基于C8051F064的電腦抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)的研制與開發(fā)

摘要：以C8051F064單片機(jī)為核心，研制了一種電腦抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)，用來測(cè)量紙張的抗張力和抗張強(qiáng)度。系統(tǒng)主要由傳感器、日歷顯示芯片、步進(jìn)電機(jī)、液晶電路等構(gòu)成。文章給出了試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)思路和測(cè)量方法。測(cè)試結(jié)果表明，該試驗(yàn)機(jī)測(cè)量精度高，能夠顯示測(cè)量值的大小，并提供了一個(gè)友好的人機(jī)對(duì)話界面。

關(guān)鍵詞：抗張力；抗張強(qiáng)度；抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)；C8051F064

中圖分類號(hào)：TS736+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-8228(2011)08-08-02

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的繁榮和發(fā)展，人們對(duì)物品包裝、印刷等的要求越來越嚴(yán)格，包裝需求量與日俱增，對(duì)包裝印刷材料的印刷適性的測(cè)試需求越來越高。因此，研制一種既符合ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，又能從價(jià)格上被國(guó)人所接受的高性價(jià)比紙張印刷適性智能檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)促進(jìn)我國(guó)造紙印刷業(yè)的發(fā)展具有積極的意義。隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)的國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)不時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的修訂，提高了對(duì)測(cè)試儀器的要求。與電子、日化等其他行業(yè)相比，我國(guó)的這類測(cè)試儀器整體水平處于相對(duì)落后狀態(tài)，不能很好地適應(yīng)我國(guó)迅猛發(fā)展的造紙和及印刷行業(yè)面向國(guó)際的需要。因此為印刷、造紙行業(yè)提供一種測(cè)試技術(shù)先進(jìn)、操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高的新型電腦抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)就顯得非常重要和迫切，對(duì)提高行業(yè)水平，與國(guó)際水平接軌也具有重要的意義。

我們研究的電腦抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)廣泛適用于紙張、紙板、塑料薄膜以及其他非金屬材料抗張強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、抗張能量吸收的測(cè)定試驗(yàn)。它可以測(cè)量試樣抗張力、抗張強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、裂斷長(zhǎng)、抗張能量吸收、指數(shù)的智能型數(shù)字儀器。該儀器功能齊全，測(cè)量精度高，能夠顯示測(cè)量值的大小，測(cè)量范圍廣，并提供了一個(gè)友好的人機(jī)對(duì)話界面，操作簡(jiǎn)單方便。本文以C8051F064為核心分析設(shè)計(jì)該試驗(yàn)機(jī)的研制過程。

1、系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

C8051F064為試驗(yàn)機(jī)的主控CPU，負(fù)責(zé)與用戶的對(duì)話和設(shè)備的控制。存儲(chǔ)器為非易失性存儲(chǔ)器，用于保存用戶設(shè)置的參數(shù)和系統(tǒng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)。液晶屏用于顯示人機(jī)對(duì)話界面。打印機(jī)采用微型打印機(jī)，打印測(cè)試報(bào)告。傳感器用于檢測(cè)試樣的抗張力。按鍵作為人機(jī)對(duì)話操作，負(fù)責(zé)指令的輸入。步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器為儀器的動(dòng)力源，用于驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)的拉伸部件，對(duì)試樣進(jìn)行拉伸運(yùn)動(dòng)。串口用于上下位機(jī)的通訊電平轉(zhuǎn)換。

1.2 系統(tǒng)工作原理

電腦抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)夾頭以設(shè)定的拉伸速度拉動(dòng)被測(cè)試樣，利用拉力傳感器檢測(cè)試樣在被拉伸時(shí)所承受的最大拉力值并記錄試樣被拉伸的變形量，直到試樣被拉斷或拉潰為止。同時(shí)，系統(tǒng)將采樣到的力值和變形量以曲線和數(shù)字的形式在顯示屏上顯示出來，讓用戶了解試樣的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)。

2、主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 C8051F064

C8051F064器件是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU，具有59個(gè)數(shù)字I／O引腳，片內(nèi)集成了兩個(gè)16位、l Msps的ADC；64KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器；4352字節(jié)的片內(nèi)RAIVI；可尋址64KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口；硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus／12C和兩個(gè)UART串行接口；5個(gè)通用的16位定時(shí)器；具有6個(gè)捕捉，比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列；片內(nèi)設(shè)有看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器；在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行；每個(gè)MCU都可在工業(yè)溫度范圍(-45℃到+85℃)工作，工作電壓為2.7-3.6V；端口I／O、／RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號(hào)電壓。

