PVC管材性能检测系统设计说明书

- 1 -前言1 选题背景和意义目 前 中 国 塑 料 管 道 生 产 能 力 达 300 万 吨 ， 主 要 有 PVC、 PE 和 PP R 管 道 三大 类 ， 其 中 PVC 管 道 是 市 场 份 额 最 大 的 塑 料 管 道 ， 占 塑 料 管 道 近 70%的 份 额 。PVC 管 材 生 产 线 1600 余 条 。 年 生 产 能 力 250 万 吨 以 上 ， 2003 年 PVC 管 道 （ 管件 ） 年 产 量 达 120 多 万 吨 。 在 塑 料 管 道 中 ， PVC 的 份 额 为 70%， PE 占 25%， PP R 占 4%， 其 它 占 1%。 虽 然 PVC 管 道 的 快 速 发 展 吸 引 众 多 企 业 进 入 这 个 行 业 投 资 ， 但 在 国 内 生 产 众多 厂 家 （ 2000 多 家 ） 众 ， 年 产 能 力 在 1 万 吨 的 仅 有 70 多 家 ， 年 产 3 万 吨 以 上的 企 业 为 20 多 家 并 拥 有 行 业 60%的 产 量 。 整 体 而 言 ， 国 内 小 口 径 、 低 附 加 值 的 管 道 企 业 多 ， 大 口 径 、 高 技 术 含 量 的 企业 少 。 国 内 部 分 生 产 厂 家 的 产 能 分 别 是 ： 华 亚 塑 胶 ： 10 万 吨 、 河 北 宝 硕 ： 8 万吨 、 国 风 集 团 ： 8 万 吨 、 中 材 管 道 ： 6.5 万 吨 、 浙 江 永 高 ： 4.5 万 吨 、 福 建 亚 通 ：4 万 吨 、 湖 北 凯 乐 ： 4 万 吨 、 广 东 顾 地 ： 3 万 吨 、 沈 阳 久 利 ： 3 万 吨 。1998 2003 年 PVC 管 道 的 产 量 。 PVC 管 材 的 迅 速 发 展 来 自 于 诸 多 因 素 的 推 动 。 在 全 国 新 建 、 改 建 、 扩 建 工 程中 ， 建 筑 排 水 管 道 70 采 用 塑 料 管 ， 建 筑 雨 水 排 水 管 道 50 采 用 塑 料 管 ， 城 市排 水 管 道 20%采 用 塑 料 管 ， 建 筑 给 水 、 热 水 供 应 和 供 暖 管 道 60%采 用 塑 料 管 ； 城市 供 水 管 道 （ DN400 以 下 ） 50%采 用 塑 料 管 ， 村 镇 供 水 管 道 60%采 用 塑 料 管 ； 城 市 燃 起 管 道 (中 低 压 管 )50%采 用 塑 料 管 ， 建 筑 电 线 穿 线 护 套 管 80%采 用 塑 料 管 。重 大 工 程 的 投 资 又 将 有 力 拉 动 对 PVC 管 道 的 需 求 。 如 “南 水 北 调 ”、 西 部 打 开发 振 兴 东 北 老 工 业 基 地 。虽 然 PVC 管 道 的 快 速 发 展 吸 引 众 多 企 业 进 入 这 个 行 业 投 资 ， 但 在 国 内 生 产 众多 厂 家 （ 2000 多 家 ） 众 ， 年 产 能 力 在 1 万 吨 的 仅 有 70 多 家 。 因 此 市 场 上 的 产品 性 能 有 着 很 大 的 差 别 。以前的手动施压不够直观，误差大，而且效率低。所以为了减小误差，提高检测效率，规 范 市 场 提 高 产 品 质 量 PVC 管材性能的检测尤为重要。2 方案论证机 械 部 分 采 用 单 立 柱 结 构 ， 结 构 简 单 易 于 加 工 。 执 行 原 件 选 用 用 直 流 伺 服 电机 精 确 的 控制电机的 转 动 ， 从 而 实 现 精 确 的 定 位 。 伺 服 电 动 机 输 出 力 较 小 无 法 达到 5000N 的 试 验 力 ， 为 了 增 大 力 矩 实 现 5000N 试 验 力 ， 同 时 能 够 控制一定的速度选用直齿圆柱齿轮减速器对电动机输出的力进行增大并降低输出转速。在减速器- 2 -输出端连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的高 精 度 、 可 逆 性 和 高 效 率 特 点 既 保 证 了 将 电 机的 回 转 运 动 转 变 成 直 线 运 动 又 确 保 了 测 试 仪 器 的 精 密 性 。 在减速器和滚珠丝杠间用同步带传动，保证准确的传动比的同时减少震动和冲击载荷的影响。测 试 头 部分 选 用 优 质 合 金 钢 热 处 理 ， 以 减 少 探 头 的 变 形 对 实 验 数 据 的 影 响 ， 同 时 也 保 证 了测 试 头 的 耐 用 性 。 在 这 些 部 件 的 共 同 作 用 下 测 试 机 以 一 定 的 速 度 对管材施加一定的力，测试 PVC 管材的抗压性能。电气部分初步计划采用两路传感器器采集信号，一路检测力值由贴片式压力传感器采集受力大小转变成电信号，一路检测位移由光电编码器传递。传感器采集到数字信号，直接输入至 A/D 转换器，转换成数字信号后由单片机进行处理，换算成实际力值和位移值后在液晶显示器上实时显示出来。同时由 D/A 转换器直接输出电压值，给相应的伺服控制器去控制直流伺服电机，通过同步带带动丝杠传动，直接传递给中横梁进行上下移动，对管材施加压力。