基于C8051 拉力測試系統(tǒng)的設(shè)計

李 紅，于 軍

(鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030)

拉力試驗測試系統(tǒng)應(yīng)用C8051F350 對試驗參數(shù)進行測量和控制，采用機械加載、絲杠帶傳動，電子測量、液晶顯示，試驗速度連續(xù)可調(diào)，試驗拉斷自動停機，對試驗結(jié)果自動存儲，試驗結(jié)果可任意存取。廣泛應(yīng)用于橡膠、塑料、電線電纜、及金屬絲、金屬箔、等材料的力學(xué)性能試驗，是科研院校、大專院校、工礦企業(yè)、技術(shù)監(jiān)督、商檢仲裁等部門的理想測試設(shè)備。增加附件還可做壓縮、彎曲試驗，具有極好的應(yīng)用前景。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

最大試驗力:50 kg;量程:0～50 kg;試驗力準(zhǔn)確度:±0.03 kg;位移速度控制范圍:1 mm/min～500 mm/min;保護功能:試驗機有過載保護功能;供電電源:220 V，50 Hz。

2 總體設(shè)計方案

拉力試驗測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，控制系統(tǒng)選用C8051F350 單片機做處理，C8051F350 采用高速流水線結(jié)構(gòu)的8051 兼容的CIP－51 內(nèi)核，最高50MIPS 執(zhí)行速度;24 bit 8 通道單端/差分ADC，帶模擬多路器;C8051F350 含有豐富的GPIO 引腳和4個通用的16 bit 定時/計數(shù)器，具有3個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列［1－3］。

圖1 拉力試驗測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

采用AD623 組成的信號放大電路［4－5］能在單電源(+3V 到+12V)下提供滿電源幅度的輸出。在無外接電阻條件下，AD623 被設(shè)置為單增益(G=1)。在外接電阻后，AD623 可編程設(shè)置增益，增益最高可達(dá)1 000倍。

直流電機驅(qū)動電路采用IR2110和IRF530，IR2110 采用先進的自舉電路和電平轉(zhuǎn)換技術(shù)［6－8］，大大簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求。

3 信號放大電路

傳感器采用MAVIN 金準(zhǔn)家NS6 拉壓力傳感器50 kg，主要技術(shù)參數(shù)如下:

額定負(fù)荷:50 kg;額定輸出:2.0 mV/V ± 0.5%;非線性:0.03 %F.S;滯后:0.03 %F.S;重復(fù)性:0.03 %F.S。

圖2 AD623 組成的放大電路

AD623 輸出信號是輸出端6腳與參考電壓5腳之間的電壓差，如果需要輸出正、負(fù)信號，可外接參考電壓(也可以方便的使用C8051F350 提供的基準(zhǔn)電壓)，本系統(tǒng)直接接模擬信號地。傳感器的輸入信號經(jīng)過AD623 放大，6腳輸出接C8051F350 的AD 輸入AN0，從而完成信號的采集與AD 轉(zhuǎn)換。如圖3所示，主控電路全部采用貼片元件，結(jié)構(gòu)緊湊。從電路模塊化和通用性考慮，重新設(shè)計時將電機驅(qū)動模塊與主控電路分成兩塊PCB［9－10］，主控板電源與驅(qū)動模塊電源采用高速光耦隔離。

圖3 主控板實物圖

4 直流電機驅(qū)動電路

4.1 信號預(yù)處理電路

由IRF530 組成的H 橋電路需要兩片IR2110，如果由C8051F350 直接驅(qū)動需要兩組互補的PWM。信號預(yù)處理電路［11］簡化C8051 輸出控制，同時對H橋單側(cè)橋臂進行互鎖保護，如圖4所示。

圖4 信號預(yù)處理電路

C8051F350 只需要提供PWM和方向信號DIR，經(jīng)過信號預(yù)處理電路后產(chǎn)生IR2110所需的4 路控制信號。由與非門74HC00、與門74HC08和三態(tài)門74HCl25 對PWM和DIR 信號進行預(yù)處理，實現(xiàn)輸出信號互鎖保護，避免單側(cè)橋臂同時導(dǎo)通。

74HC125 的3、6、8、11腳分別對應(yīng)IN1、IN2、IN3、IN4。波形如表1、2所示。

表1 電機正轉(zhuǎn)時

表2 電機反轉(zhuǎn)時

4.2 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路由IR2110 驅(qū)動和IRF350 構(gòu)成，如圖5所示。由IR2110 構(gòu)成的在H 橋設(shè)計中，使上側(cè)橋臂完全導(dǎo)通必須要滿足以下條件，圖中所選的C8、C9自舉電容要能滿足管子開通的能量要求;自舉電容提供給管子開通能量后，電源要能快速補充能量，必須在電源附近并聯(lián)一個大電容C10、C11;自舉二極管要選擇快恢復(fù)二極管MG157;管子的柵極驅(qū)動電阻也不能太大，太大就限制了管子導(dǎo)通電流。