2.2 傳感器

測(cè)力傳感器是電腦抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)的關(guān)鍵部件，它的性能及準(zhǔn)確度直接影響到整個(gè)測(cè)力儀的性能及指標(biāo)。測(cè)力傳感器的種類很多，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB／TBl634－2000對(duì)測(cè)力儀用傳感器的要求，經(jīng)過測(cè)試與比較，我們選用了S型傳感器以及柱式傳感器。S型傳感器用于檢定量程100kN以下的試驗(yàn)機(jī)，100kN以上試驗(yàn)機(jī)則用柱式傳感器來檢定。S型測(cè)力傳感器具有準(zhǔn)確度高、可靠性好、性能穩(wěn)定、可拉壓兩用、抗偏載能力強(qiáng)等性質(zhì)，可用于電子皮帶秤、料倉(cāng)秤、配料秤、機(jī)電結(jié)合稱、吊鉤秤及其他力值的測(cè)量與控制及計(jì)算機(jī)控制配料系統(tǒng)等。

2.3 PF8563時(shí)鐘日歷芯片

PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工業(yè)級(jí)內(nèi)含12C總線接口功能的具有極低功耗的多功能時(shí)鐘，日歷芯片。PCF8563的多種報(bào)警功能、定時(shí)器功能、時(shí)鐘輸出功能以及中斷輸出功能，能完成各種復(fù)雜的定時(shí)服務(wù)。甚至可為單片機(jī)提供看門狗功能，內(nèi)部時(shí)鐘電路、內(nèi)部振蕩電路、內(nèi)部低電壓檢測(cè)電路(1.0V)以及兩線制12C總線通訊方式，不但使外圍電路極其簡(jiǎn)潔，而且也增加了芯片的可靠性，同時(shí)每次讀寫數(shù)據(jù)后，內(nèi)嵌的地址寄存器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生增量。

PCF8563有16個(gè)位寄存器，一個(gè)可自動(dòng)增量的地址寄存器，一個(gè)內(nèi)置32.768KHz的振蕩器(帶有一個(gè)內(nèi)部集成的電容)，一個(gè)分頻器用于給實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC提供源時(shí)鐘，—個(gè)可編程時(shí)鐘輸出一個(gè)定時(shí)器一個(gè)報(bào)警器，一個(gè)掉電檢測(cè)器和一個(gè)400KHz 12C總線接口。

所有16個(gè)寄存器設(shè)計(jì)成可尋址的8位并行寄存器，但不是所有位都有用。前兩個(gè)寄存器內(nèi)存地址(00H，01H)用于控制寄存器和狀態(tài)寄存器，內(nèi)存地址(02H-08H)用于時(shí)鐘計(jì)數(shù)器(秒一年計(jì)數(shù)器)，地址(09H-0CH)用于報(bào)警寄存器(定義報(bào)警條件)地址0DH控制CLKOUT管腳的輸出頻率，地址0EH和0FH分別用于定時(shí)器控制寄存器和定時(shí)器寄存器。秒、分鐘、小時(shí)、日、月、年、分鐘報(bào)警、小時(shí)報(bào)警、日?qǐng)?bào)警等寄存器，編碼格式為BCD，星期和星期報(bào)警寄存器則不以BCD格式編碼。當(dāng)一個(gè)RTC寄存器被讀時(shí)所有計(jì)數(shù)器的內(nèi)容被鎖存，因此在傳送條件下可以禁止對(duì)時(shí)鐘日歷芯片的錯(cuò)讀。

3、軟件設(shè)計(jì)

軟件程序由參數(shù)設(shè)置、啟動(dòng)、打印、設(shè)置編碼、出廠設(shè)置、結(jié)果統(tǒng)計(jì)等幾部分組成，流程圖如圖4所示。

4、測(cè)量結(jié)果

C8051F064集成了兩個(gè)1Msps、16位分辨率的ADC，試驗(yàn)機(jī)的最大測(cè)試量程一般為300N，以此ADC對(duì)傳感器接收到的力值信號(hào)進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)的最小分辨率可達(dá)0.0046N，在測(cè)量時(shí)可達(dá)到很高的精度。

另外，力值傳感器的最大反應(yīng)(變化)頻率一般為1kHz左右，用本系統(tǒng)的ADC，以1Msps的頻率對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行采樣，能夠完全保證系統(tǒng)可以采試樣的最大峰值。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)的靜態(tài)力值準(zhǔn)確度一般都達(dá)到了0.1％左右。

5、結(jié)束語(yǔ)

本文所述試驗(yàn)機(jī)和同類產(chǎn)品比較，具有測(cè)量精度高、可以實(shí)時(shí)顯示力值變形量曲線、可與上位機(jī)軟件配套使用、方便測(cè)試數(shù)據(jù)的管理等有優(yōu)點(diǎn)。上位機(jī)顯示界面如圖5所示。該試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)投入市場(chǎng)使用，具有良好的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]澤雷爾.嵌入或系統(tǒng)的C程序設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]M帕茲.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)——理論與計(jì)算[M].地震出版社，1993.

[3]鄭百哲.包裝動(dòng)力學(xué)[M].北京科技出版社，1990.

[4]李祖樞，徐鳴，周其鑒.一種新型的仿人智能控制器[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，1990.16(6)：11-14.

[5]范世福.現(xiàn)代分析儀器發(fā)展的前沿技術(shù)和新思想[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2000.3：10-13.