徐國強(qiáng)，董 芳，劉繼芬，李永慶，薛 鵬，董超群

(1．中國石油大學(xué)(華東) 儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東 青島 266580；2． 青島濱海學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 ,山東 青島 266580；3．山東省東營市人力資源與社會保障局,山東 東營 257091；4．中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院, 山東 青島 266580）

在金屬材料的力學(xué)性能測試實(shí)驗(yàn)中，測定材料的變形通常有兩種方法：1）傳統(tǒng)方法，即利用球鉸式引伸儀測量金屬材料的微小變形量，該方法存在很多缺點(diǎn)和不足，如讀數(shù)誤差太大、人工計算麻煩、時效性差、操作繁瑣、檢驗(yàn)精度低等，導(dǎo)致其很多時候無法滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)加工的實(shí)際功能需求；2）電子儀器采集方法，即應(yīng)用與引伸計有關(guān)的專用電子儀器設(shè)備對金屬材料的微小變形量進(jìn)行測量。但是目前這些專用的電子儀器設(shè)備大多數(shù)采用PCI板卡的形式與計算機(jī)進(jìn)行通訊連接，需要另外專門配備計算機(jī)并安裝配套系統(tǒng)軟件才能使用；成套軟硬件設(shè)備不僅價格昂貴，而且其接口形式單一、便攜性差，不便于一些特殊現(xiàn)場的實(shí)際使用，后期維護(hù)和改進(jìn)升級也很困難。

針對以上問題，文中利用高精度傳感器和高性能單片機(jī)設(shè)計了一套用于多個電子引伸計數(shù)據(jù)采集的電路系統(tǒng)，可以對1～3路引伸計信號同時進(jìn)行檢測，對材料1～3個維度的形變量進(jìn)行直觀顯示；該系統(tǒng)檢測精度高、實(shí)時性好、造價低、體積小、便攜性好；同時該系統(tǒng)設(shè)置有串行通信接口，可與外部計算機(jī)進(jìn)行互聯(lián)通信，上位計算機(jī)通過啟動配套的系統(tǒng)軟件可以對檢測參數(shù)進(jìn)行直觀顯示和后期處理，系統(tǒng)軟件的維護(hù)和升級方便快捷。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

電子引伸計一般由全橋式電阻片、彈性元件和裝夾3部分組成，其輸出信號電壓與電阻片變化量成正比[1]。在5 V供電情況下，通過實(shí)際測量可知電子引伸計的輸出信號在0～10 mV之間，而且受外部干擾的影響比較大，這給后期信號處理帶來很大困難。文中結(jié)合電子引伸計的輸出信號特性和教學(xué)實(shí)驗(yàn)及生產(chǎn)加工的實(shí)際功能需求，以單片機(jī)為核心器件設(shè)計了一套用于多個電子引伸計數(shù)據(jù)采集的接口電路系統(tǒng)[2]，系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件電路Fig.1 Hardware circuit structure chart of the system

系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設(shè)計思想，首先對電子引伸計輸出的微小毫伏信號進(jìn)行放大和硬件濾波，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后由單片機(jī)處理數(shù)據(jù)并將處理結(jié)果由液晶模塊實(shí)時顯示出來、同時可以通過通訊接口發(fā)送給上位計算機(jī)。其中單片機(jī)系統(tǒng)以STC12C5410AD為核心，液晶電路選用1602型液晶，串行通信電路采用MAX232轉(zhuǎn)換電平完成通信任務(wù)，電源部分由LM1117-5提供+5 V電壓。

1.2 放大及濾波電路設(shè)計

1）放大電路的設(shè)計。根據(jù)輸出信號特點(diǎn)，要求放大電路對信號具有較高的放大增益，并且在放大過程中盡量少引入噪聲。因此系統(tǒng)設(shè)計選用了專門的信號調(diào)理集成芯片AD7714（可編程增益放大器）。其優(yōu)點(diǎn)是放大倍數(shù)可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整，而且集成在芯片內(nèi)部引入的噪聲小[3]。

2）濾波方案的設(shè)計。通過測量知道系統(tǒng)前端的電子引伸計輸出信號的外部干擾很大，所以濾波處理是必要的。系統(tǒng)采用軟硬件濾波相結(jié)合的方法，通過AD7714進(jìn)行硬件濾波，在程序中加入濾波算法對信號進(jìn)行進(jìn)一步的處理；其優(yōu)點(diǎn)是方法簡單，不需要搭建復(fù)雜的硬件電路，對小信號的處理效果比較好。

