（机械电子工程专业论文）计数式电雷管电阻分选仪的开发设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 1页 ab s t r a c t i n t e l l i g e n t i n s t r u me n t , w h i c h i s o n e k i n d o f t h e me a s u r e i n s t r u me n t c o n t a i n i n g mi c r o c o m p u t e r o r mi c r o p r o c e s s o r , c o mb i n e s c o m p u t e r t e c h n o l o g y w i t h m e a s u r e i n s t r u me n t . i t c a n p r o c e s s d a t a , s u c h a s s t o r a g e , o p e r a t i o n , l o g i c j u d g e me n t , a u t o m a t i c o p e r a t i o n , a n d s o o n . l a t e l y , i n t e l l i g e n t i n s t r u me n t h a s b e g u n t o d e v e l o p f r o m d a t a p r o c e s s i n g t o k n o w l e d g e m a n i p u l a t i o n . i t s f u n c t i o n i n c l u d e s f u z z y j u d g e m e n t 、 t r o u b l e d i a g n o s i s 、f a u l t t o l e r a n c e t e c h n o l o g y 、s e n s o r f u s i o n 、w o r k l i f e t i m e p r e d i c t i o n a n d s o o n , w h i c h p r o m o t s i n t e l l i g e n t i n s t r u me n t . n e a r l y 2 0 y e a r s , i n t e l l i g e n t i n s t r u me n t a n d mi c r o c o m p u t e r h a v e ma d e a s t r i k i n g p r o g r e s s . t h e s e p r o g r e s s e s g o w i t h c o n t i n u o u s p r o g r e s s a n d i n n o v a t i o n o f h a r d wa r e . t h e d e s i g n o f c o u n t i n g e l e c t r i c d e t o n a t o r r e s i s t a n c e s o r t i n g i n s t r u me n t i s b r o u g h t f o r w a r d b y y i b i n 6 7 3 f a c t o r y , b e c a u s e t h e o l d t y p e i n s t r u me n t c o u l d n o t m e e t t h e c h a l l e n g e . t h i s n e w i n s t r u me n t i s b a s e d o n t h e o l d o n e . i n t h i s t h e s i s , c o u n t i n g e l e c t r i c d e t o n a t o r r e s i s t a n c e s o r t i n g i n s t r u m e n t p r i n c i p a l p a r t a d o p t s mc s 一 5 1 s i n g l e - c h i p mi c r o c o mp u t e r , a n d i n t e g r a t e s w i t h a / d c o n v e r t e r a n d s o me o t h e r e l e c t r o n i c c o m p o n e n t s . i t i s a n e l e c t r o n i c me a s u r i n g i n s t r u me n t w i t h h i g h a c c u r a c y o f m e a s u r e m e n t , d e s i g n e d f o r m e a s u r i n g e l e c t r i c d e t o n a t o r d o w n - l e a d r e s i s t