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拉力试验机设计的总体方案及各种元气件介绍

来源:拉力试验机厂家    发布时间:2015-01-31 13:42
拉力试验机设计的总体方案及各种元气件介绍

2.1.2各种元气件的选用
单片机型号:89C51
A/D转换器型号:CS5530
电平转换芯片:MAX232
传感器:因本课题需完成多量程的测量,采用的位移传感器分为大量程和小量程两种。现拟采用应变片测量小量程,码盘用于大量程的测量。应变片受力拉伸产生形变,电阻发生变化,输出随其改变。码盘用于产生方波信号,单片机可对其进行计数。
2.2 A/D转换器CS5530的介绍
2.2.1CS5530的组成
24位的CS5530是高度集成的Delta-Sigma 模拟至数字(A/D)转换器,包括一个仪器放大器,一个PGA(可编程的增益放大器),8个数字滤波器和自校准及系统校准电路。这种转换器的设计使它可以自己产生负电源电压,供给片内仪器放大器以测量小于100毫伏的双极接地参考信号。通过直接提供-2.5伏NBV和5伏的VA+,可达到测量±2.5伏信号的目的。数字滤波器可提供3.76赫兹至202赫兹(XIN=32.768千赫) 的可编程输出更新率。通过使用XIN=100千赫,可使输出率增加约3倍。每个滤波器的输出修正率在一个转换周期内可达到完全的程度。这些输出率小于15赫兹的滤波器 (XIN = 32.768 千赫) 可同时抑制50和60赫兹(±3赫兹) 的电平干扰。低电压,单相转换稳定时间,可编程输出率和提供负电压输入信号的能力使得这些单相供电产品成为独立或非独立应用的理想芯片。
2.2.2 CS5530主要特性如下:
1.Delta-Sigma A/D转换器
线性误差: 0.0015% FS
无噪音分辨率: 18位
2.双极/单极输入范围
25毫伏、55毫伏、100毫伏、1伏、2.5伏和5伏
3.用斩波器稳定的仪器放大器
4.片内充电泵驱动电路
4位输出锁存器
5.单相3线串行接口
与SPI和 Microwire兼容
串行时钟的施密特触发(SCLK)
6.可编程输出率
3.76赫兹至202赫兹(XIN=32.768千赫)
11.47赫兹至616赫兹(XIN=100千赫)
7.输出设定在一个转换周期内
8.同步50/60赫兹噪音抑制
9.带读/写寄存器的系统校准和自校准
10.单相+5 V 模拟供电;+3 V或+5 V数字供电
11.低功耗: 4.9 mW
在1 V、2.5 V和5 V范围内功耗为1.8 mW
12.封装:20引脚SSOP,20引脚PDIP; 无铅装配
2.2.3引脚功能
CS5530采用 20脚双列直插式封装其引脚排列。其引脚功能如下:
AGND:模拟地;
VA+:模拟电压正端;
AIN1+、AIN1-: 分别为模拟信号输入的正、负端;
A0 , A1 :两个逻辑输入脚, A0~A1 的逻辑状态与 Configuration register 的位D20~D21一致。其逻辑 0输出为 AGND , 逻辑 1输出为 VA + ;
CPD:方波驱动脚;
SCLK:串行时钟输入脚;
DGND:数字地;
VD + :数字电压正端;
SDO:串行数据输出;
SDI :串行数据输入;
CS:片选线;
VREF + ,VREF - :参考电压输入端。
2.3单片机89C51介绍
89C51是一个低电压高性能的CMOS 8为单片机,片内含4k bytes的可反复擦写的flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统片内置通用8位中央处理器和flash存储单元。AT89C51是一个低功耗高性能单片机,40个引角,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,2个16位可编程定时计数器,一个全双工串行通信口,AT89C51可以按照常规方法进行编程,这给开发带来方便。其管脚说明如下:
  VCC:供电电压。
  GND:接地。
  P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
  P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
  P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
  P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
  P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
  口管脚 备选功能
  P3.0 RXD(串行输入口)
  P3.1 TXD(串行输出口)
  P3.2 /INT0(外部中断0)
  P3.3 /INT1(外部中断1)
  P3.4 T0(记时器0外部输入)
  P3.5 T1(记时器1外部输入)
  P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)
  P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)
  P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
  RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
  ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
  /PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
  /EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
2.4 RS232串行口及电平转换芯片MAX232介绍
2.4.1串行口RS232
RS232接口是1970年由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。
