劉 妮

(西安科技大學(xué)高新學(xué)院，陜西 西安 710109)

基于STC12C5A60S2的純剪切應(yīng)力測試儀控制系統(tǒng)設(shè)計

劉 妮

(西安科技大學(xué)高新學(xué)院，陜西 西安 710109)

介紹了一種檢測道路施工中瀝青混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變與剪應(yīng)力關(guān)系的工程材料純剪切應(yīng)力測試儀器。設(shè)計了基于STC12C5A60S2的剪應(yīng)力測試儀的控制器機(jī)械裝置、控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、微控制單元、顯示模塊、打印模塊、電機(jī)控制模塊組成。該純剪切應(yīng)力測試儀經(jīng)過實際測試，能夠?qū)炷翗悠愤M(jìn)行純剪切應(yīng)力測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，具有一定的實際應(yīng)用價值，可以推廣。

純剪切；剪應(yīng)變；剪應(yīng)力；STC12C5A60S2；嵌入式打印機(jī)；MAX7219

0 引言

單元體截面上只有切應(yīng)力而無正應(yīng)力作用，這種應(yīng)力狀態(tài)叫做純剪切應(yīng)力狀態(tài)[1]。純剪試驗是研究板材成形的基本試驗之一，在工程上應(yīng)用比較廣泛。

隨著混凝土材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和研究工作的不斷深入，混凝土的剪切強度作為其基本的力學(xué)性能指標(biāo)原來越受到工程界的重視。根據(jù)實際工程及修訂規(guī)范的需要，本文對混凝土剪切強度指標(biāo)進(jìn)行了研究，并設(shè)計出針對此指標(biāo)的試驗樣機(jī)[2]。

1 純剪切應(yīng)力測試儀機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

純剪切應(yīng)力測試儀的機(jī)械裝置如圖1所示。

測試原理：將待測材料的模型放入到純剪切模具中，而后將模具和應(yīng)變傳感器固定在升降平臺上，使電動機(jī)運動帶動升降臺向應(yīng)力傳感器方向運行，與應(yīng)力傳感器接觸并進(jìn)行擠壓實現(xiàn)對材料模型的剪切，通過應(yīng)變和應(yīng)力傳感器測量該過程中的剪切應(yīng)力和應(yīng)力變[3]。

圖1 測試儀機(jī)電結(jié)構(gòu)圖

2 純剪切測試儀控制器的總體設(shè)計方案

本文旨在為上述的測試裝置設(shè)計一臺控制器。該控制器包括剪應(yīng)力和剪應(yīng)變的數(shù)據(jù)實時采集和顯示、電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制、剪應(yīng)力和剪應(yīng)變數(shù)據(jù)的存儲和關(guān)系曲線的輸出打印?？刂破鞯南到y(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 測試儀控制系統(tǒng)框圖

3 純剪切測試儀控制器的硬件電路設(shè)計

3.1 控制器介紹

本系統(tǒng)選擇的STC12C5A60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期(1T指令周期模式)單片機(jī)，相對于傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，其指令系統(tǒng)執(zhí)行速度比較快，平均速度是傳統(tǒng)8051指令速度的8～12倍[4]。STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部集成了60 KB的Flash程序存儲器，完全能滿足系統(tǒng)程序存儲的需求；內(nèi)部RAM具有256 B，同時具有1 024 B的外部擴(kuò)展RAM，完全能滿足SD卡讀取的至少512 B RAM的硬件需求[5]。為避免系統(tǒng)癱瘓和程序跑飛，使用其內(nèi)部看門狗功能，保證系統(tǒng)不會死機(jī)，超時自動復(fù)位。

圖3 剪應(yīng)變壓力信號調(diào)理放大電路圖

圖4 按鍵和系統(tǒng)指示燈電路圖

3.2 剪應(yīng)力數(shù)據(jù)采集電路

剪應(yīng)力傳感器采用大洋高精度型稱重傳感器(壓力、拉壓力、拉力稱重傳感器)。該傳感器采用高精度S梁結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于混凝土攪拌站、配料秤、料斗秤及拉壓力試驗機(jī)。通過配套變送器可輸出4～20 mA、0～5 V、0～10 V等標(biāo)準(zhǔn)信號，與采集系統(tǒng)連接；也可配套顯示儀表直接顯示力值[6]。該傳感器的輸出差分電壓信號滿足如下公式：