a n c e , a n d i t c a n d i s p l a y d a t a w i t h l e d a n d r e mi n d w o r k e r w i t h b u z z e r , i t a l s o c a n t a k e c o u n t o f m e a s u r e t i me s a n d d i s p l a y d a t a . i n t h e t h e s i s , t h e d e v e l o p me n t o f t h e i n s t r u me n t , i n c l u d i n g p r o j e c t s e l e c t i o n , h a r d w i r e d c o n n e c t i o n d e s i g n a n d s o f t w a r e d e s i g n a r e p a r t i c u l a r l y d i s c u s s e d , a n d t h e p r o b l e ms a b o u t d i s t u r b a n c e i n d e v e l o p me n t o f e l e c t r o n i c i n s t r u m e n t a r e a l s o t h o r o u g h l y d i s c u s s e d . k e y w o r d s i n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t s ; s o r t i n g i n s t r u m e n t ; s i n g l e - c h i p mi c r o c o mp u t e r ; a / d c o n v e r t e r ; e l e c t r i c d e t o n a t o r 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1页 第 1 章 绪论 1 . 1智能仪器简介及发展概况 智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物，是含有微计算 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，具有一定智能的作用 ( 表现为智能的延伸或 加强等) ，因而被称之为智能仪器侧。这一观点己逐渐被国内外学术 界所接受。近年来，智能仪器已开始从较为成熟的数据处理向知识处 理发展。它体现为模糊判断、故障诊断、容错技术、传感器融合、机 件寿命预测等，使智能仪器的功能向更高的层次发展。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 me k o ( i n t e r n a t i o n a l me a s u r e me n t c 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。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。以后，在国内外的学术会议上，以智能仪器为内容的研讨己 层 出不穷。 自从 1 9 7 1 年世界上出现 了第一种微处理器( 美国 i n t e r 公司 4 0 0 4 型 4位微处理器芯片)以来，微计算机技术得到了迅猛的发展。测量 仪器在它的影响下有了新的活力，取得了新的进步。电子计算机从过 去的庞然大物己经可以缩小到可以置于测量仪器之中， 作为仪器的控 制器、存储器及运算器，并使其具有智能的作用。概括起来说，智能 仪器在测量过程自动化、 测量结果的数据处理及一机多用( 多功能化) 等方面己取得巨大的进展。到了 9 0年代，可以说，在高准确度、高 性能、多功能的测量仪器中已经很少不采用微计算机技术 的了。总的 说来，可以从对传统仪器的改进和新型仪器的出现两个方面来归纳智 能仪器 的发展概况 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 2页 传统的手持式万用表，在采用了单片微机控制之后，功能更加多 样 ， 使 用 更 加 方 便 、 可 靠 ， 而 且 准 确 度 大 为 提 高 。 如 读 数 为 4 胜位 的 万用表，除可测量传统的直流电压、电流及电阻外 ，可测量交流电压 及电流的真有效值;测频率时，范围可扩展到 i o h z - i mh z ;测温度 时， 范围扩展到一 6 0 -2 0 0 c ; 也可测量电容及电感; 还可进行电平( 分 贝值)测量和实现自动量程切换;有极性显示及输入过载保护等 自动 化功能;可对测量结果做简单的误差计算。有的万用表还可在数字显 示器下面外加光条显示器，以提高对被测信号波动变化倾向的判断能 力。如今又有了示波表，可以在万用表中进行数据运算并显示曲线及 有关参数，具有示波器的功能。 到” 0 年 代 初 期 ， 高 性 能 的 数 字 万 用 表 读 数 己 达 7 万 一 ” 万 位 ， 其 分辨率， 直流 电压可达 0 . 