它的全名是“数据终端设备(DTE)和数据通讯设备(DCE)之间串行二进制数据交换接口技术标准”该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器,对连接器的每个引脚的信号内容加以规定,还对各种信号的电平加以规定。DB25的串口一般只用到的管脚只有2(RXD)、3(TXD)、7(GND)这三个,随着设备的不断改进,现在DB25针很少看到了,代替他的是DB9的接口,DB9所用到的管脚比DB25有所变化,是2(RXD)、3(TXD)、5(GND)这三个。因此现在都把RS232接口叫做DB9。其通信原理如下:
PC机之问的通信的核心部件是计算机内部的P C/X T异步通讯适配器。它包括R S一232标准的电压接口和20m A电流环路的电流接口,主要由串行接口芯片INS825 0,EIA一1TrL电平转换器SN75150,75154及I/O地址译码电路三个主要部分组成。其中INS8250是该适配器的核心器件。INS825是通用异步收发器UART,只适合作异步起止式协议接口电路。8250内部包括数据总线缓冲器,选择和读/写控制逻辑,发送器,接收器,调制/解调控制电路,通信线控制寄存器,通信线状态寄存器,波特率发生控制电路和中断控制逻辑。8250内部有10个可寻址的寄存器.共分为三组:组用于实现数据传输,有发送保持寄存器,接收缓冲寄存器;第二组用于工作方式,通信参数的设置(称为命令字寄存器),有通信线控制寄存器,除数寄存器,Modem控制寄存器,中断允许寄存器; 第三组称为状态寄存器,有通信线:态寄存器,Modem状态寄存器和中断识别寄存器。P C机中有两块适配器板,故计算机中有两个串行通讯口,其口地址范围分别2F8H一2FFt和3F8H一3FFH,这两块适配器所产生的中断请求,经跳接开关进行转接,分别产生中断请求信号IRQ3、 IRQ4。PC机的异步串行通信主要是对这些寄存器进行编程而实现的。
2.4.2 MAX232
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。内部结构基本可分三个部分:
  部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源,提供给RS-232串口电平的需要。
  第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT)为数据通道。8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头;DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC(+5v)。
2.5码盘的介绍
2.5.1码盘工作原理
光电编码器是高精度控制系统常用的位移检测传感器。当控制对象发生位置变化时,光电编码器便会发出A、B两路相位差90度的数字脉冲信号。正转时A超前B90度,反转时B超前A90度。脉冲的个数与位移量成比例关系,因此通过对脉冲计数就能计算出相应的位移。该方法不仅使用方便、测量准确,而且成本较低,因此在电力拖动系统中,经常采用第二种位置测量方法。使用光电编码器测量位移,准确无误的记数起着决定性作用。由于在位置控制系统中,电机既可以正转,又可以反转,所以要求计数器既要能够实现加计数,又要能够实现减计数。相应的计数方法可以用软件来实现,也可以用硬件来实现。
使用软件方式对光电编码器的脉冲进行方向判别和计数降低了系统控制的实时性,尤其当使用光电编码器的数量较多时,并且其可靠性也不及硬件电路。但是用软件计数外围电路比较简单,所以在计数频率不高的情况下,使用软件计数还是有一定优势的。对编码器中输出的两路脉冲进行计数主要分两个步骤,首先要对编码器输出的两路脉冲进行鉴相,即:判别电机是正转还是反转;其次是进行加减计数,正转时加计数,反转时减计数。
2.5.2码盘的鉴相原理
  脉冲鉴相的方法比较多,既可以用软件实现,也可以用一个D触发器实现。由编码器输出波形可以看出,编码器正转时A相超前B相90度.在A相脉冲的下降沿处,B相为高电平;而在编码器反转时,A相滞后B相90度,在A相脉冲的下降沿处,B相输出为低电平。这样,编码器旋转时通过判断B相电平的高低就可以判断编码器的旋转方向。
1.用软件实现脉冲的鉴相、计数
编码器输出的A向脉冲接到单片机的外部中断INT0,B向脉冲接到I/O端口P1.0。当系统工作时,首先要把INT0设置成下降沿触发,并开相应中断。当有有效脉冲触发中断时,进行中断处理程序,判别B脉冲是高电平还是低电平,若是高电平则编码器正转,加1计数;若是低电平则编码器反转,减1计数。
2.用硬件实现脉冲的鉴相、计数
  硬件计数在执行速度上有软件计数不可比拟的优势,通常采用多个可预置4位双时钟加减计数器74LS193 级联组成的加减计数电路。P0-P3为计数器的4位预置数据端,与数据输入锁存器相接;QA-QD 为计数器的4位数据输出端,与数据输出缓冲器相接;MR为清零端与上电清零脉冲相接;PL为预置允许端,由译码控制电路触发;CU 为加脉冲输入端,CD为减脉冲输入端;TCU为进位输出端,TCD 为借位输出端。当CU和CD中一个输入脉冲时,另一个必须处于高电平,才能进行计数工作。而从编码器直接输出的A、B两路脉冲不符合要求,不能直接接到计数器的输入端。但我们可以利用这两路脉冲之间的相位关系对其进行鉴相后再计数。鉴相电路用1个D触发器和2个与非门组成,计数电路用3片74LS193组成。当光电编码器顺时针旋转时, A相超前B相90°,D触发器输出/Q(W1)为高电平,Q(W2)为低电平,上面与非门打开,计数脉冲通过(W3),送至双向计数器74LS193的加脉冲输入端CU,进行加法计数;此时,下面与非门关闭,其输出为高电平(W4)。当光电编码器逆时针旋转时, A相比B相延迟90°,D触发器输出/Q(W1)为低电平,Q(W2)为高电平,上面与非门关闭,其输出为高电平(W3);此时,下面与非门打开,计数脉冲通过(波W4),送至双向计数器74LS193的减脉冲输入端CD,进行减法计数。

