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无图 530 液压试验机载荷数据采集系统【无图】 液压 试验 机载 数据 采集 系统

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湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目： 液压试验机载荷数据采集系统 学号：2007964206 姓名：滕辉 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师：李玉声 系主任： 周友行 一、主要内容及基本要求 1、数字显示实验力及峰值等，示值精度为1%，并能方便检定 2、实时记录曲线，采样速率通常为3次/秒，屈服段为6次/秒； 3、具有抗拉（压）强度（峰值）自动保存功能； 4、具有实验委托号、组号（组数）及组内试件号等按标准自动生成功能； 5、具有试件的非标准检测功能（自定义组数、每组试件数等）； 6、能将实验数据串行传送到上位机，以便上位机处理、上网发布及打印测试报告等； 7、测试数据及相关数据机内掉电保存，以备查； 8、系统适合长期连续运行； 9、可单独使用，也可与上位机联机使用； 10、翻译英文技术资料：翻译智能载荷采集系统的设计的（或相关课题）开发及研究的英文资料。要求：3000单词。 二、重点研究的问题 1、 液压试验机载荷数据采集系统的设计方案选择设计； 2、 液压试验机载荷数据采集系统的设计软件设计； 3、 液压试验机载荷数据采集系统的设计中外围设备硬件的设计。 三、进度安排 各阶段完成的内容起止时间1资料检索、查询2011年2月20 日 3月5 日2系统总体方案构思及设计2011年3月6日 3月20日3完成液压试验机载荷数据采集系统的设计方案选择设计2011年3月 21日 4月10日4完成液压试验机载荷数据采集系统的设计硬件设计； 2011年4月11日 4月25日5完成液压试验机载荷数据采集系统的设计软件的设计2011年4月26日 5月10日6毕业设计说明书撰写和编辑2011年5月11日 5月19日7交毕业设计说明书和图纸，答辩准备2011年5月 20 日 5月 25 日四、应收集的资料及主要参考文献 1杨志忠.数字电子技术基础M.北京:高等教育出版社，2008. 2杨光友，朱宏辉.单片机微型计算机原理及接口技术M.北京:中国水利水电出版社，2009 3刘润华.刘立山.模拟电子技术M .山东:石油大学出版社，2001. 4吴金成.8051单片机实践与应用M.北京:清华大学出版社，2009 . 5马玉林.正确执行钢筋试验的国家技术标准J .云南建材，1998. 目录摘要Abstract第一章 绪论11.1引言11.1.1材料试验机的用途与作用11.1.2中国材料试验机的现状11.2材料试验机的种类21.3机械智能化研究的必要性31.4数据采集意义和任务41.5数据采集系统的基本功能41.5.1数据采集41.5.2模拟信号处理41.5.3数字信号处理41.5.4开关信号处理51.5.5二次数据计算51.5.6屏幕显示51.5.7数据存储51.5.8打印输出51.5.9人及联系5第二章 智能载荷采集系统的特点与要求62.1智能载荷采集系统的特点62.2智能载荷采集系统的性能与要求6第三章 系统总体方案的确定73.1总体设计73.1.1系统方案确定的原则73.1.2系统方案的框图及说明113.2系统主电路设计与说明113.2.1系统主电路硬件设计113.2.2系统主电路的分析与说明13第四章 载荷信号调理与数字化264.1弱信号调理与放大264.2信号传输314.3信号的A/D转换处理31第五章 抗拉强度的检测原理与实现355.1抗拉强度的概念355.2抗拉强度智能检测的原理355.3抗拉强度检测程序35第六章 可靠性设计466.1可靠性问题466.2数字电路与模拟电路的供电47参考文献49致 谢附录：英文技术资料及中文翻译 摘要在各类材料的产品质量检测、生产过程质量控制、材料科学研究及教学试验机中，都必须应用试验机进行力学性能测试。力学性能可以划分为静态性能和动态性能，试验机也可以相应划分为静态试验机和动态试验机。依据测试、应用领域及试验机工作原理的不同，又常常将试验机细分为多种类型，如静态机中有液压专用试验机、液压万能试验机、电子液压万能试验机、电机械试验机、电子拉力试验机及电子万能试验机等；动态机中有电液伺服疲劳试验机、电液伺服拉扭疲劳试验机及电机械蠕变疲劳试验机等。以标准或非标准试样作为被测件的试验机通常称为材料试验机。本文只讨论液压万能材料试验机。液压万能材料试验机的种类及型号较多，但在机械及建筑业比较常用的规格为：100KN，200KN，500KN及2000KN等。因此，本文讨论的智能载荷采集系统主要用于上述规格机型的改造，但也基本适用于其他规格。本文讨论的智能载荷采集系统主要完成压力数据的采集，系统的构架采用居于单片机的形式，主要优点是成本低、体积小，便于实现嵌入系统，系统的功能主要包含3方面：1、压力的采集，压力传感器信号经过放大调理后，必须进行A/D或V/F转换。此系统采用模/数转换模块的核心是双积分A/D转换电路ICL7135。2、数据的传送通信，根据系统的拓扑需要，可以采用RS-232串行通信方式。3、人机交互，通过此系统改造后的试验机，测量精度明显提高，并能自动记录被测试材料的最大压力（最大拉力）、钢材的屈服点参数等。由压力换算出极限强度，将测试结果以及实验组号、试件号、实验时间等通过串行接口发送到上位机，由上位机再做进一步处理。关键词 单片机；智能载荷；采集系统；试验机AbstractIn all kinds of materials product quality inspection, production process quality control, materials science research and teaching test enginery, must be applied mechanics performance test enginery. Mechanical properties can be divided into static performance and dynamic performance, tester can also be divided into static tester and corresponding dynamic test enginery. Based on testing, application field and test enginery principle is different, and often will test for a variety of types, such as subdivide static machine have hydraulic special test enginery, hydraulic pressureniversal testing machine, electric hydraulic pressureniversal testing machine, electric machinery test enginery, electronic tensile tester and electronic pressureniversal testing machine, etc.; Dynamic machine have electro-hydraulic servo fatigue test enginery, electro-hydraulic servo pull twist fatigue test machine and electric machinery creep fatigue test enginery and so on. Standard or non standard sample as measured by pieces of test enginery often called material testing machine. This paper only discuss the hydraulic universal material testing machine. Hydraulic universal material testing machine type and model of more, but are frequently used in machinery and construction specifications of 100KN, 200KN ，500KN and 2000KN, etc. Therefore, the paper discusses intelligent load acquisition system which is mainly used in the above specification model transformation, but also basic applicable to other specifications.This article discusses the intelligent load gathering system mainly completes the pressure data gathering, the system skeleton uses based on the monolithic integrated circuit form ,the main merit is the cost low ,the volume is small ,is advantageous for the realization to insert the system ,the system function mainly contains 3 aspect:1、pressure gathering ,the pressure transmitter