整个试验过程结束后，按标准计算公式计算出强度值，判断合格与否，以备查询和打印结果。- 3 -1 机械部分的设计1.1 电机的选择1.1.1、 选择电机应综合考虑的问题（1） 根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、正反转、调速等要求，选择电动机类型。（2） 负载转矩、速度变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力和启动转矩，选择电机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取 0.80.9。过大的备用功率会使电机效率降低，对于感应电动机，其功率因数将变坏，并使按电动机最大转矩校验的强度和生产的机械造价提高。（3） 根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃气体等考虑必要的保护方式，选择电动机的结构型式。（4） 根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求，确定电动机的电压等级和类型。（5） 根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。除此之外，选择电动机还必须符合节能要求，考虑运行可靠性、设备的供货情况、备品备件的通用性、安装检修的难易，以及产品价格、建设费用、运行和维修费用、生产过程中前后期电动机功率变化关系等各种因素。此试验机根据设计要求选用伺服电机，以下是选择过程。1.1.2 确定传动路线电机 横 梁丝 杠减 速 器同 步 带 1.1.3 各传动部分效率1同步带传动的效率，取 0.96；2减速器的传动效率，取 0.84；3丝杠传动的效率，取 0.6；4轴承（滚动轴承）的效率，取 0.98；1.1.4 选用电机最小功率计算- 4 -P= （W）567.298.0684.096.12534321 FvW1.1.5 电机选择根据最小功率选择 110SZ54 型三相混合式步进电机，其技术参数为：转矩：908Nm；转速：3000r/min；额定电压：220V；电流：2A；额定功率：308W ；1.1.6 确定传动比横梁最大移动速度 200/min，丝杠导程 L0=6mm，动力源采用步进电机。可计算出传动比 i906230Lvn传动比比较大，故采用减速器降速：。 减 速 器 的 传 动 比 为同 步 带 轮 ： 3054,18332 izi1.2 丝杠的设计计算初步确定实验仪器最大载荷为 5KN 最大传动速度为 200mm/ min，初选丝杠的最大直径 d=36mm，最小直径 d1=29mm，螺距 P=6mm。由于最大传动速度为 200mm/min，是低速传动，所以选定丝杠螺母副材料为中碳钢，牙型为等腰梯形，牙型角 =30。内外螺纹以锥面贴紧不易松动。与矩形螺纹相比，传动效率略低，但工艺性好，牙根强度高，对中性好。梯形螺纹是最常用的传动螺纹。查表 5-12 滑动螺旋副材料的许用压力p及摩擦系数 f 得，许用压力为7.5-13MPa 取p=13MPa 摩擦系数 f 为 0.11-0.17 取 f=0.17.1.2.1 丝杠耐磨性校核校核公式为：22phHdFPuAp式中 F丝杠的轴向力（单位为 N）;A丝杠工作面积（单位为 ） ；2md2丝杠螺纹中径（单位为 mm） ；h丝杠螺纹工作高度（单位为 mm） ，h=6mm；P丝杠螺纹螺距（单位为 mm） ，P=6mm ；- 5 -H丝杠螺母副高度（单位为 mm） ，H=80mm； MPapahdFPp 13603.83502 满足耐磨性条件。1.2.2 自锁性校核 5.640275.6230cos1.coscosartgdPrt artgfrtfrtv满足自锁性。1.2.3 丝杠螺纹的强度校核查表 5-13 得，滑动螺母副材料的许用应力=225Mpa.丝杠的强度计算公式为： 33222 Tca WAF式中：F丝杠所受的轴向压力（或拉力） ，单位为 N；A丝杠的危险截面面积； ，单位为 ；214d2mWT丝杠的抗扭截面系数， ，单位为 ；63T3d1丝杠小径，单位为 mm；T丝杠所受的最大扭矩， ，单位为 Nmm。2)(dFtgv2221519.604mdA3337.86WT mNtgdFtgv 815.6742)5.6(502)(3- 6 -MPaTcaWAF25703.933769.4815162222满足强度要求。1.2.4 丝杠螺母副纹牙的强度校核纹牙多发生剪切和挤压破坏，一般螺母材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹牙的强度，螺纹牙的危险截面在牙根部。螺纹牙的剪切强度校核公式为： DbuF螺纹牙的剪切强度校核公式为： 62bbl式中：b丝杠螺母副螺纹牙根部的厚度，单位为 mm，b=0.65P=3.9mm;l弯曲离臂，单位为 mm，l=(D-D2)/2;滑动丝杠螺母副的许用剪切应力,单位为 Mpa,查表 5-13 得，=0.6=135Mpa；滑动丝杠螺母副的许用弯曲应力，单位为 Mpa，查表 5-13 得，b=225Mpa。