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钢丝绳拉力试验机控制系统设计

来源:拉力试验机厂家    发布时间:2014-09-30 08:26
钢丝绳拉力试验机控制系统设计
本钢丝绳拉力试验机控制系统主要是采用单片机控制系统与上位PC机相结合的控制系统。该试验机的所有试验都是由控制系统来完成,以单片机为控制中心,由PC发出指令,控制整个试验的运行。

4.1 CPU电路设计

该钢丝绳拉力试验机的控制系统主要是采用单片机技术,单片机集成度高,集片内存储器、片内输入输出部件和CPU于一体,现广泛应用于数控机床等各方面。
该系统采用MCS-51系列单片机8031,价格低、使用灵活,但8031片内无ROM,需扩展ROM。

4.1.1 8031芯片引脚及功能

8031芯片具有40跟引脚,其引脚图如图4.1.1所示:
图4.1.1  8031芯片引脚
图4.1.1  8031芯片引脚
   其中I/O端口P0.0—P0.7是一个8位漏极开路的双向I/O端口,在存取外部存储器时,该端口分时地用作低8位的地址线和8位双向的数据端口(在此时内部上拉电阻有效);P1.0—P1.7是带内部上拉电阻的8位双向I/O通道,专供用户使用;P2.0—P2.7为一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,在访问外部存储器时,它输出高8位地址A8—A15.RXD为串行输入口,TXD为串行输出口,T0、T1为定时器外部输入,WR外部数据存储器写入选通,RD外部数据存储器读入选通,INT0、INT1外部中断。

4.1.2 芯片的存储器结构及地址分配

    8031芯片内部无程序存储器,只有256字节的数据存储器,地址从00H-FFH。8031芯片内部256字节的空间被分成两部分,其中内部数据存储器,地址为00H-FFH,特殊功能寄存器的地址为80H-FFH。在内部数据存储器中的00H-FFH为四个工作寄存器区,每个区都有8个8位寄存器。用来暂存运算中的中间结果以提高运算速度。
位寻址区,CPU即可对其执行按字节操作,又可对其中每个单元的8位二进制代码执行按位操作。数据缓冲区,在此区可设置堆栈。
 8031芯片内部没有程序存储器,且仅有128字节的数据存储器,因而在组成控制系统时可以根据需要扩展外部程序存储器和外部数据存储器。最多能扩展64K程序存储器和64K数据存储器,且为独立编址,故分配比较自由。

4.2 存储器扩展电路设计

 单片机的特点之一是硬件设计简单,系统结构紧凑,对于简单的应用场合,用一片8031外扩展一片EPROM就能满足功能的要求。
 8031的程序存储器的寻址空间为64K字节,8031片内部带ROM,用作程序存储器的器件为EPROM。本系统选用ROM芯片为2764(8K×8),其为28脚双列直插式扁平封装芯片,引脚向下兼容。
 由于单片机8031芯片的P0是分时传送低8位地址和数据线,故8031扩展系统中一定要有地址锁存器,本系统所选的地址锁存器为74LS373,其为带三态缓冲输出的8D触发器。
 由于8031芯片内部RAM只有128字节,远远不能满足系统的需求,故需扩展片外的数据存储器RAM。该系统所选用的RAM芯片为6264(8K×8),6264采用CMOS工艺由单+5V供电,存取时间为150-200ns,采用28脚双列直插式扁平封装。
 图4.2为8031芯片与74LS373,2764,6264连接:
 图4.2 8031芯片与74LS373,2764,6264连接
           图4.2 8031芯片与74LS373,2764,6264连接
 该系统8031单片机已扩展程序存储器和数据存储器,能够有效地把外部地址空间分配给这些芯片。并用使程序存储器各芯片之间,数据存储器各芯片之间(包括I/O口芯片)地址互相不重叠,以使单片机访问外部存储器时,避免发生冲突,当8031数据总线分时地与各个外围芯片进行数据传送时,首先要进行片选,而当片内有多字节单元时,还要进行片内地址选择。
故单片机许连接一个地址译码器,本方案地址译码器选择全地址译码器74LS138,输入端占用3根位地址线,剩余的13跟低位地址线可作为片内地址线。74LS138译码器的8根输出线分别对应8个8K字节的地址空间。74LS138与8031连接如图4.3所示:
 接口电路设计               图4.3  74LS138与8031,2764,6264连接

4.3 I/O接口电路设计

 8031单片机共有四个8位并行接口,但可供用户使用的只有两个,因此大部分应用系统中都需要扩展I/O口芯片。该方案选用的外围接口芯片为8255,8255为可编程的通用并行接口电路(3个8为口)。
  8255为可编程输入输出接口芯片,具有3个8位的并行I/O口,分别为PA,PB,PC口,其中PC口又可分为高4位(PC7-PC4)和低4位(PC3-PC0),它们都可通过软件编程来改变I/O口的工作方式,8255芯片可与8031直接接口。8031与8255A芯片接口电路如图4.4所示:
图4.4  8031与8255接口图
                图4.4  8031与8255接口图

4.4 D/A转换电路设计

计算机控制整个系统的运行,而计算机输出的处理后的数字量,需要转换成模拟量,以实现连续变化的模拟量控制,即数/模转换(简称D/A)。
D/A转换器选择并行D/A转换器。该系统采用的D/A转换器为DAC0832D/A转换器。DAC0832本身是输出电流型的,当D/A转换结果需要电压输出时,可在DAC0832的Io1,Io2输出端加接一个运算放大器,将电流信号转化成电压输出。由于DAC0832是双缓冲器,因此其硬件接口简单。DAC0832与8031主机的硬件接口电路如图4.5所示:
 