0 1 v， 交流电压可达 0 . 1 vo 2 4小时准确度， 直流电压可达 1 2 p p m ( p p m为百万分之一) ， 交流电压可达1 o 0 1 % ( 真有效值响应) 。频率覆盖可从音频 ( 2 0 k h z )甚至低频 ( i h z ) ,波 形因数( 峰值/ 有效值) 可达 5 : 1 。 其数据处理功能一般包括百分误差、 绝对误差、最大值及最小值、峰一 峰值、平均值、有效值、方差及标 准差等。 有的仪器可以在数日内进行采样时间间隔可调的自动跟踪测 量及自动存数等。在内置微计算机的作用下，高性能数字万用表还采 用了不开盖式的自动校准技术 ( c l o s e d - c a s e a u t o c a l ) ，使仪器的准确 度及稳定度进一步提高。与之相适应， 8 0年代初期出现了可携式精密 数字万用表、可程控校准仪。它允许在一般的实验室环境下实现对 6 万 - 8 万数 字 多 用 万 用 表 进 行 不 开 盖 的 可 程 控 的 自 动 化 数 字 校 准 。 这种校准仪不仅工作简便、速度快，而且可以在较高温度范围内 ( 如 1 2 3 3 0 c ) 工作。 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，可以说己经取得了了不起的成绩。 在磁测量仪器方面， 采用微机的精密测磁装置己经可以实现对磁 西南交通大学硕士研究生学位论文第 3页 性材料的智能化测量。这种装置为一机多用，可实现对硬磁、软磁及 交流磁性的测量， 在一个装置上可以满足大多数磁性参数及品种的要 求。装置采用积木式结构以适应不同用户的要求。由于很好地发挥了 微机的软件处理及控制功能，并利用了外存储及外设的能力，因而此 新型的测磁装置测量准确度高、数据处理能力强、量限宽、自动化程 度高、操作简便、可自动绘图及打印测试结果。以上这些智能化作用 克服了磁测量中的大量手工操作，不仅提高了效率，而且使测试结果 摆脱了人为的主观因素，重复性好、可靠性高。 智能仪器除了在传统仪器的改进方面取得了巨大的成就而外， 还 开辟 了许多新的应用领域，出现 了许多新型的仪器 。8 0年代 以来 ，机 械制造业 ( 汽车制造、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)的高速发展，使 c a m ( c o m p u t e r a i d e d m a n u f a c t u r i n g ，计算机辅助制造) 达到很高水品，它对人类生产力的 提高起着巨大的推动作用。为了对 c a m 的工作质量进行及时监督， 使成品或半成品的质量得到保证， 要求实现对整个加工工艺过程中各 重要环节或工位的在线检测。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 r a i d e d t 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 d c i r c u i t b o a r d ) ，因而出现了各种 p c b c a t设备 ( p c b t ) 。如 果没有高速、高效能的 p c b t ，就不能实现对空 p c b 或已装元件的 p c b进行逐项检验及质量简单度， 不能实现电子设备生产上的高速及 高质量的 c a m. 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，随之而来的是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 仅耗费时间，而且对大量 、多品种 、更新很快的产品，这样做也是不 大可 能的 。为 了解 决此类 问题 ，出现 了一种 新 型仪器 故障诊 断仪 西南交通大学硕士研究生学位论文第 4页 ( 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。它一般是通过特定的 ( 如与被 检验系统的 c p u 相一致的)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质及范围，有时还 可精确地定位到故障元件。 由于微计算机的内存容量的不断增加，工作速度的不断提高，因 而使其数据处理的能力有了极大的改善， 这样就可把动态信号分析技 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测试诊断专家 系统，其社会效益及经济效益都是十分巨大的。 近 2 0年来，智能仪器与微计算机取得了令人瞩目的进展，就其 技术背景而言， 硬件的不断发展及创新不能不说是一个非常重要的因 素。就仪器仪表的发展看，以下几类硬件的发展尤其重要。 1 .计算机芯片 微计算机芯片 ( 单片机)为智能仪器的核心，它的选择将决定仪 器的总体结构。所谓单片机一般是指在一块硅片上集成了中央处理 器，存储器，多种输入/ 输出接口 ( 定时器，计数器，并行口，转换 器及脉冲调制器)等。这样一块芯片具有一台计算机的功能，因而称 之为单片微计算机.