（电机与电器专业论文）智能压力监控仪的研制.pdf

智能压力监控仪的研制 t h es t u d yo fi n t e l l i g e n tp r e s s u r em o n i t o r i n gi n s t r u m e n t a b s t r a c t g e r m a n y st o xp r e s s o n t e c h n i kg m b hc o r p o r a t i o nd e v e l o p e d t h eb o a r d r a m m i n gc o n n e c t i o nt e c h n o l o g y i th a sm a n ym e r i t sa m o n gt h et o xb o a r dr a m m i n g c o n n e c t i o nt e c h n o l o g y ，i tc a l lr e a l i z et h eb e s tc o n n e c t i o no f t h es a m eo rt h ed i f f e r e n tt h i c k n e s s ， t h es a n l eo rt h ed i f f e r e n tm a t e r i a l ，t w oo rt h em u l t i l a y e r e dm e t a lp l a t ew i t h o u ts p o r i n g w e l d i n g i nt h er a m m i n gp r o c e s s ，i no r d e rt og u a r a n t e et h eb o a r dc o n n e c t i o nq u a l i t y ，i tm u s t c a r r yo nt h er e a l t i m em o n i t o rt ot h ep r e s s u r e t h ei n t e l l i g e n tp r e s s u r em o n i t o r i n gi n s t r u m e n td e v e l o p e di n t h i sd i s s e r t a t i o nu s e st h e e m b e d d e ds y s t e mm i c r op r o c e s s o ra st h ec o r e ，w h i c hh a st h ep r e s s u r ed e t e c t i n gc i r c u i t ，l c d m o n i t o r ，o p e r a t ep r e s s i n gk e y ，r s 4 8 5i n t e r f a c ea n dp l ci n t e r f a c e i th a st h ef u n c t i o no ft h e p r e s s u r ed e t e c t i n g ，u p p e rl i m i ta n dl o w e rl i m i to fp r e s s u r es e r i n g ，s e n s o r sc h o o s i n g ，s e r v i c e l i f es e a i n g ，n u m b e ro fp i e c e sc o u n t i n g ，m e m o r yb l o c k i n g ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh o s t c o m p u t e ra n ds l a v ec o m p u t e ra n dp l ci n p u t t i n g o u t p u t t i n ga n ds oo n t h es o f t w a r eo fi n t e l l i g e n tp r e s s u r em o n i t o r i n gi n s t r u m e n tc o n s i s to ft h eh o s tc o m p u t e r a n dt h ef i e l dc o n t r o lu n i t 。t h es o f t w a r eo fh o s tc o m p u t e rr e a l i z e sw i t hd e l p h ia n dd a t a b a s eo f a c c e s s i th a st h ef i m c t i o no fp a r a m e t e r s s e t t i n g ，s c a nm o n i t o r i n g ，c h a n n e lc h o o s i n g ， c o m p a r i n gt h em e a s u r e m e n tr e s u l ta n da s s i g n e d t h et h r e s h o l dv a l u e ，d e t e r m i n i n gt h e m e