拉力试验机数据采集系统的硬件设计
3.1 电桥的选择
在传感器应用技术中,采用转换电路或仪器,把传感器敏感到的非电量变化转换成电压或电流变化,具有这种转换功能的电路称之为测量电路。
为了克服和减小非线性误差,提高电桥灵敏度,常采用如图2-2所示的差动电桥。将电桥4个臂接入4个应变片(应变片阻值为PR=120),如图2-2所示,即2个受拉应变,2个受压应变,将2个应变相同的应变计接入相对桥臂上,构成全桥差动电路。

图2-2差动电桥(全桥)

全桥差动电路可消除线性误差,而且电压灵敏度较高,是单臂电桥的4倍,半桥的2倍,且具有温度补偿作用。
  1. 电桥的调平
试件在未受载、无应变的初始条件下,应变电桥满足平衡条件(初始输出值为零)。本设计采用电阻并联法。如图2-3所示,调节电阻RA即可桥臂阻值比,使电桥满足平衡条件。

图2-3电阻调平
  1. CS5530与电桥的电路连接:
CS5530的VA+接电源AVCC,VD+接地。OSC1和OSC2之间接晶体振荡器,两个NC引脚接地,C1和C2接一电容,VA-端和DGND端接地。电桥中输入端接+6V的电压,输出端接CS5530的Ain+和Ain-两个引脚,另外两个引脚接地。具体电路图如下:

