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摘 要 電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)是專門針對(duì)高等院校、科研院所而設(shè)計(jì)的新一代單空間微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)。電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)是材料生產(chǎn)行業(yè)和各級(jí)質(zhì)檢部門對(duì)材料性能檢測(cè)最常用而且最重要的機(jī)電設(shè)備之一。它可以用來檢測(cè)各種材料及其制品在各種環(huán)境和模擬狀態(tài)下的力學(xué)性能、工藝性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及材料與構(gòu)件內(nèi)外表面缺陷。電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)單元、交流伺服系統(tǒng)單元、基于單片機(jī)的主測(cè)控器（下位機(jī)）以及微型計(jì)算機(jī)和配套軟件（上位機(jī)）組成。 本文主要設(shè)計(jì)了測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)試部分、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)單元。主要包括測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，基于單片機(jī)的主控制器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊，A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口，力、變形和位移測(cè)試的電路，測(cè)試軟件的部分等設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。最后對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。 關(guān)鍵詞 ：試驗(yàn)機(jī)； 單片機(jī) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； 測(cè)試系統(tǒng)調(diào)試的溫濕度控制系統(tǒng)  ABSTRACT Electronic universal testing machine is one of the electrical and mechanical equipment used to detect an important material properties, it is used in material production and quality supervision departments at all levels of the enterprise. It can make detection and analysis in a variety of environments and state simulation of mechanical properties of materials, structural vibration capability, process performance, quality defects and balancing internal and external rotation performance materials and component parts. Data acquisition system, the main microcontroller unit and AC servo controller and the corresponding software microcomputer-based monitoring and control systems constitute the main body of the testing machine. This paper mainlydesigns the testingpart,data acquisitionunitand control system.Mainly includes the overallstructure ofcontrol system,the main controller based on MCU,data acquisitionmodule,A/Dconverter and single chipinterfacecircuit,stress,deformation and displacementtest,the designof test software.Achieve the overall design of electronic universal testing machine monitoring and control systems. Finally, the test system to debug. Key words：Testing machine； Single chip microcomputer； Data acquisition system Test system 目 錄 第一章 電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 1 1.1前言 1 1.2 電子萬能試驗(yàn)機(jī)概述 1 1.3試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 5 第二章 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 10 2.1單片機(jī)概述 10 第三章 試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 15 3.1數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15 3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及工作原理 23 3.3 A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口 25 第四章 試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 26 4.1數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 26 第五章 試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)測(cè)試 29 5.1引伸計(jì)校準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析 29 5.2金屬拉伸試驗(yàn)測(cè)試 30 參考文獻(xiàn) 32 謝 詞 33 第一章 電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 1.1前言 電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)是用來測(cè)定材料各種力學(xué)性能、工藝性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等特性的儀器設(shè)備。試驗(yàn)機(jī)是屬于技術(shù)密集性的精密測(cè)試儀器，它涉及到機(jī)械、電氣、液壓、高溫、低溫、真空、光學(xué)、電子、材料、工藝、測(cè)量、測(cè)控等許多新技術(shù)與高技術(shù)領(lǐng)域，并且還綜合了近代閉環(huán)伺服、遙控、數(shù)顯、數(shù)控、激光、機(jī)電一體化以及電子計(jì)算機(jī)等技術(shù)，成為儀器儀表行業(yè)中具有多學(xué)科、多種技術(shù)特點(diǎn)的一類測(cè)試計(jì)量?jī)x器。試驗(yàn)機(jī)是材料生產(chǎn)行業(yè)和各級(jí)質(zhì)檢部門對(duì)材料性能檢測(cè)最常用而且最重要的設(shè)備之一。在各類材料的產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、生產(chǎn)過程質(zhì)量測(cè)控、材料科學(xué)研究和教學(xué)試驗(yàn)中都必須應(yīng)用試驗(yàn)機(jī)來進(jìn)行材料的力學(xué)性能測(cè)試。它可以用來檢測(cè)各種材料及其制品在各種環(huán)境和模擬狀態(tài)下的力學(xué)性能、工藝性能、結(jié)構(gòu)抗振強(qiáng)度、各種旋轉(zhuǎn)件的動(dòng)平衡性以及材料與構(gòu)件內(nèi)外表面缺陷。 