a s u r e m e n tr e s u l tq u a l i f i e do rn o ta n ds a v i n gw i t ht h ed a t a b a s ea n dt h en o t e p a da n ds oo n f i e l dc o n t r o lu n i tp r o v i d e st h ef r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c et h r o u g hl c dm o n i t o ra n dt h e p r e s sk e y t h e r ea r em o r et h a n2 0p a g e si n t e r f a c ea n ds u b i n t e r f a c e i tc a l lf l e x i b l yr e a l i z et h e f u n c t i o no fo p t i o n ，r e v i s i n gd a t a ，t r a n s f o r m i n go p e r a t ei n t e r f a c ea n dm o r et h a nt e nd a t a s e t t i n ga n di n q u i r i n g ，s i m u l t a n e o u s l yi ta l s oc a nr e a l i z et h ef i m c t i o no fm e a s u r i n g ，m o n i t o r i n g a n dc o m m u n i c a t i n g t h ei n t e l l i g e n tp r e s s u r em o n i t o r i n gi n s t r u m e n ti sl i k eam i c r oc o m p u t e r t h ei n t e l l i g e n tp r e s s u r em o n i t o r i n gi sn o tt h eh a r d w a r ee n t i t y ，b u ti st h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r eu n i f i e s c o m b i n i n gt h ei n s t r u m e n ta n dt h em i c r o p r o c e s s o rs u b s t i t u t e df o rm a n y u n w i e l d yh a r d w a r e t h em i c r o p r o c e s s o rc o n t r o l st h ei n s t r u m e n tr n n n i n g ，c a r r i e so u tt h e r o u t i n em e a s u r e m e n t ，i n t e l l i g e m l ya n a l y s e sa n dp r o c e s s e st h ed a t a ，d i g i t a ld e m o n s t r a t i o na n d 沈阳工业大学硕士学位论文 t r a n s m i s s i o nt h r o u g ht h ep r e s s i n gt h ek e yo rt h es i g n a l b u tt h et r a d i t i o n a ls i m u l a t i o nm e t h o d i sv e r yd i f f i c u l tt oa c h i e v e t h ei n t e l l i g e n tp r e s s u r em o n i t o r i n gi n s t r u m e n td e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o nh a sa l r e a d y e x p e r i m e n t a l l yr a n t h er u n n i n gr e s u l ti n d i c a t e do fs t a b l ep e r f o r m a n c e ，h i g hr e l i a b i l i t ya n d s i m p l eo p e r a t i o n ，i tn o to n l yc a ns a r i s f yt h et o xp u n c hp r e s sm o n i t o r i n g ，t h em a n a g e m e n t a n dt h ec o m m u n i c a t i o nr e q u e s t ，b u ta l s om a yt a k ea p p l i e sb yt h eg e n e r a lp r e s s u r ed e t e c t o r u s i n gi nt h em