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微机屏显式液压万能试验机
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液压式万能试验机计算机接口设计


  1 设计思路
  首先应将待测量载荷的变化转化为电学量的变化,即信号的获取。电学量得到后常常需经过放大处理,然后进人模数(A/D)转换电路中将模拟量离散成数字量。将这些数字量通过特定的接口电路翰人到计算机中,利用软件程序控制采样间隔、采样总时间等,并绘制相应的动画曲线和实物模拟。
  2 设计过程及工作原理
  2.1传感器设计
  本部分元件主要功能是液压式万能试验机完成非电学量到电学量的转化。设计中除了要求一定的精度外,结构要尽量简单。通过分析发现,在液压万能试验机中载荷的大小可以通过液压油的油压力表现出来。因此,可以用测压膜片将油压转化为应变片电阻的变化,通过惠斯登电桥将电阻的变化转化为电压或电流的变化,进而进行放大、滤波等处理即可输出。此方案需从工作油缸中引出一支路或将油缸钻孔以安装油压传感器。另一种方案是根据万能试验机的结构,寻找适当位置安装拉(压)力传感器直接敏感施加在试件上的载荷。这样需将某施力杆件断开,以安装拉(压)力传感器。上述两种方案都要改变原机器结构,改造工艺复杂,而且电桥输出收摘日期:加眼1一此一价的电学信号需要进行放大、滤波等处理,相应电路较为复杂,精度不易保证。为了寻求 一种更简单、可靠的测力方法,对该试验机进行了内部结构分析。研究发现:施加在试件上的载荷大小与机器内部摆锤摆起的角度成正比,推动摆锤摆动的杆件沿轴线平移。即该杆件总成移动的位移与载荷成线性关系。利用该机器的结构特点,就把测量载荷的大小问题转化成测量该杆件总成的位移问题。考虑到此部位运动频率较低,故采用线绕式高精度线性电阻变换器测量位移。这样不改变原机器设备的结构和工作状态,输出值也足够大,不需放大处理便可以直接进行A/D转换,使线路简单,误差较小。
  2.2 A/D转换器的选用及外围电路设计
  本部分电路是液压式万能试验机将前面已经得到的模拟电压信号离散成数字信号,以便于计算机识别。
  2.2.1 A/D转换器的选择及特性A/D转换芯片种类繁多、性能各异、价格差别很大。按其转换原理分二进制斜坡法、积分法、并行比较法、电压一频率转换法和逐次比较法等。由于本实验要测量数据通道数少,要求转换速率不高,考虑外围电路简单、可靠性好、电源要求低及经济性等因素,选择ADC0809芯片.它是CMOs数据采集器件,为28脚双列直插式封装,它不仅包括一个8位的逐次逼近型的转换器,而且还提供了一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑。其主要特点为:①采用单5V电源,工作时钟范围为IOKH2一1MH2(典型值为640KHz); ②分辨率为8位二进制码,精度7位,零偏差和满量程误差均小于0.51 SB,不需校准;③具有8通道门锁开关控制,可直接接入8个单端模拟量。该芯片内结构如图1所示,采用的是逐次比较法。该比较方法应用较多,许多A/D转换芯片都是以此原理制成的。它是用一系列的基准电压(如同天平称重时所用的祛码)同输人要转换的电压〔称重物体),以逐位确定转换成的数的各位是1还是0,确定次序是从高位到低位进行,这如同天平称重,一个个地加祛码,从大到小,直到所加祛码同重物重量相等为止,祛码重量就是重物重量。
  2.2.2 外围电路设计ADC0809引脚功能及处理分述如下:
  液压式万能试验机路模拟输人,通过ADDA,A DDS,A DDC3 个地址译码来选通哪一路。AD DA , A DDB,A DDC:模拟通道选择地址信号。ADDA为低位,ADDC为高位。如000则选通0通道,即U,o起作用。依次类推,由于本实验只需转换一个通道,故无须通道地址选通,只是将3个地址均接地,即仅从Up输人有效。CL K: 时 钟输人信号端,由于本芯片无内部时钟,故孺外加时钟,根据其频率要求,设计振荡器如图2,采用非门振荡,产生与石英晶体同频率的方波脉冲信号,频率为32KHz,符合CLK时钟要求。EO C: 转 换结束信号,表示A/D转换结束。将该信号送人计算机中,通知其可以读数据。由于 输 人 信号频率较低,故未设采样保持电路。
  2.3 接口及程序控翻
  计算机要接收数宇信号有多种通讯方式,可以通过计算机主板扩充擂槽完成,也可以用并行接口和串行接口。主板扩展相虽信号较全面,设计板卡较容易,但通用性差,需打开主机箱安装板卡。申行接口虽可进行远距离通讯,但速度慢,而且需要另外设计通讯适配器。并行接口常用于连接抽出设备(如打印机)。但通过软件控制计算机完全可以摘人数据。本实验采用C语言编程,端口控制源程序如下:
  2.4 电路千扰控制
  电路中可能存在许多干扰,如电源、地线噪声、电磁干扰等,若不做适当处理,必然影响正常工作。处理方法为:①电撅取自计算机,工作电压为5V,考虑到计算机内电压精度不高,因而用LM7805三端稳压器将取出的12V电压进行稳压处理。精度可以满足要求。为减小电源噪声,在LM7805的前端加一大容量电解电容进行低频建波,以减小脉动成分。在每个芯片的电源与地线之间加接高频滤波电容,这样就大大减少了由于电流负载瞬态地导通和切断引起的尖峰电流所形成的干扰。②对于地线干扰控制,主要采用多点接地的方法。③将电源线与信号线分开,数据线屏蔽处理,尽量减小数据线的长度,使电磁干扰控制在很小范围内。
  液压式万能试验机常用的计算机数据采集系统多用主板扩展槽或串行接口。通过实验发现,用计算机的并行口进行数据采集是完全可行的,而且具有其它端口无法比拟的优点,即线路简单、设计容易、干扰小、传输速率高、植性好等。这对于研究计算机控制具有重要意义。

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