由于单片机的硬件结构与指令系统的功能都是按 工业控制要求而设计并常用于工业检测及控制，因而也称之为微控制 器 ( mi c r o - c o n t r o l l o r ) o 自 1 9 7 4 年美国仙童( f a i r c h i l d ) 公司推出第一台 8 位单片机( 17 8 ) 以来，它们在工业控制，科学研究，军工企业，家用电器等方面得到 了广泛的应用，从而推动了单片机的迅猛发展。曾经历过 1位机，4 位机，8位机，1 6位机，3 2位机等的发展过程。但经过多年的市场竞 西南交通大学硕士研究生学位论文第 5页 争及筛选，如今我国在上述领域中应用最多的是美国 i n t e l公司的 8 位 mc s - 5 1 系列单片机。mc s - 5 1 系列单片机有三种基本型号:8 0 3 1 8 0 5 1 ， 及 8 7 5 1 。 它们的管脚及指令系统完全兼容， 只是在结构及特性 方面有一些差异。其中 8 0 3 1 是目前应用最多的。 8 0 3 1内含一个 8位的 c p u, 1 2 8 个字节的 r a m 2 . d s p( 数字信号处理器)芯片 数字信号在进行信号处理中常要进行一些如数字滤波、f f t 、相 关、卷积等复杂的运算，其共同的特点为它们都是由迭代式的乘加运 算组成。如果用微机的软件来完成，则运算时间较长。如今 v l s i 已 可制成 d s p芯片专门从事这些运算。 在我国已广泛采用美国 t i ( t e x a s i n s t r u me n t )仪器公司生产的 t ms 3 2 0系列 d s p ( n mo s或 c mo s器 件) 。 它由乘法器、3 2 位累加器及 3 2 位算术逻辑单元等组成， 钟频在 5 mh z以上，做一次 1 6 位乘法仅需 2 0 0 n s . 3 . a s i c( 专用集成电路)芯片 长期以来 i c芯片都是通用的，如微机芯片、各种存储器、各种 逻辑单元、各种 d / a转换器及 a / d转换器等。用户只能根据手头拥 有的芯片的功能去设计 自己的产品。这是由于生产水平所决定的，因 为只有大量生产的芯片，其成本才可以降低，才会有好的经济效益。 而由用户定制的 a s i c ，则由于成本太高而很难得到推广。近年来， 由于 l s 1生产工艺的成熟，c a d技术的进步，加之许多业已成熟的 i c芯片如微机芯片，存储器、d / a转换器等都可能用来充当 a s i c的 基础， 使 a s i c的经济效益日益提高，因此 a s i c在 v l s i 市场上的竞 争己日趋激烈。有人预计今后将是 a s i c的年代，i c市场将在很大程 度上属于那些能够廉价而且迅速为用户提供定制 a s i c的公司。这种 局面一旦形成 ，将使电子产品 ( 包括智能仪器 )的结构更加紧凑，性 能更加 良好 ，保 密性更强。 西南文通大学硕士研究生学位论文第 6页 综上所述， 几十年来智能仪器虽然有了很大的发展， 但总的看来， 人们最初还是较习惯于从硬件的角度做工作， 这是由于一些设计者的 ( 硬件)技术背景，以及 l s i 器件不断迅速更新等因素造成的。但到 了 9 0年代以后，情况就有了很大的变化。从智能仪器的内涵上看， 软件所发挥的作用将越来越大，这里有许多的领域等待着去开发。这 在下面有关虚拟仪器的介绍中就可看出。 1 . 2智能仪器的特点 一个内藏微计算机的智能仪器意味着计算机技术与测量仪器的 结合，它所具有的软件功能已使仪器呈现出某种智能的作用。它相对 于过去传统的、纯硬件的仪器来说是一种新的突破，其发展潜力十分 巨大，这己为多年来智能仪器的历史所证实。概括起来，智能仪器具 有以下特点: 1 . 测f过程的软件控制 测量过程的软件控制源起于数字化仪器测量过程的时序控制。 6 0 年代末，数字化仪器的自动化程度己经很高，如可实现自稳零放大、 自动极性判断、自动量程切换、自动报警、过载保护、非线性补偿、 多功能测试、数百点巡回检测等。但随着上述功能的增加，使其硬件 结构越来越复杂，而导致体积及体重增大、成本上升、可靠性降低， 给其进一步的发展造成很大困难。但当引入微计算机技术，使测量过 程改用软件控制之后，上述困难即得到很好的解决。它不仅简化了硬 件结构、缩小了体积及功耗、提高了可靠性、增加了灵活性，而且使 仪器的自动化程度更高，如实现简单人机对话、自检、自诊、自校准 以及 c r t显示及输出打印和制图等。这就是人们常说的 “ 以软 ( 件) 代硬 ( 件 ) ”的效果。 在进行软件控制时，仪器在 c p u 的指挥下 ，按照软件流程不断 取指 ( 令 ) 、寻 ( 地 )址 ，进行各种转换、逻辑判断，驱动某一执行 西南交通大学硕士研究生学位论文第 7页 元件完成某一动作，使仪器的工作按一定的顺序进行下去。在这里， 基本操作为以软件形式完成的逻辑转换， 它与硬件的工作方式有很大 的区别。操作中的每个步骤往往由若干指令组成，每条指令都需要有 一定的执行时间， 尽管很短 ， 但较之硬件就慢的多。 如对一个数求反， 在组合逻辑上转换的时间就极短，可认为是瞬间完成的，而在软件操 作上，它就需经从存储器中取数，求反并送回存储器等几个步骤，其 执行时间一般都是微妙级的。这一特点，使它在一些要求速度很高的 地方，如实时处理或实时控制等方面的应用受到一定的限制。 2 .