圖5 IR2110 與IRF530 組成的驅(qū)動電路

實際電路如圖5所示，輸出端電源VCC 是12 V，輸入信號端電源6 V，C3、C9自舉電容采用2個104并聯(lián)，C10、C11采用10μF，柵極驅(qū)動電阻33Ω。U6、U9、U7、U10 是IRF530。當(dāng)U6、U10 導(dǎo)通時，電機正轉(zhuǎn);當(dāng)U9、U7 導(dǎo)通時，電機反轉(zhuǎn);當(dāng)U9、U10 導(dǎo)通時，電機兩極與地短接，電機剎車制動。

4.3 電機速度調(diào)節(jié)

4.3.1 PID 簡介

基本偏差e(t):表示當(dāng)前測量值與設(shè)定目標(biāo)之間的偏差，設(shè)定目標(biāo)是被減數(shù)，結(jié)果可以是正或負(fù)，正數(shù)表示還沒有達(dá)到，負(fù)數(shù)表示已經(jīng)超過了設(shè)定值。這是面向比例項用的一個變動數(shù)據(jù)。

累計偏差∑e(t)=e(t)+e(t－1)+… +e(t－n):這是我們每一次測量得到偏差值的總和，這是代數(shù)和，要考慮正負(fù)號運算的，這是面向積分項用的一個變動數(shù)據(jù)。

基本偏差的相對量e(t)－e(t－1):用本次的基本偏差減去上一次的基本偏差，用于考察當(dāng)前控制的對象的趨勢，作為快速反應(yīng)的重要數(shù)據(jù)，這是面向微分項用的一個變動數(shù)據(jù)。

三個基本參數(shù)Kp、Ki、Kd:這是做好一個控制器的關(guān)鍵常數(shù)，分別稱為比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)，不同的控制對象需要選取不同的值，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試才能獲得較好的效果。

4.3.2 PID 計算公式

PID 算法標(biāo)準(zhǔn)的直接計算公式:

上一次計算值:

兩式相減得到增量法計算公式:

直接計算法得到的是當(dāng)前需要的控制量，增量法得到的是增量，也就是在上一次的控制基礎(chǔ)上需要增加(負(fù)值減少)的控制量。

實際設(shè)計中，采用分段PID 控制，由實驗獲得最佳參數(shù)。在參數(shù)設(shè)定中借鑒了Ziegler-Nichols 提出的方法。令Ki=0.25Kp，Kd=1.25Kp。實際調(diào)整中可調(diào)參數(shù)只有Kp。

5 軟件設(shè)計［12－13］

軟件系統(tǒng)主要有由主程序、按鍵掃描子程序、電機控制子程序程序、拉力信號采集處理子程序、顯示子程序等構(gòu)成。主程序主要完成程序初始化、檢測功能鍵(拉力測試模式、電機轉(zhuǎn)速設(shè)定)狀態(tài)，當(dāng)某個功能鍵有效時執(zhí)行相應(yīng)的子程序。

按鍵掃描程序是選擇工作模式，電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，啟動程序時，掃描各按鍵，并將按鍵狀態(tài)輸入CPU進行處理;拉力信號采集處理子程序主要完成對拉力信號的采集盒AD 轉(zhuǎn)換和處理;顯示子程序主要完成工作模式、當(dāng)前拉力值、工件拉斷時峰值拉力、電機轉(zhuǎn)速的顯示數(shù)據(jù)的處理。

6 實驗結(jié)果及誤差分析

6.1 拉力傳感器的擬合直線

將50 kg 分成10 段，用50 g 的砝碼逐漸加載，每段采集100個點(xi、yi)，(xi拉力值;yi傳感器輸出經(jīng)過放大的電壓值)。采用最小二乘法擬合直線，得出傳感器拉力與輸出電壓的擬合直線。

6.2 結(jié)果及誤差分析

拉力測試誤差主要是由于最小二乘法擬合直線誤差、砝碼、電子稱精度、AD 轉(zhuǎn)換誤差引起的，在實際調(diào)試過程中，測量儀器采用ALH－5 精確到0.000 1 kg 的電子稱。精度遠(yuǎn)高于指標(biāo)要求的0.03 kg 的要求。C8051/F350 內(nèi)部自帶24 bit AD，50 kg 拉力傳感器理論轉(zhuǎn)換誤差0.000 003 kg，轉(zhuǎn)換精度遠(yuǎn)高于指標(biāo)要求。經(jīng)實際測試［14］，50 kg 拉力測試系統(tǒng)，拉力誤差小于0.02 kg;直流電機驅(qū)動的速度線性好，響應(yīng)快。

7 結(jié)束語

電路板采用貼片元件，分成主控板和電機驅(qū)動板兩部分，硬件電路通用性好，主控板可以單獨作為各種信號的采集處理，驅(qū)動板可以用來作為各種直流電機的驅(qū)動模塊，因而得到廣泛應(yīng)用。

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