a c h i n e f i n i s h i n gm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya n dt h ea u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n e a s as e to fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ，i nt h ef i e l do fp r e c i s i o n ，f u n c t i o na n d p r a c t i c a b i l i t y e t cn o wa r e t h ef r o n tr u n n e r , a n di th a sr e a c h e dt h ei n t e r n a t i o n a la d v a n c e dj e v e l k e yw o r d s ：p i cm i c r oc h i p 。i n t e l l i g e n tp r e s s u r em o n i t o r i n gi n s t r u m e n t ，d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 独创性说明 本入郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谓 意。 签名：) 趁始日期：勉2 五堡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的背景和意义 在金属加工和制造工业中，主要通过焊接或铆钉方式将两块金属板件连接到一起。 但传统的焊接或铆钉连接技术伤害金属表面，使金属材料的金属特性发生改变，且在余 属表层产生化学变化，严重地破坏了金属的连接强度。此外，传统的焊接工艺需要手工 作业，无法适应机械现代化流产线的要求，工时长，质量差。针对传统焊接技术的局限， 德国的t o xp r e s s 0 t e c h n i kg m b h 公司研制了t o x 板件冲压连接技术。t o x 冲圆 点连接是t o x 板件连接技术体系的核心，它利用一个简单的原型凸模，在t o x 气液增 力缸式冲压设备上，通过一个冲压过程，即可将被连接的到板件挤压进相应的凹模，在 进一步的挤压作用下，凸模侧的板件材料挤压凹模侧的板件材料，使其在凹模内“流动” 变形，如此即可产生一个既无棱边，又无毛刺的t o x 连接圆点对蚀性优势。 t o x 板件冲压连接技术有许多优点，比如无须点焊、铆接即可实现相同或不同厚 度，相同或不同材料的两层或多层金属板件间的最佳连接。采用t o x 连接对板件表面 无任何要求。表面有镀层、喷漆的工件无需处理即可以直接连接，不损伤金属表面，无 连接变形。自动化程度高，可单点或多点同时连接，是大批量现代化生产的首选连接方 法。连接点处无应力集中，动态疲劳连接强度远高于点焊，能无损伤检测连接强度并可 全过程自动监控。与点焊相比费用可节省3 0 6 0 。t o x 单点连接的静态连接强度为点 焊的7 0 。可多点同时连接，效率极高。不损伤连接点处工作的镀层或涂层，无连接变 形。可简便地对连接强度进行无损伤检测。材料在连接点处受到挤压，从而被强化。可 以自动地监控和输出连接加工过程中的各种状态。t o x 圆点连接的承载性与受负载的 方向无关。即无论是受剪切载荷作用，还是受拉伸载荷作用，其承载性都相同。 为保证焊接质量，操作人员需要根据被焊工件的材质、厚度等调整压气泵的输出以 改变出力大小，为此每台冲压设备上均需配备一套智能压力监控仪，以供用户设定整定 参数和调整冲焊压力。目前该公司产品所配的智能压力监控仪由德国仪表公司研发和生 产，价格昂贵，操作界面虽有英语、德语、意大利语和法语等4 种文字，但却没有中文。 中国用户在使用这套智能压力监控仪时感到操作不便，希望能够汉化，但德国仪表生产 智能压力监控仪的研制 商一直没能满足这一要求。本项目受德国t o x 冲压技术有限公司中国分公司委托，为 其研制智能压力监控仪。 目前，t o x 技术已广泛用于中国的汽车制造、家用电器、工业电器等行业。并在 中国大陆建立了t o x 产品的销售和技术服务网络，目前产品除满足中国市场外，还销 往德国、美国、同本、韩国、香港、台湾等国家和地区。国内部分客户主要有科龙公司、 美的公司、深圳华为、珠海格力、东莞力达、通用汽车、金羚电器、青岛海尔、上海大 众、山东巨力集团、深圳富士康等企业。 本设计主要是研究在t o x 生产过程中的压力控制。现在t o x 公司主要用t o x 压 力监控仪c e p 3 0 0 0 1 或者c e p 3 0 0 0 2 。c e p 3 0 0 系列的过程监控仪是用来监控t o x 板件 连接强度的一种设备。其中c e p 3 0 0 0 1 和c e p 3 0 0 0 2 功能相同，只是测量通道不同。 这套设备与国内同种设备( 相比具有) 有这自动化程度高、体积小、功能全，人机交互性 好等特点。其中以人机交互性最为突出，同类产品中名列前茅。