基于單片機電磁鉚接加載速率測速系統(tǒng)設(shè)計*

鄧將華，余祥峰

（福州大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，福建 福州350108）

電磁鉚接是一種將電能轉(zhuǎn)化為機械能使鉚釘發(fā)生塑性變形的一種新型鉚接方法，是實現(xiàn)鈦合金和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接及大直徑鉚釘和難成形材料鉚釘成形的一種先進的連接技術(shù)。電磁鉚接質(zhì)量穩(wěn)定，加載速率高，與普通鉚接本質(zhì)的差別就在于加載速率不同。研究結(jié)果表明，過高的加載速率有可能出現(xiàn)釘頭剪切破壞，而相對緩慢的加載速率有利于解決釘頭出現(xiàn)裂紋的問題。對于不同的材料，有不同的加載速率要求，需充分研究其加載速率范圍，這是制定合理工藝參數(shù)的基礎(chǔ)，所以加載速率是電磁鉚接最為重要的參數(shù)。電磁鉚接屬于高速沖擊加載，要準確獲得其加載速率相對困難。目前大多數(shù)研究者通過計算放電電流周期來確定加載時間，并根據(jù)鉚釘變形即可近似求出電磁鉚接鉚模加載速率[1]。由于鉚接設(shè)備中放大器對應(yīng)力波的周期和幅值起到調(diào)節(jié)作用，鉚模的加載時間與放電電流周期有較大差別，導(dǎo)致鉚模加載速率的計算存在較大誤差。

高速加載速率的測量廣義上可分為接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量主要是用金屬絲纏制成網(wǎng)靶，當物體經(jīng)過網(wǎng)靶，沖斷金屬絲時產(chǎn)生一個脈沖電壓信號，通過對信號的處理獲得物體的速率值[2]。該方法每次測量都要更換金屬絲，浪費材料，重復(fù)性差，因此運用較少。激光多普勒速率測量和光電測速系統(tǒng)屬于非接觸式測量。這兩種方式動態(tài)響應(yīng)快，測量精度高，在高速物體速率測量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中，激光多普勒測速系統(tǒng)具有測量范圍寬、空間分辨率高等優(yōu)點[3]，但設(shè)備復(fù)雜、對光學(xué)元件要求高、調(diào)試困難、造價高昂，使其在應(yīng)用中受到很大限制[4]。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電傳感器響應(yīng)時間越來越短，光電傳感測速系統(tǒng)應(yīng)用也越來越廣泛。光電測速系統(tǒng)可分為透射式和反射式兩種。反射式光電測速系統(tǒng)需要在運動物體上加工高精度明暗條紋，對激光器和光電探測器的安裝要求較高[5]。透射式光電測速系統(tǒng)采用高功率紅外發(fā)光二極管與高靈敏度的光電晶體管組成，這種測量方式可避免可見光的影響，抗干擾能力強[6]。相比接觸式測量，非接觸式測量方法重復(fù)性好，不會對原有設(shè)備造成損害。本文采用非接觸式紅外傳感器將鉚模加載速率轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過運算放大處理，利用STC89C52單片機捕獲脈沖時間，經(jīng)過邏輯運算，實現(xiàn)電磁鉚接鉚模加載速率的測量。

1 測速原理

為了測量鉚模的加載速率，將U形遮光片與鉚模沖頭固定在一起。在電磁鉚接過程中，鉚模將帶著U形遮光片一起運動，測得U形遮光片的信號，經(jīng)過處理即可獲得鉚模的加載速率。電磁鉚接鉚模加載速率測試系統(tǒng)原理如圖1所示。測試系統(tǒng)主要由U形遮光片、紅外傳感器、放大電路和單片機等組成。當U形遮光片兩側(cè)通過紅外傳感器時，紅外傳感器產(chǎn)生兩個跳變下降沿。當單片機檢測到第一個下降沿時，捕獲并立即獲取計時寄存器中的值，將該值存入一組寄存器中，同時向CPU申請中斷。當單片機引腳的下一個負跳變到來時，將產(chǎn)生另一個捕獲，再次向CPU申請中斷。運行燒錄在單片機中程序獲得兩個負跳變的時間間隔。經(jīng)過邏輯運算，即可準確地計算出鉚模的加載速率。

鉚模的平均加載速率V可由式(1)求得：

其中S表示U型遮光片兩片之間距離；t2表示第二次捕獲時存在寄存器中的時間值；t1表示第一次捕獲時存在寄存器中的時間值。

2 測速系統(tǒng)硬件

鉚模運動屬于高速加載，測速系統(tǒng)的硬件需滿足響應(yīng)時間短、穩(wěn)定性好、集成度高、電路檢測容易等要求。因此，本文采用控制功能強的STC89C52單片機為核心控制器，與紅外測速技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可實現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能運算控制。

2.1 傳感器模塊及電壓調(diào)節(jié)放大電路

傳感器是轉(zhuǎn)換信號的來源，傳感器的選擇直接關(guān)系到測量的精度。透射式光電傳感器DB1S6150采用高功率紅外發(fā)光二極管以及高靈敏度光電晶體管組成，抗干擾能力較強，靈敏度較高。傳感器響應(yīng)測試電路如圖2所示。傳感器響應(yīng)上升時間Tr典型值為3μs，最大值為15μs；響應(yīng)下降時間Tf典型值為4μs，最大值為20μs，滿足實驗要求。傳感器輸出波形并不是方波，直接連接單片機會產(chǎn)生不可預(yù)測的誤差，因此通過運算放大器將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)殚_關(guān)量來規(guī)避誤差。電壓調(diào)節(jié)放大電路主要由基準電壓源、電壓比較器兩部分組成，電路如圖3所示。傳感器電壓經(jīng)穩(wěn)壓后，送入電壓比較器與基準電壓Vg進行比較。當VsVg時，電壓輸出V為高電平。U型遮光片加工采用線切割制成毛坯并通過精磨來提高精度，減少誤差。

