建材質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    建材質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)可以通過指定的材料萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能指標(biāo)采集處理的系統(tǒng)，其主體是聯(lián)機(jī)測(cè)試模塊，重點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集子模塊和智能檢測(cè)子模塊。數(shù)據(jù)采集子模塊包括信號(hào)的放大和處理，智能檢測(cè)子模塊則負(fù)責(zé)所獲得力學(xué)參數(shù)的檢測(cè)。

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案

1 系統(tǒng)總體方案的確定

    按照自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能及設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)的方案確定需要從以下幾個(gè)方面考慮：

●  自動(dòng)采集力和形變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)；
●  自動(dòng)分析處理采集數(shù)據(jù)，得出用戶要求的力學(xué)性能指標(biāo)；
●  試驗(yàn)過程中按要求確定數(shù)據(jù)加載速率及各關(guān)鍵技術(shù)的解決方案；
●  能自動(dòng)保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，供用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢；
●  系統(tǒng)性價(jià)比高，界面友好，操作方便，便于用戶使用。

    要從所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中得到合理的結(jié)果，完成自動(dòng)監(jiān)測(cè)的功能，就必須依賴于系統(tǒng)的每一個(gè)組成部分，即材料試驗(yàn)機(jī)、傳感器、信號(hào)放大調(diào)理、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)顯示部分.

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2系統(tǒng)的原理框圖

    按照上述思路設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可用圖1所示的框圖加以說明。
從以上原理圖可以看出，試驗(yàn)機(jī)上串接的壓力傳感器輸出的小信號(hào)通過屏蔽電纜送入信號(hào)放大調(diào)理模塊，完成信號(hào)的放大、濾波及極性轉(zhuǎn)換等。放大后的模擬信號(hào)經(jīng)數(shù)字化模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，傳送給單片機(jī)，再經(jīng)過運(yùn)算及零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)忍幚?，在液晶模塊上顯示出來，同時(shí)經(jīng)過串行接口送到上位機(jī)。鍵盤提供人機(jī)交互的手段，但在此次設(shè)計(jì)中暫不對(duì)其做出分析。數(shù)據(jù)保存模塊具有掉電保護(hù)功能，主要是保存當(dāng)前委托編號(hào)，采集數(shù)據(jù)等信息不因斷電而丟失。系統(tǒng)的性能要做到穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確，且使用簡(jiǎn)便，有較高的容錯(cuò)能力，在功能上要保證有一定的可擴(kuò)展。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)

●  聯(lián)機(jī)測(cè)試模塊

    聯(lián)機(jī)測(cè)試模塊是整個(gè)材料試驗(yàn)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，主要包括圖像處理子模塊、數(shù)據(jù)采集子模塊與智能檢測(cè)子模塊．

●  數(shù)據(jù)的傳送與通信

    通信程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要是保證通信的可靠性。由于通信線路長(zhǎng)，其必然成為各種尖峰干擾的引入源，再加之共同地線影響MCU、A/D等單元，引起地電位脈動(dòng)，從而造成數(shù)據(jù)抖動(dòng)甚至出現(xiàn)粗大誤差。因此，必須對(duì)通信接口電路進(jìn)行光電隔離。通信接口芯片的選擇也很重要。上位機(jī)的通信接口程序，可采用串行通信控件等實(shí)現(xiàn)；計(jì)算機(jī)串口1、串口2分別與兩數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)（下位機(jī)）相連，采用循環(huán)掃描方式限時(shí)與下位機(jī)通信。

聯(lián)機(jī)測(cè)試模塊的設(shè)計(jì)

1 圖像處理子模塊

    圖像處理模塊主要負(fù)責(zé)試驗(yàn)曲線的繪制、顯示、保存等操作，系統(tǒng)對(duì)于曲線的顯示有以下幾個(gè)方面的要求。

圖2 高線性度橋路放大器

① 曲線顯示直觀。依據(jù)試驗(yàn)機(jī)的最大負(fù)載、油缸活塞最大位移、試樣預(yù)計(jì)抗拉強(qiáng)度、最大變形等指標(biāo)，基本手動(dòng)輸入出橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的最大刻度。繪制曲線必須依據(jù)此刻度按照比例進(jìn)行。