signal recuperates after the enlargement ,must carry on A/D or V/F transforms this system to use the mold/number transformation module the core is double integral A/D switching circuit ICL7135 .2、the data transmission correspondence ,according to the system analysis situs need ,may select the RS-232 serial communication method .3、man-machine interactive ,after this system transformation testing aircraft ,the measuring accuracy distinct enhancement ,and can the automatic recording test the material the most tremendous pressure ,the steel products the parameter and so on .Converts the ultimate strength by the pressure ,will test the result as well as the experimental group number ,the trial parts number ,the run time and soon transmits through the serial interface to on position machine ,will do again by on position machine further processes .KEYWORDS Single chip micro-computer, Intelligent load, Gathering system, Testing aircraft- III -第一章 绪论我们通常所见的试验机实际应叫做材料试验机，它是一种用来验测各种材料式部件的机械物理性能的仪器。1.1 引言1.1.1 材料试验机的用途与作用材料试验机是对材料、零件和构件进行机械性能和工艺性试验的设备。产品好坏，除了从结构设计、加工工艺、处理规范诸方面去考虑以外，合理选择材料也是一个重要方面，例如金属、非金属、各种新型的高温合金、高分子化合物及复合材料等要达到物尽其用，就必须知道材料的性能；在研究新材料、新工艺，也需测定材料的机械性能；对新型机器或设备的受力部件，特别是大型构件（如桥梁、船体等）有时还需要进行整体试验，以考虑所用材料及工艺设计是否合理等，都需要各种专门的材料试验机来测量相关参数。材料受载后表现出弹性、塑性、断裂三个变形过程，并且在各个过程已有相关技术标准（规范）规定出相关性能的技术指标，这些性能指标的具体测定必须在试验机上来完成。试验机的功能和计量特性指标是否满足预期使用要求，是材料机械性能试验的关键。材料试验机不仅是研究材料机械性能理论的基本手段和依据，也是企业、事业单位目前生产检验的基本手段之一。总之，材料试验机为合理利用原材料、降低消耗、节约资金、保障安全生产起到保障作用，同国家经济建设、国防建设、科学研究及人民生活都有密切关系，并随着他们的发展，试验机也必将得到发展。1.1.2 中国材料试验机的现状我国计量检测事业的历史悠久，但试验机制造行业在旧中国是空白，中华人民共和国成立后，党和政府十分重视计量检测技术的发展，采用了许多重要措施来发展仪器仪表工业。经过五十多年的努力，我国材料试验机的制造，从无到有、从小到大，从单参数到多参数，从静态到动态，逐步发展成初具规模，具有能生产静负荷试验机（如拉、压万能试验机、扭转试验机、松弛试验机、持久强渡试验机、蠕变试验机、复合应力试验机等）和动负荷试验机（如冲击试验机和疲劳试验机等）的能力，有效地促进了国民经济建设和国防建设的发展。中国材料试验机的发展阶段是：五十年代使用的材料试验机主要从苏联和民主德国引进，六十年代以仿制为主，七十年代定型大批生产，八十年代开发新产品，九十年代改革开放吸收国外一些先进技术进行开放。六十年代开始，以长春材料试验机研究所为源头，先后制定各种材料试验机的技术标准，研发各种类型的试验机和相应的检定（校准）使用的标准仪器设备，基本上满足了国民经济和国防建设的需要。在九十年代以前，计划经济时代，国内的试验机企业以国营体制为主。如长春材料试验机、天水红山试验机厂、吴忠材料试验机厂、青山试验机厂、吴忠微型试验机厂、上海试验机厂、济南试验机厂、承德试验机厂、广州测试仪器厂等十多个单位生产不同型号或规格的材料试验机。在计划经济时代，国家按企业分工进行计划生产、计划销售试验机，各企业间也不存在什么竞争，所以国内试验机企业的进步是比较缓慢的，同国外试验机行业相比差距较大。二十世纪九十年代初，我国实行了市场经济，众多民营企业应运而生。试验机制造行业也和其他行业一样，民营企业登上了试验机行业的舞台。近几年，随着国内试验机民营企业的不断做强做大，国有企业的改制，中国的试验机行业由原来的国有企业为主逐步演变为以民营企业唱主角的时代。1.2 材料试验机的种类万能材料试验是现代电子技术与机械传动技术相结合的产物，是充分发挥了机电各自特长而构成的大型精密测试仪器，可对各种材料进行拉伸、压缩、弯曲、剥离、剪切等多项性能试验，且有测量范围宽、精度高、响应快等特点。工作可靠，效率高，可对试验数据进行实时显示记录、打印。材料试验机的分类：材料试验机的分类方法很多，常见的有：a) 按照出力源的类型分主要有电机、液压、气动、电磁等几种；b) 按测量结束的指示类型分主要有数显、指针；c) 按试样所受有载与时间的关系主要有：静态机和疲劳机；d) 按控制方式分主要有开环控制（手动控制）和闭环控制（自动控制），对于闭环控制的控制类型有：速度控制、载荷控制、变形控制、位置控制；e) 按用途分主要有通用机（万能机）、专用机。专用机的种类很多，如：水泥压力机、红砖压力机、线弯曲疲劳机、软忧机、电瓷弯扭机、卧拉等等；f) 按试验方法与试验机一般来说，试验机只有两种：运动方向（或受力方向），一种是拉，一种是压，我们通常所见的拉、压、弯、剪、剥、撕、穿、磨损等等。液压万能材料试验机在我国的钢铁、建材、冶金、化工等行业被广泛应用。目前，估计国内已拥有数万台国产及进口的各类试验机，大多为手工控制、操作，主要用于原材料检验、质量监督检验、质量控制及教学，担负着材料或产品的常规力学性能测试，无法定量地满足GB22887标准要求；所以，研制一种适用于液压万能材料试验机的智能载荷采集系统，为材料检测的准确、客观及公正提供技术包张，同时也为质量监督部门和材料用户的数据共享提供一种经济、快捷的途径和手段，显得很有必要，具有良好的经济效益和社会效益。1.3 机械智能化研究的必要性21世纪的世界经济正面临着重大而深刻的变革，但是制造业作为一个国家技术水平的重要体现，依然是世界各发达国家与发展中国家加快经济发展、提高国家综合竞争力的重要途径。随着经济全球化以及我国加入WTO，市场竞争变得越来越激烈，中国制造业面临与国际接轨、参与国际竞争的紧迫形势。国外经验表明，工业化到一定程度以后，工业经济的增长在很大程度上将取决于工业装备水平的提高。在工业装备中，方兴未艾的工程机械又占有极其重要的地位，机群的智能化、系统化是未来机械发展的重要趋势。在未来十年中，我国基础设施将处于前所未有的高速发展阶段：将新建铁路1万余公里；投资1万亿元修建公路；在水利建设方面，除小浪底工程外，还有130多个水电工程需要建设；此外尚有“西气东输”、“西电东输”、“南水北调”、“青藏铁路”等大型工程。这些均将形成对智能化机械的巨大市场需要。据初步测算，未来五年，国内机械的需求量可达760亿元左右。因此，用信息技术对传统机械产业进行改造提升，发展智能机械与系统，是一个具有行业带动性的，在国家经济建设中具有全局性的重大与迫切问题。为此，在国家“863计划”的“先进制造与自动化技术”领域中就设立了“智能机器与系统”专题，并将“智能化机械”列为其中的重点项目。1.4 数据采集意义和任务回顾20世纪科学技术的发展，对人类的经济建设和生活最具影响力的莫过于计算机的发明。特别是自70年代初以来，微处理器的问世促使微型计算机技术迅速发展和应用，在世界范围内引起了一场新的技术革命，并推动人类社会进入了信息时代。作为微型计算机应用技术的一个重要分支数据采集与处理技术，集传感器、信号采集与转换、计算机等技术于一体，是获取信息的重要工具和手段。随着微型计算机的应用与普及，它在科学研究、生产过程等领域中发挥着越来越重的作用。在科学研究中应用数据采集与处理技术，将提高人们对各种瞬态现象进行研究的能力；在生产过程中应用数据采集与处理技术，将能迅速地对各种工艺参数进行采集，为计算机控制提供必需的信息，从而实现生产过程的自动控制。因此，数据采集与处理技术是机电一体化、智能化仪器仪表、自动控制、计算机应用、设备管理等专业的学生和相关专业的工程技术人员必备的专业知识。“数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。计算机技术的发展和普及提升了数据采集系统的技术水平。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具。总之，不论在哪个应用领域中，数据的采集与处理越及时，工作效率越高，取得的经济效益就越大。数据采集系统的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的计算和处理，得到所需的数据。与此同时，将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。1.5 数据采集系统的基本功能由数据采集系统的任务可以知道，数据采集系统具有以下几方面的功能。1.5.1. 