滿量程輸出電壓=激勵電壓×靈敏度

其中靈敏度為2 mV/V。

本系統(tǒng)設(shè)計時激勵電壓采用12 V，故輸出滿量程電壓為24 mV差分小信號；該信號需經(jīng)過信號調(diào)理電路進(jìn)行處理放大到AD轉(zhuǎn)換模塊的有效范圍內(nèi)，才能實現(xiàn)對剪應(yīng)力的準(zhǔn)確采集。設(shè)計小信號處理模塊電路如圖3所示。運放采用OP07單運放設(shè)計實際電路。這里的電阻需要用精密電阻。

3.3 剪應(yīng)變數(shù)據(jù)采集電路

剪應(yīng)變采用VHDL型位移傳感器，該傳感器的滿量程為150 mm，輸出是0～5 V電壓信號，該信號經(jīng)過濾波電路，直接輸入STC12C5A60S單片機(jī)的AD輸入引腳。

3.4 人機(jī)交互接口電路

系統(tǒng)的控制輸入由6個按鍵組成，分別為試驗、打印、上升、下降和兩個備用按鍵。系統(tǒng)的運行狀態(tài)通過兩個LED發(fā)光二極管指示。按鍵輸入和系統(tǒng)指示電路如圖4所示。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示模塊采用數(shù)碼管實現(xiàn)，采用兩個4位一體共陰極數(shù)碼管分別顯示剪應(yīng)力和剪應(yīng)變。數(shù)碼管的驅(qū)動采用MAX7219驅(qū)動芯片[7]。顯示模塊的硬件電路如圖5所示。

圖5 數(shù)碼管顯示電路圖

3.5 嵌入式打印機(jī)控制電路

系統(tǒng)的打印模塊采用北京思普瑞特SP-RMDⅢ系列微型嵌入打印機(jī)，該打印機(jī)體積小、重量輕、功能完備、高速度、高清晰、外型美觀、操作簡單、連接方便,是醫(yī)用器材、火警控制、工業(yè)控制以及其他各種儀器儀表更新?lián)Q代的理想匹配產(chǎn)品，具有安裝方式簡易方便、工作電壓寬、打印速度快、濃度可調(diào)等優(yōu)點[8]。本系統(tǒng)通過串口控制打印機(jī)。

3.6 交流電機(jī)控制電路

測試儀平臺的升降通過220 V交流異步電機(jī)實現(xiàn)，對于220 V電機(jī)的正反控制通過12 V中間繼電器實現(xiàn)，12 V中間繼電器的控制電路如圖6所示。

圖6 中間繼電器控制電路圖

4 純剪切測試儀控制器的軟件設(shè)計

控制器的軟件功能包括：剪應(yīng)力和剪應(yīng)變數(shù)據(jù)的AD采樣、剪應(yīng)變和剪應(yīng)力測量值的顯示、剪應(yīng)變和剪應(yīng)力測量值的保存打印、220 V交流電機(jī)的控制、外部按鍵輸入處理、系統(tǒng)狀態(tài)顯示功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，每個功能設(shè)計相應(yīng)的功能子函數(shù)，系統(tǒng)的運行狀態(tài)通過變量sys_state的不同值來表征：

0：未試驗；

1：試驗；

2：試驗完，電機(jī)下降；

3：電機(jī)停止；

4：打印數(shù)據(jù)，試驗完成。

系統(tǒng)運行過程中通過按鍵和測量流程改變sys_state的值，系統(tǒng)根據(jù)sys_state狀態(tài)值自動調(diào)用相應(yīng)的功能模塊子函數(shù)[9-10]。系統(tǒng)軟件主流程如圖7所示。其中按鍵處理子程序中也會讀取系統(tǒng)運行狀態(tài)變量，根據(jù)不同的狀態(tài)執(zhí)行不同的處理子函數(shù)。