② 曲線顯示的大小要適中。顯示過大，有過分強(qiáng)調(diào)曲線數(shù)據(jù)之嫌，且曲線圖象較大，增加系統(tǒng)后續(xù)處理的負(fù)擔(dān)；顯示太小，影響試驗(yàn)加載過程的直觀表達(dá)。

③ 橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)是需要依據(jù)用戶的要求發(fā)生變化的，不能固定不變。

    此模塊的設(shè)計(jì)可以采用Visual Basic的 Picture Box控件。

2 數(shù)據(jù)采集子模塊

    數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的模塊包括信號(hào)變送電路、信號(hào)采集處理兩部分。

    信號(hào)處理部分的核心是單片機(jī)，全程菜單驅(qū)動(dòng)，根據(jù)選定的材料類型自動(dòng)生成檢測(cè)的樣品組數(shù)、個(gè)數(shù)以及委托編號(hào)等。每檢測(cè)完一組，自動(dòng)向上位機(jī)發(fā)送，并送存機(jī)內(nèi)環(huán)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元以便備查。

圖3 屈服點(diǎn)檢測(cè)程序圖

● 信號(hào)變送電路

    信號(hào)變送電路的核心是具有高精度、高穩(wěn)定度與高線性度的橋路放大器。由于傳感器必須連續(xù)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，在傳感器選用上必須保證高精度和穩(wěn)定度，因此選用壓阻式壓力傳感器。傳感器的靈敏度可通過調(diào)節(jié)放大器增益來校正，從而使之在高電平輸出時(shí)具有良好的互換性。

    為使線性度和靈敏度均較佳，可采用如圖2所示的高線性度橋路放大器。

● 信號(hào)采集處理

    信號(hào)采集的關(guān)鍵是信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換處理。A/D轉(zhuǎn)換模塊的核心是雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路ICL7135。ICL7135是一種常用的4位半雙積分型單片集成ADC芯片，其分辨相當(dāng)于14位二進(jìn)制數(shù)；轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換誤差為±1LSB；能在單極性參考電壓下，對(duì)雙極性的輸入模擬電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；模擬輸入電壓范圍為0～1.999V。芯片采用了自動(dòng)校零技術(shù)，可保證零點(diǎn)在常溫下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；模擬輸入可以是差動(dòng)信號(hào)，輸入阻抗極高。

3 智能檢測(cè)子模塊

    以常見的建材—鋼材為例來說明。用作建筑材料的鋼材通常需要具備較高的強(qiáng)度、足夠的變形能力、良好的工藝性能等。因此，只要能自動(dòng)檢測(cè)出最大負(fù)荷，即峰值力，就可以得到屈服點(diǎn)強(qiáng)度。檢測(cè)的程序框圖如圖3所示。

數(shù)據(jù)的傳送通信模塊的設(shè)計(jì)

    根據(jù)系統(tǒng)的拓?fù)湫枰梢圆捎?strong>RS-232串行通信方式，也可采用RS-485等現(xiàn)場(chǎng)總線方式。從通信環(huán)境和距離實(shí)際出發(fā)，采用RS-232比較合適，而且本系統(tǒng)與材料試驗(yàn)機(jī)相聯(lián)系使用，從系統(tǒng)到上位機(jī)有一定距離，因此采用串行通信方式。

    RS-232接口包括接收信號(hào)線RXD、TXD和一系列控制信號(hào)線。在這些控制信號(hào)線中，當(dāng)RS-232信號(hào)在進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)化時(shí)：邏輯“0”對(duì)應(yīng)+5～+15V，邏輯“1”對(duì)應(yīng)相對(duì)于地的-5～-15V。