数据采集计算机按照预先选定的采样周期，对输入到系统的模拟信号进行采样，有时还要对数字信号、开关信号进行采样。数字信号和开关信号不受采样周期的限制，当这类信号到来时，由相应的程序负责处理。1.5.2. 模拟信号处理模拟信号是指随时间连续变化的信号，这些信号在规定的一段连续时间内，其幅值为连续值，即从一个量变到另一个量时中间没有间断，如正弦信号(t)=Asin(wt+)。模拟信号有两种类型：一种是由各种传感器获得低电平信号，另一种是由仪器、变送器输出的010mA或420mA的电流信号。这些模拟信号经过采样和A/D（模/数）转换输入计算机后，常常要进行数据的正确性判断、标度变换、线性化等处理。模拟信号非常便于传送，但它对干扰信号很敏感，容易使传送中的信号的幅值或相位发生畸变。因此，有时还要对模拟信号做零漂修正、数字滤波等处理。1.5.3. 数字信号处理数字信号是指在有限的离散瞬时上取值间断的信号。在二进制系统中，数字信号是由有限字长的数字组成，其中每位数字不是0就是1，这可由脉冲的有无来体现。数字信号的特点是，它只代表某个瞬时的量值，是不连续的信号。数字信号是有某些了性的传感器或仪器输出，它在线路上的传送形式有两种：一种是并行方式传送，另一种是串行方式传送。数字信号对传送线路上的不完善性（畸变、噪声）不敏感，这是因为只需检测有无脉冲信号，至于信号的精确性（幅值、持续时间）是无关紧要的。数字信号输入计算机后，常常需要进行码制的转换处理，如BCD码转换成ASC码，以便显示数字信号。1.5.4. 开关信号处理开关信号主要来自各种开关器件，如按钮开关、行程开关和继电器触点等。开关信号的处理主要是监测开关器件的状态变化。1.5.5. 二次数据计算通常把直接由传感器采集到的数据称为一次数据，把通过对一次数据进行某种数学运算而获得的数据称为二次数据。二次数据计算主要有：平均值、累计值、变化率、差值、最大值和最小值等。1.5.6. 屏幕显示CRT显示装置可把各种数据以方便于操作者观察的方式显示出来，屏幕上显示的内容一般称为画面。常见的画面有：相关画面、趋势图、模拟图、一览表等。1.5.7. 数据存储数据存储就是按照一定的时间间隔，定期将某些重要数据存储在外部存储器上。1.5.8. 打印输出打印输出就是按照一定的时间间隔或人为控制，定期将各种数据以表格或图形的形式打印出来。1.5.9. 人机联系人机联系是指操作人员通过键盘或鼠标与数据采集系统对话，完成对系统的运行方式、采样周期等参数的设置。此外，还可以通过它选择系统功能、选择输出需要的画面等。第二章 智能载荷采集系统的特点与要求2.1 智能载荷采集系统的特点对指针示盘式的液压瓦能试验机，必须配置电测传感器，通常有3种：1、用于测定力值的压力传感器或测力传感器；2、用于测定试样变形的变形传感器（又称引伸计）；3、用于测定及其横梁移动量的唯一传感器。本文讨论的智能载荷采集系统主要完成压力数据的采集；因此，只使用了压力传感器。压力传感器用于改造液压式试验机及某些电子液压式试验机，通过3通接头直接加装在及其的油缸、油路系统中，通过压力传感器测量油缸内油的压强，乘上一定的系数（面积），就可以换算出试验机加在试件上的压力。通过油压的变化反映试样上的力值变化，与原机的测力度盘无关。测试过程中，操作人员可以一边观察力度盘而开、闭油阀，一边用压力传感器反映的力值进行数据采集和处理测试结果。通过此系统改造后的试验机，测量精度明显提高，并能自动记录被测试材料的最大压力（最大拉力）、钢材的屈服点参数等。由压力换算出极限强度，将测试结果以及实验组号、试件号、实验时间等通过串行接口发送到上位机，由上位机再做进一步处理。本仪表记录力值时以千牛（KN）为单位，极限强度单位为兆帕（Mpa），两者通过物理量进行换算。2.2 智能载荷采集系统的性能与要求按照质量监督部门及GB22887标准的要求，本系统的设计性能如下： 数字显示实验力及峰值等，示值精度为1%，并能方便检定； 实时记录曲线，采样速率通常为3次/秒，屈服段为6次/秒； 具有抗拉（压）强度（峰值）自动保存功能； 具有实验委托号、组号（组数）及组内试件号等按标准自动生成功能； 具有试件的非标准检测功能（自定义组数、每组试件数等）； 能将实验数据串行传送到上位机，以便上位机处理、上网发布及打印测试报告等； 系统适合长期连续运行； 测试数据及相关数据机内掉电保存，以备查； 可单独使用，也可与上位机联机使用。第三章 系统总体方案3.1 系统总体方案的确定3.1.1 系统方案确定的原则1. 系统构架系统的构架可以采用基于单片机的形式，也可采用基于PC或IPC的形式。两种形式各有特点。前者的主要优点是成本低、体积小，便于实现嵌入系统；后者的主要优点是，可利用PC系统的各种软件资源实现系统的图形化操作界面等。本系统选用基于单片机的构架方案。2. 功能实现系统的功能主要包含三方面：（1）压力的采集压力传感器信号经过放大调理后，必须进行A/D或V/F转换，才能为系统所接受；因此，必须考虑模拟量到数字量的实现形式。现将上述两种转换方式加以具体说明。A/D方式A/D转换器的作用就是将输入的模拟量转换成与其成比例的数字量，实质上，A/D转换器是模拟系统到数字系统的接口电路。一个完整的模数转换过程必须包括采样保持量化编码等四个部分。采样定理图4.1是某一输入模拟信号经采样后得出的波形。为了保证能从采样信号中将原信号恢复，必须满足条件fs2fi(max) （3.1）式中：fs为采样频率，fi(max)为输入信号ui中最高次谐波分量的频率。这一关系称为采样定理。 A/D转换器工作时的采样频率只有满足式（3.1）所规定的频率要求，才能做到不失真地恢复出原模拟信号。这就像用照相机拍摄世界级运动员跨栏瞬间的镜头一样，如果相机的速度太慢，是无法留住那精彩瞬间的。采样频率越高，进行转换的时间就越短，对A/D的工作速度要求就越高。一般取fs=(35)fi(max)图3.1 采样波形图保持采样点tuSO采样保持电路A/D转换器在进行模数转换期间，要求输入的模拟信号有一段稳定的保持时间，以便对模拟信号进行离散处理，即对输入的模拟信号进行采样。一个实际的采样保持电路如图3.2所示。图中A1、A2是两个集成运算放大器， S是电子模拟开关，L是控制S工作状态的逻辑单元电路。二极管D1、D2组成保护电路。保护电路的工作原理是：当比所保持的电压高出一个二极管的正向压降时，D1管导通，被钳位于（为D1的正向导通压降）。同理，当比低一个二极管的压降时，D2管导通，被钳位于。保护电路的作用就是防止在S再次接通以前，发生变化而引起的更大变化，导致与不再保持线性关系，并使开关电路有可能因承受过高的电压而损坏。该电路的整个采样保持过程如下：300A1A2ui30kLuLuoSD1D2R1图3.2 采样保持电路R2Ch当时，电子模拟开关S闭合。A1、A2接成电压跟随器，故输出。与此同时，通过电阻R2对外接电容Ch充电，使。因电压跟随器的输出电阻非常小，故对外接电容Ch的充电时间很短。当时，电子模拟开关S断开，采样过程结束。由于无放电通路，所以上的电压值能保持一段时间不变，使采样结果保持下来。量化与编码用数字量表示输入模拟电压的大小时，首先要确定一个单位电压值，然后用与事先确定的单位电压值进行比较，并取比较结果的整数倍值来表示输入模拟电压的大小，这样的一个过程称为量化。如果把比较结果的整数倍值用二进制数表示，就称为二进制编码，它就是A/D转换输出的数字信号。这里用作比较的单位电压值叫做量化单位，用表示。由于采样得到的样值脉冲的幅度是模拟信号在某些时刻的瞬时值，它们不可能都正好是量化单位的整数倍，在量化时，由于舍去了小数部分，因此会产生一定的误差，这个误差称为量化误差。将模拟电压信号划分为不同的量化等级时，通常有如图3.3所示的两种方法。在图3.3(a)中，假设取基准电压VREF=1V，并把基准电压VREF平均分为8个等份，把01V的模拟电压转换成位二进制代码，取最小量化单位=1/8V，并规定：当模拟量的数值在01/8V之间时，都视为0，用二进制数000来表示；当模拟量的数值在1/82/8V之间时，都用 1代替，用二进制数001表示，等等 。这种量化方法带来的最大量化误差为。若用 n 位二进制数编码，则最大量化误差为1/2nV。图3.3 划分量化电平的两种方法为了减小量化误差，通常采用图3.3(b)所示的改进方法来划分量化电平，这种方法是将输出代码000所对应的模拟电压范围定为01/15V，对应模拟电压中心值为0=0V；将输出代码001所对应的模拟电压范围定为1/153/15V，对应模拟电压中心值为1=2/15V；依此类推。A/D转换器的分类A/D转换器的种类很多，按其转换过程，大致可以分为直接型A/D转换器和间接型A/D转换器两种，如图3.4所示。图3.4 A/D转换器分类图直接型A/D转换器能把输入的模拟电压直接转换为输出的数字代码，不需要通过中间变量。常用的电路有反馈比较型和并行比较型两种。间接型A/D转换器是把待转换的输入模拟电压先转换为一个中间变量，然后再对中间变量进行量化编码得出转换结果。A/D转换方式又有多种方式：并行A/D转换和双积分A/D转换等，前者又有并行输出和串行输出之分。并行转换一般适用于变化较快的动态信号，双积分转换一般只适用于变化比较缓慢的信号。在此方式下，必须考虑转换的精度、速度要求，以决定A/D芯片的位数、转换速率等主要特性。 V/F方式这种方式的特点是，将模拟信号转换为与之相对应的频带信号。系统通过计数器实现模拟到数字的转换。该方式的最大好处是，便于实现模拟电路与数字电路之间的光电隔离；缺点是，容易出现漏失而引起转换精度问题。（2）数据的传送通信在计算机网络的通信中有两种通信方式，即串行通信和并行通信。串行通信常用于计算机之间的通信；并行通信则一般用于计算机内部之间或近距离设备的传输通信。在串行通信中，还要考虑到通信的方向以及通信过程中的同步和异步传输问题。根据系统的拓扑需要，可以采用RS-232串行通信方式，也可采用RS-485或CAN等现场总线方式。由于本系统是用来改造传统液压万能试验机的，从系统到上位机有一定距离，因此不宜采用并行通信方式。（3）人机交互人机交互主要涉及显示和按键电路。对于显示界面，可以采用数码管、液晶模块及其他显示形式。