圖7 純剪切測試儀控制器的軟件主流程圖

5 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)按照以下步驟來實現(xiàn)：

(1)連接好壓力傳感器(4芯插頭)、位移傳感器(3芯插頭)、電機(jī)(6芯插頭)；

(2)在工作臺上固定好工件，并將壓力傳感器、位移傳感器安裝在零點位置上；

(3)確保準(zhǔn)備工作完成后，打開電源開關(guān)，等待系統(tǒng)打印出“歡迎您使用”字樣，進(jìn)入待實驗狀態(tài)；

(4)通過“上升”或者“下降”按鍵，調(diào)節(jié)工作臺高度，使測試工件與壓力傳感器剛接觸，但沒有作用力；

(5)按“試驗”按鍵，電機(jī)正轉(zhuǎn)，工作臺上升，開始試驗；

(6)當(dāng)工件被擠壓碎時，電機(jī)會停止5 s，然后反轉(zhuǎn)，工作臺下降；

(7)當(dāng)工作臺下降到合適位置時，按一次“打印”鍵，電機(jī)停止；

(8)讀取數(shù)碼管顯示的最大剪應(yīng)力和剪應(yīng)變，再按“打印”鍵，打印數(shù)據(jù)曲線單；

(9)通過“上升”、“下降”按鍵調(diào)整工作臺到合適位置，固定工件和位移傳感器后，按“上升”鍵，使工件與壓力傳感器、位移傳感器剛接觸，然后按“試驗”鍵，開始下一次試驗。

6 結(jié)論

本文主要完成了純剪切測試儀控制器的設(shè)計與制作。純剪切測試儀控制器系統(tǒng)硬件包括剪應(yīng)力小信號放大調(diào)理電路、剪應(yīng)變AD采樣電路、按鍵輸入檢測電路、系統(tǒng)狀態(tài)顯示電路、數(shù)碼管顯示電路、打印機(jī)驅(qū)動電路、交流電機(jī)控制電路；軟件包括剪應(yīng)變和剪應(yīng)力數(shù)據(jù)采集、保存、曲線打印功能[11]。純剪切測試儀控制器系統(tǒng)實現(xiàn)了預(yù)期計劃的功能，能夠通過對純剪切測試機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制，對混凝土樣品進(jìn)行純剪切應(yīng)力測試。系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，具有一定的實際應(yīng)用和推廣價值。

[1] 陳亮,高國旺,馬認(rèn)琦,等.高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器在壓力信號采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子測試，2011(4):1-3.

[2] 周文怡,方俊雅,朱子環(huán).基于LabVIEW的靜重式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2015,23(2):471-473.

[3] 崔國麗,車喜龍.基于STC12C5A60S2與AD620的小信號采集系統(tǒng)[J].電子設(shè)計工程，2012,20(11):112-114.

[4] 宋鳳娟,付侃,薛雅麗.STC12C5A60S2單片機(jī)高速A/D轉(zhuǎn)換方法[J].煤礦機(jī)械，2010,31(6):219- 221.

[5] 李紅巖,高陽東.基于LPC2131的RF遙控多關(guān)節(jié)蛇形機(jī)器人[J].自動化與儀表，2014,29(6)：1-4.

[6] 陳敏,林志雄,林元模,等.一種電子秤標(biāo)簽打印系統(tǒng)的設(shè)計[J].廊坊師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014, 14(2)：47-49.

[7] 史文宏.交流電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究[J].露天采礦技術(shù)，2010(S1):50-51.

[8] 楊行,楊嵩,劉藝.微弱信號鎖相檢測的電路研究[J].壓電與聲光，2015,37(3):529-532.

[9] 侯龍 ，劉海順，劉慶玲，等.基于STC12c5a60s2單片機(jī)的3D顯示屏設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2015,34(2):91-92.

[10] 胡仕兵，趙敏智.智能直流電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 [J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014,40(8):83-86.

[11] 楊旭方.一款基于89C51單片機(jī)實現(xiàn)的手持收費打印機(jī)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2015，34(4):107-109.

Design of control system for pure shear stress test instrument based on STC12C5A60S2

Liu Ni

(Xi’an KEDAGAOXIN University, Xi’an 710109, China)

This paper introduces a kind of pure shear stress testing instrument for detecting the relationship between shear and shear stress of asphalt concrete structure in road construction. The controller of mechanical device and control system based on STC12C5A60S2 is designed. Control system consists of data acquisition module, micro control unit, display module, print module, and motor control module. After actual test, it can be used to test the pure shear stress of concrete samples, the system runs stably and reliably, and the test data is accurate. It has certain practical application value.

pure shear; shear strain; shear stress; STC12C5A60S2; embed printer; MAX7219

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.09.009

劉妮.基于STC12C5A60S2的純剪切應(yīng)力測試儀控制系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(9)：28-30，33.

2016-12-13)

劉妮(1989-)，女，碩士，助教，主要研究方向：智能檢測與自動化控制、移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。