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螺栓组联接实验台改进设计【机+电】【14张图纸】【优秀】

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螺栓 联接 实验 试验 改进 设计 图纸 优秀
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螺栓组联接实验台改进设计

78页 38000字数+说明书+任务书+14张CAD图纸

任务书.doc

实验装置图.dwg

工作台.dwg

工作台装配图.dwg

数据采集系统.dwg

显示电路.dwg

测试框图.dwg

测试系统硬件电路流程图.dwg

螺栓.dwg

螺栓工作台.dwg

螺栓工作台1.dwg

螺栓组联接实验台改进设计说明书.doc

螺栓零件图.dwg

设计简介.doc

转换电路.dwg

采样电路.dwg

键盘电路.dwg


摘 要

   螺栓联接是机械设计课程中重要的教学章节,是机械零部件联接中最常用的联接方法。我校现有螺栓联接综合实验台由于误差大,均起不到验证理论的作用。为此,结合实验教学,对我校现有的螺栓联接试验台结构给出改进设计方案.该方案实施后,增加了螺栓联接实验内容,完善了整个实验过程,在提高试验台的效率和能力方面取得了明显的效果。该实验台具有加载稳定准确、改变螺栓和被联接件刚度可靠、操作方便、性能稳定、精度高的特点。还介绍了螺栓连接实验台的结构组成及测试原理,测试系统的组成及各部分作用;进行了机械装置零部件的结构设计和强度计算;设计了测试系统的硬件电路,包括应变仪的采样电路、A/D转换电路、键盘电路、显示电路等;分析了数据采集系统的性能,数据传输的串行通讯原理、波特率、发送与接收、电平转换等内容;讨论了键盘防抖原理和数码管的结构及非编码键盘的控制方式、中断查询等问题;论文还对软件的实现和元器件的选择等做了详细的论述。

   在本文中,还详细阐述虚拟式应变测试系统的逻辑结构和软硬件在螺栓联接实验台上的应用,并以Visual C++软件为开发平台,运用面向对象(OOP)的软件设计方法,构建出了图形逼真、功能强大的虚拟式应变测试仪系统。该应变测试系统的软件由主控制模块、初始化模块、数据采集模块、数据处理模块、图形显示模块、存储打印模块和辅助功能模块七部分组成,实现了对应变信号进行采集、处理、分析和显示。系统可对与应变测量有关的多类型参量进行实时测量,将信息的采集和处理一体化,数据和结果实现可视化,其价格比传统应变测量仪器低廉,大大提高了工作效率。

关键词:螺栓,联接,试验台,改进


目 录

中文摘要I

英文摘要II

第1章 绪  论1

  1.1螺栓组联接试验台的应用背景1

  1.2螺栓组联接实验台的实验内容及其性能特点1

   1.2.1实验内容2

   1.2.2 性能特点2

  1.3 本课题的意义与研究内容2

第2章螺栓联接实验台的结构设计3

  2.1螺栓联结部分3

   2.1.1 螺栓组结构设计3

   2.1.2螺栓组联接的受力分析3

   2.1.3螺栓联接的强度计算7

   2.1.4 确定螺栓直径13

   2.1.5校核螺栓所受的预紧力15

  2.2 加载装置部分17

  2.3测试仪器部分17

   2.3.1电阻应变片的测试17

   2.3.2电桥18

   2.3.3压力传感器19

  2.4 本章小结20

第3章 螺栓测量装置的设计21

  3.1 测量装置的需求分析21

  3.2 测量装置的总体方案确定21

  3.3 测量装置的硬件实现22

    3.3.1采样电路22

    3.3.2采样电路30

    3.3.3 串行通信37

  3.4 测量装置的软件实现42

    3.4.1流程控制44

    3.4.2传感器校正44

    3.4.3数据管理45

   3.4.4 数据评价46

   3.4.5 用户接口程序47

  3.5 本章小结47

第4章 虚拟图像显示仪的设计48

  4.1 引言48

  4.2 系统的总体设计48

    4.2.1系统的组成49

     4.2.2系统软件的总体设计49

     4.2.3系统软件开发平台的选择50

   4.3 系统的硬件设计51

     4.3.1电阻应变片的选择51

     4.3.2 应变放大器的选用52

     4.3.3 数据采集卡的选用55

    4.4 系统的软件设计原则55

   4.5系统软件开发流程55

   4.5.1仪器功能定制56

      4.5.2功能模块开发56

      4.5.3仪器集成测试57

   4.6软件功能总体设计57

    4.7 主控制模块58

    4.8 初始画模块59

     4.8.1 测试对象参数设置59

      4.8.2 传感器、放大器的参数设置59

   4.9 数据采集模块59

      4.9.1采样界面操作59

      4.9.2采样方程的类型60

      4.9.3本系统的采样程序62

   4.10 数据处理模块62

      4.10.1数据处理概述62

      4.10.2数字滤波63

      4.10.3标度变换65

      4.10.4数据二次处理66

  4.11 图形显示模块67

  4.12 存储模块69

  4.13 本章小结70

致谢71

参考文献72


1.2 螺栓组联接实验台的实验内容及其性能特点

 1.2.1 实验内容

本试验装置可完成下述试验项目, 并给出定性或定量结果

 (1)完成不同初拉力的联接件和被联接件的受力变形规律研究

 (2)实现螺栓组应力分布规律研究

 (3)对初压力的螺栓动态变化规律进行参数可视化分析

 (4)测定螺栓联接系统的相对刚度

 (5)了解和部分掌握电阻应变片技术、计算机技术在力测量中的应用。从而验证螺栓组联接受力分析理论和现代测量技术在机械设计中的应用。

 1.2.2 性能特点

 (1)可完成螺栓组在受倾覆静态力矩作用下的受力—变形规律的分析

 (2)可对螺栓受力—变形规律进行分析

 (3)实现了加载与检测的数字化分析

 (4)利用软件平台实现了机械参数的可视化分析

1.3 本课题的意义与研究内容

   该实验装置的研制对教学实验的改造、开展计算机辅助测试的研究工作具有很重要的意义。特别是为机械基础系列课程中实验教学从传统的验证型、演示性实验向综合性、研究型转变的改革打下良好的基础。同时,也为培养学生独立分析问题、解决问题的能力,培养动手能力、科学研究能力、创新能力发挥了积极的作用。另外,也提高了实验技术人员的科研能力。

本文主要的研究内容:

(1)螺栓轴向力矩的测试方法及原理;

(2)机械装置结构设计及强度计算;

(3)测量装置采样电路、人机接口、数据传输等硬件的实现;

