基于STC12C5A60S2的純剪切應(yīng)力測(cè)試儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 妮

(西安科技大學(xué)高新學(xué)院，陜西 西安 710109)

基于STC12C5A60S2的純剪切應(yīng)力測(cè)試儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 妮

(西安科技大學(xué)高新學(xué)院，陜西 西安 710109)

介紹了一種檢測(cè)道路施工中瀝青混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變與剪應(yīng)力關(guān)系的工程材料純剪切應(yīng)力測(cè)試儀器。設(shè)計(jì)了基于STC12C5A60S2的剪應(yīng)力測(cè)試儀的控制器機(jī)械裝置、控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、微控制單元、顯示模塊、打印模塊、電機(jī)控制模塊組成。該純剪切應(yīng)力測(cè)試儀經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，能夠?qū)炷翗悠愤M(jìn)行純剪切應(yīng)力測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可以推廣。

純剪切；剪應(yīng)變；剪應(yīng)力；STC12C5A60S2；嵌入式打印機(jī)；MAX7219

0 引言

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

隨著混凝土材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和研究工作的不斷深入，混凝土的剪切強(qiáng)度作為其基本的力學(xué)性能指標(biāo)原來(lái)越受到工程界的重視。根據(jù)實(shí)際工程及修訂規(guī)范的需要，本文對(duì)混凝土剪切強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)出針對(duì)此指標(biāo)的試驗(yàn)樣機(jī)[2]。

1 純剪切應(yīng)力測(cè)試儀機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

純剪切應(yīng)力測(cè)試儀的機(jī)械裝置如圖1所示。

測(cè)試原理：將待測(cè)材料的模型放入到純剪切模具中，而后將模具和應(yīng)變傳感器固定在升降平臺(tái)上，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)升降臺(tái)向應(yīng)力傳感器方向運(yùn)行，與應(yīng)力傳感器接觸并進(jìn)行擠壓實(shí)現(xiàn)對(duì)材料模型的剪切，通過(guò)應(yīng)變和應(yīng)力傳感器測(cè)量該過(guò)程中的剪切應(yīng)力和應(yīng)力變[3]。

圖1 測(cè)試儀機(jī)電結(jié)構(gòu)圖

2 純剪切測(cè)試儀控制器的總體設(shè)計(jì)方案

本文旨在為上述的測(cè)試裝置設(shè)計(jì)一臺(tái)控制器。該控制器包括剪應(yīng)力和剪應(yīng)變的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和顯示、電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制、剪應(yīng)力和剪應(yīng)變數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和關(guān)系曲線的輸出打印。控制器的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 測(cè)試儀控制系統(tǒng)框圖

3 純剪切測(cè)試儀控制器的硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 控制器介紹

本系統(tǒng)選擇的STC12C5A60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T指令周期模式)單片機(jī)，相對(duì)于傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，其指令系統(tǒng)執(zhí)行速度比較快，平均速度是傳統(tǒng)8051指令速度的8～12倍[4]。STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部集成了60 KB的Flash程序存儲(chǔ)器，完全能滿足系統(tǒng)程序存儲(chǔ)的需求；內(nèi)部RAM具有256 B，同時(shí)具有1 024 B的外部擴(kuò)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(tǒng)癱瘓和程序跑飛，使用其內(nèi)部看門狗功能，保證系統(tǒng)不會(huì)死機(jī)，超時(shí)自動(dòng)復(fù)位。

圖3 剪應(yīng)變壓力信號(hào)調(diào)理放大電路圖

圖4 按鍵和系統(tǒng)指示燈電路圖

3.2 剪應(yīng)力數(shù)據(jù)采集電路

剪應(yīng)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(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于混凝土攪拌站、配料秤、料斗秤及拉壓力試驗(yàn)機(jī)。通過(guò)配套變送器可輸出4～20 mA、0～5 V、0～10 V等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，與采集系統(tǒng)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(hào)滿足如下公式：

滿量程輸出電壓=激勵(lì)電壓×靈敏度

其中靈敏度為2 mV/V。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)激勵(lì)電壓采用12 V，故輸出滿量程電壓為24 mV差分小信號(hào)；該信號(hào)需經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行處理放大到AD轉(zhuǎn)換模塊的有效范圍內(nèi)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)剪應(yīng)力的準(zhǔn)確采集。設(shè)計(jì)小信號(hào)處理模塊電路如圖3所示。運(yùn)放采用OP07單運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)際電路。這里的電阻需要用精密電阻。

3.3 剪應(yīng)變數(shù)據(jù)采集電路

剪應(yīng)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(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路，直接輸入STC12C5A60S單片機(jī)的AD輸入引腳。