从目前发展趋势看，类似的智能系统采用字符型或图形液晶显示模块比较常见。键盘可采用专用键盘，也可采用PC键盘等通用键盘。采用通用的好处是整体性价比高，而且便于操作，维护也方便。3.1.2 系统方案的框图及说明按照上述思路设计的系统可用图所示的框图形式加以说明。图3.5 系统组成框图试验机回油路上串接的压力传感器输出的V级小信号通过屏蔽电缆送入信号放大调理模块，完成信号的放大、滤波及极性转换等。放大后的模拟信号经数字化模块转化为数字量，传送给单片机。考虑到油压的变化比较缓慢，模/数转换采用4位半积分转换芯片ICL7135，具有14位分辨率。键盘提供人机交互的手段，在软、硬件上采用PS/2标准，以与PS/2键盘接口。图中的数据保存模块具有掉电保护功能，主要是保存当前委托号、采集数据等信息不因断电而丢失。3.2 系统主电路设计与说明3.2.1 系统主电路硬件设计1.微处理器控制模块电路原理图图3.6 微处理器模块电路原理图2.双积分模/数转换接口电路原理图图3.7 模/数转换接口电路原理图3.PS/2键盘接口及部件人机界面电路原理图图3.8 PS/2键盘接口电路原理图3.2.2 系统主电路的分析与说明结合系统电路原理图，分别阐述系统的设计思想如下。1.系统微处理器控制模块设计该模块以97C52单片机为核心，8KB的程序存储空间可以满足监控软件的需要。扩展了8KB的数据存储器，以满足重要参数和采集的压力数据的循环队形存储。为了实现数据的掉电保护功能，系统采用高速数据不挥发SRAM（NV-SRAM）作为数据存储器，如DCM0064。上电复位和手动复位功能由电源监视芯片MAX813L实现，也可采用其他型号如7705等。接口电路的片选信号由74HC138对高位地址线P27(A15),P26(A14)及P25(A13)译码后生成，主要有液晶模块片选信号LCDIN(Y3)、键盘接口片选信号KEY(Y4)、数据存储器片选信号RAM(Y5)及8155可编程接口电路片选信号I8155(Y6)等，对应接口地址参见程序详单。其中LCD IN与/WR,/RD通过4个与非门电路74HC00生成液晶模块的选通信号LCD。不宜采用74LS系列和4000系列电路，这些系列的电路由于传输延迟时间长而不能满足时序要求。 微处理器97C52 芯片主要性能:l 与MCS-51单片机产品兼容l 8K字节在系统可编程Flash存储器l 1000次擦写周期l 全静态操作：0Hz33Hzl 三级加密程序存储器l 32个可编程I/O口线l 三个16位定时器/计数器l 八个中断源l 全双工UART串行通道l 低功耗空闲和掉电模式l 掉电后中断可唤醒l 看门狗定时器l 双数据指针l 掉电标识符功能特性描述:97C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得97C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。97C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，97C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。图3.9 97C52引脚排列图 地址锁存器74HC373芯片图3.10 74HC373引脚图74HC373为三态输出的八D透明锁存器,共有 54/74S373 和 54/74LS373 两种线路结构型式,74HC373的输出端 O0O7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，O0O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，O0O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。当LE端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。 MAX813L芯片（看门狗及复位专用芯片）图3.11 MAX813L引脚图MAX813L芯片及其工作原理： 加电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出，复位脉冲宽度典型值为200 ms。 独立的看门狗输出，如果看门狗输入在16 s内未被触发，其输出将变为高电平。 1.25 V门限值检测器，用于电源故障报警、电池低电压检测或5 V以外的电源*。 门限电压为4.65V 低电平有效的手动复位输入。 8引脚DIP封装。MAX813L引脚功能及说明：、手动复位输入端（）：当该端输入低电平保持140 ms以上，MAX813L就输出复位信号.该输入端的最小输入脉宽要求可以有效地消除开关的抖动与TTL/CMOS兼容。、工作电源端（VCC）：接+5V电源。、电源接地端（GND）：接0 V参考电平。、电源故障输入端（PFI）：当该端输入电压低于125 V时，5号引脚输出端的信号由高电平变为低电平。、电源故障输出端（)：电源正常时，保持高电平，电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平。、看门狗信号输入端（WDI）：程序正常运行时，必须在小于16 s的时间间隔内向该输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过16 s该输入端收不到脉冲信号，则内部定时器溢出，8号引脚由高电平变为低电平。、复位信号输出端（RST）：上电时，自动产生200 ms的复位脉冲；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出。、看门狗信号输出端（）：正常工作时输出保持高电平，看门狗输出时，该端输出信号由高电平变为低电平。2.双积分模/数转换接口设计模/数转换模块的核心是双积分A/D转换电路ICL7135，该芯片的引脚如图4.12所示，为DIP28封装。 A/D转换ICL7135芯片图3.12 ICL7135引脚排列图ICL7135的主要参数：电源电压V+ +6V温度范围0 70V-9V热电阻PDIP封装qJA(/W)55prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号模拟输入电压V+ V-最大结温150 参考输入电压 V+ V-最高储存温度范围-65 150 时钟输入电压GND V+ICI7135是4位双积分A/D转换芯片,可以转换输出20000个数字量,有STB选通控制的BCD码输出,与微机接口十分方便.ICL7135具有精度高(相当于14位A/D转换),价格低的优点.其转换速度与时钟频率相关,每个转换周期均有:自校准(调零),正向积分(被测模拟电压积分),反向积分(基准电压积分)和过零检测四个阶段组成,其中自校准时间为10001个脉冲,正向积分时间为10000个脉冲,反向积分直至电压到零为止(最大不超过20001个脉冲).故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数,到反向积分为零时停止计数.将计数的脉冲个数减10000,即得到对应的模拟量.图3.13给出了ICL7135时序,由图可见,当BUSY变高时开始正向积分,反向积分到零时BUSY变低,所以BUSY可以用于控制计数器的启动/停止。图3.13 ICL7135时序prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器ICL7135引脚功能及含义如下：prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电、与供电及电源相关的引脚(共7脚) prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.-V:ICL7135负电源引入端,典型值-5V,极限值-9V;prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.+V:ICL7135正电源引入端,典型值+5V,极限值+6V;prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.DGND:数字地,ICL7135正,负电源的低电平基准;prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.REF:参考电压输入,REF的地为AGND引脚,典型值1V,输出数字量=10000(VIN/VREF);prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.AC:模拟地,典型应用中,与DGND(数字地)一点接地;prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.INHI:模拟输入正;prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.INLO:模拟输入负,当模拟信号输入为单端对地时,直接与AC相连.、与控制和状态相关的引脚 (共12脚) prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.CLKIN:时钟信号输入.当T=80ms时,fcp=125kHz,对50Hz工频干扰有较大抑制能力,此时转换速度为3次/s.