(4)数据管理、评价、流程控制等软件的实现。

(5)虚拟应变图像显示界面的设计



内容简介:
陕 西 科 技 大 学毕业设计任务书机电工程 学院 机械设计制造及其自动化 专业 机械055班级 学生: 题目: 螺栓组联接实验台改进设计 毕业设计(论文)从 2009 年 2 月 23日起到 2009 年 6 月 15日课题的意义及培养目标: 螺栓组联接实验是为机械设计课程开设的实验之一,该实验验证螺栓组联接受力分析理论,并了解用电阻应变仪测定机器结构中应力的一般方法。我校正在使用的实验设备比较陈旧,部分零部件刚度不足,实验误差很大,不能正确反映实验结论。为此,急需对该实验设备进行改造,本次设计要求提出设备的合理改进方案,完成全部机械部分设计图纸,对测试系统也进行相应的设计。 通过本课题,培养学生全面运用所学知识,进行总体方案设计和子系统设计的能力。发挥创造性,使学生得到全面的训练。 设计(论文)所需收集的原始数据与资料: 所需收集的资料有:1. 螺栓组联接实验台现状。2. 螺栓组联接实验台的工作原理、存在问题等。3.机械设计相关理论及知识。4.测试系统设计相关技术资料。 原始数据:1.螺栓长度150mm;2.螺栓个数及分布可根据情况进行组合;3.加载装置可调。 课题的主要任务(需附有技术指标分析): 1.进行项目调研、收资;2.对可行方案进行论证分析,在此基础上,确定总体方案。3.完成总装配图设计;零部件详细设计、测试系统传感器选型及详细设计。4.撰写说明书,准备答辩。 设计过程中,应达到如下要求:所设计方案可行,总体和部分子系统方案应有所创新。机器的工作性能符合原始数据提出的相关要求。 设计(论文)进度安排及完成的相关任务(以教学周为单位):周 次设计(论文)任务及要求2周熟悉课题;收资、调研、参观、记录2周掌握设计任务,对可行方案进行论证3周确定总体方案,绘制总体、原理草图4周子系统、部件设计及草图2周包括翻译和其他工作3周撰写说明书、绘制图纸1周准备答辩,并进行试答辩2周熟悉课题;收资、调研、参观、记录 学生签名: 日期: 指导教师: 日期: 教研室主任: 日期: 螺栓组联接实验台改进设计摘 要螺栓联接是机械设计课程中重要的教学章节,是机械零部件联接中最常用的联接方法。我校现有螺栓联接综合实验台由于误差大,均起不到验证理论的作用。为此,结合实验教学,对我校现有的螺栓联接试验台结构给出改进设计方案.该方案实施后,增加了螺栓联接实验内容,完善了整个实验过程,在提高试验台的效率和能力方面取得了明显的效果。该实验台具有加载稳定准确、改变螺栓和被联接件刚度可靠、操作方便、性能稳定、精度高的特点。还介绍了螺栓连接实验台的结构组成及测试原理,测试系统的组成及各部分作用;进行了机械装置零部件的结构设计和强度计算;设计了测试系统的硬件电路,包括应变仪的采样电路、A/D转换电路、键盘电路、显示电路等;分析了数据采集系统的性能,数据传输的串行通讯原理、波特率、发送与接收、电平转换等内容;讨论了键盘防抖原理和数码管的结构及非编码键盘的控制方式、中断查询等问题;论文还对软件的实现和元器件的选择等做了详细的论述。在本文中,还详细阐述虚拟式应变测试系统的逻辑结构和软硬件在螺栓联接实验台上的应用,并以Visual C+软件为开发平台,运用面向对象(OOP)的软件设计方法,构建出了图形逼真、功能强大的虚拟式应变测试仪系统。该应变测试系统的软件由主控制模块、初始化模块、数据采集模块、数据处理模块、图形显示模块、存储打印模块和辅助功能模块七部分组成,实现了对应变信号进行采集、处理、分析和显示。系统可对与应变测量有关的多类型参量进行实时测量,将信息的采集和处理一体化,数据和结果实现可视化,其价格比传统应变测量仪器低廉,大大提高了工作效率。 关键词:螺栓,联接,试验台,改进Bolt connection experimental design improvement ABSTRACT Bolt connection is important in mechanical design course teaching section, is the most commonly used mechanical components in the connection of the connection method. Our existing comprehensive test-bed bolt connection error, because both theoretical role play. Therefore, the combination of experimental teaching, our existing bolt-joint test design scheme is improved structure. The plan implementation, increase the bolt-joint experiment content, experiment process, perfect the test in improving the efficiency and ability has been achieved significant results. This experiment platform with loading stability accurate, change by coupling bolts and the stiffness of a reliable, easy operation, stable performance and high precision. Also introduced bolt connection experimental structure and the testing theory, the composition of the testing system and each part, The machinery spare parts of the structure design and calculation, The design of the hardware circuit testing system, including the strain gauge sampling circuit, A/D circuit, keyboard circuit, display circuit, etc. Analysis of the data acquisition system performance, data transmission of serial communication principle, baud rate, sending and receiving, etc; the level of conversion Discussed the principle and digital keyboard tube structure and the control mode, the keyboard coding issues; the interrupt inquires This paper also to the realization of software component selection and makes a detailed discussion. In this paper, also tells the virtual strain test system of logical structure and software and hardware in the experimental stage bolt connection with Visual c + +, and the application of software development platform for using object-oriented (OOP) software design method, and construct a graphical lifelike, powerful virtual strain tester system. This strain of software testing system by the master control module, initialization module, the data acquisition module, data processing module, the graphic display module, the storage and the auxiliary function module type module seven parts, realize the strain signal acquisition, processing, analysis and display. System can be mixed with strain. Key words: bolts, Connection, Test-beds, improved目 录中文摘要I英文摘要II第1章 绪 论11.1螺栓组联接试验台的应用背景11.2螺栓组联接实验台的实验内容及其性能特点11.2.1实验内容21.2.2 性能特点21.3 本课题的意义与研究内容2第2章螺栓联接实验台的结构设计32.1螺栓联结部分32.1.1 螺栓组结构设计32.1.2螺栓组联接的受力分析32.1.3螺栓联接的强度计算72.1.4 确定螺栓直径132.1.5校核螺栓所受的预紧力152.2 加载装置部分17 2.3测试仪器部分17 2.3.1电阻应变片的测试17 2.3.2电桥182.3.3压力传感器19 2.4 本章小结20第3章 螺栓测量装置的设计213.1 测量装置的需求分析213.2 测量装置的总体方案确定213.3 测量装置的硬件实现22 3.3.1采样电路22 3.3.2采样电路30 3.3.3 串行通信37 3.4 测量装置的软件实现42 3.4.1流程控制44 3.4.2传感器校正44 3.4.3数据管理453.4.4 数据评价463.4.5 用户接口程序47 3.5 本章小结47第4章 虚拟图像显示仪的设计48 4.1 引言48 4.2 系统的总体设计48 4.2.1系统的组成49 4.2.2系统软件的总体设计49 4.2.3系统软件开发平台的选择50 4.3 系统的硬件设计51 4.3.1电阻应变片的选择51 4.3.2 应变放大器的选用52 4.3.3 数据采集卡的选用55 4.4 系统的软件设计原则554.5系统软件开发流程55 4.5.1仪器功能定制56 4.5.2功能模块开发56 4.5.3仪器集成测试574.6软件功能总体设计57 4.7 主控制模块58 4.8 初始画模块59 4.8.1 测试对象参数设置59 4.8.2 传感器、放大器的参数设置59 4.9 数据采集模块59 4.9.1采样界面操作59 4.9.2采样方程的类型60 4.9.3本系统的采样程序62 4.10 数据处理模块62 4.10.1数据处理概述62 4.10.2数字滤波63 4.10.3标度变换65 4.10.4数据二次处理66 4.11 图形显示模块67 4.12 存储模块69 4.13 本章小结70致谢71参考文献7271螺栓组联接实验台改进设计第1章 绪 论1.1 螺栓组联接试验台的应用背景 我国高等工程教育改革的一项重要任务是在培养学生具有扎实的理论基础的同时,加强对学生创新意识和创新能力的培养,其中实验教学是一个重要的环节实验课程教学质量的优劣不仅对本课程有影响,而且对学生的实践能力的培养也会起到潜移默化的作用,而实验课程的指导思想和教学内容的制定,实验方法和手段的采用又不可避免地要受到实验装置的制约和影响为造就面向2I世纪经济建设的优秀人才,实验课程的改革已迫在眉睫因此必须在实验中引入现代计算机技术和先进电子技术,培养学生掌握先进的实验方法和检测技术 螺栓组联接实验台装置是用于工科院校“机械设计”、“机械设计基础”课程教学的实验设备,现有的实验装置大多是在静态轴向工作载荷情况下,电测螺栓与被联接件之间的变形协调关系,而无法反映动态轴向工作载荷作用下螺栓与被联接件之间的变形协调、位移、应力关系。