数据处理 对测量数据进行存储及运算的数据处理功能是智能仪器最突出 的特点， 它主要表现在改善测量的精确度及对测量结果的再加工两个 方面 。 在提高测量精确度方面， 大量的工作是对随机误差及系统误差进 行处理。过去传统的方法是用手工的方法对测量结果进行事后处理， 不仅工作量大，效率低，而且往往会受到一些主观因素的影响，使处 理的结果不理想。在智能仪器中采用软件对测量结果进行及时的、在 线的处理可收到很好的效果，不仅方便、快速，而且可以避免主观因 素的影响，使测量的精确度及处理结果的质量都大为提高。由于可以 实现各种算法，不仅可实现各种误差的计算与补偿，而且使在线测量 仪器中常遇到的诸如非线性校准等问题也易于解决。 对测量结果的再加工，可使智能仪器提供更多高质量的信息量。 例如，一些信号分析仪器在微计算机的控制下，不仅可以实时采集信 号的实际波形，在 c r t上复线，并可在时间轴上进行展开或压缩， 还可对所采集的样本进行数字滤波，将淹没于千扰中的信号提取出 来;也可对样本进行时域的 ( 如相关分析、卷积、反卷积、传递函数 等 )或频域 的 ( 如幅值谱 、相位谱 、功率谱等 )分析。这样就可 以从 西南交通大学硕士研究生学位论文第 8页 原有的测量结果中提取更多的信息量。这类智能仪器在生物医疗、语 音分析、模式识别和故障诊断等各个方面都有广泛的应用。 3 . 多功能化 智能仪器的测量过程、 软件控制及数据处理功能使一机多用的多 功能化易于实现。例如，用于电力系统电能管理的一种智能化电力需 求分析仪可以测量单相或三相电源的有功功率、 无功功率、 视在功率、 电能、频率、各相电压、电流、功率因素等，还可测量出电能利用的 峰值、峰时、谷值、谷时等，可以预置用电量需求计划、自备时钟及 日历，具有 自动记录、打印、报警及控制等许多功能。这样多的功能 如果不用微机控制，在一台仪器中是难以实现的。 4 . 灵活性强 以软件为主体的智能仪器不仅在使用方便、 功能多样化等方面呈 现出很大的灵活性，而且在仪器的性能方面，由于其控制软件或运算 软件易于修改，也是易于改变的。它不象传统的硬件仪器那样，每次 功能或性能指标的改变都要牵扯到结构、 元器件及重新调试方面的改 变，是较为困难的。与纯硬件仪器相比，智能仪器的生产性及复制性 均较好 。 1 . 3智能仪器的基本结构 从智能仪器发展的状况来看，其结构可有两种基本类型，即微机 内置式及微机扩展式p , j a 1 . 微机内里式 微机内置式为将单片或多片的微机芯片与仪器有机的结合在一 起形成的单机。微机在其中起控制及数据处理作用，其特点主要是专 用或多功能:小型化、便携或手持式千电池供电;易于密封，适应恶 劣环境 ，成本较低 。目前在工业控制、科学研究、军工企业、家用 电 一. 一一 寸 西南交通大学硕士研究生学位论文第 9页 器等方面广为应用。图 1 - 1 为其结构图。 ( 电最 ( 非电盈) 图 1 - 1 智能仪器的结构图 c p u为仪器的核心， 它通过总线及接口电路与输入通道、 输出通 道、仪器面板及仪器内存相连。 e p r o m及 r a m组成的仪器内存可保 存仪器所用的监控程序、应用程序及数据区。中断申请可使仪器能够 灵活反应外部事件。仪器的输入信号要经过输入通道 ( 预处理部分) 才可以进入微机。输入通道包括输入放大器、抗混叠滤波器、多路转 换器、采样/ 保持器、a / d转换器、三态缓冲器等各部分。输入通道往 往是决定仪器测量准确度的关键部位。在仪器的输出部分，如果要求 模拟输出，则需经过输出通道，它包括 d / a转换器、多路分配器、采 样/ 保持器、低通滤波器等部分。仪器的数字输出可与 c r t屏幕显示 器相接，也可与磁盘、光盘、x - y绘图仪或打印机相接，以获得硬拷 贝。外部通信接口沟通本仪器与外系统的联系。 2 . 微机扩展式 微机扩展式为以个人计算机( p c) 为核心的应用扩展型测量仪器。 由于 p c的应用 已十分普遍， 其价格不断下降，因此从 8 0年代起就开 始有人给 p c机配上不同的模拟通道， 让它能够符合测量仪器的要求， 并把它取名为个人计算机仪器 ( p c i ) . p c i 的优点为使用灵活、应用 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 0页 范围广泛，可以方便地利用 p c己有的磁盘、打印机及绘图仪等获取 硬拷贝。更重要的是 p c的数据处理功能强，内存容量远大于内置式 微机仪器，因而 p c i 可以用于复杂的、高性能的信息处理。此外，还 可以利用 p c机本身己有的各种软件包，获得很大的方便。如果将仪 器的面板及各种操作按钮的图形生成在 c r t上就可得到 “ 软面板” 。 在软面板上就可以用鼠标或触摸屏操作 p c i 了。图 1 - 2所示为个人计 算机仪器的结构图。 图 1 - 2 个人计算机仪器 ( p c i )的结构图 与 p c i 相配的模拟通道有两种类型。 一种是插件式， 即将所配用 的模拟量输入通道以印刷板的插板形式直接插入 p c机箱的空槽中， 此法最方便。但空槽有限，很难有大的作为，因而发展了插件箱式。 此方法为了将各种功能插件集中在一个专用的机箱中， 机箱备有专用 的电源，必要时也可有自己的微机控制器，这种结构适用于多通道、 高速数据采集或一些特殊要求的仪器。