1.2 電子萬能試驗(yàn)機(jī)概述 1.2.1試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)述 材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)其實(shí)就是一套自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，能按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)材料的各項(xiàng)規(guī)定，在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行加載直至完全破壞的整個(gè)過程中，依據(jù)制定的各項(xiàng)參數(shù)并能夠按照給定的各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行測(cè)控的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的測(cè)控之下，試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)橫梁、強(qiáng)電、弱電等各個(gè)部分能夠協(xié)調(diào)有序、相互配合的工作，從而形成了一個(gè)有機(jī)統(tǒng)一的整體，使得萬能試驗(yàn)機(jī)的各項(xiàng)試驗(yàn)功能都得以準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)試驗(yàn)過程中的負(fù)荷和試樣的形變量等重要的試驗(yàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，依照數(shù)據(jù)對(duì)材料要求試驗(yàn)的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算。萬能試驗(yàn)機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)也可以成為操作者與試驗(yàn)機(jī)之間的接口,既能使操作者對(duì)機(jī)器進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，同時(shí)也能對(duì)機(jī)器的各種運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行記錄，方便及時(shí)地向操作者反饋，還可以對(duì)操作中出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤給出原因，對(duì)不正常的運(yùn)行狀態(tài)及不正當(dāng)?shù)牟僮魈岢鰣?bào)警，而且為操作員提供數(shù)據(jù)的各項(xiàng)分析計(jì)算、圖形的顯示和各種參考數(shù)據(jù)的編輯、儲(chǔ)存和輸入輸出等功能。 試驗(yàn)機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)是由硬件部分和軟件部分通過有機(jī)結(jié)合而組成的一個(gè)整體。測(cè)控系統(tǒng)的硬件部分主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制器、外部設(shè)備、輸入輸出設(shè)備、PC微機(jī)。從而硬件部分就構(gòu)成了萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)體部分,但如果想要完成對(duì)被控對(duì)象的測(cè)控作用還要為實(shí)體部分提供軟件系統(tǒng),萬能試驗(yàn)機(jī)的軟件部分通常由系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件兩部分組成。其中，系統(tǒng)軟件由操作系統(tǒng)、語言處理系統(tǒng)和例行服務(wù)程序組成。應(yīng)用軟件則是為了滿足那些需要由測(cè)控系統(tǒng)的專門設(shè)計(jì)人員開發(fā)的特定程序，其核心部分是過程控制程序。 1.2.2試驗(yàn)機(jī)測(cè)量參數(shù)分析 為了繪制被測(cè)材料的力－形變圖或應(yīng)力－應(yīng)變圖，需要對(duì)材料在每個(gè)時(shí)間段的受力大小、式樣的形變量或應(yīng)力大小、應(yīng)變量進(jìn)行測(cè)量。通過材料力學(xué)的知識(shí)可得： （1-1） （1-2） （1-3） (1-4) 其中F為加載在試驗(yàn)材料上的外力，A則為試驗(yàn)材料的橫截面積，L0為式樣變形前的固定長(zhǎng)度，L為式樣變形后的長(zhǎng)度示值，B為拉伸實(shí)驗(yàn)材料在寬度方向上的示值。其中L0和B可以直接進(jìn)行輸入，而F和△L則需要進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)。通過前面對(duì)萬能試驗(yàn)機(jī)的工作原理分析可知，為了測(cè)量出加載在試驗(yàn)材料上的力，即要測(cè)量出荷載值F可以由高精度應(yīng)變式負(fù)荷傳感器實(shí)現(xiàn)，而在此荷載值的作用下所引起的形變量，可以由電子引伸計(jì)對(duì)變形前后試驗(yàn)材料長(zhǎng)度的絕對(duì)差值△L進(jìn)行測(cè)量。實(shí)際測(cè)量出的參數(shù)為拉力變形圖或應(yīng)力－應(yīng)變圖，如圖1.1所示。 圖1-1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖 如前面所述，因?yàn)樾枰獪y(cè)量出試驗(yàn)材料的應(yīng)力與應(yīng)變，將式(1-4)代入式(1-1)，可得 （1-5） 而在實(shí)際中，當(dāng)試驗(yàn)材料被拉伸（壓縮）時(shí)，試樣的橫截面積會(huì)變小（變大），即會(huì)發(fā)生形變，但當(dāng)應(yīng)力沒有超過比例極限時(shí)，試驗(yàn)材料的橫向應(yīng)變示值與軸向應(yīng)變示值之比的絕對(duì)值會(huì)是一個(gè)常數(shù)，但是若桿件軸向伸長(zhǎng)時(shí)橫向會(huì)縮小，而軸向縮短時(shí)橫向會(huì)增大，所以符號(hào)總是相反的，即: (1-6) 其中μ為橫向變形系數(shù)（泊松比），是一個(gè)沒有量綱的量。 若假設(shè)試驗(yàn)材料在進(jìn)行拉伸試驗(yàn)前寬度方向的示值是B0，B0可以在試驗(yàn)前由測(cè)量工具直接測(cè)出。由 (1-7) 而只考慮拉伸時(shí): (1-8) 則: (1-9) 整理后，得: (1-10) (1-11) (1-12) 顯然，只需F和ΔL這兩個(gè)變量的輸入，就可以測(cè)試出應(yīng)力б、應(yīng)變?chǔ)拧? 1.2.3試驗(yàn)機(jī)的組成及工作原理 電子萬能試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)由機(jī)械部分和電子測(cè)控部分兩個(gè)部分組成，機(jī)械部分是材料試驗(yàn)機(jī)工作的主要載體，而測(cè)控部分則是主要的核心部分，控制著整個(gè)試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)作和測(cè)量試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)機(jī)的性能由測(cè)控系統(tǒng)性能的好壞決定。電子萬能試驗(yàn)機(jī)的實(shí)物圖如圖1-2所示。 圖 1-2 電子萬能試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖 電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)主要包括交流電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制主板、顯示屏等部分，能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，并能對(duì)力及位移數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理，并能進(jìn)行顯示。測(cè)控系統(tǒng)的工作過程為：力傳感器受外力負(fù)載后會(huì)輸出一個(gè)正比于負(fù)載的微小信號(hào)，該信號(hào)途中不經(jīng)任何中間環(huán)節(jié)，直接輸入到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)放大、轉(zhuǎn)換，再輸入到單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，數(shù)字濾波后以直讀的方式顯示。試驗(yàn)材料所承受的荷載直接由數(shù)字進(jìn)行顯示。位移閉環(huán)控制和位移測(cè)量則由編碼器負(fù)責(zé)，其中光電編碼器主要是實(shí)現(xiàn)位置與電信號(hào)轉(zhuǎn)換，通過拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，光電編碼器能將角位移轉(zhuǎn)換成直線的位移，而輸出的脈沖數(shù)與編碼器的角位移的比值為常數(shù)。