极限值fcp=1MHz时,转换速度为25次/s.prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.REFC+:外接参考电容正,典型值1F.prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.REFC-:外接参考电容负.prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.BUFFO:缓冲放大器输出端,典型外接积分电阻.prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.INTO:积分器输出端,典型外接积分电容.prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.AZIN:自校零端.prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.LOW: 欠量程信号输出端,当输入信号小于量程范围的10%时,该端输出高电平.prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.HIGH:过量程信号输出端,当输入信号超过计数范围(20001)时,该端输出高电平.prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.STOR:数据输出选通信号(负脉冲),宽度为时钟脉冲宽度的一半,每次A/D转换结束时,该端输出5个负脉冲,分别选通由高到低的BCD码数据(5位),该端用于将转换结果打到并行I/O接口.prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.R/H:自动转换/停顿控制输入.当输入高电平时;每隔40002个时钟脉冲自动启动下一次转换;当输入为低电平时,转换结束后需输入一个大于300ns的正脉冲,才能启动下一次转换.prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.POL:极性信号输出,高电平表示极性为正.prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.BUSY:忙信号输出,高电平有效.正向积分开始时自动变高,反向积分结束时自动变低.、与选通和数据输出相关的引脚(共9脚)prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.B8B1:BCD码输出.B8为高位,对应BCD码;prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.D5:万位选通;prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号.D4D1:千,百,十,个位选通.prX838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号 8155芯片、8155的结构和引脚8155有40个引脚，采用双列直插封装，其引脚图和组成框图如图3.15所示。地址/数据线AD0AD7（8条） I/O口总线（22条）：PA0PA7、PB0PB7、 PC0PC5。 控制总线（8条）ALE 地址锁存（输入）IO / /M IO口/RAM选择， 0：选内RAM； 1：选内IO口/CE 片选线/RD、/WR 读、写控制TIMERIN 定时器输入（输入定时器所需时钟）TIMEROUT 定时器输出（输出所产生的方波脉冲）图3.15 8155芯片引脚图及组成框图、8155的RAM和I / O口地址编码图3.16 8155地址编码ICL7135与8155的连接是通过4为2选1数据多路开关74HC157来实现的。其选通信号由ICL7135的D5输出控制。当A/D转换结束时，D5输出高电平，74HC157选通B类通道，单片机通过PA0PA3读入万位数B1、状态位POL(极性)、OVR（过量程）和UR（欠量程）；当D5输出完成时，变为低电平（这一过程包括D4D1数据输出周期在内），74HC157选通A类通道，单片机通过PA0PA3将依次读入8421码值B8，B4，B2及B1，即低位BCD码，依次形成万、千、百、十、个各位BCD码（即转换结束）。经调理后的02V的模拟信号通过RC低通滤波后，从IN+,IN-输入。A/D转换后的结果包括2部分：极性、量程等，反映转换性质的结果。转换后的数字信号为D1，D2，D3，D4及D5，其中D5只能是0或1，其他几位为09的BCD码。ICL7135所需的参考电压为量程的1/2，如量程为2V，则参考电压为1V。为了保证转换的温度稳定性和精度，采用高精度基准电源MC1403，通过金属膜多圈进口电位器调节得到。参考电压上并联的CBB电容C46（0.1F），C47(1F)主要是保证参考电压的稳定性，在实际中发现对转换的稳定性和精度有较大影响。参考电容C42，C40及自动稳0电容C39由于同样原因，也必须选用优质CBB电容或金属钽电容。积分电容是决定转换精度的关键器件。按照ICL7135的应用特性，积分电容C8和积分电阻R3与量程等有关，选用时必须满足下列要求：R3=满度电压/20AC8=10 00020AT积分器输出摆幅式中：T=1fclkfclk为ICL7135的时钟频率，一般可选择250kHz,166kHz,125kHz及100kHz。典型值为125kHz，此时ICL7135的转换速率为3次/秒。3.键盘接口设计键盘接口设计为通用PC机接口，是因为通用PC机键盘具有价格低廉、可靠性高、通用性好及操作方便等优点，而且维护方便。通用PC机键盘一般通过5芯接口与计算机连接，5个引脚分别为：复位信号（RST）、电源输入(+5V)、串行数据发送(DATA)、地（GND）及时钟信号(CLK)。PS/2插座(阳)引脚排列如图3.17所示。1：DATA2：NC3：GND4：+5V5：CLK图3.17 PS/2插座引脚排列图74HC244芯片的功能： 如果输入的数据可以保持比较长的时间(比如键盘)，简单输入接口扩展通常使用的典型芯片为74HC244，由该芯片可构成三态数据缓冲器。74HC244芯片内部共有两个四位三态缓冲器，使用时可分别以1C和2G作为它们的选通工作信号。当1C和2G都为低电平时，输出端Y和输入端A状态相同；当1G和2G都为高电平时，输出呈高阻态。74HC244芯片的引脚：图3.18 74HC244芯片的引脚图按照PC机键盘的信号特性设计的如图3.8的接口电路，在按键释放时产生中断，同时封锁时钟CLK信号。在DATA端串入2个40106的目的是，利用传输延迟时间满足时序配合的需要。R11，C24及其参数设置是为了避免按键按下时也产生外中断1触发信号。由于RC一解电路积分时间常数为0.4ms，Q0上的高电平存在时间较短，无法使40106输出低电平产生中断。DATA和CLK端的RC电路是为了上拉和滤波。由于CLK信号经反相后加到164的CLK，因此CLK的下降沿是164 CLK的上升沿，移位发生在CLK信号的下降沿。由于键盘类型不同，键盘信号会存在差异；但PC机键盘数据和时钟之间的关系相同的。键盘的接口程序采用外中断1下跳边沿触发中断方式实现，主程序只要调用扫描键缓冲子程序SCANKB即可。程序的清单如下：KEY_S BIT P3.3 ；按键状态线（INT1，查询方式）KEY_ADD EQU 8000H ；键盘接口地址图3.19 PC键盘信号时序图CLR164 BIT P1.3 ；164清除端；*；101或103PC机标准键按键扫描中断子程序：READKEY；出口：按键扫描码在ACC中；*READKEY: CLR IE1PUSH ACCPUSH DPLPUSH DPHPUSH 07HPUSH 03HPUSH 04HCLR EX1KS_0： JNB KEY_S,KS_1 ；判P3.3=0？：YES，说明有键按下后释放SJMP KS_0 ； ：NO，说明无键或键未释放KS_1: LCALL DL0 ；延时去斜MOV DPTR,#KEY_ADD；读按键扫描码MOVX A, DPTRANL A，#7FH ；屏蔽D7位CLR CLR164 ；清164，以解除CLK的封锁，以便再次接；收按键NOPNOPNOPNOPSETB CLR164SETB KPCJNE A, #6CH,KS_2MOV KB, #0CH ；是ESC键，则设置对应系统内键码SJMP KS_0GKS_2： CJNE A, #02H,KS_3MOV KB,#01H ；是1键，则设置对应系统内键码SJMP KS_0GKS_3： CJNE A,#03H,KS_4MOV KB,#02H ；是2键，则设置对应系统内键码SJMP KS_0GKS_4： CJNE A,#04H,KS_5MOV KB,#03H ；是3键，则设置对应系统内键码SJMP KS_0GKS_5： CJNE A,#05H,KS_6MOV KB,#04H ；是4键，则设置对应系统内键码SJMP KS_0GKS_6： CJNE A,#06H,KS_7MOV KB,#05H ；是5键，则设置对应系统内键码SJMP KS_0GKS_7： CJNE A,#07H,KS_8MOV KB,#06H ；是6键，则设置对应系统内键码SJMP KS_0GKS_8： CJNE A,#08H,KS_9MOV KB,#07H ；是7键，则设置对应系统内键码SJMP KS_0GKS_9： CJNE A,#09H,KS_0AMOV KB,#08H ；是8键，则设置对应系统内键码SJMP KS_0GKS_0A： CJNE A,#0AH,KS_0BMOV KB,#09H ；是9键，则设置对应系统内键码SJMP KS_0GKS_0B： CJNE A,#0BH,KS_0CMOV KB,#00H ；是0键，则设置对应系统内键码SJMP KS_0GKS_0C： CJNE A,#0CH,KS_0DMOV KB,#0BH ；是左移键，则设置对应系统内键码SJMP KS_0GKS_0D： CJNE A,#5DH,KS_0EMOV KB,#0AH ；是右移键，则设置对应系统内键码SJMP KS_0GKS_0E： CJNE A,#38H,KS_0F0MOV KB,#0DH ；是回车键，则设置对应系统内键码SJMP KS_0GKS_0F0： CJNE A,#44H,KS_0FMOV KB,#0FFH ；功能键F10为清0键CLR KP ；认为未按键（标志）SETB DISP0 ；清0键则设置清0标志SJMP KS_0GKS_0F: MOV KB,#0FFHCLR KPKS_0G: POP 04HPOP 03HPOP 07HPOP DPHPOP DPLPOP ACCSETB EX1RET1 ；其他按键返回0FFH无效键值DL0： MOV R7，#0FFH DJNZ R7，$RET；*；扫描键缓冲区子程序；*SCANKB: JBC KP, SC_0SJMP SCANKBSC_0： MOV A, KBRET第四章 载荷信号调理与数字化4.1 弱信号调理与放大小信号又称为微弱信号，一般必须经过调理才能进行数字化处理。