在国外只有德国的 t o x 印r e s s o t e c h n i kg m b h 公司拥有本技术的专利，并且代表了t o x 冲压连接技 术的最高技术，国内暂时还没有同种类的研究。 1 2 智能仪器的发展概况及发展趋势 与其他学科的发展过程类似，仪器也经历了从初级到高级的发展历程，其发展进程 与他学科如电子技术、计算机技术、网络技术等的发展密切相关。 2 0 世纪5 0 年代初期，仪器的发展取得了突破，数字技术的出现使各种数字仪器得 已问世，把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量级，为实现测试自动化打 下了良好的基础。 2 0 世纪6 0 年代初期出现了数字仪表 2 1 ，如数字电压表、数字频率计等相继问世， 开始了仪器数字化、数显化的历程，但是仪器还不具备记忆、数据处理、可程控及人机 对话等高级功能。到了2 0 世纪6 0 年代中期，测试技术又取得了重大进展，计算机的引 入，使仪器的功能发生了质的变化，从个别电量的测试转变成测量整个系统的特征参数； 从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出；从用单个仪器进行测 量转变成用测量系统进行测量u j 。 进入2 0 世纪7 0 年代，不同于传统独立仪器( s t a n d a l o n ei n s t r u m e n t ) 的模式，充分利用 沈阳工业大学硕士学位论文 个人计算机软硬件资源的个人仪器( 插卡式智能仪器) 得到了发展，仪器仪表取得重大的 突破性进展，其主要标志是仪器仪表智能化程度的提耐”。 8 0 年代初期出现了商品可携带式精密数字仪表程控校准仪。他允许在一般的实验室 环境下实现对6 5 位到8 5 位数字多用表进行不开盖的可控制自动化数字校准。这种校 准仪不仅工作简便、速度快、而且可以在较宽温度范围内( 如1 3 3 3 c ) 2 1 2 作。这就缓解了 高准确度数字多用表需定期频繁送检的矛盾，提高了仪器的使用率及可靠性。这些把计 量学准确度带入普通实验室的仪器，可以说是在8 0 年代做出了一个了不起的成绩。 智能仪器是计算机技术向测量仪器移植的产物，是含有微型计算机或微处理器的测 量仪器。由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，有着智能的 作用( 表现为智能的延伸或加强等) ，因而被称为智能仪器。这一观点已逐渐被国内外学 术界所接受。如我国电磁测量信息处理仪器学会于1 9 8 4 年正式成立“自动测试与智能仪 器专业学组”，1 9 8 6 年i m e c o ( i m e m a t i o n a lm e a s u r e m e n tc o n f e d e r a t i o n ，国际测量联合会) 以“智能仪器”为主题召开了专门的讨论会1 5 1 ，i f a c ( i n t e m a t i o n a lf e d e r m i o no fa u t o m a t i c c o n t r o l ，国际自动控制联合会) 1 9 8 8 年的理事会正式确立“智能元件及仪器”( i n t e l l i g e n t c o m p o n e n t sa n di n s t r u m e n t s ) ( t c 2 5 ) 为其系列学术委员会之一。此外，1 9 8 9 年5 月在我国 武汉召开了第一届测试技术与智能仪器国际学术讨论会( i s m ti i8 9 ) 。 智能仪器除了在传统仪器的改进方面取得了巨大成就以外，还开辟了许多新的应用 领域，出现了许多新的仪器。从8 0 年代开始，机械制造业( 汽车制造、v l s i ( 超大规模 集成电路) 制造、各种电子设备，如电子计算机、电视机等制造) 的高速发展，使 c a m ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ) ，计算机辅助制造) 达到了很高水平，它对人类生产 力的提高超了巨大的推动作用1 6 】。为了对c a m 的工作质量进行及时监控，切实使成品 或半成品的质量得到保证，要求对实现整个加工工艺过程中各重要环节或工位在线检 测。因此在生产线上或检验室内大量涌现应用各种c a t ( c o m p u t e ra i d e dt e s t ) 计算机辅 助测试) 技术的仪器。例如，在电子类产品生产中使用大量各种规格的印刷电路板( p c b ， p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) ，因而出现了各种p c b c a t 设备( p c b t ) 。没有高速、高效能的 p c b t 实现对空p c b 或已装元件的p c b 进行逐项检验及质量监督，或要想实现电子设 备生产上的高速及高质量的c a m 是不可能的1 7 1 。 智能压力监控仪的研制 智能仪器以及计算机系统本身的发展使得其硬件结构及软件内涵越来越复杂，随之 而来的对其工作状态的检验及故障诊断就显得非常重要，而且十分困难。如果都依靠专 业人员去解决这些问题，不仅浪费时间、不经济，而且对大批量、多品种、更新很快的 产品，这样做也是不太可能的。