图4.5  8031与DAC0832硬件接口电路
               图4.5  8031与DAC0832硬件接口电路

4.5 A/D转换电路设计

在做钢丝绳拉力实验过程中,由压力传感器所采集的载荷大小和由光电编码器所采集的脉冲,由于所得到的的模拟电压信号非常微弱,并且信号中肯定含有多种干扰信号。所以需要通过放大、滤波、转换等通过电路处理后才能传到计算机进行处理。在数据采集过程中使用AD转换芯片ADC0809,ADC0809由8路多路开关和8位A/D转换以及能兼容的控制逻辑的CMOS组件的微处理机组成。该转换器为逐次逼近式,与单片机直接进行接口。
ADC0809A/D转换器的应用  
输出锁存器与单片机直接相连。开始OE信号为低电平,ST信号也为低电平。A,B,C端口能够接收所要转换的地址。在ST端,会给出相应的正脉冲信号。是否转换完毕,根据EOC信号判断。当EOC与 OE同为高电平,转换的数据此时被单片机所获取。
ADC0809A/D转换器与单片机的连接如图4.6所示:
  DAC0809与8031硬件接口电路
  图4.6  DAC0809与8031硬件接口电路 

4.6 外部电路及通讯接口电路设计

单片机控制左侧运动小车的移动,运动小车由电机带动,整个外部接口与单片机接口相连,外部接口主要有:手动操作盒、调速器接口、位移光电编码器、限位开关等。
1、操作盒
左侧小车的移动,以及钢丝绳夹具的夹紧与松开,除了PC机可以控制外,主要是利用手动操作盒上的按钮来控制。手动操作盒上通过插口进行检测,手动操作盒与单片机的连接如下图所示。手动操作盒6个按钮,操作方式为:快进、快退、上夹紧、上松开、下夹紧、下松开。
2、光电编码器
光电编码器的主要作用是进行位移测量,主要是测量右侧运动小车的移动距离,从而转化成钢丝绳的伸长量。光电编码器与单片机的连接如下图所示。光电编码器主要是通过脉冲的数量来计算运动小车的位移量。
光电编码器、手动操作盒与单片机连接方式如图4.7所示
 位移光电编码器与8031连接电路
       图4.7 手动操作盒,位移光电编码器与8031连接电路
3.限位开关
行程限位开关的主要作用是当右侧的运动小车在液压缸的控制下向右移动时,如果超出指定的移动范围,限位开关通过单片机发出指令,驱动液压系统停止运行。钢丝绳拉力试验机拥有两个限位开关。限位开关如图4.8所示。
图4.8  限位开关
                         图4.8  限位开关
  计算机与外部设备的通讯有串行接口和并行接口,该钢丝绳拉力试验机中单片机与计算机的通讯运用串行通讯。单片机将收集处理后的数据输送到PC机当中,然后由PC机进行整理和处理,同时PC机通过单片机在控制整个系统的运行。
1.RS-232标准总线
该钢丝绳拉力试验机串行通讯主要运用RS-232标准总线。RS-232接口信号线功能如表4.6所示:
              表4.6 RS-232接口信号线功能
9芯引脚 25芯引脚 信号 功能 信号方向
对DTE 对DCE
  1 GND 保护地    
3 2 TXD 数据发送
2 3 RXD 数据接收
7 4 RTS 请求发送
8 5 CTS 允许发送
6 6 DSR DCE就绪
5 7 SGND 信号地    
1 8 DCD 接收信号选择
4 20 DTR DTE就绪
9 22 RI 振铃指示    
2.MAX202电平转换芯片
单片机与就PC机串行通讯主要是单片机串行数据接口与PC机RS-232串行接口进行的。单片机信号电平为TTL电平,而RS-232信号电平为标准电平,所以两者之间需要通过MAX202电平转换芯片来进行电平转换。
PC机与单片机串行接口连接如图4.9所示:
串行接口连接电路
                   图4.9 PC及与8031串行接口连接电路
 
 5 结论
本课题对钢丝绳拉力试验机的研究与应用主要是对钢丝绳的机械性能进行检测,能够公平公正地筛选出质量的钢丝绳,能够对各钢丝绳生产厂生产的钢丝绳进行有效的检测,为钢丝绳的检测技术提供了有效的科学依据。本课题所研究的钢丝绳拉力试验机是集传统钢丝绳拉力试验机与专项拉力试验机于一体的新型钢丝绳拉力试验机,对钢丝绳机械性能检测技术和试验机的研究很好地起到了借鉴作用,有效地促进了检测技术的完善发展。
本课题主要是对钢丝绳拉力试验机的机械结构进行设计,动力系统采用液压系统,并进行设计,数据采集系统以及单片机与PC机控制系统的设计。主要完成了以下工作:
1.有效地分析了传统钢丝绳拉力试验机的不足,并以此为出发点设计新型钢丝绳拉力试验机,对机械结构和特点进行方案设计,采用液压系统进行驱动,对液压缸进行设计。       
2. 设计了实验过程所进行的载荷测量和位移测量的方法,压力传感器和光电编码器的选择。
3.单片机控制系统的设计,主要有CPU电路部分的设计、存储器电路设计、I/O接口电路设计、D/A转换电路设计、A/D转换电路设计、外部接口及通讯接口设计。
该钢丝绳拉力试验机目前运行良好,能够准确地采集钢丝绳所受载荷以及钢丝绳的伸长量,并且所有数据都能够通过PC机窗口进行显示,PC系统能够对所采集的数据进行有效的分析和处理。该钢丝绳拉力试验机可操作性强,模拟工况良好,测量范围广,有很好的实用价值。


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