信号调理主要有这样几种形式：阻抗匹配、放大、隔离、滤波及线性化，在有些检测系统中还包括传感器的激励等。本系统由压力传感器检测油路压力变化，信号调理电路就必须具有产生传感器所需的电压激励信号或电流激励信号的能力。信号调理模块应尽可能靠近信号源或传感器，这样信号在受到环境噪声影响之前即被放大，使信噪比得到改善。下面对几种信息调理形式逐一做简要介绍。1. 阻抗匹配放大电路与传感器之间往往存在阻抗不匹配匹配问题，信号要进入A/D转换电路也存在阻抗匹配问题。阻抗不匹配会使信号在各个环节的传输中严重畸变，导致严重检测误差；因此，在调理过程中必须十分注意阻抗匹配问题。一般阻抗匹配可由运放组成的跟随器完成，在本系统中使用LM358来实现。 LM358的简介LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器， 适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式，如图4.1所示。LM358的特性：内部频率补偿。直流电压增益高(约100dB) 。单位增益频带宽(约1MHz) 。电源电压范围宽：单电源(330V)；双电源(1.5一15V) 。低功耗电流，适合于电池供电。低输入偏流。低输入失调电压和失调电流。共模输入电压范围宽，包括接地。差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V) 。LM358的参数：输入偏置电流45 nA输入失调电流50 nA输入失调电压2.9mV输入共模电压最大值VCC1.5 V共模抑制比80dB电源抑制比100dB图4.1 LM358的DIP塑封引脚图引脚功能2. 信号放大信号放大电路是信号调理电路的核心。通常实际的传感器输出的物理信号量值都很小，需要通过放大调理来增加分辨率和敏感率，将输入信号放大为A/D转换所需要的电平范围。为了获得尽可能高的精度，应将输入信号放大至于ADC的量程相当的程度。在本系统中即为最大值2V的信号。（1）信号放大中的运算放大器由于传感器的输出阻抗一般都很高，输出电压信号幅度都很小，再加上恶劣的工作环境，会有不同程度的电磁干扰。传感信号放大用放大器与一般的通用运算放大器相比，在性能上有更为特殊的要求，表现在：高输入阻抗、高共模抑制比、低温漂、低失调、低噪声、高闭环增益、高稳定性及良好的线性度等。（2）信号放大电路信号放大电路通常有以下2中实现形式。集成仪表放大电路仪表放大器是一种精度差分电压放大器。它源于运算放大器，但优于运算放大器。仪表放大器把关键元件集成在放大器内部，其独特的结构使它具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移、增益设置灵活及使用方便等特点，在数据采集、传感器信号放大、高速信号调节、医疗仪器及高档音响设备等方面备受青睐。仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益组件，具有差分输出和相对参考端的单端输出。与运算放大器不同之处是，运算放大器的闭环增益是由反相输出端与输出端之间连接的外部电阻决定的，而仪表放大器则使用与输入端隔离的内部反馈电阻网络。仪表放大器的2个差分输入端施加输入信号，其增益既可由内部预置，也可由用户通过引脚内部设置或者通过与输入信号隔离的外部增益电阻设置。仪表放大器具有以下特点：高共模抑制比共模抑制比（CMRR）是差模增益（Ad）之比，CMRR=20lg|Ad/Ac|dB。仪表放大器具有很高的共模抑制比，CMRR典型值为70100dB。高输入阻抗仪表放大器具有极高的输入阻抗。仪表放大器的同相和反相输入端的阻抗都很高，而且相互十分平衡。低噪声由于仪表放大器必须能够处理非常低的输入电压，因此不能把自身的噪声加到信号上。在1kHz条件下，折合到输入端的输入噪声要求小于10Nv/Hz。低线性误差输入失调和比例系数误差能通过外部的调整加以修正；但是线性误差是器件的固有缺陷，它不能由外部调整来消除。一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为0.01%，有的甚至低于0.0001%。低失调电压和失调电压漂移仪表放大器的失调漂移也由输入和输出2部分组成，输入和输出失调电压典型值分别为100V和2mV。低输入偏置电流和失调电流误差双极型输入运算放大器的基极电流和FET型输入运算放大器的栅极电流流过不平衡的信号源时，电阻将产生一个失调误差。双极性输入仪表放大器的偏置电流典型值为1nA50pA；而FET型输入仪表放大器在常温下的偏置电流典型值为50pA。充裕的带宽仪表放大器必须提供足够的带宽，典型的单位增益小信号带宽为500kHz4MHz。具有“检测”端和“参考”端仪表放大器的独特之处还在于带有“检测”端和“参考”端。其允许远距离检测输出电压，而内部电阻压降和地线压降（IR）的影响可减至最小。特性如下：单电源：330V；双电源：515V；低电源电流：300A每运放，小于OP-07的1/10；低失调电压：最大100V；单位增益稳定；无倒相，输入端可串入500保护电阻；工业温度范围：-40+85封装形式：MSOP,TSSOP及SOIC等。由高性能运放构成的放大电路由于仪表放大器的价格比较贵，所以大多数应用场合一般采用通用高性能运放设计信号放大器。信号放大器是试验机升级改造的重要部件，直接关系到改造的成败和自动测试的可靠性。目前，适用于试验机升级改造的信号放大器尚无公认的、良好的市售商品，大多是各商家自行研制或自行配置的；因而，性能及功能差异都较大，设计中应充分重视对信号放大器的选用。使用较广泛的是ICL7650和OP-07运算放大器。放大器选用ICL7650，因为它具有低失调电压（5V）、超低失调电压温漂（0.01V/）、超低失调电压时漂（0.1V/月）、较高的开环增益（120dB）、高输入阻抗（106 M）及较高的共模抑制比（130dB）；不足之处是其电压范围较小（8V），但和单片机相配套时有较好的适应性。本系统采用OP-07构成3运放形式的差动放大器，如图4.2所示。由于放大器输入端IN（+）和IN（-）分别是2个运算放大器A1，A2的同相输入端，因此输入阻抗很高。由于电路采用对称结构，而且压力传感器信号直接加到测量放大器的输入端，因而保证了较强的抑制共模信号能力。为保证电路具有较强的共模抑制能力，一般选择R1=R1,R2=R2及R3=R3,通过调节RG调整电路的放大倍数。同时必须保证电阻良好的匹配性和一致性，而且必须采用误差优于1%的精密金属膜电阻。当阻值均为10k时，放大倍数为：Av=210 000/RG在每个运放的电源引脚上必须搭接优良的CBB电容或钽电容，通常是10F与0.1F并联；同时尽可能保证正、负电源的稳定性和对称性，这是保证放大电路性能的关键。图4.2 3运放信号放大电路3.信号隔离隔离是指使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统与测试系统之间传递信号，避免直接的电流或电压的物理连接的一种手段。因为数据采集系统所监测的设备可能会有高压瞬变现象，足以损坏计算机和数据采集板，将传感器信号与计算机隔离开，使系统安全得到了保证。隔离的另一个理由是，保证数据采集各个环节间不受地电位或共态电压差异的影响，从而影响测试精度。这是因为采集信号时，都需要以“地”为基准，如果在两“地”之间存在电位差，就可能导致地环路（ground loop）的产生，从而造成所采集的信号再现不准确；如果这一电位差太大，则可能危及到测量系统的安全。利用隔离的信号调理模块可以消除地环路，并保证准确的采集信号。模拟信号隔离比数字信号隔离难度要大得多，而且成本也比较贵。目前比较常用的是，采用线性光耦或2个特性几乎完全接近的普通光耦用特殊的电路实现；另外，直接采用具有隔离作用的仪表放大器也是方法之一，例如AD629等。4.信号滤波滤波就是从所要测量的信号中除去不需要的信号。机会所有的数据采集系统都会不同程度受到来自电源线或机械设备的50Hz噪声干扰；因此，大多数信号调理模块都包含低通滤波器，最大限度地剔除50Hz或60Hz噪声。交流信号（如振动）则往往需要使用防混淆滤波器。防混淆滤波器也是一种低通滤波器，具有非常陡峭的截止频率，几乎可以将频率高于数据采集板输入带宽的信号全部除去；如果不将这些信号除去，这些信号会错误地显示为数据采集板输入带宽之内的信号。在本系统中，低通滤波器的截止频率设计为40Hz，可以有效抑制工频干扰，克服测试中出现的“粗大”误差。5.信号激励在某些长安其系统中还必须有激励信号，例如应变压力传感器、热敏电阻及RTD都需要外接电压或电流激励信号。本系统压力传感器即使使用了恒电流激励，采用的是浙江大学电子系生产的恒流管3DH4。该恒流管的电流为410mA。由于始终保持传感器电桥内电流恒定，在4线制中不会由于通常的线电阻损耗引起误差，因而从理论上说没有灵敏度损失。在应变压力传感器测量系统中选用激励方法的原则是：在大R的情况下，恒流激励较恒压激励可使电桥有更好的线性输出。一般R/R0.01时，用恒流激励；而当R/R0.01时，用恒压激励。6.信号线性化线性化也是一种通用的信号调理环节。大多数传感器对于被测对象的变化具有非线性响应，须附加线性调理电路来纠正。由于硬件线性化比较困难，而且范围有限，在智能测试系统中目前广泛采用软件线性化的方法。在本系统中考虑到以下2个因素，线性化采用的仍是硬件方式：7135的转换速率比较低；采集具有一定的实时性要求。4.2 信号传输为了获取较大的共模抑制能力，压力传感器的调理放大电路与传感器是通过金属套筒封装在一起的。