因此只要能對(duì)脈沖數(shù)進(jìn)行識(shí)別從而就可以知道直線位移的大小，光電編碼器輸出的脈沖信號(hào)先經(jīng)過整形電路的整形然后再輸入給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)用軟件的方法對(duì)接收到的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)、處理及方向的識(shí)別，最后顯示器對(duì)接收到的結(jié)果進(jìn)行顯示。單片機(jī)在控制器內(nèi)的作用是進(jìn)行數(shù)字控制，將輸入接收到的反饋信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制參數(shù)的數(shù)字化，再由管理模塊產(chǎn)生PWM信號(hào)，經(jīng)過隔離、放大等處理對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、停止等操作。電子萬能試驗(yàn)機(jī)的原理圖如圖1-3所示。 圖 1-3 電子萬能試驗(yàn)機(jī)原理圖 1.3試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 1.3.1試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)方案論證 目前，試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案主要有兩種:一種是通過采用單片機(jī)技術(shù)為核心的設(shè)計(jì)方案，另一種則是以現(xiàn)代通用的PC微機(jī)技術(shù)為核心的技術(shù)改造方案。 本測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案主要是采用第一種設(shè)計(jì)方案，即采用現(xiàn)代嵌入式單片機(jī)的結(jié)構(gòu)，綜合使用微電子技術(shù)，使其外形雖然緊湊但還是具有完整的一系列的計(jì)算機(jī)功能，該系統(tǒng)使用簡(jiǎn)潔方便、并且功能齊全。單片機(jī)內(nèi)集成化較高，反應(yīng)迅速，能夠很好的滿足測(cè)試系統(tǒng)的檢測(cè)精度及功能要求。測(cè)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1-4所示。 圖1-4 測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 該測(cè)控系統(tǒng)以單片機(jī)作為控制核心，主要實(shí)現(xiàn)的是：對(duì)力的加載及控制，試驗(yàn)材料測(cè)試數(shù)據(jù)的采集、處理、分析和計(jì)算，測(cè)試數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和LCD會(huì)實(shí)時(shí)顯示出應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖。本測(cè)試重點(diǎn)主要是對(duì)傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)測(cè)量精度較低，對(duì)加載速率無法進(jìn)行定量的測(cè)試控制，并且傳統(tǒng)系統(tǒng)缺乏實(shí)時(shí)性，對(duì)于曲線的繪制較單一，且自動(dòng)化程度較差，測(cè)試系統(tǒng)效率較低等不足，對(duì)萬能試驗(yàn)機(jī)的控測(cè)控統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。該測(cè)控系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊，傳感器模塊，數(shù)據(jù)的采集、處理模塊以及LCD顯示模塊等組成。先利用單片機(jī)模塊對(duì)加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行加載，然后，利用傳感器模塊將獲得的應(yīng)力和應(yīng)變的等信號(hào)輸送到數(shù)據(jù)的采集、處理模塊，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和計(jì)算。最后，將處理完的數(shù)據(jù)采用應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖的方式在LCD顯示器上進(jìn)行顯示，并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。改造后的電子萬能試驗(yàn)機(jī)具有系統(tǒng)精準(zhǔn)，自動(dòng)化程度高，能夠?qū)Λ@得的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示和存儲(chǔ)功能，且整體的性能比較完善，并且造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。 1.3.2系統(tǒng)組成單元方案設(shè)計(jì) 電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)主要有交流伺服系統(tǒng)單元、數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)主測(cè)控器、人機(jī)交互式測(cè)控、上位PC機(jī)五部分組成。測(cè)控系統(tǒng)工作原理圖如圖1-5所示。 圖1-5 測(cè)控系統(tǒng)工作原理圖 1、交流伺服系統(tǒng)：該系統(tǒng)是萬能試驗(yàn)機(jī)的核心部分。傳統(tǒng)的材料試驗(yàn)機(jī)是采用直流電做動(dòng)力，其最大的缺陷是非常容易損壞，需要經(jīng)常維護(hù)，而且在大轉(zhuǎn)矩下的工作穩(wěn)定性比較差，而現(xiàn)在的交流伺服電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完善，不采用電刷，幾乎不需要進(jìn)行維修，而且在小轉(zhuǎn)矩的情況下定位精度高，測(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，在不丟失脈沖的情況下可以達(dá)到0.01mm的精度，這是直流電機(jī)所不能達(dá)到的。 2、數(shù)據(jù)采集模塊：對(duì)于本次電子萬能試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)，所配置得應(yīng)變電測(cè)式傳感器，此傳感器通常有三種：一是用于測(cè)試力示值的拉壓力傳感器或測(cè)力傳感器；二是可以測(cè)定試驗(yàn)材料變形量的變形傳感器；三是可以測(cè)定機(jī)器的動(dòng)橫梁移動(dòng)量的位移傳感器。本設(shè)計(jì)主要針對(duì)拉力、壓力、伸長(zhǎng)量數(shù)據(jù)的采集，因此，采用了拉壓力傳感器。 3、單片機(jī)主測(cè)控器: 單片機(jī)主測(cè)控器是采用MCS-51系列的80C51單片機(jī)，外圍擴(kuò)展存儲(chǔ)器模塊，液晶顯示器(LCD)和鍵盤作為人機(jī)交互接口設(shè)備，數(shù)據(jù)通信接口等。主測(cè)控器通過串口，以太網(wǎng)等與上位PC機(jī)進(jìn)行通訊或者構(gòu)成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。主測(cè)控器主要負(fù)責(zé)接受系統(tǒng)測(cè)量信號(hào)并進(jìn)行處理、顯示，同時(shí)伺服系統(tǒng)測(cè)控算法由單片機(jī)芯片軟件編程實(shí)現(xiàn)。此外，試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)、測(cè)控面板上的按鈕狀態(tài)等，則通過開關(guān)量的數(shù)字輸入，由單片機(jī)主測(cè)控器來進(jìn)行判斷、檢測(cè)并做出相應(yīng)的反應(yīng)。 4、人機(jī)交互式測(cè)控：該測(cè)控軟件可以直接同測(cè)控部分進(jìn)行通訊，主要目的是創(chuàng)造人機(jī)友好的交互式界面，為滿足現(xiàn)在對(duì)機(jī)器越來越簡(jiǎn)潔的要求。 5、上位PC機(jī):上位PC機(jī)按軟件工程理論分析電子萬能試驗(yàn)機(jī)的測(cè)控功能的實(shí)現(xiàn)，然后進(jìn)行模塊化、結(jié)構(gòu)化的軟件設(shè)計(jì)，目標(biāo)是使軟件具有人機(jī)界面友好、功能易擴(kuò)充及易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。 