有人设想，随着硬件的完善， 标准化插件不断增多，如果能够实现硬件的模块 ( 积木)化组合，则 组成 p c i 的硬件工作量有可能减小，从虚拟仪器的角度来看，不同的 测量仪器，其区别将只在于应用软件的不同。 1 . 4电雷管引线简介 雷管是一种爆炸装置， 在隧道施工、定向爆破等工程施工中离不 开雷管。最早的雷管引线是由可燃性物质组成，明火点燃使其爆炸， 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 1页 通常无法精确控制其爆炸时间。为了保证人员安全，通常引线都预留 很长，使点火人员有充足的时间远离现场。这样的引爆方式早己不再 适合现代生产方式， 而需要一种能够实现精确控制爆炸时间的引爆方 式。于是，出现 了电雷管引线 。 电雷管前端引线由一段电阻丝构成，电阻丝上包有引燃性物质。 为了严格控制雷管的爆炸时间，为了人员的安全，电雷管的打火装置 采用电流打火的方式。即给电雷管的引线电阻通一适当的电流，利用 电流定律: q = i z r t 使 电雷管引线 电阻发热，当热量达到引线上可燃性物质的燃点时，可 燃性物质燃烧，再由此引爆雷管。在实际的电雷管引爆装置中，都是 给引线通以固定的电流，在预定的时间内，引线就会着火。由电流定 律公式可见， 在电流 i 值一定，时间 t 一定的情况下，r值也应该是 一确定的值。在实践中，对引线电阻r有严格的要求，即: r = 4 . 0 0 一6 . 0 0( 欧 ) 。 电雷管属于国家管制易爆性危险物品， 在生产电雷管及其附件过 程中，必须严格控制其流失。因此要求在测量引线电阻时，对其测量 合格产品严格计数，计数值达到一定数额后，再将引线打包。 1 . 5计数式电雷管电阻分选仪开发目的 在电雷管引线的生产过程中，必须严格控制引线电阻大小，只有 在 4 . 0 0 -6 . 0 0( 欧)范围以内的引线才是合格的产品，否则视为废品 处理。目前，测定电阻的方法很多，如万用表，欧姆表等，但它们在 便捷性、快速性等方面都不适合于电雷管生产现场的需要，而且，这 些测量电阻的方法都无法实现对测量次数的计数。 计数式电雷管电阻分选仪的开发是由宜宾 6 7 3厂提出的。 它的提 出是在原有的电雷管电阻分选仪的功能基础之上，提出新的功能要 求，而原有的仪器已无法满足这些要求，必须重新设计。原电雷管电 阻分选仪的功能非常简单， 它只需判断出电雷管引线的阻值大小是否 在规定的范围之 内，若合格，则蜂鸣，同时 l e d 指示灯亮 :若不合 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 2页 格，则给出阻值过大或过小的 l e d 指示。除此之外，无其它功能， 如无法显示电阻值的大小，无法对电雷管引线计数。 为此，6 7 3 厂提出重新设计计数式电雷管引线电阻电子测定仪， 要求能够显示电阻值大小，同时能对测量次数计数显示，并附带有蜂 鸣和 l e d指示，专用于电雷管引线电阻的测定。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 1 3页 第 2 章 方案选型 计数式电雷管电阻分选仪的开发是由宜宾 6 7 3 厂提出的。 它的提 出是在 原有 的电雷管 电阻分选仪 的功能基础之上 ，提 出新的功能要 求。下面简单介绍一下原电雷管电阻分选仪的工作原理。 2 . 1原电雷管电阻分选仪原理 原电雷管电阻分选仪面板结构如图2 - 1 所示，其功能比较简单。 图 2 - 1中，上限和下限处是两个精密可调电阻器。通过调节这两个电 阻的大小，可以将被测定的电阻值限定在此范围内。因电雷管引线电 阻合格值为 4 6欧，所以此处下限标定为 4欧，上限标定为 6欧。 口 欠压00 ,yg rf7d o械 o嫩 蜂 ” 器0 下限测量头 o o 图 2 - 1 原电雷管电阻分选仪面板结构 测量引线电阻时，首先将引线两端分别放到测量头上，此时，若 引线电阻值在下限上限值之间， 则合格一 绿色 l e d灯亮指示， 同时， 蜂鸣器短促鸣响一次;若引线电阻值小于下限值，则小一 红色 l e d灯 亮指示;若引线电阻值大于上限值，则大一 红色 l e d灯亮指示。 原电雷管电阻分选仪电源采用十 6 v干电池供电，当电池供电能力 不足时，面板上有欠压指示 ( 黄色l e d灯亮) 。 因为原电雷管电阻分选仪功能比较单一，因此，其硬件设计也相 应的比较简单。该仪器使用的集成块主要有三个:两个电压比较器 ( l m4 9 3 )和一个四 2输入与门 ( c d 4 0 8 1 ) 。其工作原理为: 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 4页 首先，将被测电阻值转换为相应的电压值，其次，将该电压值分 别与下限和上限标定的电压值相比较 ( 由电压比较器实现) ，最后， 通过一定的组合逻辑关系 ( 由与门实现)驱动 l e d指示灯及蜂鸣器。 2 . 2电雷管电阻分选仪的新功能要求 由以上的分析可知， 原电雷管电阻分选仪只能指示出引线电阻是 否合格，而不能进一步的显示出引线电阻值的大小，也不能对测量次 数计数显示。 