这样一方面可以避免传感器的意外损伤，另一方面可以起到十分有效的屏蔽作用，而且放大后的信号在传输过程中可以大大提高抗干扰能力。在信号的整个传输连接中，应该做到：输入屏蔽与共模（包括转接线等）必须是连续的，并只在一点接地；连接到输入线上的引线与信号线具有相同的屏蔽要求；接地地线电阻应1，并与其他强电地线隔离；信号线不与强电线近距离并行布线；模拟信号所有模块电路实行一点接地。4.3 信号的A/D转换处理按照图3.7设计的接口电路，8155的A口处于选通工作状态；因此在系统主程序中首先应将8155初始化为A口选通输入方式，定时器为方波发生器。系统中将转换后的BCD码结果暂存在4AH开始的3个单元中（从高到低：4AH的D0表示万，4BH表示千、百，4CH表示十、个）。7135的工作流程可用图4.3说明。图4.3 ICL7135工作流程图读取A/D转换结果的INT0中断服务程序的具体程序清单如下：；*；A/D转换结果读取中断程序：（/INT0）；万位引起中断：其他各位采用查询方式；结果暂存在AD单元中（3B）；*ICL7135： CLR IE0 ；因为是电平触发，软件必须清中断标志PUSH ACC ；保护现场PUSH 02HPUSH 01HPUSH 00HPUSH DPLPUSH DPHMOV DPTR, #I8155_PA ；读8155A口的A/D结果MOVX A, DPTRMOV R2, A ；万位入R2ANL A, #0F0HJNZ ICL7135_0 ；POL,OV,UN各位非0，则说明结果不正常SJMP ICL7135_1ICL7135_0： LJMP PR1ICL7135_1： MOV R1， #AD ；结果暂存单元（始地址）MOV A, R2ANL A, #01H ；存万位XCHD A, R1MOV A, R2ANL A, #00HSWAP AXCHD A, R1MOV R1， AINC R1WD4： MOVX A, DPTR ；读千位JNB ACC.7，WD4SWAP AMOV R1， A ；千存入WD3： MOVX A, DPTR ； 读百位JNB ACC.6，WD3XCHD A, R1 ；百位存入INC R1WD2： MOVX A, DPTR ；读十位JNB ACC.5，WD2SWAP AMOV R1, AWD1： MOVX A, DPTR ；读个位JNB ACC.4，WD1XCHD A, R1SETB EOC_AD ；设置转换完成标志PRI: POP DPH ；恢复现场POP DPLPOP 00HPOP 01HPOP 02HPOP ACCRETI第五章 抗拉强度的检测原理与实现5.1 抗拉强度的概念试样拉断前承受的最大标称拉应力。 抗拉强度是金属由均匀塑性变形向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力。对于塑性材料，它表征材料最大均匀塑性变形的抗力，拉伸试样在承受最大拉应力之前，变形是均匀一致上的，但超出之后，金属开始出现缩颈现象，即产生集中变形；对于没有(或很小)均匀塑性变形的脆性材料，它反映了材料的断裂抗力。符号为RM，单位为MPA。5.2 抗拉强度智能检测的原理从抗拉强度的定义可知，只要能自动检测出最大负荷，即峰值力，就可以得到抗拉强度。检测的程序框图如图6.1所示。为了更好地阐述抗拉强度检测子程序的设计思想，这里首先讨论了系统中单片机资源的分配情况。这也是一个系统设计必须考虑的重要问题，需要在系统设计前进行合理规划。5.3 抗拉强度检测程序抗拉强度检测程序清单如下。；*； 片内RAM分配（97C52的片内RAM为256B）：；00H0FH：为R0R7通用寄存器；10H1FH：为RAM区（光标暂存区）；20H21H：为位标志区与字节标志区；22H5FH：为数据缓冲区；60H7FH：为堆栈区（32B）；80H：为检测数据缓冲区，对非烧砖：其中80H全为压力数据； 对烧砖：80H9DH为压力区（30B）； 9EH0ABH为长度区（30B）； 0ACH0C9H为宽度区（30H）；LCD口地址定义CMD_RD_LCD EQU 6001HCMD_WR_LCD EQU 6000HDATA_RD_LCD EQU 6003H图5.1 抗拉强度检测程序框图DATA_WR_LCD EQU 6002H；8155口地址定义I8155_CMD EQU 0C100HI8155_PA EQU 0C101HI8155_PB EQU 0C102HI8155_PC EQU 0C103HI8155_TL EQU 0C104HI8155_TH EQU 0C105HI8155_RAM EQU 0C000H ；0C0FFH,共256B；键值NUM8 EQU 08HNUM9 EQU 09HLEFT EQU 0BHRIGHT EQU 0AHESC EQU 0CHENTER EQU 0DHNUM0 EQU 00HNUM1 EQU 01HNUM2 EQU 02HNUM3 EQU 03HNUM4 EQU 04HNUM5 EQU 05HNUM6 EQU 06HNUM7 EQU 07H；光标暂存区MAINCURSOR EQU 1FH ；存储主菜单光标位置（DDRAM地址）XXCURSOR EQU 18H ；选项菜单光标位置（在第2行）JCCURSOR EQU 19H ；检测菜单光标位置JCCURSOR1 EQU 1AH ；委托号编辑光标位置JCCURSOR2 EQU 1BH ；长宽编辑光标位置；类别号暂存LB EQU 5AH；委托编号暂存WT EQU 5BH ；5BH5EH(4B)；数据指针暂存DPTR_L EQU 58HDPTR_H EQU 59HDP_L EQU 3EHDP_H EQU 3FHDPTR1_L EQU 3CHDPTR1_H EQU 3DHSSZS EQU 3DH ；已搜索组数单元；组数暂存ZS EQU 5FH；每组个数暂存MZGS EQU 57H；临别单元LS EQU 56H；长数CD EQU 53H；宽度KD EQU 50H；本次转换结果暂存单元（3B）AD EQU 4AH ；4AH的D0表示万位，4BH表示；千位、百位，4CH表示十位、个位；上次结果暂存AD_LAST EQU 46H ；格式同上；比较用暂存单元AD_BJ EQU 40HAD_BJ_JS EQU 43H；BCD被乘数单元BCS EQU 40H ；与上述地址共用；BCD乘数单元CS EQU 24H ；乘数单元；编辑用临时存储单元E_HIGH EQU 39HE_MID EQU 3AHE_LOW EQU 3BH；编辑光标单元EDITCURSOR EQU 38H；串行通信个数暂存TXGS EQU 37H；本次A/D转换结束标志EOC_AD BIT 00H；本组检测完毕标志BZJCWB BIT 01H；所有组都检测完毕JCWB BIT 02H；烧砖标志SSZ EQU 03H；执行发送模块标志FS EQU 04H；检索标志ISEXIST EQU 05H；ON_COMM EQU 06H；COMM_OK EQU 07H；DP EQU 08H；SZFS EQU 09H；EXISTED BIT 0AH；XXBZ BIT 0BH；FSZFS BIT 0CHDISPMODE BIT 0DHDISP0 BIT OEH；*ORG 0000HSJMP MAINORG 0004HMAIN: MOV A, #00HMOV R0， #AD_LAST ；上个结果单元清除MOV R1， #ADMOV R2， #03HJCMENU11_FSZ_0E:MOV R0， AMOV R1， AINC R0INC R1DJNZ R2， JCMENU11_FSZ_0EJCMENU11_FSZ_02:LCALL READKEYCJNE A, #ESC,JCMENU11_FSZ_01RET ；直接返回；*JCMENU11_FSZ_1: LJMP JCMENU11_FSZ_10 ；转下组检测；*JCMENU11_FSZ_01:CJNE A, #RIGHT,JCMENU11_FSZ_02；回车键开始；检测MOV IE, #00000001B ；开发/INT0中断；（A/D转换中断）SETB P1.2 ；使7135处于转换状态JCMENU11_FSZ_05:MOV R2, #0C3H ；光标定位在压力高位；上，以显示压力LCALL PR1；主要是对检测的原始数据根据量程标定JNB DISP0， SSHHWW_00 ；判是否清0LCALL XY3KN ；YES，则清0JC XXXXS0 ；3kN，则显示0；否则，不显示0SSHHWW_00: JNB DISPMODE,SSHHWW_0 ；NO，则清0MOV R0， #AD ；#AD_LASTSJMP SSHHWW_1SSHHWW_0： MOV R0， #AD_LASTSSHHWW_1: MOV R1， #BCS ；将结果送存被乘数单元MOV R2， #03HJCFSZ_BCD_M1： MOV A, R0MOV R1， AINC R0INC R1DJNZ R2， JCFSZ_BCD_M1MOV R0, #CS ；乘数为10（BCD），以便；形成显示数据MOV R0， #00HINC R0MOV R0， #00HINC R0MOV R0， #10HMOV R0， #BCSMOV R1， #CSMOV R7, #03HLCALL BCDMN ；3B BCD乘法；（结果在AD_BJ_JS单元）LCALL INVERT ；结果转换XXXXS0： CLR DP ；清显示小数点标志MOV R0， #AD_BJ_JSMOV R7， #03HMOV R5， #O3HJCMENU11_FSZ_0L:JNB DP, JCFSZ_0L0MOV R2， #2EH ；小数点标志为真；（4位整数后是小数点）LCALL PR2 ；则显示小数点CLR DP ；后清除JCFSZ_0L0： MOV A, R0 ；显示结果MOV B, A ；暂存SWAP AANL A, #0FHADD A, #30HMOV R2， ALCALL PR2 ；DDRAMMOV A, BANL A, #0FHADD A, #30HMOV R2， ALCALL PR2DEC R5 ；判是否该显示小数点了？