基于單片機和RS-232串行通信實現(xiàn)建材質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

建材質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)是一個可以通過指定的材料萬能試驗機進行力學性能指標采集處理的系統(tǒng)，其主體是聯(lián)機測試模塊，重點是數(shù)據(jù)采集子模塊和智能檢測子模塊。數(shù)據(jù)采集子模塊包括信號的放大和處理，智能檢測子模塊則負責所獲得力學參數(shù)的檢測。

自動監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

1、系統(tǒng)總體方案的確定

按照自動監(jiān)測系統(tǒng)的性能及設(shè)計要求，系統(tǒng)的方案確定需要從以下幾個方面考慮：

● 自動采集力和形變試驗數(shù)據(jù)；

● 自動分析處理采集數(shù)據(jù)，得出用戶要求的力學性能指標；

● 試驗過程中按要求確定數(shù)據(jù)加載速率及各關(guān)鍵技術(shù)的解決方案；

● 能自動保存試驗數(shù)據(jù)，供用戶進行數(shù)據(jù)查詢；

● 系統(tǒng)性價比高，界面友好，操作方便，便于用戶使用。

要從所設(shè)計的系統(tǒng)中得到合理的結(jié)果，完成自動監(jiān)測的功能，就必須依賴于系統(tǒng)的每一個組成部分，即材料試驗機、傳感器、信號放大調(diào)理、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)顯示部分。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2、系統(tǒng)的原理框圖

按照上述思路設(shè)計的系統(tǒng)可用圖1所示的框圖加以說明。

從以上原理圖可以看出，試驗機上串接的壓力傳感器輸出的小信號通過屏蔽電纜送入信號放大調(diào)理模塊，完成信號的放大、濾波及極性轉(zhuǎn)換等。放大后的模擬信號經(jīng)數(shù)字化模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，傳送給單片機，再經(jīng)過運算及零點補償?shù)忍幚?，在液晶模塊上顯示出來，同時經(jīng)過串行接口送到上位機。鍵盤提供人機交互的手段，但在此次設(shè)計中暫不對其做出分析。數(shù)據(jù)保存模塊具有掉電保護功能，主要是保存當前委托編號，采集數(shù)據(jù)等信息不因斷電而丟失。系統(tǒng)的性能要做到穩(wěn)定、可靠、準確，且使用簡便，有較高的容錯能力，在功能上要保證有一定的可擴展。

3、系統(tǒng)的設(shè)計重點

● 聯(lián)機測試模塊

聯(lián)機測試模塊是整個材料試驗機監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要包括圖像處理子模塊、數(shù)據(jù)采集子模塊與智能檢測子模塊．

● 數(shù)據(jù)的傳送與通信

通信程序設(shè)計的重點主要是保證通信的可靠性。由于通信線路長，其必然成為各種尖峰干擾的引入源，再加之共同地線影響MCU、A/D等單元，引起地電位脈動，從而造成數(shù)據(jù)抖動甚至出現(xiàn)粗大誤差。因此，必須對通信接口電路進行光電隔離。通信接口芯片的選擇也很重要。上位機的通信接口程序，可采用串行通信控件等實現(xiàn)；計算機串口1、串口2分別與兩數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（下位機）相連，采用循環(huán)掃描方式限時與下位機通信。

聯(lián)機測試模塊的設(shè)計

1、圖像處理子模塊

圖像處理模塊主要負責試驗曲線的繪制、顯示、保存等操作，系統(tǒng)對于曲線的顯示有以下幾個方面的要求。

圖2 高線性度橋路放大器

① 曲線顯示直觀。依據(jù)試驗機的最大負載、油缸活塞最大位移、試樣預(yù)計抗拉強度、最大變形等指標，基本手動輸入出橫坐標和縱坐標的最大刻度。繪制曲線必須依據(jù)此刻度按照比例進行。

② 曲線顯示的大小要適中。顯示過大，有過分強調(diào)曲線數(shù)據(jù)之嫌，且曲線圖象較大，增加系統(tǒng)后續(xù)處理的負擔；顯示太小，影響試驗加載過程的直觀表達。

③ 橫坐標和縱坐標是需要依據(jù)用戶的要求發(fā)生變化的，不能固定不變。

此模塊的設(shè)計可以采用Visual Basic的 Picture Box控件。

2、 數(shù)據(jù)采集子模塊

數(shù)據(jù)自動采集的模塊包括信號變送電路、信號采集處理兩部分。

信號處理部分的核心是單片機，全程菜單驅(qū)動，根據(jù)選定的材料類型自動生成檢測的樣品組數(shù)、個數(shù)以及委托編號等。每檢測完一組，自動向上位機發(fā)送，并送存機內(nèi)環(huán)行數(shù)據(jù)存儲單元以便備查。

圖3 屈服點檢測程序圖

● 信號變送電路

信號變送電路的核心是具有高精度、高穩(wěn)定度與高線性度的橋路放大器。由于傳感器必須連續(xù)長期穩(wěn)定工作，在傳感器選用上必須保證高精度和穩(wěn)定度，因此選用壓阻式壓力傳感器。傳感器的靈敏度可通過調(diào)節(jié)放大器增益來校正，從而使之在高電平輸出時具有良好的互換性。

為使線性度和靈敏度均較佳，可采用如圖2所示的高線性度橋路放大器。

● 信號采集處理

信號采集的關(guān)鍵是信號的A/D轉(zhuǎn)換處理。A/D轉(zhuǎn)換模塊的核心是雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路ICL7135。ICL7135是一種常用的4位半雙積分型單片集成ADC芯片，其分辨相當于14位二進制數(shù)；轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換誤差為±1LSB；能在單極性參考電壓下，對雙極性的輸入模擬電壓進行A/D轉(zhuǎn)換；模擬輸入電壓范圍為0～1.999V。芯片采用了自動校零技術(shù)，可保證零點在常溫下的長期穩(wěn)定性；模擬輸入可以是差動信號，輸入阻抗極高。

3、智能檢測子模塊

以常見的建材—鋼材為例來說明。用作建筑材料的鋼材通常需要具備較高的強度、足夠的變形能力、良好的工藝性能等。因此，只要能自動檢測出最大負荷，即峰值力，就可以得到屈服點強度。檢測的程序框圖如圖3所示。

數(shù)據(jù)的傳送通信模塊的設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的拓撲需要，可以采用RS-232串行通信方式，也可采用RS-485等現(xiàn)場總線方式。從通信環(huán)境和距離實際出發(fā)，采用RS-232比較合適，而且本系統(tǒng)與材料試驗機相聯(lián)系使用，從系統(tǒng)到上位機有一定距離，因此采用串行通信方式。

RS-232接口包括接收信號線RXD、TXD和一系列控制信號線。在這些控制信號線中，當RS-232信號在進行邏輯轉(zhuǎn)化時：邏輯“0”對應(yīng)+5～+15V，邏輯“1”對應(yīng)相對于地的-5～-15V。

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