基于STC12C5A60S2的純剪切應力測試儀控制系統設計

劉 妮

(西安科技大學高新學院，陜西 西安 710109)

基于STC12C5A60S2的純剪切應力測試儀控制系統設計

劉 妮

(西安科技大學高新學院，陜西 西安 710109)

介紹了一種檢測道路施工中瀝青混凝土內部結構剪應變與剪應力關系的工程材料純剪切應力測試儀器。設計了基于STC12C5A60S2的剪應力測試儀的控制器機械裝置、控制系統。控制系統由數據采集模塊、微控制單元、顯示模塊、打印模塊、電機控制模塊組成。該純剪切應力測試儀經過實際測試，能夠對混凝土樣品進行純剪切應力測試，系統運行穩定可靠，測試數據準確度高，具有一定的實際應用價值，可以推廣。

純剪切；剪應變；剪應力；STC12C5A60S2；嵌入式打印機；MAX7219

0 引言

單元體截面上只有切應力而無正應力作用，這種應力狀態叫做純剪切應力狀態[1]。純剪試驗是研究板材成形的基本試驗之一，在工程上應用比較廣泛。

隨著混凝土材料應用領域的不斷擴大和研究工作的不斷深入，混凝土的剪切強度作為其基本的力學性能指標原來越受到工程界的重視。根據實際工程及修訂規范的需要，本文對混凝土剪切強度指標進行了研究，并設計出針對此指標的試驗樣機[2]。

1 純剪切應力測試儀機械結構設計

純剪切應力測試儀的機械裝置如圖1所示。

測試原理：將待測材料的模型放入到純剪切模具中，而后將模具和應變傳感器固定在升降平臺上，使電動機運動帶動升降臺向應力傳感器方向運行，與應力傳感器接觸并進行擠壓實現對材料模型的剪切，通過應變和應力傳感器測量該過程中的剪切應力和應力變[3]。

圖1 測試儀機電結構圖

2 純剪切測試儀控制器的總體設計方案

本文旨在為上述的測試裝置設計一臺控制器。該控制器包括剪應力和剪應變的數據實時采集和顯示、電機的正反轉控制、剪應力和剪應變數據的存儲和關系曲線的輸出打印。控制器的系統框圖如圖2所示。

圖2 測試儀控制系統框圖

3 純剪切測試儀控制器的硬件電路設計

3.1 控制器介紹

本系統選擇的STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期(1T指令周期模式)單片機，相對于傳統的8051單片機，其指令系統執行速度比較快，平均速度是傳統8051指令速度的8～12倍[4]。STC12C5A60S2單片機內部集成了60 KB的Flash程序存儲器，完全能滿足系統程序存儲的需求；內部RAM具有256 B，同時具有1 024 B的外部擴展RAM，完全能滿足SD卡讀取的至少512 B RAM的硬件需求[5]。為避免系統癱瘓和程序跑飛，使用其內部看門狗功能，保證系統不會死機，超時自動復位。

圖3 剪應變壓力信號調理放大電路圖

圖4 按鍵和系統指示燈電路圖

3.2 剪應力數據采集電路

剪應力傳感器采用大洋高精度型稱重傳感器(壓力、拉壓力、拉力稱重傳感器)。該傳感器采用高精度S梁結構，廣泛應用于混凝土攪拌站、配料秤、料斗秤及拉壓力試驗機。通過配套變送器可輸出4～20 mA、0～5 V、0～10 V等標準信號，與采集系統連接；也可配套顯示儀表直接顯示力值[6]。該傳感器的輸出差分電壓信號滿足如下公式：

滿量程輸出電壓=激勵電壓×靈敏度

其中靈敏度為2 mV/V。

本系統設計時激勵電壓采用12 V，故輸出滿量程電壓為24 mV差分小信號；該信號需經過信號調理電路進行處理放大到AD轉換模塊的有效范圍內，才能實現對剪應力的準確采集。設計小信號處理模塊電路如圖3所示。運放采用OP07單運放設計實際電路。這里的電阻需要用精密電阻。

3.3 剪應變數據采集電路

剪應變采用VHDL型位移傳感器，該傳感器的滿量程為150 mm，輸出是0～5 V電壓信號，該信號經過濾波電路，直接輸入STC12C5A60S單片機的AD輸入引腳。

3.4 人機交互接口電路

系統的控制輸入由6個按鍵組成，分別為試驗、打印、上升、下降和兩個備用按鍵。系統的運行狀態通過兩個LED發光二極管指示。按鍵輸入和系統指示電路如圖4所示。

系統的數據顯示模塊采用數碼管實現，采用兩個4位一體共陰極數碼管分別顯示剪應力和剪應變。數碼管的驅動采用MAX7219驅動芯片[7]。顯示模塊的硬件電路如圖5所示。