1.3.3試驗(yàn)機(jī)的技術(shù)參數(shù) 1、最大試驗(yàn)力 100KN、50KN、20KN。 2、負(fù)荷測(cè)量衰減倍率：1、、5、10。 3、負(fù)荷測(cè)量精度：各量程內(nèi)起均為示值的 4、變形測(cè)量：測(cè)量范圍為傳感器容量的。 測(cè)量精度為指示值的示值分辨率為，顯示單位為。 引伸計(jì)標(biāo)距可按25、、100系列選擇，測(cè)量范圍可按標(biāo)距的選擇。 勻試驗(yàn)力變形速率控制范圍：0.01-10%FS/s 勻試驗(yàn)力變形速率控制誤差:小于0.05%FS為2%;大于 0.05%FS為0.5% 恒試驗(yàn)力變形速率控制范圍：0.5-100%FS 恒試驗(yàn)力變形速率控制誤差：小于10FS時(shí)為1%；大于10%FS時(shí)為0.1% 動(dòng)橫梁位移測(cè)量：測(cè)量范圍為， 動(dòng)橫梁位移測(cè)量精度為數(shù)字顯示，示值分辨率，位移零點(diǎn)任意設(shè)定。 5、記錄方式：負(fù)荷－變形、負(fù)荷－位移 6、工作環(huán)境：溫度在2010℃范圍內(nèi)；相對(duì)濕度不大于，表面無結(jié)露；無沖擊、無振動(dòng)的環(huán)境； 在固定的基礎(chǔ)上水平安裝，水平度應(yīng)不超過；系統(tǒng)接地阻抗　。 試驗(yàn)空間寬度： 活動(dòng)橫梁行程： 7、主機(jī)約重： 8、工作電源：交流，總功率　 第2章 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2.1單片機(jī)概述 2.1.1單片機(jī)的介紹 單片機(jī)是一個(gè)集成在一塊芯片上有完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制器。雖然單片機(jī)的大部分功能都集成在一塊小芯片上，但是它卻具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具備的主要部件：中央處理器、內(nèi)存儲(chǔ)器、內(nèi)部與外部的總線系統(tǒng)，目前部分單片機(jī)還具有外存功能。同時(shí)集成例如通訊接口、定時(shí)器，時(shí)鐘等很多外圍的設(shè)備。而現(xiàn)在功能最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將音頻、圖片、網(wǎng)絡(luò)連接等復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)都集成在一塊芯片上。 單片機(jī)也被稱為微控制器（Microcontroller），這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)最早被用于工業(yè)機(jī)器控制領(lǐng)域。單片機(jī)由一塊芯片內(nèi)僅有一個(gè)中央處理器的專用處理器發(fā)展到現(xiàn)在的復(fù)雜系統(tǒng)。早期單片機(jī)的設(shè)計(jì)理念只是通過將大量外圍設(shè)備與中央處理器集成到一塊芯片中，使運(yùn)用到對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成。現(xiàn)在的單片機(jī)與一般微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較，具有以下特點(diǎn)： 1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，使用較方便，能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化。 2、單片機(jī)的可靠性較高，可工作到小時(shí)無障礙。 3、處理功能較強(qiáng)，速度快，具有很強(qiáng)的邏輯操作的功能。 4、對(duì)于測(cè)控系統(tǒng)的功能較強(qiáng)。 5、環(huán)境適應(yīng)能力也較強(qiáng)。 2.1.2單片機(jī)的選擇 單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)于單片機(jī)的選擇是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。只有選擇了合適的單片機(jī)才能夠進(jìn)一步對(duì)其外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。單片機(jī)的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求來確定，在滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)難度并能夠節(jié)約成本。在選擇單片機(jī)是應(yīng)注意考慮的因素有：?jiǎn)纹瑱C(jī)的性能、I/O口、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、存儲(chǔ)器、單片機(jī)的運(yùn)算速度、工作電壓與功能消耗及抗干擾性等。 綜上所述的特點(diǎn)要求，結(jié)合實(shí)際情況，MCS-51單片機(jī)符合本測(cè)控系統(tǒng)的性能要求。MCS_51系列的單片機(jī)是INTEL公司在以前單片機(jī)的基礎(chǔ)上推出的一系列高性能8位單片機(jī)。它基本上可以滿足用戶的一系列要求，是工業(yè)工程測(cè)控、數(shù)控機(jī)床測(cè)控及通訊系統(tǒng)優(yōu)先選擇的機(jī)種、在此設(shè)計(jì)中選用了MSC-80C51單片機(jī)。 2.1.3單片機(jī)的結(jié)構(gòu) MSC-80C51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包含四部分組成：中央處理器，存儲(chǔ)器，I/O口及定時(shí)器和計(jì)數(shù)器。單片機(jī)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及程序存儲(chǔ)器的尋址空間分開，所以單片機(jī)的存儲(chǔ)器在物理上有四個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)空間：內(nèi)程序存儲(chǔ)器，外程序存儲(chǔ)器，內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 對(duì)于單片機(jī)的中央處理器CPU，它是由兩部分組成：控制器及運(yùn)算器，作為80C51單片機(jī)的核心組成部分，其在單片機(jī)的運(yùn)行中占很大的比重，有面向測(cè)試系統(tǒng)的8位CPU。 1、運(yùn)算器：運(yùn)算器由五部分組成，包含作為核心的算術(shù)邏輯單元ALU，累加器A、B形式的寄存器，為程序狀態(tài)的寄存器PAW以及TMP1和TMP2這兩個(gè)8位暫存器組成。其可以運(yùn)行的算術(shù)運(yùn)算包括：加、減、乘、除、加1、減1、BCD數(shù)十進(jìn)制調(diào)整、比較運(yùn)算；也可以進(jìn)行與或非、異或等邏輯運(yùn)算； 還能進(jìn)行判斷和程序轉(zhuǎn)移、循環(huán)移位等控制指令。 2、控制器：指令寄存器、PC程序計(jì)數(shù)器、振蕩器、指令譯碼器、定時(shí)電路和控制電路等部件組成了控制器；它能控制單片機(jī)各部分工作是通過不同的指令產(chǎn)生相應(yīng)的操作時(shí)序和控制信號(hào)來完成的；PC控制著單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)那條指令。 3、存儲(chǔ)器 （1）片內(nèi)ROM是程序存儲(chǔ)器。 （2）片內(nèi)RAM具有的功能包括：存放輸入、輸出和中間計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)，也可作為數(shù)據(jù)堆棧區(qū)使用。 4、I/O口 （1）并行口：有4個(gè)8位并行I/O口P0～P3，這四個(gè)并行I/O口均可并行輸入輸出8位數(shù)據(jù)。 （2）串行口：有1個(gè)串行I/O口，用于數(shù)據(jù)的串行輸入輸出。 5、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 （1）定時(shí)脈沖用于單片機(jī)的定時(shí)控制。 （2）用于計(jì)數(shù)方式，記錄外部事件的脈沖個(gè)數(shù)。 80C51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)組成框圖如圖2-1所示。 