6 7 3厂提 出的电雷管电阻分选仪的新设计要求如下: ( 1 )产品采用数字电路，带有语音提示;带有数码显示计数功 能;带有数码显示电阻值功能，阻值显示精度达到 0 . 0 1 欧，显示数据 速度小于 0 . 5 秒/ 发。 ( 2 ) 计数数目到达设定数时由音乐提示， 计数设定值在 5 0 到 1 0 0 之 间可调 。 ( 3 )数据显示及采样准确，迅速，产品质量可靠，达到要求。 分析其功能要求， 并尽量保持新设计的计数式电雷管电阻分选仪 的外观结构与原仪器一致，新电雷管电阻分选仪的面板结构如图 2 - 2 所 示 。 口 口口 阻值显示 。0肤 袋 、夕定 程c厂j标 超 o卜 o胭 图2 - 2 新电雷管电阻分选仪面板结构 在电雷管引线的测量过程中，将引线两端分别置于两侧量头上， 此时，电阻值大小在面板上方显示，如果引线电阻值在 4 . 0 0 - 6 . 0 0 欧 之间，则蜂鸣器响，同时，计数器加 1 并显示数据;如果引线电阻值 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 5页 超 出范围 值不变 ， 电阻值仍然显示，但超量程 l e d 指示灯亮，计数器显示 且蜂鸣器不响。 当计数值达到预定的数值时， 蜂鸣器响， 此时按下面板上复位键， 则显示全部清零，回到初始状态，等待下一轮的测量。如果在测量过 程中出现意外错误，例如，显示数据不对，或者仪器出现不工作的情 况，也可按下复位键清除，并从头开始 。 为了防止 同一引线测量多次的情况 ，面板中设置了减 1 键 ，每按 一次，计数值显示减 1 。除此之外，还有一个标定电阻，用于在测量 开始时，标定仪器用。 2 . 3方案选型 对于计数式电雷管电阻分选仪的硬件电路设计，因为其功能要求 并不复杂，实现的方法很多，既可以用单片机实现，也可以不用单片 机实现。考虑到用单片机设计硬件电路较简单，而且软件编写方便， 易于扩充功能。所以，计数式电雷管电阻分选仪采用 mc s - 5 1 单片机 系列的 8 9 c 5 1实现。 在计数式电雷管电阻分选仪硬件电路确定采用单片机以后， 还需 考虑以下几个问题:( 一) 、 引线电阻测量方法的选择问题;( 二) . a / d 转换器的选择问题;( 三) 、运算放大电路元器件的选择问题;( 四) 、 显示方法以及显示元器件的选择问题。以下就上面提到的四点问题详 细阐述 。 2 . 3 . 1 电阻的铡a方法 3 1 电阻的测量方法很多，例如 : 1 .采用电流表一 电压表侧f方法 它是一种间接的测量方法， 通过测量流过电路的电流和电路两端 的电压， 并按欧姆定律来计算电阻。 所用的电路示于图2 - 3 ( a ) 和( b ) . 在图 2 - 3中，两种测量方式都存在方法误差，( a )中电压表所测电压 实际上是被测电阻和电流表上电压之和，而 ( b )中电流表所测电流 实际上是被测电阻和电压表通过电流之和。因电雷管引线电阻只有 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 6页 4 . 0 0 -6 . 0 0欧，是小电阻值，对于精确测定引线电阻值，以上方法无 图 2 - 3 电流表一 电压表法测量电阻 法达到 。 2 .采用欧姆表测量 图2 - 4 示出基本的串联欧姆表的电路。欧姆表属于磁电式仪表， 基本原理为:电路中串入不同的被测电阻 r x ，对应的电流值不同 电流值的不同导致指针在磁场中的偏转位置 仪表动作机构卜 - e r2 r m p i p 2 r x 图2 - 4 串联欧姆表 不同，再由此来标定电磁式指针面板，从而读出相应的电阻值。除串 联欧姆表外，还有并联欧姆表，其工作原理基本相同。 欧姆表刻度盘的分度是不均匀的，其电阻值的读取是不精确的。 3 .电桥测量方法 惠斯登电桥法电路原理如图 2 - 5所示。基本原理如下述:如果电 桥不平衡，则将有电流流过检流计 g。另一方面，如果电桥平衡，则 电压 v . b 将等于零，而无电流流过检流计。 一般的电桥方程为: zi z 4 0 z2 z3 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 7页 图2 - 5 惠斯登电桥 如果仅用电阻器来构成电桥，此方程还是适用的。假如采取三个 已知的电阻，那么通过求未知的第四个电桥臂可以得到未知电阻的 值。要使方程成立，电桥必须平衡，就要调整 r 2 ，使检流计没有电流 流过。当无电流时，电桥是平衡的，故可应用下列方程: r x r 4 = r 2 r 3 解 r x ， 得到 因而已知比率 r 3 / r 4 和 r 2 ，就可以计算出 r x ，利用一般的惠斯通电 桥可从刻度盘上正确的读出电阻值。除惠斯登电桥以外，还可使用开 尔文电桥法测量电阻，此方法在测量低电阻时比惠斯登电桥法更精 确 。 以上三种方法属于模拟式测电阻法，他们都存在共同的问题，如 测量不精确，显示数据不直观，读数不准确等，不适合精度较高的小 电阻测量。 4 . 数字仪表测f电阻 ( 1 )恒流法侧f电阻。早期的数字仪表采用恒流法测量电阻， ( a ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 8页 图2 - 6 恒流法( 2 - v转换电路 通过恒流源和精密运算放大器实现电阻/ 电压 ( 0 / v)转换。