为了解决此类问题，出现了一种新型仪器故障诊断仪 ( t r o u b l e s h o o t e r ) 。面向以计算机为主体的数字系统( 或智能仪器) 的故障诊断仪本身就是 一台微计算机【8 】。它一般是通过特定的( 如与被检验系统的c p u 相一致) 适配器与被检验 系统相联，在专用软件包的支持下进行故障诊断。它不仅可发现故障的性能及范围，有 时还可以精确的定位到故障元件【9 1 。 由于微计算机的内存不断增加，工作速度的不断提高，因而使其数据处理的能力极 大的改善，这样就可以把动态信号分析技术引入智能仪器之中。这些信号分析往往以数 字滤波或f f t ( 快速傅立叶变换) 为主体，配之以各种不同的分析软件，如智能化的医学 诊断仪及机器故障诊断仪等。这类仪器的进一步发展就是专家系统，其社会效益及经济 效益将是十分巨大的。 智能化仪表的结构越来越紧凑，体积越来越小，其发展过程大体可分为以下几个阶 段【l o l ： ( 1 ) 四模块阶段：由敏感器件芯片、信号处理集成电路芯片、a d 转换芯片及单片 机组成智能仪表的阶段】； ( 2 ) 双模块阶段：由带有信号处理功能的敏感器件芯片和带有a d 转换功能的微控 制器组成智能仪表的阶段【1 2 l ： ( 3 ) 单一模块阶段：由一片集成传感、信号处理、a d 转换和控制功能的芯片配合 少量外围器件组成智能仪表的阶段【1 3 】。 综上可见，以单片机为嵌入式系统核心的智能化仪表示今后的发展方向，如图1 1 所示为智能化仪表的典型结构框图，主要由相关控制设备把物理量转换成电量，经过信 号调理电路，把信号放大，在经过数据采集过程，把所采集到的信号传送给智能化芯片， 同时可以利用显示器和按键进行入杌交互，同时智能化仪表也设有两种或一种通信方 式，来进行上下位机通讯。 沈阳工业大学硕士学位论文 用 信数 户 物传 电号据 交 理 + 感 + 量调采 互 量器 理集智界 7 r 能 面 化 厂，f 设备 智能化仪表典型结构框图 fi11t y p c a ls t r c t u r ed r a i n g o f i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t 监控仪表是将人工理论方法和技术应用于仪表，使其具有类似人的智能特 性或的仪表，仪表内部带有处理力很强的智能软件，智能压力监控仪已经不再是硬 件实而是硬件和软件相结合的软件在智能高低方向起重要作用。仪表与微处理器的 结合代了许多笨重的硬件，微处理器通过键盘或信号，来控制仪表的运行，执行常 规测对数据进行智能分析和处理，数字显示或传送，而传统的模拟方法是很难做到的。 监控仪具有如下功能： 量功能 的位置测量 厚) 是由t d x 实验报告给出。x 值( 底厚) 是通过高精度位置检测开关来测量。 位置开关安装在模具旁，通过调整使其在连接板件要求的底厚处刚好发出位置到信 号。1 2 所示为压力和位移传感器的安装位置图。 量 的监控主要是通过设定相应的参数来实现，对于t o x ? 控制系统也是如 此。的原理基于对测量的压力最大值与设定的上下限的比较。如图13所示。 智能压力监控仪的研制 图1 2 压力和位移传感器的安装位置图 f i g 1 2p r e s s u r ea n dd i s p l a c e m e n ts e n s o ri n s t a l l i n gp o s i t i o nd r a w i n g 互 奄 程的最大值 x c m 图1 3 力一位置的测量曲线 f i g ，1 3m e a s u r e do f f o r c e - d i s p l a c e m e n tc u r v e 连接操作的改变是通过检测冲压力的变化来显示的，因此，设定个合适的压力上 下限是重要的，如果压力上下限范围的设置过小，则正常的压力变化也可能造成报警， 这样就不能真实反映压力检测结果。 ( 2 ) 参数设定功能 可以设定和查看的内容包括：测量程序号及对应的上、下限压力门限值；传感器的 沈阳工业大学硕士学位论文 类型及灵敏度等；传感器的额定负载、偏移范围、自动零点校验功能是否启用等；通讯 接口是否启用及通讯接口的模式；最新1 0 组测量数据；设定和修改操作密码；文字种 类；上、下限压力报警值及允许最大次数；冲压次数及设备的维护周期等。并设有存储 器保护功能。 ( 3 ) 人机交互功能 随着微处理器向大容量发展及l c d 显示器的普及和应用，人机交互技术在现代智 能仪表中开始得到应用，提升了仪表的附加值。该压力测试仪采用人机交互技术实现参 数设定，用户通过操作按键切换测量界面和主菜单界面。主菜单下设有多个子菜单选项， 用户利用f 、l 、一、一、e n t e r 和e s e 这6 个操作按键，进入或退出子菜单，查询或 修改设定参数及测量结果。 “) 数据处理功能 每次测量结束后，均将测量结果与给定的阈值作比较，给出测量结果是否合格的判 定；每次测量结束后，均累加总冲压次数和合格次数，如累计测量次数达到用户所设定 的维护周期，则提示用户对传感器进行校验，以保证测量精度；每次测量结束后，即使 测量结果合格，也判断其是否超出报警值，如果超出报警值的累加次数超出设定值，则 予以提示。 ( 5 ) 通信功能 有r s 2 3 2 和r s 4 8 5 两种通讯模式，用户可以自行选择。 