圖2-1 80C51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖 2.1.4 80C51單片機(jī)引腳及其功能 80C51單片機(jī)的引腳組成如下所示 圖2-2 單片機(jī)引腳 各引腳說明如下： （1）電源引腳（2個(gè)） VCC：接+5V電源 VSS：接地端 （2）外接晶體引腳（2個(gè)） XTAL1：外接晶振輸入端 XTAL2：外接晶振輸入端 （3）并行輸入輸出引腳 P0.0~P0.7：通用I/O引腳； 此外可以作為數(shù)據(jù)低8位地址總線復(fù)用引腳來用； P1.0~P1.7：通用I/O引腳 P2.0~P2.7：通用I/O引腳； 此外可以作為高8位地址總線復(fù)用引腳； P3.0~P3.7：通用I/O引腳； 此外可以作為第二功能引腳； （4）控制引腳（4個(gè)） RST/VPD：復(fù)位信號(hào)輸入引腳； 也可作為備用電源輸入引腳； ALE：地址鎖存允許信號(hào)輸出引腳； 也可作為編程脈沖輸入引腳； VPP：內(nèi)外存儲(chǔ)器選擇引腳； 也可作為片內(nèi)EPROM編程電壓輸入引腳； 2.1.5試驗(yàn)機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 電子萬能試驗(yàn)機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)電路圖如圖2-3所示。 圖2-3 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)電路圖 第三章 試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1.1數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的基本組成 電子萬能試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采集處理模塊主要是對(duì)測(cè)試材料的力、變形量、位移量等物理量進(jìn)行測(cè)量，然后把測(cè)量結(jié)果送給單片機(jī)和PC計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。首先要根據(jù)測(cè)量材料物理量的不同選擇與其相對(duì)應(yīng)型號(hào)的各種傳感器，從傳感器中輸出的電信號(hào)則需要進(jìn)一步的放大、調(diào)理，從而將機(jī)器或數(shù)據(jù)不準(zhǔn)產(chǎn)生的誤差補(bǔ)償?shù)?，提高抗干擾能力，濾波器的作用則是將信號(hào)中不需要出現(xiàn)的頻率分量過濾掉。最后再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，交給單片機(jī)和PC計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理等。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成如圖3-1所示。 圖3-1 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成圖 3.1.2數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)主要功能和技術(shù)指標(biāo) 1、主要功能： (1)完成對(duì)試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力、變形、位移的模擬、數(shù)字型號(hào)的采集和處理。 (2)試驗(yàn)曲線圖形處理、試驗(yàn)數(shù)據(jù)智能處理、數(shù)據(jù)庫管理、報(bào)告生成、打印。 (3)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)標(biāo)定、最大試驗(yàn)力連續(xù)全程測(cè)量部分檔。 2、技術(shù)指標(biāo)： (1)試驗(yàn)力測(cè)試的范圍：試驗(yàn)力小于100KN。 (2)試驗(yàn)力測(cè)量誤差： (3)變形測(cè)量范圍：測(cè)量范圍為傳感器容量的，測(cè)量范圍為。 (4)變形測(cè)量誤差：指示值的示值分辨率為，顯示單位為。 (5)位移量程：250。 3、數(shù)據(jù)采集處理和控制部分：主要由數(shù)據(jù)采集、處理、控制電路、計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)、打印機(jī)、手動(dòng)控制器件等組成，主要完成整個(gè)系統(tǒng)的控制、各種參數(shù)的設(shè)置、顯示、試驗(yàn)機(jī)過程結(jié)果的記錄、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、試驗(yàn)結(jié)果的輸出等功能。 4、檢測(cè)部分：主要有壓力傳感器、變形傳感器、位移傳感器、等組成，主要功能檢測(cè)試驗(yàn)對(duì)象的所受的試驗(yàn)力、變形及橫梁運(yùn)動(dòng)的位移。 3.1.3數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 本測(cè)控系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)基于單片和PC計(jì)算機(jī)的上下位機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖3-2所示。 圖3-2測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖 3.1.4數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本文所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，試驗(yàn)應(yīng)力測(cè)量采用金屬電阻應(yīng)變式力傳感器，變形測(cè)量采用電子引伸計(jì)，位移測(cè)量采用電位計(jì)式位移傳感器，橫梁位移測(cè)量采用光編碼器。所以，本系統(tǒng)綜合考慮設(shè)計(jì)了五個(gè)信息通道，其中三個(gè)模擬信號(hào)采集通道，兩個(gè)數(shù)字信號(hào)采集通道?？刂戚敵隹烧{(diào)脈寬的數(shù)字脈沖信號(hào)。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示。 圖3-3 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 1.傳感器的選擇及工作原理 （1）力傳感器 本設(shè)計(jì)選用的力傳感器采用試驗(yàn)中最常使用的應(yīng)變計(jì)電橋式傳感器，此傳感器包含彈性元件、電纜線、電阻應(yīng)變計(jì)橋等部分。彈性元件主要是在材料被測(cè)物理量的作用下產(chǎn)生與其成正比的應(yīng)變，然后電阻應(yīng)變計(jì)會(huì)將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化，傳感器中的各種應(yīng)變計(jì)組成橋路從而將應(yīng)變引起電阻的變化便于轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，內(nèi)部的線路則運(yùn)用常用的惠更斯電橋，其內(nèi)部電路的主要原理如圖3-4所示。當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生形變時(shí)，輸出的信號(hào)電壓由(2-1)式給出: (3-1) 圖3-4 力傳感器原理圖 在電橋式傳感器的兩端各加上一個(gè)電壓，則如果應(yīng)變片R受到應(yīng)力作用時(shí)，電橋傳感器的兩端就會(huì)輸出電壓，此電壓與加在上面的應(yīng)力成正比。 本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)選用德國(guó)HBM公司的系列的力傳感器，其遲滯及非線性度均為,此數(shù)據(jù)滿足對(duì)式樣負(fù)載測(cè)試的高精度要求。較高的保護(hù)等級(jí)，即使在惡劣的環(huán)境下，力傳感器依然可以獲得可靠且安全的測(cè)量結(jié)果。內(nèi)置機(jī)械過載保護(hù)裝置，拉壓雙向的破壞負(fù)載高達(dá)額定量程的. 力傳感器提供極為優(yōu)異的線性，蠕變和溫度特性。傳感器采用的是工字梁型的剪切彈性類的敏感元件，此類元件的好處是當(dāng)加載點(diǎn)位置發(fā)生變化是傳感器不會(huì)受影響，而且此類元件對(duì)于橫向力和偏心力有很大的抵抗能力，此類元件結(jié)構(gòu)如圖所示。此類元件的腹板部分受到剪切力，其中中間最大的剪切力計(jì)算如下：，b為腹板的厚度。此類傳感器具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，同時(shí)保證了阻止過載和抵抗橫向測(cè)力的性能，很大程度上提高了橫向和縱向的抗彎能力，從而大大的保證了對(duì)于測(cè)試的測(cè)量精度。傳感器的安裝比較方便，所以適合各種試驗(yàn)機(jī)的安裝。 對(duì)于剪切工字梁式彈性元件的作用原理分析：在剪切彈性元件受力作用后，并不是測(cè)量正應(yīng)力，而是測(cè)量剪切力產(chǎn)生的切應(yīng)力。