鍛壓設(shè)備噸位測量儀的研制
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介紹一種用于鍛壓機械壓力監(jiān)測的測量儀的功能及工作原理，并對測量儀中弱小信號放大、峰值檢測等硬件電路及軟件設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。
關(guān)鍵詞：噸位監(jiān)測；小信號放大；峰值檢測
Development of Tonnage Detection Instrument for Pressure Machine
YI Xianjun, YE Chunsheng
(State Key Lab. of Plastic Forming Simulation and Die Mould, HUST ,
Wuhan 430074, China)
Wuhan 430074, China)
Key words: tonnage measurement; low level signal amplification; peak detection
1測量儀的功能
根據(jù)鍛壓設(shè)備的工藝要求，設(shè)計的功能如下：
(1)有兩類測量模式：一是在擠壓情況下對壓力值進(jìn)行實時跟蹤測量；二是測量打擊情況下每次打擊中力的峰值。當(dāng)在后者測量時，要區(qū)分兩種情況：本班次的打擊作業(yè)從一個新的工件開始；本班次的打擊作業(yè)是對尚未完工的工件的繼續(xù)工作。
(2)在擠壓情況下對壓力值進(jìn)行實時跟蹤測量時，在顯示屏上實時顯示測得的壓力數(shù)據(jù)；當(dāng)外力消失時，顯示值也消失。
(3)在打擊情況下測量時，對當(dāng)班次作業(yè)的打擊次數(shù)與打擊峰值中的最大值、該工件累計的打擊次數(shù)與打擊峰值最大值以及該測量儀本身已記錄的打擊次數(shù)的累計值與歷史打擊峰值最大值進(jìn)行記錄，記下最后的20錘的打擊峰值，并可在測量結(jié)束后調(diào)出這些數(shù)據(jù)顯示。
(4)通過鍵盤設(shè)置檢測力的極限值，當(dāng)測量超載時發(fā)出報警信號。
根據(jù)鍛壓設(shè)備的工藝要求，設(shè)計的功能如下：
(1)有兩類測量模式：一是在擠壓情況下對壓力值進(jìn)行實時跟蹤測量；二是測量打擊情況下每次打擊中力的峰值。當(dāng)在后者測量時，要區(qū)分兩種情況：本班次的打擊作業(yè)從一個新的工件開始；本班次的打擊作業(yè)是對尚未完工的工件的繼續(xù)工作。
(2)在擠壓情況下對壓力值進(jìn)行實時跟蹤測量時，在顯示屏上實時顯示測得的壓力數(shù)據(jù)；當(dāng)外力消失時，顯示值也消失。
(3)在打擊情況下測量時，對當(dāng)班次作業(yè)的打擊次數(shù)與打擊峰值中的最大值、該工件累計的打擊次數(shù)與打擊峰值最大值以及該測量儀本身已記錄的打擊次數(shù)的累計值與歷史打擊峰值最大值進(jìn)行記錄，記下最后的20錘的打擊峰值，并可在測量結(jié)束后調(diào)出這些數(shù)據(jù)顯示。
(4)通過鍵盤設(shè)置檢測力的極限值，當(dāng)測量超載時發(fā)出報警信號。
? 噸位測量儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。行程開關(guān)主要檢測鍛壓設(shè)備打擊錘的起落信號，并將該信號經(jīng)光電隔離后送入單片機。壓力傳感器所檢測的壓力經(jīng)信號放大及峰值(打擊力最大值)采集電路處理后進(jìn)入帶片內(nèi)采樣保持的模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC1543，在單片機AT89C52的控制下對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換和讀取。