1.2.4.1 剪切强度校核 MPaDbuF1358.69.350满足剪切强度要求。1.2.4.2 弯曲强度校核aubl 2508.569.37150622 满足弯曲强度要求。1.2.5 键的选择选择圆头平键，即：键 5 x 22 GB 1096.1.2.5.1 平键联接强度校核计算- 7 -计算公式为：1023ppkldT式中：T传递的扭矩(T=F x y=F x d/2),单位为 Nmm；k键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，此处 h 为键的高度，单位为mm；l键的工作长度，单位为 mm，圆头平键 l=L-b=36-6=30mm，这里 L 为键的公称长度，单位为 mm,b 为键的宽度，单位为 mm；d轴的直径，单位为 mm；p键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用压力，单位为 Mpa.查表 6-2得， p=120Mpa。MPakldT12039.1023.9851023 满足键联接强度要求。1.2.6 轴承选择采用推力球轴承 36250 GB/T 292-84。1.2.7 丝杠螺母副的选择整体螺母结构简单，但由磨损而产生的轴向间隙不能补偿，只适合在精度要求较低的螺旋中使用。对于经常双向传动的传导螺旋，为了消除轴向间隙和补偿旋合螺纹的的磨损，避免反向传导时的空行程，常采用组合螺母或剖分螺母，本试验系统要求精度比较高，且需要双向传导，所以丝杠螺母副采用剖分螺母。以上所查表均查自机械设计课本。1.3 减速器的选择根据前面的计算知减速器的减速比为 i=30根据 TPn2由减速比可知输出转速为 r/min，有前面可知电机的最小功率为3.n62.567kw，经过同步带后的功率为： 064.9.56.2带P即输入减速器的功率为：- 8 -45.08.064.减P所以减速器输出转矩为：N/M2.32.nT选择减速器是转矩必须大于 0.024 综合经济性，并考虑安全性，选择 RV-40 减速器如下图：RV-40 减速器的参数1.4 同步带传动设计计算为防止发生皮带打滑现象，本试验仪器的带传动采用同步带传动。从动带轮转速：n 2=200/6 x 30=1000r/min,减速比 i=1/3；主动带轮转速： = n2 /i=1000x3=3000r/min,1电机转矩为：Tn=T x 1/30 x 1/3=16784.815 x 1/30 x 1/3=1830.942Nmm传递功率：P=Tn/9550=1830.942 x 3000 / 9550=578.192W1.4.1 设计功率Pc=KgP Kg工作情况系数，查机械设计手册第二版上册表 10-26 可得 KA=1.0Pc=1.0578.192=578.192(W)1.4.2 模数 m查机械设计手册第二版上册图 10-10，确定同步带轮的模数为 m=2。- 9 -1.4.3 同步带轮齿数 由前面的传动比计算已经确定 Z1 =18, Z2 =541.4.4 带轮节圆直径 d1=m Z1 =2 x 18=36mm，d 2 =mZ2 =2 x 54=108mm1.4.5 带速 smnv /85.10630611.4.6 初定中心距要满足 0.7(d1+d2) 2(d1+d2)0a0a0.7(d1+d2)=0.7(36+108)=100.8mm2(d1+d2)=2(36+108)=288mm初定 =190（mm）0a1.4.7 初定带的节线长度 Lo 及齿数Lo 02121042adda= 93683692=613.016mm由机械设计手册第二版第上册表 1024 选取 Lp=628.3mm Z b=1001.4.8 实际中心距中心距 可调整 mma 651.9720.613.819020 opLa1.4.9 小带轮啮合齿数907.18)65.97321()621( zadzn1.4.10 单位带宽的离心拉力，查机械设计手册第二版第上册表 1029 得，q=2.4kg/mm,2qvFc所以， mNc /74.85210.432- 10 -1.4.11 带宽 b)(CPizcFvK式中 KZ小带轮啮合齿数系数，取 KZ =1.00Ki传动比系数，查机械设计手册第二版第上册表 1028 得，K i=0.90；Fp单位宽度的许用拉力，查机械设计手册第二版第上册表 1029 得，Fp=20 x 10N/m。 mvPbCizc 4.39)10527.8102(85.90.19.7)( 3取 b=40mm1.4.12 作用在轴上的力 QQ=Pc/v=578.192/1.885=306.733N- 11 -二 电路部分设计2.1 单片机最小系统2.1.1 AT89C52 简介AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，AT89C52 单片机在电子行业中有着广泛的应用。