3.4 CS5530与89C51的电路连接
CS5530是SPI总线结构,其SCLK接时钟信号,接到单片机89C51的8号引脚,/CS为片选信号,接单片机89C51的22号引脚,SDO为发送数据端,接单片机89C51的7号引脚,SDI为接收数据端,接单片机89C51的6号引脚。其电路如下图:



 
  1. MAX232与89C51的电路连接
MAX232的C1+和C1-引脚之间接电容,C2+C2-引脚之间也接上电容,VCC接开关电源+5V,GND接地,T2in接单片机89C51的11号引脚,T2out接单片机89C51的10号引脚。具体电路如下图:

3.6 MAX232与串行口DB9的电路连接
DB9的7号脚与MAX232的T2in脚相连,8号脚与T2out相连,并与地之间接上1000K的电阻。其电路图如下:

3.7 位移光电编码器与单片机89C51的电路连接
光电码盘与电动机同轴,电动机旋转时,光栅盘与电动机同速旋转,经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号,通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外,为判断旋转方向,码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。所以码盘有两个输出。其与单片机的电路如下:

3.8电源电路
本系统需要一个+5V的模拟电压和一个+5V的数字电压。本设计为取三相交流电中相差120º的两相经二极管整成直流电,一路经7086芯片输出+5V的电压,再通过电感滤波,得到+5V的模拟电压。另一路经L4960芯片输出+5V电压,再经电感滤波得到+5V数字电压。故电源电路如下:

拉力试验机数据采集系统的软件设计
4.1软件设计的内容
单片机控制系统的软件设计一般分2 类, 系统软件和应用软件设计。系统软件的主要任务是: 管理整个控制系统的全过程, 比如, POW ERU P自诊断功能,KEY IN P IT 的管理功能, DISPLAY功能等等。是控制系统的核心程序,也称之为MON ITER监控管理程序其作用类似PC机的DO S系统。软件设计的几个方面如下:
(1) 可靠性设计 为保证系统软件的可靠性, 通常设计一个自诊断程序, 定时对系统进行诊断。在可靠性要求较高的场合, 可以设计看门狗电路, 也可以设计软件陷阱, 防止程序跑飞。
(2) 软件设计与硬件设计的统一性 在单片机系统设计中, 通常一个同样的功能, 通过硬件和软件都可以实现, 确定那些由硬件完成, 那些由软件完成, 这就是软件、硬件的折衷问题。一般来说, 在系统可能的情况下, 尽量采用软件, 因为这样可以节省经费。若系统要求实时性比较强, 则可采用硬件。
(3) 应用软件的特点 ① 实时性: 由于工业过程控制系统是实时控制系统, 所以对应用软件的执行速度都有一定的要求, 即能够在被控对象允许的时间间隔内对系统进行控制、计算和处理。换言之, 要求整个应用软件必须在一个采样周期内处理完毕。所以一般都采用汇编语言编写应用软件。但是, 对于那些计算工作量比较大的系统, 也可以采用高级语言和汇编语言混合使用的办法, 即数据采集、判断、及控制输
出程序用汇编语言, 而对于那些较为复杂的计算可采用高级语言。为了提高系统的实时性, 对于那些需要随机间断处理的任务, 通常采用中断系统来完成。② 通用性: 在应用程序设计中, 为了节省内存和具有较强的适应能力, 通常要求程序有一定的灵活性和通用性。为此, 可以采用模块结构, 尽量将共用的程序编写成子程序, 如算术和逻辑运算程序、A /D、D/A 转换程序、延时程序、P ID 运算程序、数字滤波程序、标度变换程序、报警程序等。
(4) 软件开发步骤 软件开发大体包括: 划分功能模块及安排程序结构; 画出各程序模块详细流程图;选择合适的语言编写程序; 将各个模块连接成一个完整的程序。
 








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