学生只能凭借书本及课堂理论予以理解,满足不了现代教学的需要。而且传统的“螺栓组联接中螺栓的受力和相对刚度系数”实验及“单个紧螺栓联接中螺栓的相对刚度系数和动载荷特性实验”在我校普遍采用的南京金陵机械厂生产的DLS-I 型螺栓实验台。通过动静态应变仪来测量应变量,再由学生手工处理数据并绘制螺栓受力图的。这种测量方式手段陈旧、仪器精度难以满足要求。另外,数据处理手段的落后,使实验不仅耗时,而且难以激发学生的学习热情,也难以提高实验的水平和深度。因此,在这种情况下必须对原有的实验台装置进行改进,才能够满足现有的实践教学要求,加深学生对机械设计基础知识的理解。经过改进后该实验装置结构简单,性能稳定。由于用两种测试方法,即计算机数据采集和静动态电阻应变仪测量,所以该装置使用时灵活性好,测试手段新颖,测量精度高,便于学生掌握。该装置台式化设计,积体小,成本低,便于学生实验时多组同时进行。1.2 螺栓组联接实验台的实验内容及其性能特点1.2.1 实验内容本试验装置可完成下述试验项目, 并给出定性或定量结果 (1)完成不同初拉力的联接件和被联接件的受力变形规律研究 (2)实现螺栓组应力分布规律研究 (3)对初压力的螺栓动态变化规律进行参数可视化分析 (4)测定螺栓联接系统的相对刚度 (5)了解和部分掌握电阻应变片技术、计算机技术在力测量中的应用。从而验证螺栓组联接受力分析理论和现代测量技术在机械设计中的应用。1.2.2 性能特点 (1)可完成螺栓组在受倾覆静态力矩作用下的受力变形规律的分析 (2)可对螺栓受力变形规律进行分析 (3)实现了加载与检测的数字化分析 (4)利用软件平台实现了机械参数的可视化分析1.3 本课题的意义与研究内容该实验装置的研制对教学实验的改造、开展计算机辅助测试的研究工作具有很重要的意义。特别是为机械基础系列课程中实验教学从传统的验证型、演示性实验向综合性、研究型转变的改革打下良好的基础。同时,也为培养学生独立分析问题、解决问题的能力,培养动手能力、科学研究能力、创新能力发挥了积极的作用。另外,也提高了实验技术人员的科研能力。 本文主要的研究内容:(1)螺栓轴向力矩的测试方法及原理;(2)机械装置结构设计及强度计算;(3)测量装置采样电路、人机接口、数据传输等硬件的实现;(4)数据管理、评价、流程控制等软件的实现。(5)虚拟应变图像显示界面的设计 第二章 螺栓联接实验台的结构设计 螺栓联接综合实验台的结构主要由:螺栓联接部分、加载装置部分、测试仪器部分等三部分组成。该实验台具有加载稳定准确、改变螺栓和被联接件刚度可靠、操作方便、性能稳定、精度高的特点。2.1螺栓联接部分设计步骤:1)螺栓组结构设计2)螺栓受力分析3)螺栓联接的强度计算4)确定螺栓直径5)校核螺栓所需的预紧力是否合适 确定螺栓的公称直径后,螺栓的类型,长度,精度以及相应的螺母,垫圈等结构尺寸,可根据底板的厚度,螺栓在托架上的固定方法及防松装置等全面考虑后定出。2.1.1螺栓组联接的结构设计螺栓组联接结构设计的主要目的,在于合理地确定联接接合面的几何形状和螺栓的布置形式,力求各螺栓和联接接合面间受力均匀,便于加工和装配。为此,设计时应综合考虑以下几方面的问题:(a)联接接合面的几何形状通常都设计成轴对称的简单几何形状,如圆形,环形,矩形,框形,三角形等。这样不但便于加工制造,而且便于对称布置螺栓,使螺栓组的对称中心和联接接合面的形心重合,从而保证接合面受力比较均匀。(b)螺栓的布置应使各螺栓的受力合理,当螺栓联接承受弯矩或转矩时,应使螺栓的位置适当靠近联接接合面的边缘,以减小螺栓的受力。如果同时承受轴向载荷和较大的横向载荷时,应采用销,套筒,键等抗剪零件来承受横向载荷,以减小螺栓的预紧力及其结构尺寸。(c)螺栓排列应有合理的间距,边距。布置螺栓时,各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离,应根据扳手所需活动空间的大小来决定。(d)分布在同一圆周上的螺栓数目,应取成4,6,8,10等偶数,以便在圆周上钻孔时分度和画线。同一螺栓组中螺栓的材料,直径和长度均应相同。(e)避免螺栓承受附加的弯曲载荷。除了要在结构上设法保证载荷不偏心外,还应在工艺上保证被联接件,螺母和螺栓头部的支承面平整,并与螺栓轴线相垂直。2.1.2螺栓组联接的受力分析(a)受横向载荷的螺栓组联接 图2-1所示为一由2个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组联接。横向载荷的作用线与螺栓轴线垂直,并通过螺栓组的对称中心。当采用螺栓杆与孔壁间留有间隙的普通螺栓联接时,靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力来抵抗横向载荷,假设在横向总载荷F=1500的作用下,各螺栓所承担的工作载荷是均等的。 图2-1 受横向载荷的螺栓组联接 (2-1)式中z为螺栓联接数目(本设计Z=10)对于普通螺栓联接,应保证联接预紧后,接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷。假设各螺栓所需要的预紧力均为Qp,螺栓数目为z,则其平衡条件为 (2-2) 式中:f接合面间的摩擦系数,见下表2-1;i接合面数(图中,i=2);Ks防滑系数,Ks=1.11.3.所以螺栓所受到的预紧力为: 表 2-1被联接件接合面的表面状态摩擦系数f钢或铸铁零件干燥的加工表面010-0.16有油的加工表面006-010钢结构 轧制表面,钢丝刷清理浮锈030-035涂富锌漆035-040喷砂处理045-055钢铁对砖料,混凝土或木材干燥表面040-045(b)轴向载荷 F的螺栓组联接F与螺栓轴线平行,且过螺栓组联接形心O。计算时,认为各螺栓平均受载。则每个螺栓所受轴向工作载荷为 (c)受转矩的螺栓组联接如下图2-2所示,转矩T作用在联接接合面内,在转拒T的作用下,底板将绕通过螺栓组对称中心O并与接合面相垂直的轴线转动。为了防止底板转动,可以采用普通螺栓联接,也可以采用铰制孔用螺栓联接。其传力方式和受横向载荷的螺栓组联接相同。 (a) (b) (c) 图2-2采用普通螺栓联接时,靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T。假设各螺栓的预紧程度相同,即各螺栓的预紧力均为Qp,则各螺栓联接处产生的摩擦力均相等,并假设此摩擦力集中作用在螺栓中心处。 由上式可得各螺栓所需的预紧力为: (2-3)式中:f接合面的摩擦系数,见表2-1; ri第i个螺栓的轴线到螺栓组对称中心O的距离; z螺栓数目; Ks防滑系数,Ks=1.11.3. 采用配合螺栓联接时,在转矩T的作用下,各螺栓受到剪切和挤压作用,各螺栓所受的横向工作剪力和各该螺栓轴线到螺栓组对称中心O的连线(即力臂r。)相垂直(图b)。为了求得各螺栓的工作剪力的大小,计算时假定底板为刚体,受载后接合面仍保持为平面。则各螺栓的剪切变形量与各该螺栓轴线到螺栓组对称中心O的距离成正比。即距螺栓组对称中心O越远,螺栓的剪切变形量越大。如果各螺栓的剪切刚度相同,则螺栓的剪切变形量越大时,其所受的工作剪力也越大。如图b所示,用ri、rmax分别表示第i个螺栓和受力最大螺栓的轴线到螺栓组对称中心O的距离;Fi、Fmax。分别表示第i个螺栓和受力最大螺栓的工作剪力,则得 (2-4)根据作用在底板上的力矩平衡的条件得 即 (2-5)联解式(2-3)及(2-4),可求得受力最大的螺栓的工作剪力为 : (2-6) 2.1.3螺栓联接的强度计算 (a) 承受预紧力的紧螺栓联接 图2-3 承受预紧力的紧螺栓联接紧螺栓联接装配时,螺母需要拧紧,在拧紧力矩作用下,螺栓除受预紧力的拉伸而产生拉伸应力外,还受螺纹摩擦力矩T的扭转而产生扭转切应力,使螺栓处于拉伸和扭转的复合应力状态下。因此,进行强度计算时,应综合考虑拉伸应力和扭转切应力的作用。螺栓危险截面的拉伸应力为: (2-7) 所以 螺栓危险截面的扭转切应力为: (2-8) 对于M10M68的钢制螺栓,可取 由于螺栓材料是塑性的,可根据第四强度理论,求出螺栓预紧状态下的计算应力为: =227.03N 由此可见,对于M10M68普通螺纹的钢制紧螺栓联接,在拧紧时虽同时承受拉伸和扭转的联合作用,但在计算时,可只按拉伸强度计算,并将所受的拉力(预紧力)增大30%来考虑扭转的影响。当普通螺栓联接承受横向载荷时,由于预紧力的作用,将在接合面间产生摩擦力来抵抗工作载荷。这时,螺栓仅承受预紧力的作用,而且,预紧力不受工作载荷的影响,在承受工作载荷后仍保持不变。预紧力的大小,根据接合面不产生相对滑移的条件确定。螺栓危险截面的拉伸强度条件式为: (2-9)这种靠摩擦力抵抗工作载荷的紧螺栓联接,要求保持较大的预紧力,结果必然使螺栓的结构尺寸增加。此外,在振动、冲击或变载荷下,由于摩擦系数的变动,将使联接的可靠性降低,有可能出现松脱。为避免上述缺陷,可用各种减载零件来承担横向工作载荷,螺栓联接只保证联接,不再承受工作载荷,因此预紧力不必很大。(b) 承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接 这种紧螺栓联接承受轴向拉伸载荷后,由于螺栓和被联接件的弹性变形,螺栓所受的总拉力并不等于预紧力和工作拉力之和。