2.1.1.1 主要功能特性（ 1） 、 兼 容 MCS51 指 令 系 统 （ 2） 、 8k 可 反 复 擦 写 (大 于 1000 次 ） Flash ROM； （ 3） 、 32 个 双 向 I/O 口 ； （ 4） 、 256x8bit 内 部 RAM； （ 5） 、 3 个 16 位 可 编 程 定 时 /计 数 器 中 断 ； （ 6） 、 时 钟 频 率 0-24MHz； （ 7） 、 2 个 串 行 中 断 ， 可 编 程 UART 串 行 通 道 ； （ 8） 、 2 个 外 部 中 断 源 ， 共 8 个 中 断 源 ； （ 9） 、 2 个 读 写 中 断 口 线 ， 3 级 加 密 位 ； （ 10） 、 低 功 耗 空 闲 和 掉 电 模 式 ， 软 件 设 置 睡 眠 和 唤 醒 功 能 ； （11） 、有 PDIP、PQFP、TQFP 及 PLCC 等几种封装形式，以适应不同产品的需求。 2.1.1.2 引 脚 功 能 及 管 脚 电 压AT89C52 为 8 位 通 用 微 处 理 器 ， 采 用 工 业 标 准 的 C51 内 核 ， 在 内 部 功 能 及管 脚 排 布 上 与 通 用 的 8xc52 相 同 ， 其 主 要 用 于 会 聚 调 整 时 的 功 能 控 制 。 功 能 包括 对 会 聚 主 IC 内 部 寄 存 器 、 数 据 RAM 及 外 部 接 口 等 功 能 部 件 的 初 始 化 ， 会 聚调 整 控 制 ， 会 聚 测 试 图 控 制 ， 红 外 遥 控 信 号 IR 的 接 收 解 码 及 与 主 板 CPU 通 信- 12 -等 。 主 要 管 脚 有 ： XTAL1（ 19 脚 ） 和 XTAL2（ 18 脚 ） 为 振 荡 器 输 入 输 出 端 口 ，外 接 12MHz 晶 振 。 RST/Vpd（ 9 脚 ） 为 复 位 输 入 端 口 ， 外 接 电 阻 电 容 组 成 的 复位 电 路 。 VCC（ 40 脚 ） 和 VSS（ 20 脚 ） 为 供 电 端 口 ， 分 别 接 +5V 电 源 的 正 负端 。 P0P3 为 可 编 程 通 用 I/O 脚 ， 其 功 能 用 途 由 软 件 定 义 ， 在 本 设 计 中 ， P0 端 口 （ 3239 脚 ） 被 定 义 为 N1 功 能 控 制 端 口 ， 分 别 与 N1 的 相 应 功 能 管 脚 相连 接 ， 13 脚 定 义 为 IR 输 入 端 ， 10 脚 和 11 脚 定 义 为 I2C 总 线 控 制 端 口 ， 分 别连 接 N1 的 SDAS（ 18 脚 ） 和 SCLS（ 19 脚 ） 端 口 ， 12 脚 、 27 脚 及 28 脚 定义 为 握 手 信 号 功 能 端 口 ， 连 接 主 板 CPU 的 相 应 功 能 端 ， 用 于 当 前 制 式 的 检 测 及会 聚 调 整 状 态 进 入 的 控 制 功 能 。AT89C52 引脚图2.1.1.2.1P0 口P0 口 是 一 组 8 位 漏 极 开 路 型 双 向 I/O 口 ， 也 即 地 址 /数 据 总 线 复 用 口 。作 为 输 出 口 用 时 ， 每 位 能 吸 收 电 流 的 方 式 驱 动 8 个 TTL 逻 辑 门 电 路 ， 对 端 口 P0 写 “1”时 ， 可 作 为 高 阻 抗 输 入端 用 。 在 访 问 外 部 数 据 存 储 器 或 程 序 存 储 器 时 ， 这 组 口 线 分 时 转 换 地 址 （ 低 8 位 ） 和 数 据 总 线 复 用 ， 在 访 问 期 间 激 活 内 部 上 拉 电 阻 。 在 Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 2.1.1.2.2 P1 口P1 是 一 个 带 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 ， P1 的 输 出 缓 冲 级 可 驱 动（ 吸 收 或 输 出 电 流 ） 4 个 TTL 逻 辑 门 电 路 。 对 端 口 写 “1”， 通 过 内 部 的 上 拉 电 阻 把 端 口 拉 到 高 电 平 ， 此 时 可 作输 入 口 。 作 输 入 口 使 用 时 ， 因 为 内 部 存 在 上 拉 电 阻 ， 某 个 引 脚 被 外 部 信 号 拉 低 时 会 输 出 一 个 电 流 (IIL)。 与 AT89C51 不 同 之 处 是 ， P1.0 和 P1.1 还 可 分 别 作 为 定 时 /计 数 器 2 的 外- 13 -部 计 数 输 入 （ P1.0/T2） 和 输 入 （ P1.1/T2EX） ， 表 1引 脚 号 功 能 特 性P1.0 T2， 时 钟 输 出P1.1 T2EX（ 定 时 /计 数 器 2）2.1.1.2.3 P2 口P2 是 一 个 带 有 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 ， P2 的 输 出 缓 冲 级 可 驱 动（ 吸 收 或 输 出 电 流 ） 4 个 TTL 逻 辑 门 电 路 。 