1.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

系統(tǒng)直接采用AD7714對電子引伸計信號進(jìn)行處理，它內(nèi)部包括開關(guān)矩陣、緩沖器、可編程增益放大器、電荷平衡式A/D轉(zhuǎn)換器、串行接口、寄存器組及時鐘發(fā)生器，可以對小信號直接進(jìn)行處理，適合本系統(tǒng)對小信號處理的需要。其具有如下特點(diǎn)：1）采用電荷平衡式ADC；2）24位無誤碼；3）非線性誤差為±0.0015%；4）具有三線性串行接口，能與SPI、QSPI、MICRO WIRET、DSP接口兼容；5）內(nèi)部有8個寄存器，利用微控制器，通過串行接口可將AD7714配置成差分輸入或單端輸入方式，能構(gòu)成3通道（差分輸入）或5通道（單端輸入）的輸入通道；6）具有自校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)、系統(tǒng)失調(diào)校準(zhǔn)及背景校準(zhǔn)等多種校準(zhǔn)功能，通過自校準(zhǔn)可以消除零刻度和滿刻度時系統(tǒng)誤差、紊亂時誤差以及溫度改變引起的數(shù)據(jù)漂移。AD7714具有6個可編程的模擬輸入通道（AIN1-AIN6），這正好符合同時檢測多路引伸計數(shù)據(jù)的要求。AD7714及其外圍電路圖如圖2所示。

圖2 AD7714及其外圍電路圖Fig.2 AD7714 and its peripheral circuit diagram

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計與開發(fā)

2.1 下位單片機(jī)處理程序設(shè)計

系統(tǒng)下位單片機(jī)處理程序流程如圖3所示。其主要功能包括：1）設(shè)定外部元件寄存器參數(shù)；2）讀取并處理A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；3）控制液晶模塊顯示處理結(jié)果；4）單片機(jī)和上位機(jī)相互通信。核心程序代碼采用Keil C51進(jìn)行編寫[4]。系統(tǒng)選用FIR數(shù)字濾波器法對A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行軟件數(shù)字濾波處理。

圖3 單片機(jī)處理程序流程圖Fig.3 SCM processing program flow chart

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計與開發(fā)

系統(tǒng)上位機(jī)軟件需要完成數(shù)據(jù)采集、存儲和曲線繪制等任務(wù)，采用可視化編程工具Visual Basic 6.0進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)[5]。軟件通過MSComm控件完成串行通信任務(wù)[6-9]、通過DATA控件和ADO控件來連接數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲和更新、運(yùn)用Timer控件完成數(shù)據(jù)定時采集，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收界面如圖4所示。

系統(tǒng)軟件的曲線繪制功能界面如圖5所示。界面左邊的數(shù)據(jù)列表區(qū)使用DATAGRID控件顯示多行多列數(shù)據(jù)，界面右邊的曲線繪制區(qū)使用了MSchart控件的繪圖方法實(shí)現(xiàn)曲線的繪制。

圖4 數(shù)據(jù)接收界面Fig.4 Picture of the data receiving program

圖5 曲線繪制功能界面Fig.5 Picture of the curve plotting function

3 測試實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)硬件電路和軟件程序設(shè)計開發(fā)完成之后在中國石油大學(xué)(華東)工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了對比測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中對直徑為10.00 mm的低碳鋼試樣進(jìn)行了多次試樣變形量測量，并記錄了實(shí)驗(yàn)室原有標(biāo)準(zhǔn)測量設(shè)備與本系統(tǒng)分別在同樣載荷和變形量情況下的測量值，測量數(shù)據(jù)對比如表1所示。測試數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)的測量值與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)測量設(shè)備的測量值基本相同，完全能滿足力學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)。

表1 實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)Tab.1 The experimental test data

4 結(jié) 論

文中針對教學(xué)實(shí)驗(yàn)或生產(chǎn)加工的實(shí)際功能需求設(shè)計開發(fā)了一套檢測精度高、實(shí)時性好、造價低、體積小、便攜性好的能用于多個電子引伸計數(shù)據(jù)采集的電路系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)置有與上位機(jī)通訊的串行通信接口，通過啟動上位機(jī)軟件可以對檢測參數(shù)進(jìn)行形象直觀的曲線顯示和后期處理，軟件后期的維護(hù)和升級操作方便快捷。測試實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能實(shí)時測量金屬材料萬分之一毫米數(shù)量級的微小變化，在測量精度和速度上都達(dá)到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)，具有較大的應(yīng)用價值。

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