根据理论分析,螺栓的总拉力除和预紧力、工作拉力F有关外,还受到螺栓刚度C和被联接件刚度C等因素影响 图2-4承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接 图2-5 为保证联接的紧密性,防止联接受载后接合面间产生缝隙,有紧密性要求的联接,F1 =(1.51.8)F;一般联接,工作载荷稳定时, F1 =(0.20.6)F;工作载荷不稳定时, F1=(0.61.0)F ;地脚螺栓,F1F。 螺栓的总拉力为: 式中: 螺栓相对刚度,其大小与螺栓和被联接件的结构尺寸、材料及垫片、工作载荷的作用位置等因素有关。其值在01之间变化。设计时,根据联接的受载情况求出螺栓的工作拉力F再根据联接的工作要求选取F1计算螺栓的总拉力F2进行强度计算。螺栓危险截面的拉伸强度条件为: (2-10) 表2-2 螺栓的相对刚度Cb/(Cb+Cm)被联接钢板间所用垫片类别 Cb/(Cb+Cm) 金属垫片(或无垫片)020.3皮革垫片 0.7铜皮石棉垫片 0.8橡胶垫片 0.9(c) 受轴向变工作拉力的紧螺栓联接除按上式作静强度计算外,还需对螺栓的疲劳强度作精确校核。当工作拉力在0F之间变化时,螺栓总拉力将在F0F2之间变化。 图2-6 如果不考虑螺纹摩擦力矩的扭转作用,则螺栓危险截面的最大拉应力为: 最小拉应力为: 应力幅为: 螺栓的最大应力计算安全系数为: 式中:-1tc螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限,MPa。 试件的材料特性,对碳钢,=0.10.2,对合金钢,=0.20.3。 K拉压疲劳强度综合影响系数,忽略加工方法的影响,则,K=k/。 S安全系数。见表2-3 表2-3 螺纹联接的安全系数 S受载类型 静载荷变载荷松螺栓联接 1.21.7紧螺栓联接受轴向及横向载荷的普通螺栓联接不考虑预紧力的简化计算M6M16M16M30M30M60 M6M16M16M30M30M60碳钢5442.52.52碳钢12.58.58.58.512.5合金钢5.7553.43.43合金钢106.86.86.810考虑预紧力的简化计算1.21.51.21.5(Sa=2.54) 铰制孔用螺栓联接钢:Sr=2.5,Sp1.25铸铁: Sp=2.02.5钢:Sr=3.55,Sp1.5铸铁:Sp=2.53.0(d) 承受工作剪力的紧螺栓联接,见图2-7螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为 (2-11)螺栓杆的剪切强度条件为 (2-12)式中:F 螺栓所受的工作剪力/N; do螺栓剪切面的直径(可取为螺栓孔的直径)/mm; Lmin螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度/mm,设计时应使Lmin1.25d0; p螺栓或孔壁材料的许用挤压应力/MPa ; 螺栓材料的许用切应力/MPa . 图2-7 承受工作剪力的紧螺栓联接2.1.4确定螺栓直径 首先选择螺栓材料,确定其性能等级,查出其材料的屈服极限,并查出安全系数,计算出螺栓材料的许用应力= s/S。适合制造螺栓联接件的材料品种很多,常用材料有低碳钢Q215、10号钢和中碳钢Q235、35、45号钢。对于承受冲击、振动或变载荷的螺纹联接件,可采用低合金钢、合金钢,如15Cr、40Cr、30CrMnsi等。对于特殊用途(如防锈蚀、防磁、导电或耐高温等)的螺纹联接件,可采用特种钢或铜合金、铝合金等。根据表2-6选择螺栓的性能等级 表2-6 螺栓的性能等级性能等级(标记)3.64.64.85.65.86.88.89.820.912.9抗拉强度极限(MPa)33040042050052060080090010401220屈服极限(MPa)1902403403004204806407209401100 硬度HBSmin90109113134140181232269312365 推荐材料低碳钢低碳钢或中碳钢中碳钢,淬火并回火中碳钢,合金钢 合金钢 表2-7 螺母的性能等级性能等级 4 5 6 8 9 10 12拉抗强度极限510(d1639)520(d34 600 800 900 1040 1150推荐材料 易切削钢低碳钢低碳钢、低中碳合金钢、淬火并回火相配螺栓的性能等级3.6、4.6、4.8(d16)3.6、4.6、4.8(d16);5.6 6.8 8.88.8(d1639);9.8(d16)10.912.9 因为成人 所以当采用4.8级螺栓时,其直径为: 2.1.5校核螺栓所需的预紧力采用公式为: 碳素钢螺栓 合金钢螺栓 式中:螺栓材料的屈服极限 A1螺栓危险截面的面积对一般联接用的钢制螺栓联接的预紧力QP,拧紧力矩T=T1+T2,由图2-8可知 图2-8 对一定直径的螺栓,当F0已知时,可由上式求出T由图2-9可知,假设标准扳手L=15d,拧紧力F,T=FL ,成人 所以对于 图2-92.2 加载装置部分加载装置主要有加载手柄、加载丝杆、推力轴承等组成,主要作用是给螺栓提供一个轴向压力P,由M=PL求出联接受到的翻转力矩,其中P为作用在传感器上的载荷。其主要结构如图2-10所示 图2-102.3 测试仪器部分测试仪器部分主要由电阻应变片、电桥盒、压力传感器组成。 应用应变测量技术,测量构件表面的应变及应力,对于分析与研究零件、机构或结构的受力情况及工作状态的可靠性程度,验证设计计算结果的正确性,对于发展机械设计理论,研究机械工程中某些物理现象的机理及实现机械运行自动化,都具有十分重要的意义。应变测量作为一种有效的测试与转换技术,还可以用于多种物理量的检测与计量,实现生产过程或科学实验的测量与控制。2.3.1 电阻应变片的测试用应变片测量螺栓受力应变时,将应变片粘贴于各个螺栓表面上,并焊接上引线。在外力作用下,螺栓表面产生微小机械变形时,应变片也随同变形,其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化,根据式 其中称金属电阻的灵敏系数,=2.可以得到被测对象的应变值,而根据引力应变关系: 式中:测试的应力; E材料弹性模量。可以测得应力值。通过弹性敏感元件,、力、力矩、压力等物理量转换为应变,因此可以用应变片测量上述各量,从而可做成各种应变式传感器。2.3.2电桥电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变成电压或电流输出的一种测量电路,其输出既可用指示仪表直接测量,也可以送入放大器进行放大。桥式测量电路简单,并具有较高精确度盒灵敏度,因此在测量装置中广泛应用。电桥电路如图2-11所示 图2-11 测量电路有多种,最常用的是桥式测量电路。R1、R2、R3、R4四个电阻依次接在A、B、C、D (或1、2、3、4)之间,构成电桥的四桥臂。电桥的对角AC接电源,电源电压为E;对角BD 为电桥的输出端,其输出电压用UDB表示。电桥的组合方式如表2-8所示表2-8 电桥的组合组桥方式输出电压 UDB桥臂系数 B温度补偿单臂测量1BC臂需接一枚补偿片R半桥测量 1=-2时B=2不需接补偿片温度影响自动消除对臂测量 1=3时B=2非工作对臂接补偿片全桥测量 1=-2=3=-4时B=4不接补偿片,温度影响可自动消除串联测量B=1阻值与工作片相会地补偿片串联后接BC臂根据实验需要由表2-8选择相应的电桥组合方式,并通过电桥盒把相应的应变输入到所设置的电阻应变仪中。2.3.2 压力传感器 设计综合测试试验台,通过测量加载丝杆所承受的轴向压力信号,测出作用在压力传感器上的载荷Q,通过M=QL计算出联接受到的翻转力矩M ,并作出是否合格的判断。此过程测量力大,测试规格范围广, 试验数据准确,测量精度高,测量快速方便,劳动强度低 。 根据GB/1231-2002的规定,螺栓测试时的预拉力,M12螺栓为119178Nk,拟选用杭州永正电子有限公司生产的电阻应变式YZ363YSO型压式负荷传感器,见图2-12,测量范围0490Nk ,技术参数见表2-8。 图2-12 压力传感器 表2-8压式负荷传感器技术数据 型 号 YZ363Y/50最大压力KN500灵敏度mV/V21%零位输出mV/V02%温度对灵敏度的影响%ofCn/k0.0023温度对零位元输出的影响%ofCn/k0.0120非线性%0.050重复性%0.030缔后误差%250VDC正常工作温度范围-10+4015+105安全极限载荷%ofCn1502.4 本章小结 本章主要进行机械装置的结构设计,对工作台的组成部件,螺栓联接的受力、强度进行了设计计算,对电阻应变片的安装、工作原理进行了说明,并对压力传感器的选择做了简单分析。 第三章 螺栓测量装置的设计3.1 测量装置的需求分析 对于螺栓测量装置的用户与制造商来说,一般有三方面的需求:功能需求、造价需求和其他需求。首先,装置的功能应当满足力矩系数计算和传感器参数调整这些基本需要,同时,还应该有便于管理环境的数据上传功能、方便快捷的人机交互等。其次,装置的造价是需要考虑的另一个问题。3.2 测量装置的总体方案确定 测量装置部分和机械部分一起构成了螺栓扭矩测量系统。基于上边对于测量装置的需求的分析,可以得出装置的总体框架如图3-1所示: 图3-l测量装置总体框图 图3-1左半部分主要是测量系统的信号输入部分:主要包括传感器与数据采集器。传感器有一个:压力传感器检测加载装置的压力;电阻应变片检测螺栓加载后产生变形后的应变。它们的输出信号经过接口电路的放大调整后,达到与参考电压相匹配的状态,然后接入数据采集器。 图3-1中间部分的处理器和数据存储器构成了整个测量系统的运算处理单元。 图3-1右边部分主要是测量系统的人机接口和数据接口。人机接口包括键盘与显示单元。数据接口设定为串行通讯口,用于将数据备份到其他设备。纵观上图,测量装置方案设计的核心是传感器与处理器的选择。这两者确定下来以后,其他的都是细节问题。因为对于传感器,首先,只有选择了某种类型的传感器,才能考虑和数据采集器接口的问题。传感器的接口电路很多人都讨论过,是比较成熟的东西。而传感器的选择方案比较多,可以用贴片的方式,也可以用压-压传感器的组合方式或者压-扭传感器的组合方式;其次,传感器还与机械部分相连,需要考虑机械连接部分的造价和装配等问题;最后,要考虑传感器精度及精度损失的问题。所以,传感器的选择对最终方案有决定性的影响。对于处理器,与传感器一样也存在一个接口问题,同时选择不同的处理器对于测量装置功能的强弱有很大影响,还影响到软件设计开发的效率,以及日后升级换代的代价。因此,处理器与传感器的选择是首先和重点要考虑的问题。压力传感器的选择已在第二章中讨论过了,因此,这里只介绍处理器的选择。 处理器方案有两个:32位的ARM7系列和8位的MCS51系列。目前,嵌入式处理器市场,32位ARM产品随着日渐增长的高性能新应用,包括信息家电、汽车电子、电子玩具市场则促进32位ARM产品需求的增长。