对 端 口 P2 写 “1”， 通 过 内 部 的 上 拉 电 阻 把 端 口 拉 到 高 电 平 ， 此 时可 作 输 入 口 ， 作 输 入 口 使 用 时 ， 因 为 内 部 存 在 上 拉 电 阻 ， 某 个 引 脚 被 外 部 信 号 拉低 时 会 输 出 一 个 电 流 (IIL)。 在 访 问 外 部 程 序 存 储 器 或 16 位 地 址 的 外 部 数 据 存 储 器 （ 例 如 执 行 MOVX DPTR 指 令 ） 时 ， P2 口 送 出 高 8 位 地 址 数 据 。 在 访 问 8 位 地 址 的 外 部 数 据存 储 器 （ 如 执 行 MOVX RI 指 令 ） 时 ， P2 口 输 出 P2 锁 存 器 的 内 容 。 Flash 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和一些控制信号。 2.1.1.2.4 P3 口P3 口 是 一 组 带 有 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 。 P3 口 输 出 缓 冲 级 可 驱动 （ 吸 收 或 输 出 电 流 ） 4 个 TTL 逻 辑 门 电 路 。 对 P3 口 写 入 “1”时 ， 它 们 被 内 部 上 拉 电 阻 拉 高 并 可 作 为 输 入 端口 。 此 时 ， 被 外 部 拉 低 的 P3 口 将 用 上 拉 电 阻 输 出 电 流 （ IIL） 。 P3 口 除 了 作 为 一 般 的 I/O 口 线 外 ， 更 重 要 的 用 途 是 它 的 第 二 功 能 P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号 。 2.1.1.2.5 RST复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 2.1.1.2.6 ALE/PROG当 访 问 外 部 程 序 存 储 器 或 数 据 存 储 器 时 ， ALE（ 地 址 锁 存 允 许 ） 输 出 脉 冲用 于 锁 存 地 址 的 低 8 位 字 节 。 一 般 情 况 下 ， ALE 仍 以 时 钟 振 荡 频 率 的 1/6 输 出 固 定 的 脉 冲 信 号 ， 因此 它 可 对 外 输 出 时 钟 或 用 于 定 时 目 的 。 要 注 意 的 是 ： 每 当 访 问 外 部 数 据 存 储 器 时将 跳 过 一 个 ALE 脉 冲 。 对 Flash 存 储 器 编 程 期 间 ， 该 引 脚 还 用 于 输 入 编 程 脉 冲 （ PROG） 。 如 有 必 要 ， 可 通 过 对 特 殊 功 能 寄 存 器 （ SFR） 区 中 的 8EH 单 元 的 D0 位 置- 14 -位 ， 可 禁 止 ALE 操 作 。 该 位 置 位 后 ， 只 有 一 条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 禁止位无效。 2.1.1.2.7 PSEN程 序 储 存 允 许 （ PSEN） 输 出 是 外 部 程 序 存 储 器 的 读 选 通 信 号 ， 当AT89C52 由 外 部 程 序 存 储 器 取 指 令 （ 或 数 据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN 信号。 2.1.1.2.8 EA/VPP外 部 访 问 允 许 。 欲 使 CPU 仅 访 问 外 部 程 序 存 储 器 （ 地 址 为 0000HFFFFH） ， EA 端 必 须 保 持 低 电 平 （ 接 地 ） 。 需 注 意 的 是 ： 如 果 加 密 位 LB1 被 编 程 ， 复 位 时 内 部 会 锁 存 EA 端 状态 。 如 EA 端 为 高 电 平 （ 接 Vcc 端 ） ， CPU 则 执 行 内 部 程 序 存 储 器 中 的 指 令 。 Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源 Vpp，当然这必须是该器件是使用12V 编程电压 Vpp。 2.1.1.2.9 XTAL1振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 2.1.1.2.10 XTAL2振 荡 器 反 相 放 大 器 的 输 出 端 。 2.1.2 最 小 系 统 电 路使用 AT89C52 构成的最小系统电路如图 3.1 所示，它由电容 C1，C2 和晶振 Y1 构成以内部方式工作的时钟振荡电路。若直接从外部引入振荡信号连接到内部振荡器，则时钟电路工作于外部方式，由电阻 R2 和电容 C3 构成上电位复位电路，即单片机一旦接通电源，便自动进入复位电路处理，随着电容两端电位的提高，RST 端的电位变为低电平，进入正常工作模式。- 15 -2.2 数据转换芯片 ICL7109ICL7109 是美国 Intersil 公司生产的一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式 12 位 A/D 转换器。