對于硬件的考慮，由于對試驗機的精度和控制速度要求較高，而試驗機數(shù)據(jù)的采集量較大，為滿足基本要求，所以通常選擇PentiunIII以上CPU，64MRAM的PC機。而在軟件方面，為滿足對于軟件的高要求，通常采用Microsoft公司設計的Windows2000系統(tǒng)作為軟件系統(tǒng)的平臺，作為一個優(yōu)秀的操作系統(tǒng)，Windows為系統(tǒng)提供了豐富的軟件開發(fā)，是一種能夠可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，存儲管理的工具，同時實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集模塊的鏈接的一種程序設計技術。Windows對于軟件支持直接插上就可以運用的技術，所以對于硬件的安裝提供了很大的便利，同時更加方便硬件的故障排除。將硬件設備直接與計算機安裝就可以完成對系統(tǒng)的檢測，此軟件還可以對系統(tǒng)和硬件實現(xiàn)自動檢測，實現(xiàn)對硬件的配對安裝，獲得相應的軟件程序。 對于應用軟件的開發(fā)，選擇的是高品質，高性能的開發(fā)工具，所以在本設計中選用的是Visual Basic6.0。此軟件是在Windows環(huán)境下可以正常運行的一種開發(fā)工具，作為一種應用型程序，它具有良好的性能，而且組件豐富，可以生成高效的應用程序，作為可編程語言的先導，此開發(fā)工具有很強的數(shù)據(jù)庫開發(fā)能力，同時可以對Windows2000進行很好的支持，使其可以在正常的環(huán)境下進行運行，能更好的實現(xiàn)對函數(shù)和DLL文件的調用，為設備的實時控制做鋪墊。 4.1.2 測試曲線圖處理模塊 本設計顯示界面布局合理大方，且采用的軟件使用模塊化設計，操作簡單，方便操作者，且運行安全，數(shù)據(jù)處理準確，高效化，不僅對各種拉伸試驗，壓縮試驗，彎曲試驗的結果都會做出曲線分析，對于各種破壞性試驗和非破壞性試驗也符合標準的試驗要求，各種階段都有顯示。 在試驗過程中可以實現(xiàn)對曲線類型的切換，且可以自動調整坐標，對多條曲線實現(xiàn)同時顯示，同步顯示實驗結果，并可對其進行改正。試驗過程和試驗結果實現(xiàn)了直觀顯示。曲線可以實現(xiàn)自由縮放，同時光標可以跟蹤采樣點，并實時顯示相對應點的坐標值。 第五章 試驗機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)測試 5.1引伸計校準測試數(shù)據(jù)分析 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在聯(lián)機測試中，參照的規(guī)范為JJF1096-2002引伸計標定器的校準規(guī)范，JJG762-1992引伸計檢定量程，并采用金屬材料試驗的引伸計標定規(guī)程，可以對0.5級的引伸計標定儀進行標定，對引伸計校準測試的范圍為標距500mm，量程10mm。環(huán)境范圍要求較高，環(huán)境溫度T= ，濕度為57%，對于測試點的取定為在10mm的量程之間去16個測試點。測試結果見表5-1 表5-1引伸計表校準測試值 5.2金屬拉伸試驗測試 拉力試驗曲線表示試驗材料在外載荷的作用下試樣受力與時間的關系，從圖中可以看出試驗過程為彈性變形，屈服變形，斷裂變形，斷裂四個階段，在彈性變形與斷裂階段，試驗材料的曲線近似于直線；而在屈服變形與斷裂變形階段，試驗材料的曲線近似于二次曲線。同時設計時為保證實驗結果的可靠性，對測量信號進行標定，經(jīng)A/D轉換器進行數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)及固有測量信號同時采集到計算機，以固有測量信號作為參考信號，對結果進行線性回歸分析，找出信號的數(shù)學模型。在數(shù)據(jù)分析階段，對于彈性變形及斷裂階段，可以用一元一次方程對其進行擬合分析；而對于屈服變形和斷裂變形階段，可以采用一元二次方程對其進行擬合分析。低碳鋼試樣拉伸試驗的曲線圖，如圖5-1與圖5-2所示。 圖5-1 低碳鋼拉伸曲線計算機顯示圖 圖5-2 低碳鋼拉伸試驗力-變形曲線圖 低碳鋼試樣在拉伸試驗中表現(xiàn)出較為典型的變形-抗力之間的關系，在"力-延伸曲線”中可以看到明顯的四個階段： 1.彈性階段：這一段試樣發(fā)生完全彈性變形，應變和應力存在著線性關系，當載荷完全卸除，試樣恢復原樣； 2. 屈服階段：這一階段試樣明顯增長，但載荷增量較小并出現(xiàn)上下波動，若略去這種載荷讀數(shù)的微小波動，屈服階段在"力-延伸曲線”上可以用水平線段表示； 3. 