3.4 人機(jī)交互接口電路

系統(tǒng)的控制輸入由6個(gè)按鍵組成，分別為試驗(yàn)、打印、上升、下降和兩個(gè)備用按鍵。系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)兩個(gè)LED發(fā)光二極管指示。按鍵輸入和系統(tǒng)指示電路如圖4所示。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示模塊采用數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)，采用兩個(gè)4位一體共陰極數(shù)碼管分別顯示剪應(yīng)力和剪應(yīng)變。數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)采用MAX7219驅(qū)動(dòng)芯片[7]。顯示模塊的硬件電路如圖5所示。

圖5 數(shù)碼管顯示電路圖

3.5 嵌入式打印機(jī)控制電路

系統(tǒng)的打印模塊采用北京思普瑞特SP-RMDⅢ系列微型嵌入打印機(jī)，該打印機(jī)體積小、重量輕、功能完備、高速度、高清晰、外型美觀、操作簡(jiǎn)單、連接方便,是醫(yī)用器材、火警控制、工業(yè)控制以及其他各種儀器儀表更新?lián)Q代的理想匹配產(chǎn)品，具有安裝方式簡(jiǎn)易方便、工作電壓寬、打印速度快、濃度可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)[8]。本系統(tǒng)通過(guò)串口控制打印機(jī)。

3.6 交流電機(jī)控制電路

測(cè)試儀平臺(tái)的升降通過(guò)220 V交流異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于220 V電機(jī)的正反控制通過(guò)12 V中間繼電器實(shí)現(xiàn)，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(cè)試儀控制器的軟件設(shè)計(jì)

控制器的軟件功能包括：剪應(yīng)力和剪應(yīng)變數(shù)據(jù)的AD采樣、剪應(yīng)變和剪應(yīng)力測(cè)量值的顯示、剪應(yīng)變和剪應(yīng)力測(cè)量值的保存打印、220 V交流電機(jī)的控制、外部按鍵輸入處理、系統(tǒng)狀態(tài)顯示功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)功能設(shè)計(jì)相應(yīng)的功能子函數(shù)，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)變量sys_state的不同值來(lái)表征：

0：未試驗(yàn)；

1：試驗(yàn)；

2：試驗(yàn)完，電機(jī)下降；

3：電機(jī)停止；

4：打印數(shù)據(jù)，試驗(yàn)完成。

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)按鍵和測(cè)量流程改變sys_state的值，系統(tǒng)根據(jù)sys_state狀態(tài)值自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的功能模塊子函數(shù)[9-10]。系統(tǒng)軟件主流程如圖7所示。其中按鍵處理子程序中也會(huì)讀取系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變量，根據(jù)不同的狀態(tài)執(zhí)行不同的處理子函數(shù)。

圖7 純剪切測(cè)試儀控制器的軟件主流程圖

5 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)按照以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)：

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

(2)在工作臺(tái)上固定好工件，并將壓力傳感器、位移傳感器安裝在零點(diǎn)位置上；

(3)確保準(zhǔn)備工作完成后，打開電源開關(guān)，等待系統(tǒng)打印出“歡迎您使用”字樣，進(jìn)入待實(shí)驗(yàn)狀態(tài)；

(4)通過(guò)“上升”或者“下降”按鍵，調(diào)節(jié)工作臺(tái)高度，使測(cè)試工件與壓力傳感器剛接觸，但沒(méi)有作用力；

(5)按“試驗(yàn)”按鍵，電機(jī)正轉(zhuǎn)，工作臺(tái)上升，開始試驗(yàn)；

(6)當(dāng)工件被擠壓碎時(shí)，電機(jī)會(huì)停止5 s，然后反轉(zhuǎn)，工作臺(tái)下降；

(7)當(dāng)工作臺(tái)下降到合適位置時(shí)，按一次“打印”鍵，電機(jī)停止；

(8)讀取數(shù)碼管顯示的最大剪應(yīng)力和剪應(yīng)變，再按“打印”鍵，打印數(shù)據(jù)曲線單；

(9)通過(guò)“上升”、“下降”按鍵調(diào)整工作臺(tái)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(yàn)”鍵，開始下一次試驗(yàn)。

6 結(jié)論

本文主要完成了純剪切測(cè)試儀控制器的設(shè)計(jì)與制作。純剪切測(cè)試儀控制器系統(tǒng)硬件包括剪應(yīng)力小信號(hào)放大調(diào)理電路、剪應(yīng)變AD采樣電路、按鍵輸入檢測(cè)電路、系統(tǒng)狀態(tài)顯示電路、數(shù)碼管顯示電路、打印機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、交流電機(jī)控制電路；軟件包括剪應(yīng)變和剪應(yīng)力數(shù)據(jù)采集、保存、曲線打印功能[11]。純剪切測(cè)試儀控制器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期計(jì)劃的功能，能夠通過(guò)對(duì)純剪切測(cè)試機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制，對(duì)混凝土樣品進(jìn)行純剪切應(yīng)力測(cè)試。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，具有一定的實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)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(yīng)力測(cè)試儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)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(cè)與自動(dòng)化控制、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。