基于容柵傳感器的試件拉伸率在線測(cè)量裝置

金定洲，張念生

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥230036）

1 引 言

在做拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)往往使用卡尺等機(jī)械測(cè)量工具對(duì)拉斷試件進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量，而由于一些客觀因素的存在使得測(cè)量數(shù)據(jù)的精度大大降低，如：拉斷試件測(cè)量時(shí)不好固定；試件斷開(kāi)后有回彈塑性變形現(xiàn)象；斷口無(wú)法緊密對(duì)接，等等.為此本文設(shè)計(jì)了一套可以安裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行在線同步測(cè)量裝置，并且在拉斷試件的瞬間保持測(cè)量度數(shù)不變，有效地解決了試件回彈塑性變形現(xiàn)象影響測(cè)量精度的問(wèn)題，從而將以上這些問(wèn)題都得以解決.

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路部分包括：電平轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集電路、中斷產(chǎn)生電路以及數(shù)據(jù)顯示電路.由于單片機(jī)與液晶1602的連接電路比較常見(jiàn)，本文不做詳細(xì)介紹.

2.1 原理介紹

要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量必須用到位移傳感器，目前常見(jiàn)的長(zhǎng)度測(cè)量位移傳感器有光柵、容柵、磁柵等，而目前廣泛應(yīng)用在長(zhǎng)度測(cè)量器具上的是容柵傳感器，如容柵數(shù)顯卡尺、千分尺等.

容柵傳感器由動(dòng)?xùn)?、定柵和顯示電路組成，如圖1將定柵固定安裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)上臂固定不動(dòng)，動(dòng)?xùn)牛ê@示電路）安裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)下臂上，當(dāng)試件拉伸時(shí)動(dòng)?xùn)烹S之移動(dòng)產(chǎn)生位移信號(hào).如果僅利用傳感器動(dòng)?xùn)派系娘@示電路讀取位移信號(hào)則試件拉斷時(shí)將繼續(xù)產(chǎn)生位移信號(hào)，故無(wú)法計(jì)算伸長(zhǎng)率.本裝置是通過(guò)單片機(jī)對(duì)傳感器信號(hào)做進(jìn)一步處理，即同步讀取容柵傳感器的位移信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理以后送到1602液晶獨(dú)立顯示位移值，當(dāng)試件拉斷的瞬間，由硬件電路產(chǎn)生外部中斷信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)即停止讀取傳感器數(shù)據(jù)并保持當(dāng)前數(shù)據(jù).此時(shí)動(dòng)?xùn)烹m然繼續(xù)向下移動(dòng)產(chǎn)生位移信號(hào)，但是單片機(jī)的讀數(shù)不會(huì)發(fā)生改變.

圖1 容柵安裝示意圖

2.2 中斷信號(hào)產(chǎn)生電路

如圖2所示，5V電源通過(guò)電阻R、拉伸試件與電源地相連（注意安裝時(shí)拉伸試件必須與試驗(yàn)機(jī)夾具保持絕緣），拉伸試件上端通過(guò)非門接至單片機(jī)P3.3端口，試件未拉斷時(shí)P3.3為高電平，當(dāng)試件拉斷時(shí)P3.3電平由高變低，給單片機(jī)產(chǎn)生中斷信號(hào).

圖2 中斷產(chǎn)生電路

2.3 容柵傳感器電平轉(zhuǎn)換電路

因?yàn)槿輺艂鞲衅鞑捎?.5V電壓供電[1]，而單片機(jī)工作電壓為5V，所以要使兩者之間能夠通信，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，本電路采用LM311電壓比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能.LM311為高性能電壓比較器，可單電源或雙電源供電，輸入可以是與系統(tǒng)地隔離的信號(hào)，輸出可以是以地或VCC或VEE為參考的負(fù)載，驅(qū)動(dòng)方式靈活，驅(qū)動(dòng)電流大，線路簡(jiǎn)單可靠.如圖3所示，容柵傳感器數(shù)據(jù)輸出端口Data和時(shí)鐘輸出端口CLK分別接到2個(gè)LM311的同相輸入端2腳，反向輸入端3腳接基準(zhǔn)電壓，根據(jù)比較器的特性：當(dāng)Data大于基準(zhǔn)電壓時(shí)輸出＋5V，當(dāng)Data小于基準(zhǔn)電壓時(shí)輸出0V.從而完成容柵傳感器電平轉(zhuǎn)換.

圖3 電平轉(zhuǎn)換電路

2.4 容柵傳感器數(shù)據(jù)采集電路

由于容柵傳感器采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，輸出的時(shí)鐘頻率為150kHz，2幀數(shù)據(jù)之間為低電平[2].其時(shí)序圖如圖4所示，每幀數(shù)據(jù)分為2組，當(dāng)CLK從低電平到持續(xù)50μs高電平時(shí)表示開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，緊接著傳輸24位絕對(duì)零點(diǎn)數(shù)據(jù)（絕對(duì)零點(diǎn)到測(cè)試點(diǎn)之間距離），CLK再持續(xù)110μs高電平，緊接著傳輸24位相對(duì)零點(diǎn)數(shù)據(jù)（相對(duì)零點(diǎn)到測(cè)試點(diǎn)之間距離），再輸出65μs高電平結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸.每組24位數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制編碼，低位在前，高位在后，最高位為符號(hào)位，“0”表示正數(shù)，以原碼輸出，“1”表示負(fù)數(shù)，以補(bǔ)碼輸出.每幀數(shù)據(jù)之間有350ms持續(xù)低電平.正因?yàn)槊繋瑪?shù)據(jù)之間有350ms的持續(xù)低電平，所以本裝置的數(shù)據(jù)采集采用外部中斷0設(shè)置成低電平中斷方式，在中斷中完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理與顯示.