r s 2 3 2 通信方式采用点对点方式与p c 机通讯，通讯距离在2 0 m 以内，通过p c 机， 用户可以查询和修改设定参数和测量结果。 r s 4 8 5 通信方式便于多点互连，通信距离可上千米。一台p c 机可与多台( 3 2 台) 压 力监控仪组成集散控制系统。 ( 6 ) p l c 接口 p l c 在自动生产线上广泛用于实现过程控制和调节，t o x 公司生产的焊接设备目 前被广泛应用在汽车、家用电器、计算机等行业，这些行业几乎都用自动生产线进行生 产，为满足过程控制和调节的要求，该压力监控仪设有p l c 外部接口，通过8 个输入 与8 个输出与p l c 传递信号，从而控制生产过程。本设计还拟增加一个d a 输出模块 智能压力监控仪的研制 和p i d 调节环节，供用户组成一个闭环控制系统，以实时调节气泵的输出，进而使压力 稳定在设定值。 智能压力监控仪是在顺应智能化仪表的发展方向和充分考虑其实用性和经济性，以 及自动生产线过程控制调节的需要基础上提出的。充分利用了现代计算机技术，以及综 合各方面的因素，设计制作了智能压力监控仪表。作为一套智能化仪表，它在精度、功 能和操作的便捷性、实用性等方面均位居国内领先并达到国际先进水平。 1 3 本文主要工作 ( 1 ) 通过对国内产品和国外相关产品进行分析和比较的基础上，提出了智能压力监 控仪的总体设计方案，设计智能压力监控仪的硬件电路，实现对压力进行测量； ( 2 ) 编写软件程序； 1 ) 用d e l p h i 语言编写上位机软件程序，实现对现场控制单元仪器进行扫描监测、 测量通道的选择、相关参数设定和查询、压力检测及数据保存等功能； 2 ) 用汇编语言编写现场控制单元程序，实现选项、修改数据、参数设定及切换操 作界面及人机交互等功能； ( 3 ) 采用r s 2 3 2 和r s 4 8 5 两种通讯模式，实现上下位机的远程通讯； ( 4 ) 对智能压力监控仪进行调试。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 智能压力监控仪硬件电路的设计 2 1 智能压力监控仪的总体设计思想 随着工业自动化程度的提高，以单片机为核心的嵌入式系统被越来越广泛地用于监 测生产过程和生产设备。而且由于单片机具有性能好、速度快、价钱低、体积小、使用 方便等优点，所以更被广泛用于智能检测装置中。智能压力监控仪是为德国t o x 冲压 技术有限公司研制的专用仪器。该公司专门生产金属板件连接冲压设备，为保证连接质 量，需对冲压过程中的压力进行监测，并将被测值与设定的压力上限和压力下限进行比 较，据此判定合格或不合格。此外，单片机还能够与上位机之间通过r s 2 3 2 或者r s 4 8 5 通信接口进行双向通信，单片机可以把采样数据和测量结果上传给计算机，计算机也可 以对单片机进行相关参数的设置，还有p l c 输入输出接口，通过按键和l c d 液晶显 示器可以实现人机交互功能。 2 2 智畿压力监控仪的原理框图 如图2 1 所示为t o x 智能压力监控仪硬件系统的原理框图。本压力监控仪以单片 机为核心，配有压力和位移传感器、信号调理电路、l c d 液晶显示电路、按键、r s 2 3 2 和r s 4 8 5 通讯接口及与p l c 连接的输入输出接口等。该压力监控仪主要实现了对冲压 过程的压力实时监测。 图2 1 硬件系统的原理框图 f i g 2 1s t r u c t u r ed i a g r a mo f h a r d w a r es y s t e m 9 一 智能压力监控仪的研制 2 3 硬件电路的设计及元器件的选择 2 3 1 压力传感器 传感器是获取外界信息的重要工具，它在工业生产、国防建设和科学技术领域发挥 着巨大的作用。 压力传感器【“1 是一种应用极为普遍的测量和控制仪器元件，有着十分广泛的应用前 景。基于不同的工作原理，压力传感器可分为多种【1 5 1 ，如应变式、压阻式、压电式、电 容式、声表面波谐振式、光纤干涉式、真空微电子式等等，其中以压阻式、电容式传感 器应用最为广泛。 压力传感器的作用是感受压力，并将压力参数变换成电量，送到测量电路进行测量。 智能压力监控仪所选用的压力传感器都来自德国t o x 公司提供。 2 3 2 位移传感器 位移是指物体位置对参考点产生的偏移量【1 6 】。位移测量包括线位移或角位移。线位 移是指物体相对于某参考坐标系一点的距离的变化量，它是描述物体空间位置变化的物 理量。位移测量技术是振动、压力、应变、加速度、温度、流量等测量技术的基础，这 是因为在众多的物理量中，位移与其它机械量相比，是既容易检测又容易获得高精度的 检测结果，所以测量中常采用将被测对象的机械量转换成位移量来检测的方法，例如将 压力转换成膜的位移、将加速度转换成重物的位移等。 位移是工业生产中需要经常检测的一个基本物理量，寻求简单实用、操作方便、适 应范围广、经济性好的位移传感器对促进工业生产发展具有重要现实意义。位移检测效 果的好坏往往影响着系统的控制效果。虽然位移检测在不同工况下检测要求测点有所不 同，但其基本要求相似，都希望快速、准确、可靠而又经济地实现位移测量【，即 ( 1 ) 工作范围或量程足够大，具有一定过载能力； ( 2 ) 转换灵敏度高，输出信号与输入信号成线性关系： ( 3 ) 反应速度快，工作可靠性好； ( 4 ) 适用性和适应性强，动作能量小，对被测量对象状态影响小；内部噪声小而又 不易受外界干扰； ( 5 ) 使用经济，成本低，寿命长，易于使用，维修和校准。 