由于目前逐次比较式的高速 12 位 A/D 转换器一般价格都很高，在要求速度不太高的场合，如用于称重，测压力等各种高精度测量系统时，可以采用廉价的双积分式高精度 A/D 转换器 ICL7109。ICL7109 最大的特点是其数据输出为 12 位二进制数，并配有较强的接口功能，能方便的与各种微处理器相连。 2.2.1 ICL7109 的内部结构与芯片引脚功能2.2.1.1 ICL7109 的内部电路结构ICL7109 的内部电路有模拟电路和数字电路部分组成。模拟电路部分由模拟信号输入振荡电路、积分、比较电路以及基准电压源电路组成。下图为数字电路部分的结构。他由时钟振荡器、异步通讯握手逻辑、转换控制逻辑- 16 -以及计数器、锁存器、三态门组成。高位字节输出引脚 低位字节输出引脚17 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16ICL7109 1816 20电压比较 器输出2 26 22 23 24 25 21 27 图 1 ICL7109 数字电路部分内部结构2.2.1.2 ICL7109 的功能引脚ICL7109 为 40 引脚双列直插式封装。各引脚功能如下：GND： 数字地，0VSTATUS：状态输出，ICL7109 转换结束时，该引脚发出转换结束信号。POL： 极性输出，高电平表示 ICL7109 的输出信号为正。OR： 过程量状态输出，高电平表示过程量B1B12：三态转换结果输出，B12 为最高位，B1 为最低位TEST： 此引脚仅适用于测试芯片，接高电平时为正常操作，接低电平时则强迫所有 位 B1B12 输出为高电平。LBEN： 低电平使能端。当 MODE 和 CE/LOAD 均为低电平时，此信号将作为低位字节（B1B8）输出选通信号；当 MODE 位高电平时，此信号将作为低位字节输出。 16 位三态输出 14 位锁存器 12 位计数器握手逻辑振荡器及时钟电路转换控制逻辑模拟电路部分- 17 -HBEN： 高字节使能端。当 MODE 和 CE/LOAD 均为高电平时，此信号将作为高位字节（B8B12）以及 POL，OR 输出的辅助选通信号；当 MODE 位高电平时，此信号将作为高位字节输出而用于信号交换方式。 CE/LOAD：片选端。当 MODE 为低电平时，它是数据输出的主选通信号，当本脚为 低电平时，数据正常输出；当本脚为高电平时，则所有数据输出端（B1B12，POL，OR）均处于高阻状态。MODE： 方式选择。当输出低电平信号时，转换器为直接输出方式。此时，可在片选和数据使能的控制下直接读取数据。当输出高电平脉冲时，转换器处于UART 方式，并在输出两个字节的数据后，返回到直接输出方式。当输入高电平时，转换器将在信号交换方式的每一转换周期的结尾输出数据。OSC IN： 振荡器输入OSCOUT：振荡器输出OSCSEL： 振荡器选择。输出高电平时，采用 RC 振荡器；输入低电平时采用晶体振荡器。BUFOSCOUT：缓冲振荡器输出。RUN/HOLD：运行/保持输出。输入高电平，每经 8192 个时钟脉冲均完成一次转换。当输入低电平时，转换器将立即结束消除积分阶段并跳至自动调零阶段，从而缩短了消除积分阶段的时间，提高了转换速度。SEND： 是输入信号。用于数据信号传送时的信号交换方式，以指示外部器件能够接受数据的能力。V-： 负电源，接5V。REFUOT： 基准电压输出，一般为+2，8VBUF： 缓冲器输出AZ： 自动调零电容 Caz 连接端。- 18 -INT： 积分电容 Cint 连接端。COMMON： 公共模拟端INLO： 差分输入低端。INHI： 差分输入高端。REFIN+： 正差分基准输入端。REFCAP+： 正差分电容连接端。REFCAP-： 负差分电容连接端。REFIN-： 负差分基准输入端。V+： 正电源，接 +5V。2.2.2 ICL7109 的外部电路连接与元件参数选择2.2.2.1 ICL7109 的外部电路连接2.2.2.1.1 ICL7109 外部电路的应用特征A.电源供给ICL7109 位双电源5V，引入 V+，V（40，28 脚） ，1 端 GND 为公共接地端。B.基准电压供给ICL7109 有一个良好的片内基准电压源，由 REFOUT 端输出（29 端） ，可以使用电阻分压以获得一个合适的基准电压。一般来说，对模拟输入如果要求满度输出 4096个数，则 Vin=2Vref，即+2.048V 基准电压对应于+4.096 满度输出模拟电压；+204.8mv 则对应于 +409.6V 满度输出电压。但在许多应用中，A/D 变换器直接与传感器相连，测量的绝对电压输出并不等于标准量程，这时，只要将基准电压等于传感器输出电压的一般即可，而不必进行分压。在要求零读数而不是零输入时，如温度测量中的补偿，称重中的去皮重等。这时，补偿电压可直接引入，即将传感器的输出端接到模拟输入高端和模拟公共端之间，只需注意极性即可。基准电压的稳定与否，直接影响转换精度，ICL7109 分辨率位 1/4096 或244ppm。如果片内基准源的温度系数为 80ppm/ ，则环境温度变化了 3就会增加1LSB 绝对误差。如果不控制环境温度则建议使用外部基准电压源。C.