基于單片機(jī)技術(shù)的裝配壓力測(cè)控儀設(shè)計(jì)與研究

張秀艷，代小軍

（1.大連科技學(xué)院，大連 116052；2.大連三洋冷鏈有限公司，大連 116600）

控制技術(shù)

基于單片機(jī)技術(shù)的裝配壓力測(cè)控儀設(shè)計(jì)與研究

張秀艷1，代小軍2

（1.大連科技學(xué)院，大連 116052；2.大連三洋冷鏈有限公司，大連 116600）

在零部件過(guò)盈配合的裝配時(shí)，裝配壓力過(guò)小或過(guò)大都會(huì)影響裝配效果。對(duì)裝配壓力要進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制來(lái)保證產(chǎn)品質(zhì)量。為了準(zhǔn)確測(cè)量裝配壓力，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，針對(duì)裝配機(jī)的裝配壓力進(jìn)行全自動(dòng)監(jiān)控，設(shè)計(jì)了一臺(tái)以單片機(jī)為核心的裝配壓力測(cè)控儀。該控制器發(fā)揮了單片機(jī)智能控制的優(yōu)勢(shì)，能夠達(dá)到較高的裝配壓力測(cè)控精度。

裝配壓力；單片機(jī)；壓力測(cè)量

0　引言

壓力指標(biāo)在工業(yè)化生產(chǎn)當(dāng)中有著重要的作用，在生產(chǎn)中保障安全的一項(xiàng)衡量指標(biāo)，所以對(duì)于壓力的測(cè)量是一項(xiàng)比較重要的過(guò)程。壓力檢測(cè)是一般生產(chǎn)過(guò)程所不可缺少的環(huán)節(jié)，只有按工藝要求保持壓力的穩(wěn)定，才能維持生產(chǎn)的正常。

在零部件過(guò)盈配合的裝配時(shí)，為了保證裝配精度和效率，對(duì)裝配壓力要進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。由于壓力控制在生產(chǎn)過(guò)程中起著決定性的安全作用，因此有必要準(zhǔn)確測(cè)量壓力。

本課題結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，針對(duì)裝配機(jī)的裝配壓力進(jìn)行全自動(dòng)監(jiān)控，設(shè)計(jì)了一臺(tái)以單片機(jī)為核心的裝配壓力測(cè)控儀。

1　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

裝配壓力測(cè)控儀將裝配力的物理量通過(guò)力傳感器被送入A/D轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再送入89C51單片機(jī)中，在單片機(jī)中進(jìn)行標(biāo)度變換、二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成BCD碼、BCD碼轉(zhuǎn)換成分離BCD碼、分離BCD碼轉(zhuǎn)換成顯示碼，最后將顯示碼送到顯示模塊中。

對(duì)系統(tǒng)基本功能的分析，可將該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致分為如下四個(gè)部分：1）電源整流部分：此部分主要包括變壓器、整流器等硬件電路，它的作用是將220V交流電轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所需的直流電源。2）A/D轉(zhuǎn)換部分：主要是指外界的物理量通過(guò)傳感器而得到的模擬量，進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，物理量由A/D轉(zhuǎn)換器得到數(shù)字量送入單片機(jī)中，這是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一。3）控制部分：它包括CPU（中央處理器）、以及鍵盤(pán)控制電路等，能夠?qū)χ甘緝x的量程、報(bào)警值和鍵盤(pán)信號(hào)進(jìn)行處理，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。4）顯示部分：是指數(shù)碼管和光柱顯示電路，它是LED發(fā)光二極管通過(guò)單片機(jī)的對(duì)其控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

通過(guò)對(duì)裝配壓力測(cè)控儀顯示方案的分析并結(jié)合裝配機(jī)的具體要求，裝配壓力測(cè)控儀的原理方框圖如圖1所示。

圖1　原理方框圖

2　系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括：壓力傳感器、CPU、A/D轉(zhuǎn)換器、顯示芯片的選擇，顯示、鍵盤(pán)、I/O接口以及控制電路。裝配壓力測(cè)控儀電路如圖2所示。

圖2　電路原理圖

2.1力傳感器的選用

壓力傳感器是壓力檢測(cè)系統(tǒng)中的重要組成部分，由各種壓力敏感元件將被測(cè)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成容易測(cè)量的電信號(hào)作輸出，給顯示儀表顯示壓力值，或供控制和報(bào)警使用。圖2給出壓力傳感器信號(hào)采集電路。選用了測(cè)量范圍廣，精度較高，性能價(jià)格比好的型號(hào)YCB-20A的電阻應(yīng)變式壓力傳感器。測(cè)量范圍2、4、6 、8、10、12、15、20、25、30、35、40、60精度1mV/V電阻應(yīng)變式壓力傳感器，不銹鋼結(jié)構(gòu)。具有測(cè)量精度高、遲滯誤差小、工作穩(wěn)定、體積小、重量輕，量程廣的特點(diǎn)。

2.2CPU的選用

裝配壓力測(cè)控儀系統(tǒng)選用89C51芯片，89C51是MCS-51系列單片機(jī)是功能很強(qiáng)的8位微型計(jì)算機(jī)，是MCS-51系列的代表性產(chǎn)品，89C51雖然片內(nèi)沒(méi)有EPROM，但在市場(chǎng)上價(jià)格很低，僅需在片外擴(kuò)展一片EPROM就可以構(gòu)成8751。