強化階段：由于材料在塑性變形過程中發(fā)生加工硬化，這一階段試樣在繼續(xù)伸長的過程中，抗力也不斷增加，表現(xiàn)為曲線非比例上升； 4.頸縮階段和斷裂：試樣伸長到一定程度之后，載荷讀數(shù)開始下降，此時可以看到在試樣的某一部位的橫截面面積顯著收縮，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，直到試樣被拉斷。 試驗一般在室溫10℃~30℃的溫度范圍內進行，若對溫度有嚴格要求，則溫度應控制在23℃5℃范圍內。 參考文獻 [1]鄭明新.工程材料[M]清華大學出版社,1991. 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[16] Astrom KJ Hagglund T.PID Controllers Theory Design and Tuning [M] Instrument Society of America.1995. 謝 詞 在此畢業(yè)設計即將完成之際，回顧畢業(yè)設計的創(chuàng)造過程，我收獲頗深，指導教師的敬業(yè)愛業(yè)精神及淵博的知識給我留下了深刻的印象。學無止境，導師用他終身學習精神告訴了我這個道理。 畢業(yè)設計不僅是對以前學過知識的檢驗，更是對學習態(tài)度是一種磨練，在完成畢業(yè)設計的過程中，在我迷茫時有老師的認真講解，在我查閱資料煩悶時有同學的耐心陪伴，對于畢業(yè)設計的順利完成得益于老師和同學的幫助，在此對所有幫助我的老師和同學致以衷心的感謝，使我可以順利完成畢業(yè)設計，不僅在各個方面都得到了鍛煉，還收獲了人生中重要的體會。 老師在整個畢業(yè)設計中對我的指導和幫助，是我能完成畢業(yè)設計的基礎，在老師那里我學到了很多知識，提高查閱資料，閱讀書籍的能力，同時培養(yǎng)了獨立思考問題的能力。老師在我對畢業(yè)設計一籌莫展時，開拓了我的思路，同時在老師的耐心指導下，我積累了很多經(jīng)驗，受益匪淺。在此對所有幫助過我的老師們表達我深深的謝意，是他們讓我收獲了更多的知識。 最后感謝父母讓我可以收獲知識，認識世界，感謝他們對我付出的所以的愛，人生中最愛護自己的莫過于父母，感激之情溢于言表。 天津工業(yè)大學應用技術、繼續(xù)教育學院 畢業(yè)論文（設計）指導記錄 班級 15機械 姓名 劉偉 學號 1552912108 論文題目 電子萬能試驗機測試系統(tǒng)設計 指導教師姓名 馬永順 職稱 副教授 第一次指導要點： 提交畢業(yè)設計提綱，確定電子萬能試驗機測試系統(tǒng)設計的寫作內容，還需要嚴謹。 導師簽名： 馬永順 1月30日 第二次指導要點： 交來初稿，主要數(shù)據(jù)基本可靠，文字尚通順。 導師簽名：馬永順 2月20日 第三次指導要點： 第二次交稿，調整文章結構，使文章進一步詳略得當。 導師簽名：馬永順 3月9日 第四次指導要點： 第三次交稿，一些細節(jié)內容設置不大恰當，論據(jù)不充分,需要進行改動。 導師簽名： 馬永順 3月20日 第五次指導要點： 第四次交稿，上述問題已基本解決，修改并準備定稿。 學生態(tài)度認真，寫作積極。 導師簽名： 馬永順 3月30日 備注 （1） 指導教師面對面指導學生不少于五次，每次均需填寫記錄；如超過五次請再另職一張表。 （2） 最后一次指導要寫出最后評語，包括學生的態(tài)度及表現(xiàn)。  本科畢業(yè)設計（論文）中期檢查表 題目 電子萬能試驗機測試系統(tǒng)設計 學生姓名 劉偉 學生班級 15機械 指 導 教 師 填 寫 任務書下達時間 1月20日 學生調研及查閱文獻情況 較好 畢業(yè)設計（論文）原計劃有無調整 無 學生是否按計劃執(zhí)行工作進度 是 學生是否能獨立完成工作任務 是 學生的出勤情況及出勤考核辦法 較好 學生接受指導的次數(shù)及時間 5次 畢業(yè)設計（論文）指導記錄是否齊全 齊全 學生的工作態(tài)度在相應選項劃“√” 認真√ 一般 較差 尚存在的問題及采取的措施： 尚沒有問題存在 指導教師簽字： 馬永順 2017年 3月16日 系（教研室）意見： 負責人簽字： 附表6 天津工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）答辯記錄表 繼續(xù)教育 學院 機械設計制造及其自動化 專業(yè) 2015 年級 學生 劉偉 課題名稱 電子萬能試驗機測試系統(tǒng)設計 答辯委員會 主席（或組長） 王建明 職 稱 副教授 答辯委員會 秘 書 蔡世濤 答辯委員會 成 員 孫小東 劉輝 王建明 蔡世濤 答辯記錄（包含答辯委員提出的問題，學生回答情況等） 答辯委員會秘書（簽字）： 蔡世濤 2017年 5 月 22 日