32位的ARM系列MCU可以满足更宽的寻址范围需求的增长,提供在时钟速度方面更多原始CPU能力、以及嵌入式应用需要的网络连接、USB通信接口等;且32位的ARM7系列MCU可以更好地对TROS进行支持,满足迅速开发软件的需求。再加上生产工艺的进步使得32位产品在整体成本上与16位产品相差无几。因此32位产品在MCU市场上呈持续上升的发展势头。8位MCU主要功能是作控制,大部分应用在通信产品、PC外围设备、消费类电子以及一般通用型产品之中。8位产品具有低廉的生产成本、巨大的整体出货量、简洁的程序代码等优势,因此设计人员在综合考虑成本、效能、设计时效等因素之后大部分愿意选择8位微控制器产品。在市场上8位微控制器应用依然占据微处理器市场近六成以上的市场份额,并且还在不断增长之中。要求低成本和小尺寸器件的嵌入式应用是使8位MCU仍然是应用主流的主要因素。出于在满足基本功能的基础上尽量节省成本的考虑,决定使用8位MCU。又由于MCS51系列MCU应用广泛,技术成熟,市场出货量大。经过上边的分析,最终我们的方案确定为:处理器选择AT89C52。3.3测量装置的硬件实现测量装置的硬件电路主要有四部分构成:采样电路、人机接口电路、串行通讯和其他控制电路。3.3.1采样电路1)概述 随着计算机技术的发展与普及,数字设备正越来越多地取代模拟设备,在生产过程控制和科学研究等广泛的领域中,计算机测控技术正发挥着越来超重要的作用。然而,外部世界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出现的,例如温度、压力、位移、速度等。要将这些信息送入计算机进行处理,就必须先将这些连续的物理量离散化,并进行量化编码,从而变成数字量,这个过程就是数据采集。 数据采样就是将被测对象(外部世界、现场)的各种参量(可以是物理量,也可以是化学量、生物量等)通过各种传感元件做适当转换后,再经信号调理、采集、量化、编码、传输等步骤,最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。用于数据采样的成套设备称为数据采样系统(DataAqcuisitionSysetm)。数据采样系统是计算机与外部世界联系的桥梁,是获取信息的重要途径。数据采样技术是信息科学的重要组成部分,已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域,并且随着科学技术的发展,数据采样技术具有广阔的发展前景。数据采样系统追求的最主要目标有两个:一是精度,二是速度。对任何目的测试都要有一定的精确度要求,否则将失去测试的意义;提高数据采样的速度不仅仅是提高了工作效率,更主要的是扩大数据采样系统的适用范围,便于实现动态测试。2)基本组成 数据采集系统包括硬件和软件两大部分,硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。图4-2是数据采集系统硬件基本组成示意图。 传感器的作用是把非电的物理量转变成模拟电量(如电压、电流或频率)。通常把传感器输出到AD/转换器输出的这一段信号通道称为模拟通道。放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小,因此,需要以放大。以满足大多数AD/转换器的满量程输入410v的要求。 图3-2数据采集系统组成 在数据采集系统中,往往要对多个物理量进行采集,即所谓多路巡回检测,这可通过多路模拟开关来实现。模拟开关之后是模拟通道的转换部分,它包括采样/保持和A/D转换电路。采样/保持电路的作用是快速拾取模拟多路开关输出的子样脉冲,并保持幅值恒定,以提高A/D转换器的转换精度,如果把采样/保持电路放在模拟多路开关之前(每道一个)。还可实现对瞬时信号进行同时采样。采样/保持器输出的信号送至模数转换器,模数转换器是模拟输入通道的关键电路。由于输入信号变化速度不同,系统对分辨力、精度、转换速率及成本的要求也不同。目前普遍采用单片集成电路,有的单片A/D转换器内部还包含有采样/保持电路、基准电源和接口电路。这为系统设计提供了较大方便。本设计采用的TLC2543采集芯片即是此种类型。A/D转换的结果要送给计算机。有的则采用并行码输出,有的则采用串行码输出。使用串行输出结果的方式对长距离传输和需要光电隔离的场合较为有利。并且能够节省单片机系统的资源。3)性能指标 对数据采集系统的性能要求和具体应用目的与应用环境有密切关系,对应不同的情况往往有不同的要求。以下给出的是比较主要和常用的几个指标的含义。系统分辨率:是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。通常用最低有效位值(ILSB)占系统满度信号的百分比表示。表3-l示出了满度值为10v时数据采集系统的分辨率。 表3-l数据采集系统的分辨率 位数 级数 1LBS(满度值的百分数) 1LBS (10V满度) 8 256 0.391% 39.1mv 12 4096 0.0244% 2.44mv 16 65536 0.0015% 0.15mv 20 1048576 0.000095% 9.53uv 24 16777216 0.0000060% 0.50uv系统精度:是指当系统工作在额定采集速率下,每个离散子样的转换精度。模数转换器的精度是系统精度的极限值。通常表示为满度值的百分数。采集速率:又称为系统通过速率、吞吐率等,是指在满足系统精度指标的前提下,系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数,或者说是系统每个通道、每秒钟可采集的子样数目。它表征了系统每采集一个有效数据所需的时间。动态范围:是指某个物理量的变化范围。信号的动态范围是指信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。数据采集系统的动态范围通常定义为所允许输入的最大幅值VmaX与最小幅值Vmin之比的分贝数,即 非线性失真:也称谐波失真。当给系统输人一个频率为f的正弦波时,其输出中出现很多频率为kf(k为正整数)的新的频率分量的现象,称为非线性失真。谐波失真系数用来衡量系统产生非线性失真的程度,它通常用下式表示: 式中A一基波振幅 AK一第K次谐波的振幅。4)数据采集器TLC2543 TLC2543是12位开关电容逐次逼近模数转换器。每个器件有三个片选(瓦),输入/输出时钟(1/0CLOCK)以及地址输入端(DATA可以通过一个串行的3态输出端(DATAOUT)与主处理器或其外围的输出转换结果。本器件可以从主机高速传输数据。除了高速的转换器和通用的控制能力外,TLC2543有一个片内的器可以在n个输入通道或3个内部自测试电压中任采样一保持是自动。在转换结束时,“转换结束”(EOC)输出端变高成。本器件中的转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压,具有转换、刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。 TLC2543特点TLC2543模块使用开关电容逐次逼近技术完成AD/转换过程。样速率66KsPs,供电电流仅需lmA。由于是串行输入结构,能够节省机I/O资源,且价格适中,大约为40元左右。其特点有:12位分辨率A/D转换器n个模拟输入通道3路内置自测试方式固有的采样与保持线性误差ILSBMxa片内系统时钟转换结束(End一of一Conversion,EOC)输出单极性或双极性输出可编程的MBS或LBS前导可编程的输出数据长度采用CMOS技术TLC2543C的工作温度为O-75;TLC2543I的工作温度为40-85;TLC254M3的工作温度为55-125。 表3-2TLC2543的引脚说明引脚号名称I/0 说 明19、11、12AINOAIN1I模拟量输入端。11路输入信号由内部多路器选通。对于4.1MHz的I/0 CLocK,驱动源阻抗必须小于或等于50。,而且用60pF电容来限制模拟输入电压的斜率15I片选端。在端由高变低时,内部计数器复位。由低变高,在设定时间内禁止DATA INPUT和1/0 CLOCK17DATA INPUTI串行数据输入端。由4位的串行地址输入来选择模拟量输入通道16DATA OUTOA/D转换结果的三态串行输出端.为高时处于高阻抗状态,为低时处于激活状态19EOCO转换结束端。在最后的1/0 CLOCK下降沿之后,EOC从高电平变为低电平并保持到转换完成和数据准备传输为止10GNDGND是内部电路的地回路端。除另有说明外,所有电压测量都相对GND而言18I/O CLOCKI输入/输出时钟端。I/0 CLOKC接收串行输入信号并完成以下四个功能:(1)在I/0 CLocK的前8个上升沿,8位输入数据存入输入数据寄存器。(2)在1/0 CLOCK的第4个下降沿,被选通的模拟输入电压开始向电容器充电,直到I/0 CLOCK的最后一个下降沿为止。(3)将前一次转换数据的其余11位输出到DATAO盯端,在I/0CLOCK的下降沿时数据开始变化。(4)1/0 CLOCK的最后一个下降沿,将转换的控制信号传送到内部状态控制位14REF+I正基准电压端。基准电压的正端(通常为Vcc)被加到REF+,最大的输入电压范围由加于本端与REF-端的电压差决定13REF-I负基准电压端。基准电压的低端(通常为地)被加到REF20Vcc电源TLC2543的引脚排列及说明TLC2543有两种封装形式:DB、DW或N封装以及NF封装,这两种封装的引脚排列如图3-3,引脚说明见表3-2。 图3-3 TLc2543的两种封装引脚排列接口时序 可以用四种传输方法使TLC2543得到全12位分辩率,每次转换和数据传递可以使用12或16个时钟周期。一个片选(瓦)脉冲要插到每次转换的开始处,或是在转换时序的开始处变化一次后保持瓦为低,直到时序结束。图3-4显示每次转换和数据传递使用16个时钟周期和在每次传递周期之间插入厉的时序,图3-5显示每次转换和数据传递使用16个时钟周期,仅在每次换序列开始处插入一次时序。 图3-4 16时钟传送时序图(使用,MSB在前) 图3-5 16时钟传送时序图(不使用,MBS在前)串行外设接口SP 在TLC2543与微处理器之间传送数据最快地方式是串行外设接口(SP)I。TMS37O(德州仪器公司),HS/300(日立公司),和MC68HCll(摩托罗拉)等系列微处理器的某些芯片都提供SPI接口。其主要特性:串行数据同时输出和输入;同步工作;提供频率可编程的串行时钟;数据传送结束标志。其主要功能如下:SPIDAT(SPI移位寄存器)装入要发送数据的第一个字节。这样对这个字节的传送自动初始化。