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 位移传感器可分为电涡流式位移传感器、电感式位移传感器、电容式位移传感器、 压电式位移传感器、霍尔式位移传感器。智能压力监控仪所选用的位移传感器都来自德 国t o x 公司提供。 2 3 3 信号调理电路 压力传感器和位移传感器的输出信号较弱，仅为几十m v 和几十m a ，因此需设计 精密放大电路和高精度工作电源以保证测量精度，电源的纹波系数应小于0 1 m a 。为提 高信噪比，需采用数字滤波算法剔除干扰信号。仪表放大器由于本身所具有的低漂移、 低功耗、高共模抑制比、宽电源供电范围及小体积等一系列优点，己被广泛应用于高精 度、高稳定度的仪器仪表电路中。滤波单元采用模拟滤波，简单的电阻电容滤波。 如表2 1 所示为几种常用放大器的主要参数比较。 表2 1 几种常用放大器的主要参数比较( 典型值) t a b 2 1p e r f o r m a n c ep a r a m e t e “c o n t r a s tt a b l eo f s o m ek i n d so f l e m p e r a t u r e ( t y p i c a lv a l u e ) 从上述的四种放大器的参数中可看出a d 6 2 3 ，a d 6 2 0 的性能相比要好一些，a d 6 2 3 的输入偏置电流和输入失调电流的温度漂移与a d 6 2 0 相比要大一些，而且，上述4 种 放大器的内部结构也不尽一样，根据相关资料查阅，在放大器电路精选中，一般在微弱 信号的场合【1 3 1 ，首级放大器有低噪声、低输入偏置电流、高共模抑制比等要求的大多采 用自制的三运放结构，因此本系统的运放电路选用a d 6 2 0 放大器来实现。 智能压力监控仪的研制 a d 6 2 0 性能简介【1 9 】： a d 6 2 0 是一个低成本，高准确度的仪表放大器，使用方便，仅需一个外接电阻便能 使增益达到1 0 0 0 0 。a d 6 2 0 有8 针s 0 1 c 和d i p 封装。提供了非常低的电压噪声。a d 6 2 0 最大所需电流仅仅1 3 m a ，非常适于电池供电、便携式系统。它的非线性度最大是4 0 。 最大电压误差5 0 m y ，温漂最大0 6m v o c ，对于要求准确测量系统非常理想。由于a d 6 2 0 的低输入电压噪声( 9 n v h z 到l k h z ，o 2 8 m yp - p i no 1h z 到1 0h z 带宽，0 1p a 输入电 流噪声) 使它成为一个性能良好的放大器。a d 6 2 0 也适用多级应用，因为它的建立时间 是1 5 t x s 。价格低廉使它可以每个通道都设一个，而不必复用。 a d 6 2 0 是低功耗仪用放大器，它只需要一只外部电阻就可设置1 1 0 0 0 倍的放大增 益。如图2 2 所示为智能压力监控仪中a d 6 2 0 的应用电路。本电路的差模放大倍数由1 脚和8 脚之间的外接电阻r 。决定，放大倍数可按2 1 公式计算 g a i n ：1 + 4 9 4 k 0 ( 2 1 ) 磁 其中4 9 4 k q 为放大器的反馈电阻之和。只要改变电阻r 。的阻值，就可以设置l 1 0 0 0 范围的增益，调节方便。在图2 2 中，只。的范围是2 0 0 q 7 0 0 q 之间，这样增溢的范围 为7 0 2 4 8 之间。使传感器的输出范围在o 5 v 之间。 图2 2a d 6 2 0 的应用电路 f i g 2 2a p p l i a n c ec i r c u i to f a d 6 2 0 沈阳t 业大学硕士学位论文 2 4 单片机相关电路的设计 2 4 1 单片机 单片机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 亦称单片微电脑或单片微型计算机，国际上通称 为微控制器( m i c r o c o n t r o l l e r ，m c u ，“c ) ，就是把中央处理器c p u 、随机存取存储器r a m 、 只读存储器、输入输出端t o o ) 等主要的计算机功能部件，都集成在一块集成电路芯 片上，从而形成一部完整的微型计算机刚。换而言之，把微型计算机的所有功能部件都 集成并封装在一块芯片内而构成一部超微型计算机，就称其为单片机。单片机是大规模 集成电路技术发展的结晶。单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、稳定可靠、 应用广泛、通用性强等突出优点【2 ”。 单片机的设计目标主要增强控制能力，满足实时控制方面的需要。因此，它在硬件 结构，指令系统，i o 端口，功率消耗及可靠性等方面均有其独特之处，其最显著的特 长之一就是具有非常有效的控制功能。为此，又常常被人称为微控制器( m c u 或p c ) 。 单片机的功能部件和工作原理与微型计算机也是基本相同的，一台微型计算机是由 运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5 个部分及若干集成电路组成口2 】。