如果要測(cè)量切應(yīng)力本身是測(cè)量不出的，主要在于切應(yīng)力可以引起拉伸應(yīng)力與壓縮應(yīng)力，也就是能產(chǎn)生與工字梁的中心軸線成45度角并且互相垂直的主應(yīng)力。對(duì)于工字梁式測(cè)力傳感器就是將四個(gè)應(yīng)變片分別貼在與中心軸線成45度角并且與工字梁腹板的兩段互相垂直的地方，則這四個(gè)應(yīng)變片就組成了全橋。在測(cè)試材料受力時(shí)，電橋的對(duì)角線上與受到的力成正比的輸出量，傳感器就是應(yīng)用這一原理對(duì)力的大小進(jìn)行測(cè)量。彈性元件圖如圖3-5所示。 圖3-5 工字梁式剪切彈性元件圖 （2）形變引伸計(jì) 對(duì)金屬試驗(yàn)材料的拉伸，壓縮，彎曲等力學(xué)性能的試驗(yàn)分析時(shí)，除了對(duì)應(yīng)變和應(yīng)力的數(shù)據(jù)有很精準(zhǔn)的要求之外，對(duì)于應(yīng)變速率和位移速率也有很大的要求。但這些要求不僅需要傳感器完成測(cè)試，還需要對(duì)試樣變形和位移進(jìn)行測(cè)量的傳感器，這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬和非金屬等各種材料力學(xué)性能的測(cè)試。 變形引伸計(jì)是在對(duì)試樣的測(cè)量過程中可以將拉伸變形轉(zhuǎn)換成電壓輸出的傳感器，是精密度較高的一種儀器。在對(duì)材料試樣進(jìn)行力學(xué)性能的測(cè)試時(shí)，彈性階段的變形很小，例如在對(duì)金屬類的材料進(jìn)行彈性伸長(zhǎng)模量進(jìn)行測(cè)試時(shí)，其伸長(zhǎng)量常常只有數(shù)十微米的增量，在這種情況下就必須用到測(cè)量準(zhǔn)確度較高的、且放大倍數(shù)較大的測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)測(cè)量。變形引伸計(jì)就是這種測(cè)量?jī)x器。在測(cè)量變形時(shí)，引伸計(jì)的刀刃會(huì)與試樣接觸，固定裝置會(huì)固定在試樣上，刀刃與試樣接觸從而感受變形，再通過變形傳遞桿，彈性元件與變形傳遞桿連接，所以粘貼在彈性元件上的應(yīng)變片會(huì)感受到應(yīng)變，從而輸出電量，而其在轉(zhuǎn)換，放大處理后，會(huì)變換為試驗(yàn)材料的變形量。其結(jié)構(gòu)原理如圖3-6所示。 圖3-6 變形引伸計(jì)結(jié)構(gòu)圖 變形引伸計(jì)的性能測(cè)試主要是通過以下指標(biāo)來完成的： 引伸計(jì)的放大倍數(shù)：， 。 引伸計(jì)標(biāo)記：對(duì)于試驗(yàn)材料在不同位置伸長(zhǎng)度發(fā)生線變形的記錄，是引伸計(jì)所做標(biāo)記之間的距離。， 量程：對(duì)于試驗(yàn)材料的變形量及引伸計(jì)能測(cè)得的最大量值。按照引伸計(jì)能放大的倍數(shù)進(jìn)行分類一般分為機(jī)械式、電子式的引伸計(jì)。本設(shè)計(jì)采用了電子式引伸計(jì)，主要組成元件包括：彈性元件，電阻應(yīng)變片，變形傳遞元件等等。 對(duì)于引伸計(jì)的選擇，可以根據(jù)試驗(yàn)材料的尺寸和形狀，對(duì)于變形測(cè)量準(zhǔn)確度的要求來選擇與試驗(yàn)機(jī)相符合的引伸計(jì)。本設(shè)計(jì)中選用在拉伸和壓縮試驗(yàn)中最常用的ZYS-4型引伸計(jì)作為測(cè)試變形傳感器。此引伸計(jì)的主要性能指標(biāo)如下： 1.標(biāo)距：25/50mm 2.量程：15/20mm 3.線性度：0.05%--0.2%FS 4.最大應(yīng)變示值誤差：0.0001 5.力傳感器和引伸計(jì)的電路原理圖如圖3-7所示。 圖3-7 力傳感器和引伸計(jì)的電路原理圖 （3）光電編碼器 光電編碼器如圖3-8所示。是一種把位置變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的元件，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，編碼器的角位移就會(huì)被轉(zhuǎn)換為直線位移，其中光電編碼器的角位移和其輸出的脈沖信號(hào)的數(shù)量的比值為常數(shù)。所以只要知道了脈沖信號(hào)的數(shù)量就可以知道材料位移的變化多少。經(jīng)光電編碼器處理后輸出的脈沖信號(hào)，再經(jīng)過整形電路進(jìn)行整形后輸入給計(jì)算機(jī)，對(duì)于接受到的脈沖信號(hào)計(jì)算機(jī)會(huì)用軟件中的方法對(duì)其進(jìn)行采集，處理，計(jì)數(shù)，方向的識(shí)別。最后將獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果送到顯示器進(jìn)行顯示。單片機(jī)在測(cè)控系統(tǒng)中的作用是對(duì)其數(shù)字進(jìn)行測(cè)試，為實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)的數(shù)字化，單片機(jī)對(duì)輸入的反饋信號(hào)會(huì)將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖信號(hào)。事件管理模塊接受信號(hào)再經(jīng)過濾，隔離和放大產(chǎn)生能驅(qū)動(dòng)電機(jī)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、停止等功能。 圖3-8 光電編碼器 旋轉(zhuǎn)編碼器的機(jī)械安裝方式采用以下方式； 對(duì)于速度較高的高速端的安裝：安裝在齒輪連接處，或動(dòng)力馬達(dá)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸端，這種方法的好處是分辨率較高，可知編碼器有4100圈，如果馬達(dá)電機(jī)的圈數(shù)也在此范圍內(nèi)，就可以充分提高分辨率。但當(dāng)物體在經(jīng)過減速齒輪的運(yùn)動(dòng)后，在來回的過程中會(huì)產(chǎn)生間隙誤差，對(duì)于測(cè)量產(chǎn)生影響，所以一般用單向的高精度測(cè)試定位系統(tǒng)。對(duì)于直接安裝在高速端的編碼器，為防止編碼器的損壞，一般馬達(dá)電機(jī)的抖動(dòng)幅度應(yīng)較小。 對(duì)于速度較低的低速端的安裝：一般安裝在減速齒輪的后面，或減速齒輪最后一節(jié)的軸端，這種方法對(duì)于經(jīng)過齒輪的運(yùn)動(dòng)物體已經(jīng)沒有了來回的行程，所以測(cè)量較直接，而且精度準(zhǔn)確度較高，這種方法一般用于測(cè)定長(zhǎng)距離的定位裝置。 3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇及工作原理 常采用的A/D轉(zhuǎn)換采集方案如圖3-4所示。 圖3-9 測(cè)控系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器方案圖 本方案中，ADC0809是采用CMOS工藝的8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。其工作原理是由芯片內(nèi)的D/A轉(zhuǎn)換器生成一個(gè)模擬電壓，并且芯片內(nèi)比較器將被測(cè)模擬輸入電壓生成的模擬電壓進(jìn)行比較，并按比較的結(jié)構(gòu)去修正片內(nèi)的D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量，直到比較器量輸入端模擬電壓相等為止。其內(nèi)部機(jī)構(gòu)及引腳如圖3-5所示。 圖3-10 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖 ADC0809的采樣頻率為8位，是用逐次逼近的原理對(duì)信號(hào)進(jìn)行模--數(shù)轉(zhuǎn)換的元件。ADC0809單片機(jī)的內(nèi)部有一個(gè)多通道多路的開關(guān)，它主要是根據(jù)對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行地址碼鎖存然后進(jìn)行譯碼，并根據(jù)譯碼的信號(hào)選擇模擬的通路將其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后傳輸給下一個(gè)系統(tǒng)。 1.ADC0809單片機(jī)的主要特性 　1）分辨率8位,即8路8位A/D轉(zhuǎn)換器。 2）控制端可以進(jìn)行啟動(dòng)和停止的轉(zhuǎn)換。 3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為 4）單個(gè)電源進(jìn)行供電 5）模擬輸入的電壓范圍，不需零點(diǎn)的校核及滿刻度的校準(zhǔn)。 　6）工作溫度范圍為℃ 7）低功耗，約15mW。 2．