圖4 容柵傳感器時(shí)序

由于單片機(jī)端口為8位，所以要采集24位數(shù)據(jù)必須利用鎖存器將24位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，再分3次讀取鎖存器的數(shù)據(jù)存放于單片機(jī)內(nèi)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.具體的數(shù)據(jù)采集電路如圖5所示.

圖5 數(shù)據(jù)采集電路

串并轉(zhuǎn)換使用了3片74HC164，數(shù)據(jù)信號(hào)Data1送人74HC164輸入端AB口，CLK1接至每片74HC164的時(shí)鐘輸入端.鎖存器采用74HC373，其中74HC373的輸出使能端OE分別接單片機(jī)P1.0，P1.2，P1.3口，鎖存使能端LE都接至P3.0口.當(dāng)拉伸試件斷裂時(shí)（如圖2所示）P3.3口變低電平產(chǎn)生中斷，中斷程序使P3.0口置低電平封鎖容柵時(shí)鐘和鎖存鎖存器，從而使顯示讀數(shù)保持在當(dāng)前狀態(tài)不變.

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括主程序（如圖6）、中斷子程序（如圖7）、延時(shí)子程序、數(shù)據(jù)采集處理和顯示子程序.

圖6 主程序流程

圖7 中斷程序流程

在主程序內(nèi)完成對(duì)定時(shí)器、中斷、1602液晶的初始化；數(shù)據(jù)采集子程序分3次讀取鎖存器的內(nèi)容存放在1個(gè)8位數(shù)組中；然后通過(guò)數(shù)據(jù)處理子程序首先對(duì)24位二進(jìn)制數(shù)據(jù)的正負(fù)進(jìn)行判斷，如果是負(fù)數(shù)則要進(jìn)行補(bǔ)碼轉(zhuǎn)換，再將24位二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行二—十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的十進(jìn)制數(shù)S與測(cè)量長(zhǎng)度L（單位mm）之間的關(guān)系可通過(guò)下面公式[3]換算：

再通過(guò)顯示子程序使轉(zhuǎn)換后的測(cè)量長(zhǎng)度L顯示在1602液晶上.

采用低電平中斷時(shí)，判斷數(shù)據(jù)幀開(kāi)始時(shí)刻很重要，因?yàn)槊繋瑪?shù)據(jù)之間有350ms的持續(xù)低電平，所以進(jìn)入中斷后如果數(shù)據(jù)幀還沒(méi)開(kāi)始發(fā)送很可能是采集不到數(shù)據(jù)，中斷程序中采用了while（！CLK）語(yǔ)句，（／／sbit CLK＝P3.2）當(dāng)P3.2口在350ms低電平中時(shí)中斷子程序一直等待，只有當(dāng)?shù)碗娖阶咄晏兊礁唠娖綍r(shí)再啟動(dòng)延時(shí)、采樣數(shù)據(jù)，其中的延時(shí)子程序，主要是為了采集相對(duì)零點(diǎn)數(shù)據(jù).容柵傳感器上有復(fù)位按鈕，當(dāng)按下復(fù)位按鈕時(shí)相對(duì)數(shù)據(jù)清零，絕對(duì)數(shù)據(jù)保持不變，所以裝置安裝時(shí)不必考慮零點(diǎn)位置，任何時(shí)候按下復(fù)位按鈕就可以測(cè)量拉伸長(zhǎng)度.

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1是試件拉斷后由人工對(duì)接斷口后測(cè)量的數(shù)據(jù)值l人與在線測(cè)量裝置自動(dòng)測(cè)量的數(shù)據(jù)值l自對(duì)比，標(biāo)距長(zhǎng)為l.通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)該裝置可以有效地解決由于斷口對(duì)接不緊密而造成的測(cè)量數(shù)據(jù)偏大的問(wèn)題.通過(guò)軟件設(shè)置顯示測(cè)量值有效數(shù)字位數(shù)可滿足不同場(chǎng)合對(duì)測(cè)量精度的需求.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

該裝置成本低、制作簡(jiǎn)單、安裝方便、使用效率高，根據(jù)測(cè)量需要可以設(shè)置更高的測(cè)量精度.現(xiàn)已經(jīng)安裝在我院拉伸試驗(yàn)機(jī)上供學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)使用，通過(guò)一段時(shí)間的觀察試驗(yàn)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，該裝置大大提高了實(shí)驗(yàn)的效率與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度，達(dá)到了預(yù)期的效果.另外該裝置可移植性強(qiáng)，把它安裝在機(jī)械加工裝置上可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，提高加工效率.

[1] 王安敏，王辛立，崔偉，等.基于AT89C52單片機(jī)的容柵傳感器測(cè)距系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008（9）：86－88，90.

[2] 楊雪鋒，李威，潘寧.基于P89LPC932A1容柵傳感器智能接口的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2005（9）：6－8.

[3] 楊邵鵬，汪地，董峰，等.容柵尺和單片機(jī)的接口研究[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2009，36（12）：46－47.

[4] 丁元杰.單片微機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.