在这个数据传送时间内,数据在另一个SPIDAT被接受。PSINTFLAG定时被检查。当输入数据的最后一位被接受到,SPINTFLAG被置1。这表示接收的数据字节可以从串行输入缓冲器(SPIBUF)读取,SPIDAT准备接收下一个传送来的字节。5)采样电路 在C52系列微处理器中都不带SPI或相同的接口能力。为了和TLC2543模数转换器连接,需要用软件合成SP的操作。这样数据传送速率下降,受微处理器的时钟频率影响。因此尽可能要选择高的微处理器频率,以减少指令周期时间,优化接口的数据传送速率。图3-6显示了TLC2543和AT89C52微处理器接口电路。TLC2543的I/O时钟、数据输入、片选CS由并行双向I/0口1的管脚Pl.O、PI.1、Pl.2、Pl.3提供。TLC2543的转换结果数据通过Pl.2脚接收。通道选择和数据输出方式通过编程来选择。 图3-6 AT89C52与TLC2543连接图6)采样程序 TLC2543的通道选择和方式数据为8位,其功能为:D7、D6、D5和D4用来选择要求转换的通道,D7D6DSD4=0000时选择O通道,D7D6DSD4=0001时选择1通道,依次类推;D3和D2用来选择输出数据长度,本程序选择输出数据长度为12位,即D3DZ=00或D3DZ=10;Dl,DO选择输入数据的导前位,DIDO=00选择高位导前。在本数据采集器中,才有中断方式定时采集,即每1Oms采集一次。利用TO定时/计数器产生定时。其中断服务程序为: TCL2543: CLK EQU P1.1 DIN EQU Pl.2 DOUT EQU P1.3 CS EQU Pl.4 MOV DPH, 36H ;定义数据存储高位地址 MOV DPL, 35H ;定义数据存储低位地址 CLR CLK ;清I/0时钟 SETB CS ;片选为高 CLR CS ;片选为低 MOV R7,#OSH ;先读高8位 MOVA,37H ;通道选择及数据输出方式入A LOOPI: MOVC,DOUT ;数据输出到C RLCA A ;A寄存器的内容左移 MOV DIN,C ;输出方式/通道字节 SETB CLK ;设置I/O时钟为高 CLR CLK ;设置I/O时钟为低 DJNZ R7,LOOPI ;R7不为0则返回LOOP1 MOVX DPTR,A ;采集数据存储到指定RAM区 INC DPTR ;RAM区地址加1 MOV A,#OOH ;清累加器 MOV R7,#O4H ;再低4位 LOOPZ: MOVC,DOUT ;读转换结果 RLC A ;A寄存器左移,移入结果数据位 STEB CLK ;设置I/0时钟为高 CLR CLK ;清I/O时钟 DJNZR7,LOOP2 ;R7不为O,则返回LOOP2 MOVX DTPR,A ;采集数据存储到指定RAM区 SETB CS ;设置片选为高 INC DPTR ;RAM区地址加一 MOV 36H,DPH ;RAM区地址入缓冲区 MOV 35H,DPL RETI除需要以TLC2543为核心的采集电路外,还必须有电源、控制、键盘及显示电路。下面就其他部分电路进行分析设计。3.3.2人机接口1)键盘电路概述 随着单片机在各种智能仪表、工业过程自动控制系统中的应用日益广泛,在某些应用场合往往需要对单片机控制的工艺过程进行参数的修正或设置,人为对单片机的工作进行干预,此时作为人与单片机之间进行对话的接口设备的键盘则成为不可缺少的一部分。键盘可分为非编码键盘和编码键盘。前者是用软件来识别和产生代码,后者则用硬件来识别。而目前,在单片机应用系统中,大多数键盘是根据不同的应用要求分别定做的。根据硬件的组成,其工作方式可分为外部中断键盘、矩阵扫描键盘,或者采用专用键盘接口以及使用标准键盘。单片机与一般矩阵键盘的接口方法有两种:一是通过8155或8255接口芯片来进行扩展;二是用8279可编程键盘/显示器芯片实现接口。另外还有一种是采用外部中断实现键盘接口,该种方式特别适合少量功能键系统设计。本设计电路采用此种方式实现。单片机对非编码键盘的控制方式键盘处理程序的关键是如何识别键码。而在单片机应用系统设计中,为了节省硬件,通常采用非编码键盘。在这种键盘结构中,单片机对键盘控制的办法是“扫描”。根据单片机进行扫描的方法又可分为程控扫描法、定时扫描法和中断扫描法。程序控制扫描方式:这种方式就是只有单片机空闲的时候,调用键盘扫描子程序,响应键盘的输入请求。定时扫描方式:定时扫描方式就是CPU每隔一定时间(通常为10ms)对键盘扫描一次。当发现有键按下时,便进行读入键盘操作,求出键值,并分别进行处理。定时时间间隔由单片机内部定时/计数器来完成,这样可以减少计算机扫描键盘的时间。采用该方式时,必须在其初始化程序中,对定时器写入相应的命令,使之能定时产生中断,以完成定时扫描的任务。 中断扫描方式 无论是程控扫描法还是定时扫描法,均占用单片机CUP的大量时间。因为不管有没有键入操作,CUP总要在一定的时间进行扫描,这对于单片机控制系统和智能化仪器都是很不利的。为了更进一步节省CUP的时间,可采用中断扫描法。该方法的实质是:当没有键入操作时,CUP不对键盘进行扫描,以节省出大量的时间对系统进行监控和数据处理。一旦键盘输入,则向CUP申请中断。CUP响应中断后,即转入相应的中断服务程序,对键盘进行扫描,以便判别键值,并作相应的处理。利用8155少量功能键的中断查询方式键盘电路,虽然扫描方法能解决问题,但需要占用大量的机时,即便采用中断扫描法,扫描仍需要占用一定的时间,因此实时性差。在单片机的控制系统中,往往是需要几个功能键,特别是在智能化仪器中更是如此。对于少量的功能键,可以采用硬件中断、软件查询的方法来解决。该数据采集器键盘电路即采用此种方式。其硬件电路如图3-7所示: 图3-7少量功能键的中断查询方式键盘电路 按键SBO一SB3,各具有一种功能。当他们全部打开时,均为高电平,经8与门后仍为高电平,因此不会产生中断。当其中某一键被按下时,INTO端变成低电平,产生了中断,向CPU进行中断申请。CPU响应后,用查询的方法找到申请中断的功能键,其原理与中断扫描法产生中断的原理基本相同,不同的是CUP响应中断以后,不是采用中断法求得键值,而是通过软件查询的方法找到功能键的入口地址。当无键按下时,CUP不对键盘进行扫描,因此最大限度的提高了CUP的效率。其查询程序框图如图3-8所示: 图3-8查询程序框图键盘防抖原理及方式,如图3-9所示 图3-9键输入和键抖动 所示,键盘的抖动时间一般为5-10ms。抖动现象会引起CUP对一次键操作进行多次处理,按键开关在电路中的连接如图3-9(a)所示。按键未按下时,A点电位为高电平,按键按下时,A点电位为低电平。A点电位就用于向CUP传递按键的开关状态。但是由于按键的结构为机械弹性开关,在按键按下和断开时,触点在闭合和断开瞬间还会接触不稳定,引起A点电平不稳定,如图3-9(b)。因此必须设法消除抖动的不良后果。消除抖动的不良后果的方法有硬、软件两种。图3-10(a)为利用双稳态电路的去抖电路;图3-10(b)是利用单稳态电路的去抖动电路;图3-10(c)为利用RC积分电路的去抖动电路。RC积分电路具有吸收干扰脉冲的作用,只要适当选择RC电路的时间常数,便可消除抖动的不良后果。当按键未按下时,电容C两端电压为零;当按键按下后,电容C两端电压不能突变,CPU不会立即接受信号,电源经R向C充电,即使在按键按下的过程中出现抖动,只要C两端的电压波动不超过门的开启电压(TTL为o.1vs左右),门的输出将不会改变。软件延时即:若有键按下,则延时5-10ms,再一次判断有无键按下,如果此时仍有健按下,则认为键盘上有一个键处于稳定闭合期。 图3-10键盘去抖电路处理同时按键 对于两个或多个按键同时按下的重键问题,可以采用不同的方法来处理。最常用的办法为n键锁定技术,即只处理一个键,任何其它按下又松开的键不产生代码。通常采用“先入有效”或“后留有效”的原则进行处理。“先入有效”的方法是,当两个或两个以上的按键被按下时,只有第一个按下的有效,其余的均“后留有效”的方法是,当多个键按下时,只有最后松开的键是有效的,其余均无效。2)显示电路概述 为了使操作人员及时掌握生产情况或技术存档,在一般的微机控制系统或智能化仪器中,都配有显示部件,用来显示有关数据。常用的显示器件有:显示和记录仪、CTR显示终端;LDE数码管显示;大屏幕显示以及打印机等。在这些显示方法中,显示记录仪表能连续显示和记录,但价钱比较贵,且读数不方便有一定的误差,故在新设计中不常采用。LDE数码管由于结构简单、体积小。功率低、响应速度快、易于匹配、寿命长、可靠性高等优点,成为目前引用最多的一种显示器。特别在智能化仪表与工业控制应用广范。CRT显示器系统比较复杂,价格也比较贵,所以多用于大、中型控制系统中,在小型控制系统及智能化中还很少采用。大屏幕显示具有显示清晰、视觉方位宽广等优点,主要用于车站、码头、体育场馆、大型生产装置的现场显示。本数据采集器用到的显示器为L印数码管。下面主要介绍它的结构与显示原理LED数码管的结构 LED数码管由七段发光线组成,每条线段可以是一个(或几个)发光二极管。其结构如图3-11。在只要是不同段的发光二极管发光,即可改变所显示的数字和字母。LED七段数码管根据其内部LDE的连接方法不同,有共阴极和共阳极两种接法。 图3-11 LED数码管结构示意图 在共阴极接法中,当某一段发光二极管输入为高电平时,该发光二极管亮,反之,则熄灭。而在共阳极接法中,刚好与共阴极接法相反。由于发光二极管通常需几个至几十个毫安的电流才能发光,因此,每个显示器必须用一个七位的驱动器才能正常工作。如7407等。另外,为了使用方便,现在己经生产出把4位或5位LDE数码管集成在一起的多位小型LDE数码管。它们是单片的LDE数码管和带有放大镜的双列直插式底座组成的,因而体积小、寿命长、功耗低、使用方便。我国己研制出这种显示器件,如4BS251和5BS251等。它们的组成是每位共阴极,而给各位相对应同一段则采用共阳极接法,因而大大减少了外引线的数目。但是必须注意的是,在这种扫描电路中,由于每个LDE数码管的发光时间缩短到原来的l/N,所以每个管子的发光亮度必须为单独工作时的N倍,其通过电流也要增加N倍。如果用75452这种反向驱动器时,电流有可能超过允许的范围。故应采用大电流的驱动器,或者采用三极管来实现位选。本设计采用此种方法。LED数码管的显示方法 在微型机控制系统中,常用的显示方法有两种:一是动态显示:二是静态显示。动态显示 所谓动态显示,就是单片机定时地对显示器件扫描,在这种方法中,显示器件分时工作,每次只能由一个器件显示。但由于人视觉的暂留现象,所以人感觉到所有的器件都在显示。此种显示的优点是使用硬件少,因而价格低。但它占用机时长,只要单片机不执行显示程序,就立即停止显示。因此这种显示将使微机开销太大,所以在以工业控制为主的单片机控制系统中应用较少。