模拟信号输入模拟信号可差分输入，分别接入差分输入高端 INHI（35 脚）和差分输入低端INLO（34 脚） 。模拟信号公共端为 COMMON（33 脚） 。D.时钟电路ICL7109 片内有振动器及时钟电路。片内提供的多功能时钟振动器既可用作RC 振荡器，也可作为晶体振荡器。OSCSEL（24 端）为振荡器选择。OSCSEL（24- 19 -端）为高电平或开路时片内为 RC 振荡器，此时 OSCOUT（23 端）和BUFOSCOUT（25 端）外接电阻、电容到 OSCIN（22 端） ，如图 4 所示；OSCSEL为低电平时，外接振荡晶体，片内为晶体振荡器如图 5 所示。接成 RC 振荡器时，振荡器频率为 045/RC （电容不能小于 50PF） 。接成晶体振荡器时，内部时钟为 58 分频后的振荡器频率。为了使电路具有抗 50 串模干扰能力。A/D 转换时应选择积分时间（ 2048 个时钟数）等于 50HZ 的整数倍。例如取积分时间为 50HZ 的 1 倍，即 20MS，则晶体频率 F=（ 2048 个时钟周期）（ 58/20MS）=5 939MHZ ；对于 RC 振荡器，则F=（2048 个时钟数）/20ms=1024KHZ 。E接口方式ICL7109 内部有一个 14 位（12 位数据和一个极性，一位溢出）的锁存器和一个 14 位的三态输出寄存器，可以很方便地与各种微处理器直接连接，而无须外部加额外的锁存器。ICL7109 有两种接口方式，一种是直接接口方式，另一种是挂钩接口方式。在直接接口方式中，ICL7109 转换结束时，由 STATUS 发出转换结束信号到单片机，单片机对转换后数据分高位字节和低位字节进行读数。在挂钩接口方式时，ICL7109 提供工业标准的（通用异步接收发送器）数据交换模式，适用于远距离的数据采集系统。2.2.2.1.2 ICL7109 外部电路的参数选择ICL7109 外部电路的连接及元件参数值：A积分电阻 RINT 的选择缓冲放大器和积分器能够提供 20UA 的推动电流，积分电阻要选得足够大，以于直接输出方式。振荡器选择端(即 OS 端，24 脚 )接地，则 7109 的时钟振荡器以晶 体振荡器工作，内部时钟等于 58 分频后的振荡器频率，外接晶体为 6MHz，则时钟频率=6MHz/58=103kHz。积分时间=2048 时间周期=20ms，与 50Hz 电源周期相同。积分时间为电源周期的整数倍，可抑制 50Hz 的串模干扰。在模拟输入信号较小时，如 00.5 伏时，自动调零电容可选比积分电容 CINT 大一倍，以减小噪声，CAZ 的值越大，噪声越小，如果 CINT 选为 0.15F，则 CAZ=2CINT=0.33 保证在输入电压范围的线性。积分电阻 RINT=满度电压/20UA当输入满度电压=4096V 时，RINT=200K ，此时基准电压 REFIN-和REFIN+之间为 +2V，由电阻 R2 和电位器 R1 分压取得。如满度电压为方便用户4096MV，则 RINT=20K，基准电压=0.2V 。RINT 接入缓冲放大器输出端BUF（ 30 脚） 。- 20 -B积分电容 CINT 的选择积分电容根据积分器给出的最大输出摆幅电压选择。此电压应使积分器不饱和（大约低于电源 0.3V） 。对 ICL7109 的5V 电源。模拟公共点接地，积分器输出摆幅一般为3.5V 至4V。对不同的时钟频率，电容值也要改变，以保证积分器输出电压的摆幅。CINT=2048*时钟周期*20UA/ 积分器输出摆幅为了使积分器不饱和，积分器输出的摆幅最大为4V，所以积分器的最小电容为 1UF。积分器电容越大，积分器输出摆幅越小，所以，CINT 也不应选的过大，如果电路设计时选用不同的时钟频率，则积分电容应根据上面的公式计算，以便选择合适的 CINT 的值。积分电容 CINT 接入积分电容连接端 INT（32 脚） 。C自动调零电容 CAZ 的选择积分电容 CINT 选定以后，自动调零电容 CAZ 的选择是非常容易的。在模拟输入信号较小时，如 0409.6MV，这时抑制噪声是主要的。而这时积分电阻又较小，所以，自动调零电容 CAZ 可选为比积分电容 CAZ 大一倍，以减少噪声。CAZ 的值越小，噪声越小。对于大部分实际应用系统,由传感器来的微小信号都要经过放大器放大成较大的信号,如 0+4096mV 。这时噪声的影响不是主要的，可把积分电容 Cint 选大一些以减少复零误差，使 Cint=2Caz。D基准电容 Cref 的选择一般情况下 Cref 取值 1uf 较好。但如果存在一个大的共模电压（即基准电压低端不是模拟公共点） ，对于模拟输入为 0+4096MV 的情况下，要求电容值较大，以防止滚动误差，在这种情况下，如选 Cref=10uf 可以使滚动误差在 05 以内。2.2.3 ICL7109 与 89C52 的接口本系统采用直接接口方式，7109 的 MODE 端接地，使 7109 工作 F。由传感器传来的微弱信号经放大器放大后为 05V，这时噪声的影响不是主要的，可把积分电容 CINT 选大一些，使 CINT=2CAZ，选 CINT= 0.33F，CAZ=0.15F，通常 CINT 和 CAZ 可在 0.1F 至 1F 间选择。