單片機的P11引腳對峰值采集電路進(jìn)行控制。當(dāng)儀表設(shè)置成打擊模式下對每錘打擊力最大值測量時，P11輸出低電平，峰值采集保持電路起峰值保持作用，單片機根據(jù)行程開關(guān)所測得的信號對每一次打擊的力的最大值進(jìn)行采樣；當(dāng)儀表對壓力值進(jìn)行實時跟蹤測量時，P11輸出高電平，峰值保持器功能被旁路，峰值保持電路輸出電壓緊緊跟隨其輸入電壓。X25045為內(nèi)帶512字節(jié)的串行EEPROM及看門狗和電壓監(jiān)控功能的集成芯片，用來對打擊次數(shù)、打擊峰值及各次打擊力等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并對儀器的工作起抗干擾作用。當(dāng)壓力超載時，單片機引腳P12發(fā)出信號控制電鈴發(fā)出聲音報警。LCD中文顯示模塊和編碼鍵盤實現(xiàn)人機操作及測量顯示。儀表帶有打印機接口，可以驅(qū)動微型打印機TPuP40A將記錄數(shù)據(jù)打印出來；并通過RS232與上位機通訊。
3.1傳感器微弱信號的放大
壓力傳感器內(nèi)部是由4個應(yīng)變片構(gòu)成的橋式電路。當(dāng)外加壓力時應(yīng)變片產(chǎn)生形變，相應(yīng)的電阻值發(fā)生變化，從而使橋路失去平衡；在電橋有外電源供電的情況下，產(chǎn)生微弱的電壓輸出。為了保證電橋輸出電壓信號能與所承受壓力保持線性關(guān)系，應(yīng)變橋的電源由恒流源供電。如圖2所示，運放uPC151C、穩(wěn)壓管D1及精密電阻R3組成約2mA的恒流源，壓力傳感器的上下兩端在所承受的壓力范圍內(nèi)有0～15mV的電壓輸出。由于所采用的壓力傳感器無調(diào)零引腳，從D1上由W1取穩(wěn)定的微小直流電壓信號對電橋輸出進(jìn)行調(diào)零。
由于要對微弱信號進(jìn)行高倍數(shù)放大，而且傳感器橋路輸出信號的共模電壓很高，這里采用了具有高共模抑制比的差分輸入專用儀表放大器芯片AD524。按圖2電路中的接法，電路的放大倍數(shù)
1。外接的增益調(diào)整電阻R4對放大器的增益精度和溫漂影響較大，必須選擇溫度系數(shù)小的高精度電阻。W2(接于AD524的4、5引腳間)為放大器的輸入偏置調(diào)節(jié)電阻，AD524的輸入偏置產(chǎn)生的誤差是與放大增益成正比的，在高倍數(shù)放大中此偏置調(diào)節(jié)電阻必不可少。儀表放大器芯片的SEN腳為輸出參考端，這里作接地處理。實際應(yīng)用中即使該SEN腳對地之間存在很小的電阻值，也將會對器件的共模抑制比產(chǎn)生很大的影響，因此在設(shè)計該部分的印制板時要加以注意。AD524的正負(fù)電源引腳處接濾波電容C1、C2，以消除電源帶來的干擾。
壓力傳感器內(nèi)部是由4個應(yīng)變片構(gòu)成的橋式電路。當(dāng)外加壓力時應(yīng)變片產(chǎn)生形變，相應(yīng)的電阻值發(fā)生變化，從而使橋路失去平衡；在電橋有外電源供電的情況下，產(chǎn)生微弱的電壓輸出。為了保證電橋輸出電壓信號能與所承受壓力保持線性關(guān)系，應(yīng)變橋的電源由恒流源供電。如圖2所示，運放uPC151C、穩(wěn)壓管D1及精密電阻R3組成約2mA的恒流源，壓力傳感器的上下兩端在所承受的壓力范圍內(nèi)有0～15mV的電壓輸出。由于所采用的壓力傳感器無調(diào)零引腳，從D1上由W1取穩(wěn)定的微小直流電壓信號對電橋輸出進(jìn)行調(diào)零。
由于要對微弱信號進(jìn)行高倍數(shù)放大，而且傳感器橋路輸出信號的共模電壓很高，這里采用了具有高共模抑制比的差分輸入專用儀表放大器芯片AD524。按圖2電路中的接法，電路的放大倍數(shù)