虽然 微型计算机技术得到了最充分的发展，但是微型计算机在体系结构上仍属于经典的计算 机结构。如图2 3 所示微型计算机基本结构图。 图2 3 微型计算机基本结构图 f i g 2 3b a s i cs t r u c t u r ed i a g r a mo f t h em i c r o c o m p u t e r 在本次设计中，数字处理电路以美国m i c r o c h i pt e c h n o l o g y 公司的p i c l 6 f 8 7 7 单片 机为核心，其特点是速度快、功耗低、体积小、价格廉，片内除含有程序存储器、数据 智能压力监控仪的研制 存储器和i o 口及定时器外，还含有i k 字节的e e p r o m 和8 路1 0 b i t 的a d 转换器 及定时器看门狗，只需很少的外围器件就能组成系统。它的哈佛结构、单周期指令等点 更是能够满足实时控制的要求。 2 4 2 按键电路的设计 如图2 4 所示为数据采集、按键电路图。 图2 4 按键电路图 f i g 2 4c i r c u i to f p r e s s i n gk e y 在系统的设计中，为了简化电路，降低成本，提高模拟通道的抗干扰能力，提高实 验的精度和实用性，利用单片机自身具备的a d 转换功能来进行数据的采集；利用单 片机i o 口高低电平的变换设计了六个按键。在显示电路中，利用中文液晶显示模块进 行设计。该模块可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，且该模块为一个1 6 0 8 0 点阵的l c d 显示器其内置的中文字库可以满足设计开发的要求，可以显示5 行中文， 每行可以显示1 0 个中文或者是2 0 个西文，不需自建字库，非常方便软件开发，而且与 1 4 。h b 沈阳工业大学硕士学位论文 单片机的接口方便。 2 4 3 通信电路的设计 计算机与外界所进行的信息交换经常被人们称为数据通信( 有时也简称通信) 。通信 的基本方式又可以分为并行通信和串行通信两种通信方式 2 3 1 。 并行通信是指一次就可以同时传送一个数据字的传输方式( 其中包含8 位、1 6 位， 甚至更多位的数据) 。其优点是传输速度快；缺点是需要同时连接的线数多，尤其是在 通信距离较长时，传输线的成本会急剧增加。对于单片机而言，还需要占用多条宝贵的 引脚资源。4 0 脚的p i c l 6 f 8 7 x 内有一个并行通信模块p s p ，它就可以得用r d 和r e 端 e 1 的1 1 条引脚，来实现与其他处理器之问的并行通信渊。 串行通信是指外设和计算机使用一根数据信号线( 另外需要地线，可能还需要控制 线) ，数据在一个数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据占据一个固定的时间 长度。这种通信方式使用的数据线较少，在远距离通信中可以节约成本。当然，一般来 说，其传输速度比并行通信方式的传输速度慢。串行通信的优点体现在远程通信和上下 位机通信中，其传输距离远，数据线比较少，缺点是速度比较慢。但是随着新的串行数 据协议的诞生，这种情况已经得到了很大的改善，传输距离和传输速度都有了很大的提 高。而且对于单片机而言，串行通信需要占用的引脚功能资源较少。在本次的系统设计 中，主要采用r s 2 3 2 和r s 4 8 5 两种串行通信方式。 ( 1 ) r s 2 3 2 的通信方式的电路设计 目前r s 2 3 2 是历史悠久的计算机接口标准【2 5 l 。r s 2 3 2 通信接口是每台计算机上的 必要配置，通常有c o m l 和c o m 2 两个接口，均以9 引脚的接头连接r s - 2 3 2 通信。r s 一2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最为广泛的一种串行接口，在短距离、低波特率串行通信中 得到了广泛的应用。r s 一2 3 2 c 是美国电子工业协会e r a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 制定的一种串行物理接口标准。r s 是英文“推荐标准”的缩写，2 3 2 为标识号，c 表示修 改次数。r s 一2 3 2 c 总线标准设有2 5 条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。在 多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发 送线、一条接收线及一条地线。r s 2 3 2 c 标准规定的数据传输速率为每秒5 0 、7 5 、1 0 0 、 1 5 0 、3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 波特。r s - 2 3 2 c 标准规定，驱动器 智能压力监控仪的研制 允许有2 5 0 0 p f 的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用1 5 0 p f m 的通信电 缆时，最大通信距离为1