测量有 恒流流过的待测电阻两端的压降，便可求出待测电阻的阻值。图 2 - 6 ( a ) , ( b ) , ( c )中示出了三种恒流法电阻一电压转换电路。图 ( a ) 为利用运算放大器实现 。-v 转换的基本电路;图 ( b )是数字万用 表中常用的恒流电路;图 ( c )为带基准电压放大器的恒流电路。用 恒流法的 q-v转换器的误差，取决于 i s 的准确度，即取决于 e r , r s , r , , r : 或 r : 的精度。其次，运算放大器的偏移和漂移也会引起 i s 的变化。 ( 2 ) e 匕 例法测量电阻m 比例法是测量电阻的一种新方法，对某些单片 a / d转换器而言， 很容易将被测电阻 r x 值转换成输入电压 v i n ，实现。 / v转换。比例 法的优点是电路简单、测量准确度高，成本低。它不必使用精密恒流 源和运算放大器， 能充分发挥单片 a / d转换器本身的优良特性。 此外， 可降低对基准电压源的要求， 即使基准电压存在一定偏差或在测量过 程中略有波动，也不会增加测量误差。其原理如图2 - 7 所示。 图 2 - 7 比例法测量电阻 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 1 9页 图 2 - 7中，i c l 7 1 0 6是美国英特西尔 ( i n t e r s i l )公司单片 a / d产 品，常用来制作数字万用表。其原理如下:被测电阻 r 、与标准电阻 r 。 串联后接在 i c l 7 1 0 6 的v + 与c o m端之间， v + 与v r e f + + v r e f _ 与i n 十 、 i n 一 与 c o m两两接通。测试电压取 自i c l 7 1 0 6内部的 2 . 8 v基准电压 源 e o 。以下关系式成立， v in= v r ,. _ i r , = r x v r e f 叹i r凡 根据 i c l 7 1 0 6 的t 匕 例读数特性，当r x = r，即v i n = v r e f 时， 仪表显示 值 n应等于 1 0 0 0 。所以有下式: n= 1 0 0 0 x v i n / vr e f = 1 0 0 0 x r x / r 这表明显示值仅取决于 r 、 与 r 。 的比值，故称之为比例法。 综合上述各种测量电阻的方法， 数字式电阻测量方法明显的优于 模拟式测量方法，在数字式测量中，虽然比例法测量电路简单，成本 低，但其相关的 a / d转换器难于和单片机接口，不利于功能扩充，所 以，在计数式 电雷管 电阻分选仪中，测量电阻的方法采用恒流源的方 法。恒流源芯片采用恒流二极管，硬件电路也较简单。 在测量低阻时，必须消除导线电阻引起 的测量误差。由于导线 电 阻的存在 ，会使低 电阻的测量误差显著增大，甚至导致测量失败 。例 如，当被测电阻 r x = 5 . 0 0 0时，0 . 2 0的引线电阻可产生+ 4 %的测量误 差。采用 四端 电阻接法可提高测量精度 ，如图 2 - 8 所示。 仪器 rr i vll 1r vt 图 2 - 8 测阻电路的四端接法 2 . 3 . 2 a / d转换器的选择 在单片机的实时测控和智能化仪表等应用系统中，常需将检测到 西南交通大学硕士研究生学位论文第 2 0页 的连续变化的模拟量如温度、压力、流量、速度等转换成离散的数字 量，才能输入到单片微机 中进行处理。实现模拟量变换成数字量的设 备称为模数转换器 ( a / d c ) ，简称 a / d o 随着超大规模集成电路技术的飞速发展和电子计算机技术在工 程领域的广泛应用，a / d转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。 为满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同、性能各异 的 a / d转换电路应运而生。 a / d转换电路和电子计算机一样，也经历 了电子管一晶体管一中小规模和大规模集成电路三个阶段。 形成了组 件型、混合集成型、单片集成型等几种器件结构。目前，单片集成型 a / d转换器正被广泛应用。 1 . a / d转换器的分类【， 】 a / d转换器的分类如图 2 - 9所示。根据 a / d转换器的原理可将 a / d转换器分成大两类。一类是直接型 a / d转换器，另一类是间接型 a / d转换器。 在直接型a / d转换器中， 输入的模拟电压被直接转换成 数字代码，不经任何中间变量;在间接型 a / d转换器中，首先把输入 的模拟电压转换成某种中间变量 ( 时间、频率、脉冲宽度等等) ，然 后再把这个 中间变量转换为数字代码输出。 电荷再分配型a n转换器 反馈比较型 a。转换 直接一 间接a。转换 非反馈比较型 f 7r i 3e a /d #$ t$ir lt 1ik a /d 1 t按照转换速度可以 分为超高速 ( 转换时间簇l n s ) ,高速 ( 转换时间-1 1a s ) 、中速 ( 转 换时间(l ms ) 、低速 ( 转换时间-1 s )等几种不同转换速度的芯片。 尽管 a / d转换器的种类很多， 但 目前应用较广泛的主要有三种类 型。