2.3動(dòng)態(tài)掃描接口

動(dòng)態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的8個(gè)筆劃段a-h同名端連在一起，而每一個(gè)顯示器的公共極COM是各自獨(dú)立地受I/O線(xiàn)控制，這種顯示方式可以起到節(jié)省系統(tǒng)I/O口的作用，采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示器的COM端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮。用了74LS373和74LS145地址寄存器與數(shù)碼管相連，不連接限流電阻。

2.4A/D轉(zhuǎn)換器及接口電路

采用的A/D轉(zhuǎn)換芯片是TLC1459，它是10位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有自動(dòng)采樣保持功能，采用串行方式與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，與處理器連接僅有芯片選擇、I/O時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸出3引線(xiàn)。89C51的P1.5、P1.6和P1.7分別用于TLC1549的I/O時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸出和片選信號(hào)，TLC1549是10位、開(kāi)關(guān)電容、逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

2.574LS373及其接口電路

采用74LS373作為段地址寄存器，它是20管腳三態(tài)同向八上升沿D觸發(fā)器，其主要電器特性的典型值為：fm=50Hz，Pd=135mW。它的輸出端Q0～Q7可直接與總線(xiàn)相連。當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平時(shí)，Q0～Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線(xiàn)。當(dāng)OE為高電平時(shí)，Q0～Q7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)總線(xiàn)，也不為總線(xiàn)的負(fù)載，但所存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當(dāng)時(shí)鐘端CP脈沖上升沿的作用下，Q隨數(shù)據(jù)D而變。

2.6電源的設(shè)計(jì)

電源外接220V交流電，首先通過(guò)變壓器將220V電壓變?yōu)?4V和12V交流電，通過(guò)整流濾波電路（包括電橋，電容器等元件）最終將電壓變?yōu)?V直流電，供整套系統(tǒng)使用。其電源內(nèi)部電路圖3所示。

圖3　電源內(nèi)部電路原理圖

3　系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)所用的編程語(yǔ)言是匯編語(yǔ)言，對(duì)系統(tǒng)功能的分析，程序的總體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)資源的分配，相關(guān)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作方式的選擇，然后再進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算，流程圖的繪制，具體編程，仿真調(diào)試，對(duì)程序進(jìn)行修改等多個(gè)方面。

A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549從傳感器讀入模擬量之后轉(zhuǎn)換成數(shù)字量然后將其送入單片機(jī)，經(jīng)過(guò)標(biāo)度變換、顯示碼處理后將顯示碼分別送到數(shù)碼管和光柱上顯示出來(lái)。軟件還可以實(shí)現(xiàn)按鍵操作。

基于操作友好、功能齊全、安全可靠的設(shè)計(jì)原則，該系統(tǒng)的程序還具有報(bào)警提示功能、鍵抖動(dòng)處理功能、看門(mén)狗功能以及工作狀態(tài)顯示功能等。

3.1系統(tǒng)的主程序

該系統(tǒng)的主程序有初始化（包括89C51的初始化，定時(shí)器初始化，看門(mén)狗初始化等）、A/D轉(zhuǎn)換，標(biāo)度變換，顯示處理鍵盤(pán)掃描，鍵盤(pán)處理等程序段和功程序模塊組成，其流程圖如圖4所示。外界的物理量經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字量再經(jīng)過(guò)標(biāo)度變換、顯示處理，顯示出來(lái)。

圖4　主程序流程圖

3.2系統(tǒng)子程序

1）按鍵操作子程序

鍵盤(pán)也是該儀表的重要的一部分，該儀表一共設(shè)計(jì)了四個(gè)功能鍵，分別為設(shè)置鍵，增加鍵，減少鍵和退出鍵，它們接在89C51單片機(jī)的P2口上，當(dāng)K分別為1，2，4，8時(shí)表示它們已被分別按下。

2）一鍵多功能操作子程序

在按鍵操作中經(jīng)常會(huì)用到一種特殊的按鍵方式，就是一鍵多功能操作，在一個(gè)按鍵上實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)參數(shù)的控制。

系統(tǒng)子程序具體流程圖如圖5所示。

圖5　子程序流程圖

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4　用戶(hù)使用說(shuō)明

控制面板是人和工作機(jī)進(jìn)行交流的十分重要平臺(tái)，面板上的數(shù)碼管顯示器能精確的顯示出物理量的值，光柱顯示器又能直觀(guān)的表現(xiàn)出物理量的變化，如圖6所示。紅色的指示燈為上限報(bào)警燈，黃色的為下限報(bào)警燈，綠色的為設(shè)置狀態(tài)指示燈。長(zhǎng)按控制面板上的設(shè)置鍵（大約兩秒鐘）便可進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)此時(shí)綠色的指示燈亮，此時(shí)數(shù)碼管顯示器顯示儀表的下限值，按“+”和“-”進(jìn)行設(shè)置，按退出鍵便可退出設(shè)置狀態(tài)。

圖6　光柱式指示儀控制面板

5　結(jié)論

設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的裝配壓力測(cè)控儀。從硬、軟件介紹了裝配壓力測(cè)控儀的設(shè)計(jì)思想，并結(jié)合其功能與操作介紹該儀器的一些設(shè)計(jì)技巧。對(duì)產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因進(jìn)行分析，并提出解決的途徑和方法。該裝配壓力測(cè)控儀已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)使用，具有檢測(cè)精度高、使用簡(jiǎn)單、成本較低、工作穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。

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The design and study of assembly pressure monitor based on SCM technology

ZHANG Xiu-yan1，DAI Xiao-jun2

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1009-0134（2016）09-0001-03

2016-01-31

遼寧省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（L2013514）

張秀艷（1978 -），女，遼寧沈陽(yáng)人，副教授，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化和機(jī)械加工工藝。