INC R5CJNE R5， #01H,JCMENU11_FSZ_0MSETB DP ；设置显示小数点标志JCMENU11_FSZ_0M:DJNZ R7， JCMENU11_FSZ_0L；*CLR EOC_AD ；清本次转换结束标志CLR P1.5 ；点亮采样指示灯SETB EA ；开放总中断MOV AD, #00H ；清结果高字节KEEE_7： JB EOC_AD, KEEE_5 ；等待本次转换结束。；YES，则转存储等LCALL READKEY1 ；NO，则扫描按键否？CJNZ A, #0FFH,KEEE_6SJMP KEEE_7 ；无键，则继续等待转换结；束KEEE_6： CJNE A, #ENTER,KEEE_70CLR EA ；有键且为ENTER键，则关；中断SETB P1.5 ；关采样指示灯LJMP KEEE_3 ；后转峰值保持KEEE_70： CJNE A, #LEFT,KEEE_7CPL DISPMODE ；为LEFT，则切换显示方；式（跟随，保持）SJMP KEEE_7KEEE_5： CLR EA ；关中断SETB P1.5 ；关指示灯MOV R0， #AD ；取转换结果并拷贝一份入；AD_BJMOV R1， #AD_BJMOV R2， #03HJCMENU11_FSZ_0G:MOV A, R0MOV R1， AINC R0INC R1DJNZ R2， JCMENU11_FSZ_0GMOV R0， #AD_LAST ；取上次结果拷贝入；AD_BJ_JS；减数单元MOV R1， #AD_BJ_JSMOV R2， #03HJCFSZ_0G: MOV A, R0MOV R1， AINC R0INC R1DJNZ R2， JCFSZ_0GMOV R7， #03H ；3B BCD码减法MOV R0， #AD_BJ ；被减数MOV R1， #AD_BJ_JS ；减数LCALL BCDBN ；结果在R0中JC JCMENU11_FSZ_0H ；比上次结果小，则转峰；值保持处理MOV R0， #AD_BJ ；判结果是否是0？MOV A, R0INC R0ORL A, R0JZ JCMENU11_FSZ_0H ；=0，说明相等，也；转峰值保持处理KEEE_4： MOV R0， #AD ；否则，比上次结果大，；则存入上次单元MOV RI, #AD_LASTMOV R2， #03HJCMENU11_FSZ_0I:MOV A, R0MOV R1， AINC R0INC R1DJNZ R2， JCMENU11_FSZ_OIJCMENU11_FSZ_OH:LJMP JCMENU11_FSZ_05 ；继续转换；峰值保持处理KEEE_3: CLR P1.2 ；是ENTER键，则峰值保持MOV R0, #AD_LAST ；转换结果为显示格式；（2为小数）MOV R1, #BCSMOV R2, #03HKEEE_31: MOV A, R0MOV R1， AINC R0INC R1DJNZ R2, KEEE_31MOV R0, #CS；10MOV R0, #00HINC R0MOV R0, #00HINC R0MOV R0, #10HMOV R0, #BCSMOV R1, #CSMOV R7, #03HLCALL BCDMNLCALL INVERTMOV A, LS ；取当前号数；（即第几个样品）DEC A ；以下计算：（号数-1）3MOV B, ARL A ；2ADD A, B ；相当于3ADD A, #80H ；从片内80H单元开始存放MOV RO, A ；当前结果在片内缓冲区的；存储指针MOV R1, #AD_BJ_JS；取结果（峰值，已转换）MOV R2, #03HJCMENU11_FSZ_0N:MOV A, R1 ；存入到相应的单元MOV R0, AINC R0INC R1DJNZ R2, JCMENU11_FSZ_0NMOV A, LS ；个数减1DEC AMOV LS, AJB SSZ, JCMENU11_FSZ_17LJMP JCMENU11_FSZ_00 ；继续检测下个第六章 可靠性设计6.1 可靠性问题可编程逻辑阵列芯片GAL16L8主要完成A/D转换模块所需的时钟信号和转换结束选通信号/STB产生单片机外中断0中断信号的逻辑转换，其逻辑方程如下：P16=/P2+/P3 (与非门)P14=P7+P8 (或门)P13=/P9 (非门)式中，Px中的x为引脚号；P2即为单片机的/RD；P3即为单片机的/WR；P8即为单片机的ALE信号；P9即为8155的A口中断信号；P13即为生成的单片机外中断触发信号。双积分模/数转换所需的-5V电源是通过MAX660等反压型电荷泵电源转换电路从+5V电源变换得到的，最大输出电流为100mA。该芯片的引脚如图6.1所示。图6.1 MAX660引脚排列图为了便于今后扩展，系统中设计了多路模拟输入切换电路，主要是由多路转换开关4051实现的。由于压力输出已转换为单极性信号，因此该芯片的VEE接地模拟地。4051 是单8 通道数字控制模拟开关，有三个二进制控制输入端A0、A1、A2 和INH 输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.520V 的数字信号可控制峰峰值至20V 的模拟信号。例如，若VDD5V，VSS0，VEE13.5V，则05V 的数字信号可控制13.54.5V 的模拟信号。这些开关电路在整个VDDVSS 和VDDVEE 电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当INH 输入端“1”时，所有的通道截止。三位二进制信号选通8 通道中的一通道，可连接该输入端至输出。4051 提供了16 引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4 种封装形式。推荐工作条件：电源电压范围3V15V输入电压范围0VVDD工作温度范围M类55125E 类.4085极限值：电源电压.0.5V18V输入电压0.5VVDD+0.5V输入电流.10mA储存温度65150引出端符号：A0A2 地址端I0/O0I7/O7 输入输出端INH 禁止端O/I 公共输出/输入端VDD 正电源VEE 模拟信号地Vss 数字信号地图6.2 4051逻辑符号可调电位器R2用来调节液晶显示屏的显示亮度。实际调试中，发现液晶模块的VEE电源接近0V，一般为0.xV。如太高，则不能正常显示。不要误判为硬件或软件问题。6.2 数字电路与模拟电路的供电(1) 数字电路的电源在大多数系统中，数字电路只要采用常用的“降压整流滤波稳压滤波”线性电源，即可很好地满足要求；但由于本系统是用来改造万能液压机的，在加载过程中必定存在液压泵电机的启/停及负载增大问题，可能会导致交流电源的大幅度波动，同时电机等设备也会产生较强的电磁辐射，使得系统非人为地复位，导致不能正常工作，因此，在本系统中采用了开关电源。但使用开关电源后会出现另一个问题，即数字电源对模拟电源的干扰会明显增大。其根本原因是开关动作对电源的污染和电磁辐射。(2) 模拟电路的电源基于上述原因，模拟电路的供电必须十分讲究。在系统中采用的电源解决策略可用图6.4来表示。图6.4 模拟电路的供电策略采用上述供电策略的目的在于：最大限度地减少信号调理所需的电源文波；最大限度地保证电源的稳定性与对称性；最大限度地减弱开关数字电源对模拟电源的扰动。参考文献1吴金成.8051单片机实践与应用M.北京:清华大学出版社，2009 .2马明建.数据采集与处理技术M .西安:西安交通大学出版社，1998.3刘润华.刘立山.模拟电子技术M .山东:石油大学出版社，2001.4梅晓榕，泊桂珍，张卯瑞.自动控制元件及线路M.北京:科学出版社，2007. 5高德远.超大规模集成电路的设计原理M .北京:高等教育出版社，2003.6谭浩强.C程序设计(第四版) M.北京:清华大学出版社，2010.7汪吉鹏.单片机微机原理系统设计与应用(第二版) M.北京:高等教育出版社，20068李江华，谢红，于蕾.仪表放大器技术初探与应用J .应用科技，200l.9杨光友，朱宏辉.单片机微型计算机原理及接口技术M.北京:中国水利水电出版社，200910林敏，丁金华，田涛.计算机控制技术及工程应用M.北京:国防工业出版社，2010.11杨志忠.数字电子技术基础M.北京:高等教育出版社，2008.12马玉林.正确执行钢筋试验的国家技术标准J .云南建材，1998.13刘润华.刘立山.模拟电子技术M .山东:石油大学出版社，2001.14金萍.WE系列液压万能材料试验机的微机控制系统J .机电工程，1999.致谢毕业设计是我在大学里的最后一门课程。通过这次毕业设计，我学会了如何查阅现有的技术资料、如何举一反三、如何通过改进并加入自己的想法与观点，使之成为自己的东西。并且结合生产知识，培养理论联系实际以及分析和解决工程实际问题的才能，并使大学四年所学的知识得到进一步巩固、深化和扩展。在此，我对我的论文指导老师李玉声老师表示衷心的感谢，感谢他对我的严格要求，感谢他的监督和指导。其次我要感谢这四年里给我授课的所有老师。感谢你们传给我知识。最后还要感谢参考文献中所列书籍、文章及资料的作者。附件1：外文资料翻译译文单片机介绍单片机也被称为微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端1的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。 单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可.用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！.它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。 单片机芯片单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。 单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的