静态显示 所谓静态显示,是由单片机一次输出显示后,就能保持该显示结果,直到下次送新的显示模型为止。这种显示占用机时少,显示可靠,因而在工业过程控制中得到了广泛的应用。这种显示方法的缺点是使用的元件多,因而成本比较高。但是,随着大规模集成电路得发展,目前己经研制出具有多种功能的显示器件,例如,锁存器、译码器、驱动器、显示器、四位一体的显示器件,用起来比较方便。8155构成动态显示电路动态显示方法按单片机输出数据方式分为并行和串行两种。并行接口动态显示电路及程序设计 电路图如3-12,用8155的PA口输出显示码,PB口用来输出位选码。显示缓冲区为30-35H,3OH送8巧5命令口地址完成对8巧5初始化。单片机取出一位要显示的数,利用软件译码的方法求出要显示的数对应的显示码,然后由P0口输出。在ALE为高电平时,显示码被送到数据总线ADOAD7上,ALE的下降延时该地址被锁存在锁存器中,并从8155的A口输出(地址为SO0lH)显示。到底哪一位数码管显示,主要取决于位选码。设图中七段数码管为共阴极接法,则被选中的位应输出以高电平,经驱动器后,仍为高电平,因此该位被选中。若将各位从左到右依次显示,每个数码管连续显示mls,先是完成后,再重复上述过程。这样,人们看到就好像6位数同时显示一样。 图312 8155构成动态显示电路 图中的7407为六位驱动器,它为LED提供一定的驱动电流。由于一片7407只有六个驱动器,故七段数码管需要2片进行驱动。8155的PS口经7545缓冲器驱动器后反向,作为数码管的位控信号。75452内部包括两个缓冲器驱动器,它们各有两个输入端。所以实际上是两个双输入与非门电路,因此需要三片75452。若采用三极管作为位选的驱动器则基极连接8155。完成显示功能的程序流程图,如图3-13所示。 图3-13显示功能程序流程图串行接口的动态显示电路 利用8051系列单片机内部的串行口,也可以实现动态显示及键盘处理。这样不但可以节省单片机的并行I/0口,而且在大多数不用串行口的情况下,可免于扩展接口。 利用8051系列单片机内部的串行口,也可以实现动态显示及键盘处理。这样不但可以节省单片机的并行I/O口,而且在多数不用串行口的情况下,可免于扩展接口。在这种方法中,串行口工作在方式0状态,相当一个移位寄存器,其输入/输出都通过RXD引脚,以为脉冲则有TDX输出。每次输入或输出8位数据(一个字节)。每输出一个字节,8051的硬件即自动使SCNO寄存器中的中断标志位TI置位,通过测试TI的状态,即可以确定一个字节是否发送完毕。有关单片机串口工作方式在后面串行通讯中有详细介绍。3.3.3串行通讯1)概述AT89C52单片机除具有四个8位并行口外,还具有串行接口。此串行接口是一个全双串行通信接口,即能同时进行串行发送和接收。它可以作UATR(通用异步接收和发送器)用,也可以作同步位移寄存器用。应用串行接口可以实现8051单片机系统之间点对点的单机通信、多机通信和8051与系统机(如IBM-CP机等)的单机或多机通信。2)串行通讯原理数据通信的概念:在实际工作中,计算机的CTLP与外部设备之间常常要进行信息交换,一台计算机与其它计算机之间也往往要交换信息,所有这些信息交换均可称为通信。通信方式有两种,即并行通信和串行通信。通常根据信息传送的距离决定采用哪种通信方式。例如,在IBM-PC机与外部设备(如打印机等)通信时,如果距离小于30m,可采用并行通信方式;当距离大于30m时,则要采用串行通信方式。8051单片机具有并行和串行二种基本通信方式。并行通信是指数据的各位同时进行传送(发送或接收)的通信方式。其优点是传递速度快;缺点是数据有多少位,就需要多少根传送线。例如8051单片机与打印机之间的数据传送就属于并行通信(8位数据并行通信)。并行通信在位数多、传送距离又远时就不太适宜。串行通信指数据是一位一位按顺序传送的通信方式,它的突出优点是只需一对传送线(利用电话线就可作为传送线),这样就大大降低了传送成本,特别适用于远距离通信;其缺点是传送速度较低。串行通信有两种基本通信方式,即异步通信和同步通信。这里主要介绍异步通信。在异步通信中,数据是一帧一帧(包含一个字符代码或一字节数据)传送的,每帧的数据格式如图3-14所示。 图3-14每帧的数据格式 在帧格式中,一个字符由四个部分组成:起始位、数据位、奇偶校验位和停止位。首先是一个起始位“0”,然后是5-8个数据位(规定低位在前,高位在后,接下来是奇偶校验位,最后是停止位“1”。起始位“0”信号只占用一位,用来通知接收设备一个待接收的字符开始到来。线路上在不传送字符时应保持为“1”。接收端不断检测线路的状态,若连续为“1”以后测到一个“0”,则可知发来一个新字符,应马上准备接收。字符的起始位还被用作同步接收端的时钟,以保证以后的接收能正确进行。起始值后面紧接着是数据位,它可以是5位、6位、7位或8位。奇偶校验位只占一位,但在字符中也可以规定不同奇偶校验位,则这一位就可省去。也可用这一位(1/0)来确定这一帧中的字符所代表信息的性质(地址/数据等)。停止位用来表征字符的结束,它一定是高电位(逻辑“l”)。停止位可以是l位、1.5位或2位。接收端接收到停止位后,知道上一字符已传送完毕,同时,也为接收下一字符作好准备,只要再收到“0”就是新的字符的起始位置。若停止位以后不是紧接着传送下一字符,则让线路上保持为“1”。图3-14(a)表示一个字符紧接着一个字符传送的情况,上一个字符的停止位和下一个字符的起始位是相邻的;图3-14(b)则是两个字符间有空闲的情况。空闲为“1”,线路处于等待状态。存在空闲位正是异步通信的特征之一。例如,规定用ASCI工编码,字符为7位加一个奇偶校验位、一个起始位,则一帧共10位。3)波特率的设计 波特率:即数据传送速率,表示每秒钟传送二进制代码的位数。它的单位是波特(Bps,位/S)。波特率是衡量传送通道频宽的指标。在异种机的串行通讯(比如MCS-51单片机与CP机的通讯)中,波特串的设置是很重要的问题,它直接关系着串行通讯的成功与失败。因此,在波特率设置时需要给予足够的认识,掌握其设置技术或方法。 我们通过软件对单片机串行口编程可约定4种工作方式。其中,方式1和方式2的波特率是固定的,而方式1和方式3的波特率是可变的,由定时器T1的溢出率来决定。 串行口的4种工作方式对应着3种波特率。由于输入的移位时钟的来源不同,所以,各种方式的波特率计算公式也不同。本次设计串行口工作在方式1,故只讨论方式1的波特率。方式1的移位时钟脉冲由定时器T1的溢出速率决定,如图3-15。 图3-15 方式1波特率因此,8051串行口方式1的波特率由定时器T1的溢出率与SMOD值同时决定。即 方式1、3波特率=Tl的溢出速率/n 当SMOD=0时,n=32;当SMOD=1时,n=16。所以可用下式确定方式1和3的波特率方式1、3波特率=xTl的溢出速率 其中,T1溢出率取决于T1的计数速率(计数速率=机器周期=fosc/12)和T1预置的初值。定时器T1作波特率发生器时,通常选用定时器方式2(自动重装初值定时器)比较实用。要设置定时器T1为定时方式(使C/T=0),让T1计数内部振荡脉冲,即计数速率为fosc/12。先设定TLI定时计数初值为X,那么每过29个机器周期,定时器T1就产生一次溢出。4)单片机发送程序设计传送协议定义单片机的串行通讯程序设计有两种方式,一是利用中断实现:二是利用查询方式实现。中断方式即利用单片机的串行中断源ES控制传送过程。每当T1的位置为1时,申请中断,CUP调用中断处理程序进行数据传送。查询方式即规定传送数据长度以后单片机一直查询,如果TI位为1,表明传送完一个字节,进行下一字节的传送。本次设计采用查询方式完成。本通讯程序设计中规定,波特率为9600BPs,单片机工作于方式1,定时器Tl工作于方式2(自动重装数值)。定时器的装载数值由前所述方法计算为:T1的溢出率=fosc/12(256-TH1)因此,波特率=2fosc/3212(256-TH1)当波特率为9600,SMOD=1时 TH1=256-224/(96003212)243=F3H此时实际的传送波特率为: 224/3212(256-243)=9615.38所以波特率相对误差为(9615.38-9600)/9600=0.16%5%式中5%表示准确传送所要求的最大的误差,若误差超过此范围,则会发生通讯错误。中断方式程序设计中断方式程序框图见图3-16: 图3-16 中断方式程序框图查询方式程序设计 除利用中断传送外,还可以用循环查询的方式完成。即利用软件不断查询TI位,如果此位为1则继续下一位。此种方式CUP一直执行传送程序,因此占用较多的系统资源。本设计采用此种方式。其程序为: MOV SCON,#50H ;串口工作于方式1,允许接受 MOV PCON,#80H ;波特率倍增 MOV TMOD,#20H ;定时器1工作方式2 MOV TH1,#0F3H ;定时器置值 MOV TL1,#OF3H SETB TR1 ;开定时器 CLR ES ;禁止串口中断 CLR ET1 ;禁止T1中断 CLR TI ;清TI标志位 WAIT1: MOV DPH, 78H ;送高位地址 MOV DPL, 77H ;送低位地址 MOVX A, DPTR ;取得数据 MOV SBUF, A ;传送开始 WAIT2: JNB TI, WAIT2 ;判断是否结束 CLR TI ;判断后清TI位 INC DPTR ;地址加1 MOV 77H,DPL ;新地址赋给77H,78H MOV 78H,DPH MOV A,77H CJNE A,75H,WAIT1 ;判断是否结束传送 MOV A,78H CJNE A,76H,WAIT1 MOV A,#00H ;累加器清零 MOV A,78H,#00H ;传送数据起始高位地址 MOV A,77H,#00H ;传送数据起始低位地址 MOV A,76H,#00H ;传送数据起始高位地址 MOV A,75H,#00H ;传送数据终止低位地址5)MAX232电平转换电路电平转换器MAX232 MAX3232为RS-232收发器,简单易用,即可完成从TTL电平到RS-232电平的转换,单+SV电源供电,仅需外接几个电容引脚排列如图3-17所示。 单片机出来的TTL电平,而计算机能够接受的是1VZRS-232电平。所以需要MAX232进行电平转换。其电路设计如图3-18所示: 图3-17 MAX232引脚图 图3-18MAX232电平转换电路3.4测量装置的软件实现 测量装置的部分软件,在上一节中已经介绍了。这一节中的软件实现指的是高层软件的实现。根据对装置的工作情况,以及硬件电路的分析,可以将软件体系结构大致自下而上分为四层:硬件层、单元层、综合层和用户层,如图3-19所示。