1。外接的增益調(diào)整電阻R4對放大器的增益精度和溫漂影響較大，必須選擇溫度系數(shù)小的高精度電阻。W2(接于AD524的4、5引腳間)為放大器的輸入偏置調(diào)節(jié)電阻，AD524的輸入偏置產(chǎn)生的誤差是與放大增益成正比的，在高倍數(shù)放大中此偏置調(diào)節(jié)電阻必不可少。儀表放大器芯片的SEN腳為輸出參考端，這里作接地處理。實際應(yīng)用中即使該SEN腳對地之間存在很小的電阻值，也將會對器件的共模抑制比產(chǎn)生很大的影響，因此在設(shè)計該部分的印制板時要加以注意。AD524的正負(fù)電源引腳處接濾波電容C1、C2，以消除電源帶來的干擾。
圖3是打擊模式下對打擊力峰值進(jìn)行采集并保持的電路，由比較器LM311及采樣保持芯片LF398構(gòu)成。LF398的LOGIC引腳為采樣／保持控制引腳，當(dāng)LOGIC引腳電壓大于1.4V時，芯片的輸出電壓大小跟蹤輸入；當(dāng)LOGIC引腳電壓小于1.4V時，芯片的輸出保持為當(dāng)LOGIC引腳剛過1.4V時的輸入電壓值。
而當(dāng)儀器為連續(xù)跟蹤測量方式時，單片機P11引腳發(fā)出‘1’信號，從而使LF398始終處于跟蹤狀態(tài)，電路的輸出Vout等于輸入Vin。
3.3軟件設(shè)計
在測量儀的軟件設(shè)計中，采用了模塊化設(shè)計方法。系統(tǒng)軟件由以下幾個模塊構(gòu)成：主程序、鍵盤中斷服務(wù)子程序、數(shù)據(jù)采集控制子程序、LCD顯示子程序、打印程序、串口通訊子程序等。主程序及鍵盤中斷服務(wù)子程序的結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。主程序中的工作模式標(biāo)志、新工件標(biāo)志、打印機使能、測量力超載門限值等數(shù)據(jù)均由鍵盤中斷來設(shè)置。鍵盤設(shè)置5個按鍵，鍵值經(jīng)過8—3編碼后通過3根IO口線輸入到CPU。鍵盤中斷置為下跳沿觸發(fā)方式，在硬件上設(shè)計有鍵盤去抖動電路。數(shù)據(jù)采集控制子程序中在進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣時進(jìn)行了濾波處理。程序設(shè)計采用C語言，并在KEIL C集成環(huán)境下完成程序的調(diào)試工作。
3.3軟件設(shè)計
在測量儀的軟件設(shè)計中，采用了模塊化設(shè)計方法。系統(tǒng)軟件由以下幾個模塊構(gòu)成：主程序、鍵盤中斷服務(wù)子程序、數(shù)據(jù)采集控制子程序、LCD顯示子程序、打印程序、串口通訊子程序等。主程序及鍵盤中斷服務(wù)子程序的結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。主程序中的工作模式標(biāo)志、新工件標(biāo)志、打印機使能、測量力超載門限值等數(shù)據(jù)均由鍵盤中斷來設(shè)置。鍵盤設(shè)置5個按鍵，鍵值經(jīng)過8—3編碼后通過3根IO口線輸入到CPU。鍵盤中斷置為下跳沿觸發(fā)方式，在硬件上設(shè)計有鍵盤去抖動電路。數(shù)據(jù)采集控制子程序中在進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣時進(jìn)行了濾波處理。程序設(shè)計采用C語言，并在KEIL C集成環(huán)境下完成程序的調(diào)試工作。
顯示器采用240×60點陣大面積LCD模塊。在打擊模式下，顯示器可在同一屏上顯示打擊次數(shù)、打擊峰值等歷史記錄數(shù)據(jù)和當(dāng)前打擊值。根據(jù)實際需要，采用了大字符(20×40點陣)顯示當(dāng)次的測量值，便于操作人員從較遠(yuǎn)處觀察到實時數(shù)據(jù)。
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