液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)計(jì)算機(jī)接口設(shè)計(jì)
1 設(shè)計(jì)思路
要完 成 上 述功能，首先應(yīng)將待測(cè)量載荷的變化轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的變化，即信號(hào)的獲取。電學(xué)量得到后常常需經(jīng)過(guò)放大處理，然后進(jìn)人模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換電路中將模擬量離散成數(shù)字量。將這些數(shù)字量通過(guò)特定的接口電路翰人到計(jì)算機(jī)中，利用軟件程序控制采樣間隔、采樣總時(shí)間等，并繪制相應(yīng)的動(dòng)畫曲線和實(shí)物模擬。
2 設(shè)計(jì)過(guò)程及工作原理
2.1傳感器設(shè)計(jì)
本部分元件主要功能是完成非電學(xué)量到電學(xué)量的轉(zhuǎn)化。設(shè)計(jì)中除了要求一定的精度外，結(jié)構(gòu)要盡量簡(jiǎn)單。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在液壓式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)中載荷的大小可以通過(guò)液壓油的油壓力表現(xiàn)出來(lái)。因此，可以用測(cè)壓膜片將油壓轉(zhuǎn)化為應(yīng)變片電阻的變化，通過(guò)惠斯登電橋?qū)㈦娮璧淖兓D(zhuǎn)化為電壓或電流的變化，進(jìn)而進(jìn)行放大、濾波等處理即可輸出。此方案需從工作油缸中引出一支路或?qū)⒂透足@孔以安裝油壓傳感器。另一種方案是根據(jù)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)，尋找適當(dāng)位置安裝拉(壓)力傳感器直接敏感施加在試件上的載荷。這樣需將某施力桿件斷開，以安裝拉(壓)力傳感器。上述兩種方案都要改變?cè)瓩C(jī)器結(jié)構(gòu)，改造工藝復(fù)雜，而且電橋輸出收摘日期:加眼1一此一價(jià)的電學(xué)信號(hào)需要進(jìn)行放大、濾波等處理，相應(yīng)電路較為復(fù)雜，精度不易保證。為了尋求 一種更簡(jiǎn)單、可靠的測(cè)力方法，對(duì)該試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析。研究發(fā)現(xiàn):施加在試件上的載荷大小與機(jī)器內(nèi)部擺錘擺起的角度成正比，推動(dòng)擺錘擺動(dòng)的桿件沿軸線平移。即該桿件總成移動(dòng)的位移與載荷成線性關(guān)系。利用該機(jī)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，就把測(cè)量載荷的大小問(wèn)題轉(zhuǎn)化成測(cè)量該桿件總成的位移問(wèn)題?？紤]到此部位運(yùn)動(dòng)頻率較低，故采用線繞式高精度線性電阻變換器測(cè)量位移。這樣不改變?cè)瓩C(jī)器設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)，輸出值也足夠大，不需放大處理便可以直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，使線路簡(jiǎn)單，誤差較小。
2.2 A/D轉(zhuǎn)換器的選用及外圍電路設(shè)計(jì)
本部分電路是將前面已經(jīng)得到的模擬電壓信號(hào)離散成數(shù)字信號(hào)，以便于計(jì)算機(jī)識(shí)別。
2.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及特性A/D轉(zhuǎn)換芯片種類繁多、性能各異、價(jià)格差別很大。按其轉(zhuǎn)換原理分二進(jìn)制斜坡法、積分法、并行比較法、電壓一頻率轉(zhuǎn)換法和逐次比較法等。由于本實(shí)驗(yàn)要測(cè)量數(shù)據(jù)通道數(shù)少，要求轉(zhuǎn)換速率不高，考慮外圍電路簡(jiǎn)單、可靠性好、電源要求低及經(jīng)濟(jì)性等因素，選擇ADC0809芯片.它是CMOs數(shù)據(jù)采集器件，為28腳雙列直插式封裝，它不僅包括一個(gè)8位的逐次逼近型的轉(zhuǎn)換器，而且還提供了一個(gè)8通道的模擬多路開關(guān)和聯(lián)合尋址邏輯。