硬件层代表由实际物理器件构成的电路;单元层与硬件密切相关,且一般当中的子模块完成不可分割的功能,包括:采样流程、键盘显示程序、串行通讯以及管理存储器和接口的子程序,上一节中介绍的就是这一层的程序;综合层的子模块与硬件的相关性相对小一些,并且调用一个或多个单元层的子程序完成自身的功能,包括:数据评价、数据管理、传感器标定以及流程控制;最顶端的是用户层,用户可以通过人机接口直接使用综合层提供的服务,也可以通过对用户程序接口的编程,在上位机中读取测试装置中的数据并进行一些典型的分析与图形显示。 用户用户程序接口 用户层数据评价 数据管理 传感器校正 流程控制 综合层采样流程 人机接口 串行通讯 硬件资源管理 单元层 硬件 硬件层 图3-19软件体系结构示意图 本节当中阐述了综合层和用户层的各模块的设计与实现。用户层中只须实现一个用户程序接口,且这个接口是在上位机中被调用,与测试装置硬件无关,因此放在最后讨论。对综合层的几个模块的讨论,按照以下顺序进行:首先介绍编程语言-Kei1c;其次是主要模块的具体实现,包括功能描述、输入输出、程序框图和主要代码。编程语言-Kei1c对于8051单片机,现在有四种语言支持,即汇编、PL/M、C和BASIC。对于8051来讲,BAsIC和PL侧功能较弱。适用于编程简单且对编程效率和运行速度要求不高的场合。C源于UIX,是一种结构化语言,可产生紧凑代码。C可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。与汇编相比有以下优点:对单片机的指令系统部分要求了解,仅要求对8051的存储器结构有初步了解;寄存器分配、不同寄存器的寻址及数据类型等细节可有编译器管理;程序有规范的结构,可分为不同的函数,这种方式可是程序结构化;具有将可变的选择与特殊操作结合在一起的能力,改善了程序的可读性;关键字及运算函数可用近似人的思维过程方式使用;编程及程序调试时间显著缩短,从而提高效率;提供的库包含很多标准子程序,具有较强的数据处理能力;已编好的程序可容易的值入新程序。 据统计,keli编译后的代码长度大约是汇编语言的1.2-1.5倍,说明它的效率还是比较高的。而综合层中各模块算法比较复杂,且多有浮点运算,因此,综合层的各模块都使用kelic编写。而单元层因为与硬件密切相关,且无复杂算法,用汇编语言更简洁明了,效率也高,因此用汇编编写。二者在kelic编译器中可以互相调用。下面对各模块的功能进行描述,并简单分析其复杂性和对资源的占用情况。3.4.1流程控制 流程控制是软件的总体框架,实现测试装置的顶层工作逻辑,整个软件中的主程序。其中要记录和处理各种工作状态,调用单元层的I/O子程序,并涉及到多个并行的处理问题。见图3-20。 所以要占用RAM中相当一部分存储单元以记录各种状态,但并不需要直接占用中断资源,间接占用的在单元层的模块中计算。3.4.2传感器校正传感器校正是一个相对简单的模块。主要是通过用户在键盘上输入某个传感器的一系列标定参数,在内部存储器中建立一个数表,以便在数据评价时,对此数表进行插值操作,获得传感器输出信号与实际物理量间的转换系数。得传感器输出信号与实际物理量间的转换系数。 图3-20流程控制总体框图需要几个字节的RAM单元,记录转换状态:如当前标定个数、参数总数等。不许直接占用中断资源。需要在外部数据存储器中开辟一段空间存储3个传感器的参数表。 Struet /定义sensor结构体;Float xdata par210; /参数表;Int xdatan_ par; /参数个数; sensor;Sensor xdata sF,sT; /在外部数据存储器中定义压力传感器表; VOid get_sensor_Par()Int idataI;Celar(KB); /清空键盘缓冲区;show(char_sesnsoF); /显示符号,提示用户开始输入压力传感器参数;While (KEY ! =ESC)Whlie (KEY ! =ENTER) /等待用户按回车键,结束一次输入;sF.par0i =k2f(); /输入压力;Whiel (KEY ! =ENTER) /等待用户按回车键,结束一次输入;sF.par0i =k2(f); /输入电压;i+;sF.Num_par+;Show(char_sensorT); /显示符号,提示用户开始输入扭矩传感器参数;While(KEY ! =ESC)Whlie (KEY ! =ENTER) /等待用户按回车键,结束一次输入;sF.par0i =k2f(); /输入压力;Whiel (KEY ! =ENTER) /等待用户按回车键,结束一次输入;sF.par0i =k2(f); /输入电压;i+;sF.Num_par+;3.4.3数据管理 在非易失性的外部数据存储器中,保存了以下几种数据:3个传感器参数表、原始采样数据、计算结果。当原始采样数据和计算结果备份完毕后,要将其删除,以免过多旧的数据占用存储空间,数据管理模块根据用户的命令上传新数据、删除旧的数据。见图3-21。 图3-21 数据管理程序框图3.4.4数据评价通过国家标准规定的公式,计算测量结果。主要分为两个部分:查表插值和公式计算。需要大量RAM单元,进行浮点型的数学计算和插值;不需要中断资源,需要少量数据存储单元保存计算结果。线性插值算法: Float lineF (floatx) IntI; For (i=0;isensorF.nunlpar:i+) If(xn-1 ?Y中值滤波程序I循环初值1S(I)n ?NNJI+1S(I)与S(J)互换JJ+1II+1返回YNY图4-10 中值滤波程序流程图l 算术平均滤波法对被测参量连续采样N次,然后将N次采样值(分别为X1至XN)相加,取其算术平均值为本次采样值,即 (4.7)设 (4.8)其中, :为采样值中的有用部分信号; :为混入的随机信号。则 (4.9)按统计规律知,随机信号的统计平均值为零,故有 (4.10)显然,采用算术平均滤波法可以有效地消除随机干扰,滤波效果主要取决于采样次数N,采样次数越大,滤波效果越好,但是系统的灵敏度要下降,因此这种滤波方法只适合于慢变信号,不适合脉冲干扰。l 复合滤波法 算术平均滤波与中值滤波都有一定的缺陷,算术平均滤波法不易消除由于脉冲干扰而引起的采样偏差,中值滤波法由于采样点数的限制,使其应用范围缩小,如果将这两种方法的优点合二为一,就是复合滤波法。复合滤波法就是先选用中值滤波法滤掉由于脉冲干扰而有偏差的采样值,然后把剩下的采样值作算术平均。该方法既可以去掉脉冲干扰,又可对采样值进行平滑处理,其采样原理可用下式表示:若 则 (4.11) 4-12 数字滤波选择界面 虚拟式应变测试仪的数字滤波选择界面如图4-12所示,当用户用鼠标单击主程序运行界面上的“滤波”按钮时,便打开了数字滤波选择对话框,用户只需选中相应的滤波方法后,再单击“确定”按钮,就可以产生相对应的消息,程序就会自动加载该数字滤波程序。4.10.3 标度变换测试系统在使用之前要进行标定,以减小测量误差。通过标定,可以使测试系统的固有系统误差和某些干扰因素所引起的系统误差得以排除,提高系统的精度和稳定性,同时还可以进行工程标度变换。在正式测量之前,由标准仪器产生一系列的标准应变,通过对这些标准信号进行采样,就得到不同的数据,将这些数据转换成电压信号,得到一系列电压值 ,通过曲线拟合,得到如下关系式: (4.12)因此,只要我们知道所测信号经采集后的电压值,就可以根据上面的关系式计算出对应的应变值。由于本测试系统为多通道信号输入,因此,在进行标定时必须对每一通道分别标定。4.10.4 数据二次处理由于信号一般是随机过程,因此常用四种类型的统计函数来描述它的基本特征,即均方值,概率密度函数、自相关函数和自功率谱密度函数。这里,均方值提供数据强度方面的描述;概率密度函数提供幅值域内的有关特性;自相关函数和功率谱密度函数分别在时域和频域上提供有关的信息。 此外,在不少场合下还要描述两个或几个随机信号过程的一些联合特性,以描述各个过程之间的相互关系。描述来自两个随机过程的样本时间历程联合特性主要由三类统计函数,即联合密度函数、互相关函数以及互功率谱密度函数,它们分别从幅值域、时域和频域上提供了有关联合特性。虚拟式应变测试显示系统的数据二次处理提供包括统计特征值、信号的自相关分析、概率密度函数、幅值谱、相位谱、功率谱密度函数、应变转换为相应的应力、弯矩及扭矩计算等。1) 时域分析处理 时域分析处理包括所测信号的统计特征值分析,信号的自相关分析,概率密度函数分析。点击“统计”按钮,就能对信号进行统计分析,统计分析的主要指标包括信号的最大值、最小值、均值和有效值,如图4-13所示。自相关函数图可以用来检测和识别在随机噪声中的周期信号,当单击鼠标右键时就会弹出一个菜单,将鼠标移到“自相关”菜单时就可以进行信号的相关分析。如果想了解信号的概率密度分布情况,点击“直方图”菜单,则可显示信号的直方图。 图4-13 统计特征值显示界面2) 频域分析处理频域分析处理包括幅值谱和功率谱密度函数分析。其中功率谱密度函数能将实测的复杂工程信号分解成简单的谐波分量来研究,描述了信号的频率结构。对信号进行频域分析,必须对采样信号进行时域截断,即进行加窗处理,然后才能进行快速傅立叶变换(FFT: Fast Fourier Transform)。加窗时,应根据信号的特点进行选择,以尽量减小泄漏。虚拟式应变测试显示系统设计了四种窗函数供用户选用,这四种窗函数是矩形窗、汉宁窗、海明窗以及指数窗。在开始使用仪器时,用户只需单击面板上的“设置”按钮,便会弹出窗函数选择对话框供使用者选择,如图4-14所示。窗函数选择的实现由函数 CStrainView:OnSamplingSet()来完成。 图4-14 窗函数选择界面4.11 图形显示模块虚拟仪器具有优美的仪器界面和多样化的数据显示手段,可以显示任意通道或组合测试信号的时域波形和频域分析中的各种图形,可以根据用户的需要,放大和缩小波形曲线,也可以进行翻页操作,为方便测试者观测不同时刻所测量值,用户还可以点击鼠标并进行移动鼠标,这时就会在屏幕的模拟显示器中显示任意时刻的测量值,同时在模拟液晶显示器上显示相应的数值,该数值代表了鼠标所在位置时刻的测量值。本系统的图形显示功能齐全,完全能够满足实测需要,充分显示了虚拟仪器的优点。基于虚拟仪器技术的应变测试仪的图形显示功能主要有:测试信号的时域波形显示;所测信号的统计特征值统计表显示;模拟液晶显示器的数字化显示。如图4-4所示为时域波形界面,从图中的界面可以清楚地了解所测信号的变化趋势,通过鼠标移动显示了不同时刻应变大小。当用鼠标点击“统计”按钮,会弹出统计特征分析结果对话框,图4-14为统计特征值显示界面。图形显示的关键技术采用贴图技术来实现动态波形演示,从而有效地消除闪烁现象。贴图技术是动画领域中一个非常普遍也是非常重要的一个
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