圖5 數碼管顯示電路圖

3.5 嵌入式打印機控制電路

系統的打印模塊采用北京思普瑞特SP-RMDⅢ系列微型嵌入打印機，該打印機體積小、重量輕、功能完備、高速度、高清晰、外型美觀、操作簡單、連接方便,是醫用器材、火警控制、工業控制以及其他各種儀器儀表更新換代的理想匹配產品，具有安裝方式簡易方便、工作電壓寬、打印速度快、濃度可調等優點[8]。本系統通過串口控制打印機。

3.6 交流電機控制電路

測試儀平臺的升降通過220 V交流異步電機實現，對于220 V電機的正反控制通過12 V中間繼電器實現，12 V中間繼電器的控制電路如圖6所示。

圖6 中間繼電器控制電路圖

4 純剪切測試儀控制器的軟件設計

控制器的軟件功能包括：剪應力和剪應變數據的AD采樣、剪應變和剪應力測量值的顯示、剪應變和剪應力測量值的保存打印、220 V交流電機的控制、外部按鍵輸入處理、系統狀態顯示功能。系統軟件設計采用模塊化設計，每個功能設計相應的功能子函數，系統的運行狀態通過變量sys_state的不同值來表征：

0：未試驗；

1：試驗；

2：試驗完，電機下降；

3：電機停止；

4：打印數據，試驗完成。

系統運行過程中通過按鍵和測量流程改變sys_state的值，系統根據sys_state狀態值自動調用相應的功能模塊子函數[9-10]。系統軟件主流程如圖7所示。其中按鍵處理子程序中也會讀取系統運行狀態變量，根據不同的狀態執行不同的處理子函數。

圖7 純剪切測試儀控制器的軟件主流程圖

5 系統聯調

系統聯調按照以下步驟來實現：

(1)連接好壓力傳感器(4芯插頭)、位移傳感器(3芯插頭)、電機(6芯插頭)；

(2)在工作臺上固定好工件，并將壓力傳感器、位移傳感器安裝在零點位置上；

(3)確保準備工作完成后，打開電源開關，等待系統打印出“歡迎您使用”字樣，進入待實驗狀態；

(4)通過“上升”或者“下降”按鍵，調節工作臺高度，使測試工件與壓力傳感器剛接觸，但沒有作用力；

(5)按“試驗”按鍵，電機正轉，工作臺上升，開始試驗；

(6)當工件被擠壓碎時，電機會停止5 s，然后反轉，工作臺下降；

(7)當工作臺下降到合適位置時，按一次“打印”鍵，電機停止；

(8)讀取數碼管顯示的最大剪應力和剪應變，再按“打印”鍵，打印數據曲線單；

(9)通過“上升”、“下降”按鍵調整工作臺到合適位置，固定工件和位移傳感器后，按“上升”鍵，使工件與壓力傳感器、位移傳感器剛接觸，然后按“試驗”鍵，開始下一次試驗。

6 結論

本文主要完成了純剪切測試儀控制器的設計與制作。純剪切測試儀控制器系統硬件包括剪應力小信號放大調理電路、剪應變AD采樣電路、按鍵輸入檢測電路、系統狀態顯示電路、數碼管顯示電路、打印機驅動電路、交流電機控制電路；軟件包括剪應變和剪應力數據采集、保存、曲線打印功能[11]。純剪切測試儀控制器系統實現了預期計劃的功能，能夠通過對純剪切測試機械結構的控制，對混凝土樣品進行純剪切應力測試。系統運行穩定可靠，測試數據準確度高，具有一定的實際應用和推廣價值。

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Design of control system for pure shear stress test instrument based on STC12C5A60S2

Liu Ni

(Xi’an KEDAGAOXIN University, Xi’an 710109, China)

This paper introduces a kind of pure shear stress testing instrument for detecting the relationship between shear and shear stress of asphalt concrete structure in road construction. The controller of mechanical device and control system based on STC12C5A60S2 is designed. Control system consists of data acquisition module, micro control unit, display module, print module, and motor control module. After actual test, it can be used to test the pure shear stress of concrete samples, the system runs stably and reliably, and the test data is accurate. It has certain practical application value.

pure shear; shear strain; shear stress; STC12C5A60S2; embed printer; MAX7219

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.09.009

劉妮.基于STC12C5A60S2的純剪切應力測試儀控制系統設計[J].微型機與應用，2017,36(9)：28-30，33.

2016-12-13)

劉妮(1989-)，女，碩士，助教，主要研究方向：智能檢測與自動化控制、移動互聯網和物聯網技術。