其主要特點(diǎn)為:①采用單5V電源，工作時(shí)鐘范圍為IOKH2一1MH2(典型值為640KHz); ②分辨率為8位二進(jìn)制碼，精度7位，零偏差和滿量程誤差均小于0.51 SB，不需校準(zhǔn);③具有8通道門鎖開關(guān)控制，可直接接入8個(gè)單端模擬量。該芯片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用的是逐次比較法。該比較方法應(yīng)用較多，許多A/D轉(zhuǎn)換芯片都是以此原理制成的。它是用一系列的基準(zhǔn)電壓(如同天平稱重時(shí)所用的祛碼)同輸人要轉(zhuǎn)換的電壓〔稱重物體)，以逐位確定轉(zhuǎn)換成的數(shù)的各位是1還是0，確定次序是從高位到低位進(jìn)行，這如同天平稱重，一個(gè)個(gè)地加祛碼，從大到小，直到所加祛碼同重物重量相等為止，祛碼重量就是重物重量。
2.2.2 外圍電路設(shè)計(jì)ADC0809引腳功能及處理分述如下:
路模擬輸人，通過(guò)ADDA,A DDS,A DDC3 個(gè)地址譯碼來(lái)選通哪一路。AD DA , A DDB,A DDC:模擬通道選擇地址信號(hào)。ADDA為低位，ADDC為高位。如000則選通0通道，即U,o起作用。依次類推，由于本實(shí)驗(yàn)只需轉(zhuǎn)換一個(gè)通道，故無(wú)須通道地址選通，只是將3個(gè)地址均接地，即僅從Up輸人有效。CL K: 時(shí) 鐘輸人信號(hào)端，由于本芯片無(wú)內(nèi)部時(shí)鐘，故孺外加時(shí)鐘，根據(jù)其頻率要求，設(shè)計(jì)振蕩器如圖2,采用非門振蕩，產(chǎn)生與石英晶體同頻率的方波脈沖信號(hào)，頻率為32KHz,符合CLK時(shí)鐘要求。EO C: 轉(zhuǎn) 換結(jié)束信號(hào)，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。將該信號(hào)送人計(jì)算機(jī)中，通知其可以讀數(shù)據(jù)。由于 輸 人 信號(hào)頻率較低，故未設(shè)采樣保持電路。
2.3 接口及程序控翻
計(jì)算機(jī)要接收數(shù)宇信號(hào)有多種通訊方式，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)主板擴(kuò)充擂槽完成，也可以用并行接口和串行接口。主板擴(kuò)展相雖信號(hào)較全面，設(shè)計(jì)板卡較容易，但通用性差，需打開主機(jī)箱安裝板卡。申行接口雖可進(jìn)行遠(yuǎn)距離通訊，但速度慢，而且需要另外設(shè)計(jì)通訊適配器。并行接口常用于連接抽出設(shè)備(如打印機(jī))。但通過(guò)軟件控制計(jì)算機(jī)完全可以摘人數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)采用C語(yǔ)言編程，端口控制源程序如下:
2.4 電路千擾控制
電路中可能存在許多干擾，如電源、地線噪聲、電磁干擾等，若不做適當(dāng)處理，必然影響正常工作。處理方法為:①電撅取自計(jì)算機(jī)，工作電壓為5V，考慮到計(jì)算機(jī)內(nèi)電壓精度不高，因而用LM7805三端穩(wěn)壓器將取出的12V電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理。精度可以滿足要求。為減小電源噪聲，在LM7805的前端加一大容量電解電容進(jìn)行低頻建波，以減小脈動(dòng)成分。在每個(gè)芯片的電源與地線之間加接高頻濾波電容，這樣就大大減少了由于電流負(fù)載瞬態(tài)地導(dǎo)通和切斷引起的尖峰電流所形成的干擾。②對(duì)于地線干擾控制，主要采用多點(diǎn)接地的方法。③將電源線與信號(hào)線分開，數(shù)據(jù)線屏蔽處理，盡量減小數(shù)據(jù)線的長(zhǎng)度，使電磁干擾控制在很小范圍內(nèi)。
常用的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多用主板擴(kuò)展槽或串行接口。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用計(jì)算機(jī)的并行口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集是完全可行的，而且具有其它端口無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，即線路簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)容易、干擾小、傳輸速率高、植性好等。這對(duì)于研究計(jì)算機(jī)控制具有重要意義。http://m.icp.gs.cn/