內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC0809是CMOS單片機(jī)形式的逐級(jí)逼近式的A/D轉(zhuǎn)換器，它是由8路模擬開關(guān)、，比較器、地址鎖存， 8位開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器。 3．外部特性（引腳功能）ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝， 下面說明各引腳功能： ：8路模擬量輸入端。 2-1～2-8：8位數(shù)字量輸出端。 ：是3位地址的輸入線，主要用于選通8路模擬輸入線中的一路 ：地址鎖存允許輸入的信號(hào)，輸入高電平才有效。 　START： 是A/D轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)脈沖的輸入端，輸入一個(gè)至少100ns寬的正脈沖信號(hào)，使其啟動(dòng)時(shí)脈沖上升沿兒使ADC0809復(fù)位，下降沿兒?jiǎn)?dòng)時(shí)A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)輸出。 EOC： A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)束信號(hào)輸出端，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。 VCC：電源，單一＋5V。 GND：接地。 3.3 A/D轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)的接口 A/D接口用來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器芯片的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換結(jié)束及數(shù)據(jù)輸出的引腳與單片機(jī)構(gòu)造總線的連接。一般有直接連接方法和間接連接方法兩種，ADC0809與單片機(jī)一般采用直接連接法。其接口電路如圖3-11所示。 圖3-11 A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)的接口線路圖 第4章 試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬資源，本文數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)參數(shù)的界面設(shè)置；試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、顯示；試驗(yàn)曲線的自動(dòng)生成和實(shí)時(shí)顯示；試驗(yàn)數(shù)據(jù)的智能處理和報(bào)告生成；數(shù)據(jù)庫管理等功能。數(shù)據(jù)采集處理軟件系統(tǒng)流程如圖4-1所示。主要包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、通道校正、參數(shù)設(shè)置、試驗(yàn)曲線圖形處理、數(shù)據(jù)庫管理、試驗(yàn)分析報(bào)告生成七個(gè)主要功能模塊。其主測(cè)試界面如圖4-2所示。 圖4-1 數(shù)字采集軟件流程圖 圖4-2 試驗(yàn)機(jī)主測(cè)試界面圖 4.1.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)和工具選擇 對(duì)于硬件的考慮，由于對(duì)試驗(yàn)機(jī)的精度和控制速度要求較高，而試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)的采集量較大，為滿足基本要求，所以通常選擇PentiunIII以上CPU，64MRAM的PC機(jī)。而在軟件方面，為滿足對(duì)于軟件的高要求，通常采用Microsoft公司設(shè)計(jì)的Windows2000系統(tǒng)作為軟件系統(tǒng)的平臺(tái)，作為一個(gè)優(yōu)秀的操作系統(tǒng)，Windows為系統(tǒng)提供了豐富的軟件開發(fā)，是一種能夠可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，存儲(chǔ)管理的工具，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊的鏈接的一種程序設(shè)計(jì)技術(shù)。Windows對(duì)于軟件支持直接插上就可以運(yùn)用的技術(shù)，所以對(duì)于硬件的安裝提供了很大的便利，同時(shí)更加方便硬件的故障排除。將硬件設(shè)備直接與計(jì)算機(jī)安裝就可以完成對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)，此軟件還可以對(duì)系統(tǒng)和硬件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的配對(duì)安裝，獲得相應(yīng)的軟件程序。 對(duì)于應(yīng)用軟件的開發(fā)，選擇的是高品質(zhì)，高性能的開發(fā)工具，所以在本設(shè)計(jì)中選用的是Visual Basic6.0。此軟件是在Windows環(huán)境下可以正常運(yùn)行的一種開發(fā)工具，作為一種應(yīng)用型程序，它具有良好的性能，而且組件豐富，可以生成高效的應(yīng)用程序，作為可編程語言的先導(dǎo)，此開發(fā)工具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)庫開發(fā)能力，同時(shí)可以對(duì)Windows2000進(jìn)行很好的支持，使其可以在正常的環(huán)境下進(jìn)行運(yùn)行，能更好的實(shí)現(xiàn)對(duì)函數(shù)和DLL文件的調(diào)用，為設(shè)備的實(shí)時(shí)控制做鋪墊。 4.1.2 測(cè)試曲線圖處理模塊 本設(shè)計(jì)顯示界面布局合理大方，且采用的軟件使用模塊化設(shè)計(jì)，操作簡(jiǎn)單，方便操作者，且運(yùn)行安全，數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確，高效化，不僅對(duì)各種拉伸試驗(yàn)，壓縮試驗(yàn)，彎曲試驗(yàn)的結(jié)果都會(huì)做出曲線分析，對(duì)于各種破壞性試驗(yàn)和非破壞性試驗(yàn)也符合標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)要求，各種階段都有顯示。 在試驗(yàn)過程中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)曲線類型的切換，且可以自動(dòng)調(diào)整坐標(biāo)，對(duì)多條曲線實(shí)現(xiàn)同時(shí)顯示，同步顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并可對(duì)其進(jìn)行改正。試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)了直觀顯示。曲線可以實(shí)現(xiàn)自由縮放，同時(shí)光標(biāo)可以跟蹤采樣點(diǎn)，并實(shí)時(shí)顯示相對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)值。 第五章 試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)測(cè)試 5.1引伸計(jì)校準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在聯(lián)機(jī)測(cè)試中，參照的規(guī)范為JJF1096-2002引伸計(jì)標(biāo)定器的校準(zhǔn)規(guī)范，JJG762-1992引伸計(jì)檢定量程，并采用金屬材料試驗(yàn)的引伸計(jì)標(biāo)定規(guī)程，可以對(duì)0.5級(jí)的引伸計(jì)標(biāo)定儀進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)引伸計(jì)校準(zhǔn)測(cè)試的范圍為標(biāo)距500mm，量程10mm。環(huán)境范圍要求較高，環(huán)境溫度T= ，濕度為57%，對(duì)于測(cè)試點(diǎn)的取定為在10mm的量程之間去16個(gè)測(cè)試點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果見表5-1 表5-1引伸計(jì)表校準(zhǔn)測(cè)試值 5.2金屬拉伸試驗(yàn)測(cè)試 拉力試驗(yàn)曲線表示試驗(yàn)材料在外載荷的作用下試樣受力與時(shí)間的關(guān)系，從圖中可以看出試驗(yàn)過程為彈性變形，屈服變形，斷裂變形，斷裂四個(gè)階段，在彈性變形與斷裂階段，試驗(yàn)材料的曲線近似于直線；而在屈服變形與斷裂變形階段，試驗(yàn)材料的曲線近似于二次曲線。