2.2 單片機模塊

STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器。通過設(shè)置工作模式選擇位可將定時器2設(shè)為捕獲模式。捕獲能夠捕捉到某一瞬間的值，準確測量兩個跳變沿之間的時間間隔，在實際脈沖寬度測量中有廣泛的應(yīng)用。捕獲模式邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。在定時器2啟動/停止控制位TR2和定時器外部使能標志位都打開的情況下，當單片機P1.1口接收到一個負跳變時，捕獲便將定時/計數(shù)寄存器TH2和TL2的值獲取并將它們分別存入RCAP2H和RCAP2L這兩組寄存器中，同時向CPU申請中斷。

晶振是單片機控制的一個重要組成部分，單片機晶振的時鐘頻率越高，計算速率越快。為便于計算，單片機選擇12 MHz的晶振，它的時鐘周期為1/12μs，一個機器周期為1μs。定時器加1所用的時間為1μs。通過讀取寄存器的值獲取U型遮光片產(chǎn)生的兩個時間間隔。整個電路原理圖如圖5所示。單片機檢測外部信號，對其進行數(shù)據(jù)運算并驅(qū)動1602液晶顯示鉚模速率及時間。

3 軟件設(shè)計

單片機測速系統(tǒng)目前主要的方法需要用兩個相同的光電傳感器，分別連到單片機的P3.2口和P3.3口，當物體經(jīng)過第一個傳感器時，一個電信號便輸入單片機的P3.2口中，執(zhí)行程序?qū)㈤_啟單片機定時器。物體經(jīng)過第二個傳感器時，另一個電信號便輸入到單片機的P3.3口中，同樣地執(zhí)行程序?qū)㈥P(guān)閉定時器。這種方法廣泛用于炮彈初速率測量、汽車速率與加速率測量等。由于使用兩個傳感器，引入不同傳感器響應(yīng)輸出一致性誤差。由于兩個傳感器固有間距的要求，這種方法并不適用于短距離的速率測量。針對52單片機特有的捕獲功能，本文采用一個傳感器，單通道實現(xiàn)鉚模加載速率的測量，大大減小了傳感器誤差。測速的流程如圖6所示。測速程序主要包含：(1)液晶及STC89C52單片機復(fù)位；(2)捕獲觸發(fā)脈沖中斷響應(yīng)；(3)利用定時器2定時讀取脈沖間隔計數(shù)寄存器，計算鉚模速率；(4)1602液晶顯示時間及速率；(5)測量檢測；(6)手動復(fù)位，準備下一次測量。

圖5 測速系統(tǒng)電路圖

圖6 測速程序流程圖

4 測量系統(tǒng)誤差分析

測量誤差是考察系統(tǒng)性能的重要指標。系統(tǒng)中存在的誤差都必須進行合理的處理。誤差來源主要有單片機計時模塊誤差、紅外傳感器輸出一致性誤差、U型遮光片加工精度及安裝精度誤差等幾個方面。

根據(jù)誤差傳遞理論，鉚模的速率測量誤差可由式(2)確定：

式中ΔS為U形遮光片的加工及安裝誤差；Δt為時間間隔測量誤差，該誤差主要由紅外傳感器在不同速率下的輸出一致性Δt1、單片機計時模塊偏差Δt2決定，可由式(3)近似估算：

表1 單片機與示波器時間對比

由于紅外傳感器的響應(yīng)時間的最大值為15μs，取傳感器輸出一致性Δt1為15μs。系統(tǒng)采用12 MHz的晶振，計時模塊偏差為1μs。將其代入式(3)得時間間隔誤差的最大值為15.03μs。電磁鉚接鉚模的相對速率誤差為：

測速系統(tǒng)中ΔS的實測值為0.05 mm。遮光片光縫距離S為7 mm。將其帶入式（4），可得電磁鉚接鉚模加載速率測量系統(tǒng)的誤差小于0.81%。

用該測速系統(tǒng)測量電磁鉚接鉚模加載速率，并用示波器驗證該系統(tǒng)測量時間。針對不同速率做8組實驗。示波器顯示時間為T1，單片機液晶顯示時間為T2。結(jié)果如表1所示。通過對數(shù)據(jù)進行分析，單片機和示波器的時間基本一致，滿足實驗要求。

電壓與鉚模加載速率關(guān)系曲線如圖7所示。低電壓電磁鉚接鉚模加載速率在10 m/s以內(nèi)。隨著放電電壓升高，鉚模加載速率增加，大致呈線性關(guān)系。

本文基于單片機和紅外測速技術(shù)成功設(shè)計了一套電磁鉚接鉚模加載速率測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)通過硬件的集成化以及軟件編程技術(shù)對測量數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、抗電磁干擾能力強、測量精度高等特點。其測量誤差小于1%，測速范圍可達0～100 m/s，可用于高速物體速率的測量。

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