积分电阻 RINT 等于满度电压时对应 的电阻值(当电流为 20A、输入电压=4.096V 时，RINT=200k)，此时基准电压 V+RI 和 V-RI 之间为 2V，由电阻 R1、R3 和电位器 R2 分压取得。本电路中，CE/LOAD 引脚接地，使芯片一直处于有效状态。RUN/HOLD(运行/保持) 引脚接 +5V，使 A/D 转换连续进行。A/D 转换正在进行时，STATUS 引脚输出高电平，STATUS 引脚降为低电平时，由 P2.6 输出低电平信号到 ICL7109 的 HBEN，读高 4 位数 据、极性和溢出位；由 P2.7 输出低电平信号到 LBEN，读低 8 位数据。本系统中尽管 CE/LOAD 接地，RUN/HOLD 接+5V，A/D 转换连续- 21 -进 行，然而如果 89C51 不查询 P1.0 引脚，那么就不会给出 HBEN、LBEN 信号，A/D 转换的结果不会出现在数据总线 D0D7 上。不需要采集数据 时，不会影响 89C51 的工作，因此这种方法可简化设计，节省硬件和软件。2.3 传感器在对 PVC 管材施加压力的过程中。通过控制机械传动部分，带动压盘对管材施加压力。所以传感器需要来测量压盘对管材施加的压力大小。根据设计要求（1）最大试验力：5000N（2）量程：1,2,5.（5000,2500,1000）（3）位移：最大显示：5000mm（4）试验速度：5,10,50,100,200,500.综合考虑传感器的型号、精度等因素，选取 BHR-25 负荷传感器，它主要的技术指标如下：灵敏度：20mV/V 01%非线性： 0.03% RO滞后误差：0.02% RO重复性误差：002% RO激励电压：推荐 10V12V（AC 或 DC）最高 20V（AC 或 DC）零点输出： 1% RO输入电阻：420 40输出电阻： 53导线： ，4 芯，3m 长电缆m.9绝缘电阻：桥路端子对本体 以上M20温度补偿范围：-10+70 C工作温度范围：-20+100温度零点变化：002% RO/10温度输出变化：002% RL/10 允许过载能力：50% RL允许最大侧向负荷：50% RL- 22 -外形及安装尺寸2.4 光电编码器在压盘对管材施加压力的过程中需要控制压盘随滑块的位移量，所以需要选择光电编码器来实现计数。2.4.1.光电编码器原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图 1 所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差 90 旱牧铰仿龀逍藕拧2.4.2 BL3806 光电编码器2.4.2.1 特性与用途(1)外径 38，轴径 6，厚度 35(2)小型化，低价格，高性能设计，抗干扰强(3)多种输出电路可选，出线方式为电缆侧出与后出(4)适用于工业机械、自动化控制等行业- 23 -2.4.2.2 可选脉冲数：50 、60 、100、 120、 125 、200 、300 、360 、400、 500、600 、720 、900 、1000 、1024、1200、1800、2000、2500 或根据用户要求定做 2.4.2.3 接线定义：信号 A B +VCC 0V N.C导线颜色 红 绿 白 黑 网线2.5 外围电路设计2.5.1 信号采集电路机械传动部分带动压盘对管材施加压力，传感器来测量压盘对管材施加的压力大小并送至单片机。BHR-25 负荷传感器组 成 的 传 感 器 电 路 连 接 到ICL7109A/D 转 换 器 ， 将 模 拟 信 号 转 换 成 数 字 信 号 送 到 AT89C52 单 片 机 以 实现 信 号 的 采 集 ； 在压盘对管材施加压力的过程中需要控制压盘随滑块的位移量，光电编码器来实现计数。光 电 编 码 器 直 接 连 接 到 AT89C52 单 片 机 以 实 现 对 位移 量 得 信 号 采 集 。 如 下 图 ：传感器电路- 24 -单片机及其 I/O 口外接电路- 25 -光电编码器电路2.5.2 控制电路采用单片机控制伺服电机以实现机械传动，单片机连接 D/A 转换器将数字信号转换成虚拟信号通过直流控制器连接到电机通过控制电机调节电机的转速。线路见图如下：- 26 -电机控制电路2.5.3 键盘电路由若干个按键组成的键盘，其电路可分为独立式键盘和矩阵式键盘两种。独立式按键是直接用 I/O 口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根 I/O口线，每个按键的工作不会影响其它 I/O 口线的状态。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根 I/O 口线，因此，在按键较多时，I/O 口线浪费较大，不宜采用 1。矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到5V 上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列