同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)及固有測(cè)量信號(hào)同時(shí)采集到計(jì)算機(jī)，以固有測(cè)量信號(hào)作為參考信號(hào)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，找出信號(hào)的數(shù)學(xué)模型。在數(shù)據(jù)分析階段，對(duì)于彈性變形及斷裂階段，可以用一元一次方程對(duì)其進(jìn)行擬合分析；而對(duì)于屈服變形和斷裂變形階段，可以采用一元二次方程對(duì)其進(jìn)行擬合分析。低碳鋼試樣拉伸試驗(yàn)的曲線圖，如圖5-1與圖5-2所示。 圖5-1 低碳鋼拉伸曲線計(jì)算機(jī)顯示圖 圖5-2 低碳鋼拉伸試驗(yàn)力-變形曲線圖 低碳鋼試樣在拉伸試驗(yàn)中表現(xiàn)出較為典型的變形-抗力之間的關(guān)系，在"力-延伸曲線”中可以看到明顯的四個(gè)階段： 1.彈性階段：這一段試樣發(fā)生完全彈性變形，應(yīng)變和應(yīng)力存在著線性關(guān)系，當(dāng)載荷完全卸除，試樣恢復(fù)原樣； 2. 屈服階段：這一階段試樣明顯增長(zhǎng)，但載荷增量較小并出現(xiàn)上下波動(dòng)，若略去這種載荷讀數(shù)的微小波動(dòng)，屈服階段在"力-延伸曲線”上可以用水平線段表示； 3. 強(qiáng)化階段：由于材料在塑性變形過程中發(fā)生加工硬化，這一階段試樣在繼續(xù)伸長(zhǎng)的過程中，抗力也不斷增加，表現(xiàn)為曲線非比例上升； 4.頸縮階段和斷裂：試樣伸長(zhǎng)到一定程度之后，載荷讀數(shù)開始下降，此時(shí)可以看到在試樣的某一部位的橫截面面積顯著收縮，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，直到試樣被拉斷。 試驗(yàn)一般在室溫10℃~30℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，若對(duì)溫度有嚴(yán)格要求，則溫度應(yīng)控制在23℃5℃范圍內(nèi)。 參考文獻(xiàn) [1]鄭明新.工程材料[M]清華大學(xué)出版社,1991. 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[16] Astrom KJ Hagglund T.PID Controllers Theory Design and Tuning [M] Instrument Society of America.1995. 謝 詞 在此畢業(yè)設(shè)計(jì)即將完成之際，回顧畢業(yè)設(shè)計(jì)的創(chuàng)造過程，我收獲頗深，指導(dǎo)教師的敬業(yè)愛業(yè)精神及淵博的知識(shí)給我留下了深刻的印象。學(xué)無止境，導(dǎo)師用他終身學(xué)習(xí)精神告訴了我這個(gè)道理。 畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)以前學(xué)過知識(shí)的檢驗(yàn)，更是對(duì)學(xué)習(xí)態(tài)度是一種磨練，在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，在我迷茫時(shí)有老師的認(rèn)真講解，在我查閱資料煩悶時(shí)有同學(xué)的耐心陪伴，對(duì)于畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成得益于老師和同學(xué)的幫助，在此對(duì)所有幫助我的老師和同學(xué)致以衷心的感謝，使我可以順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅在各個(gè)方面都得到了鍛煉，還收獲了人生中重要的體會(huì)。 老師在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)我的指導(dǎo)和幫助，是我能完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在老師那里我學(xué)到了很多知識(shí)，提高查閱資料，閱讀書籍的能力，同時(shí)培養(yǎng)了獨(dú)立思考問題的能力。老師在我對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)一籌莫展時(shí)，開拓了我的思路，同時(shí)在老師的耐心指導(dǎo)下，我積累了很多經(jīng)驗(yàn)，受益匪淺。在此對(duì)所有幫助過我的老師們表達(dá)我深深的謝意，是他們讓我收獲了更多的知識(shí)。 最后感謝父母讓我可以收獲知識(shí)，認(rèn)識(shí)世界，感謝他們對(duì)我付出的所以的愛，人生中最愛護(hù)自己的莫過于父母，感激之情溢于言表。 天津工業(yè)大學(xué)應(yīng)用技術(shù)、繼續(xù)教育學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）指導(dǎo)記錄 班級(jí) 15機(jī)械 姓名 劉偉 學(xué)號(hào) 1552912108 論文題目 電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師姓名 馬永順 職稱 副教授 第一次指導(dǎo)要點(diǎn)： 提交畢業(yè)設(shè)計(jì)提綱，確定電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的寫作內(nèi)容，還需要嚴(yán)謹(jǐn)。 導(dǎo)師簽名： 馬永順 1月30日 第二次指導(dǎo)要點(diǎn)： 交來初稿，主要數(shù)據(jù)基本可靠，文字尚通順。 導(dǎo)師簽名：馬永順 2月20日 第三次指導(dǎo)要點(diǎn)： 第二次交稿，調(diào)整文章結(jié)構(gòu)，使文章進(jìn)一步詳略得當(dāng)。 導(dǎo)師簽名：馬永順 3月9日 第四次指導(dǎo)要點(diǎn)： 第三次交稿，一些細(xì)節(jié)內(nèi)容設(shè)置不大恰當(dāng)，論據(jù)不充分,需要進(jìn)行改動(dòng)。 導(dǎo)師簽名： 馬永順 3月20日 第五次指導(dǎo)要點(diǎn)： 第四次交稿，上述問題已基本解決，修改并準(zhǔn)備定稿。 學(xué)生態(tài)度認(rèn)真，寫作積極。 導(dǎo)師簽名： 馬永順 3月30日 備注 （1） 指導(dǎo)教師面對(duì)面指導(dǎo)學(xué)生不少于五次，每次均需填寫記錄；如超過五次請(qǐng)?jiān)倭砺氁粡埍怼? （2） 最后一次指導(dǎo)要寫出最后評(píng)語，包括學(xué)生的態(tài)度及表現(xiàn)。  本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表 題目 電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 劉偉 學(xué)生班級(jí) 15機(jī)械 指 導(dǎo) 教 師 填 寫 任務(wù)書下達(dá)時(shí)間 1月20日 學(xué)生調(diào)研及查閱文獻(xiàn)情況 較好 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原計(jì)劃有無調(diào)整 無 學(xué)生是否按計(jì)劃執(zhí)行工作進(jìn)度 是 學(xué)生是否能獨(dú)立完成工作任務(wù) 是 學(xué)生的出勤情況及出勤考核辦法 較好 學(xué)生接受指導(dǎo)的次數(shù)及時(shí)間 5次 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)記錄是否齊全 齊全 學(xué)生的工作態(tài)度在相應(yīng)選項(xiàng)劃“√” 認(rèn)真√ 一般 較差 尚存在的問題及采取的措施： 尚沒有問題存在 指導(dǎo)教師簽字： 馬永順 2017年 3月16日 系（教研室）意見： 負(fù)責(zé)人簽字： 附表6 天津工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯記錄表 繼續(xù)教育 學(xué)院 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專業(yè) 2015 年級(jí) 學(xué)生 劉偉 課題名稱 電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) 答辯委員會(huì) 主席（或組長(zhǎng)） 王建明 職 稱 副教授 答辯委員會(huì) 秘 書 蔡世濤 答辯委員會(huì) 成 員 孫小東 劉輝 王建明 蔡世濤 答辯記錄（包含答辯委員提出的問題，學(xué)生回答情況等） 答辯委員會(huì)秘書（簽字）： 蔡世濤 2017年 5 月 22 日