用于多个引伸计数据采集的接口电路设计

徐国强，董 芳，刘继芬，李永庆，薛 鹏，董超群

(1．中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院,山东 青岛 266580；2． 青岛滨海学院 机电工程学院 ,山东 青岛 266580；3．山东省东营市人力资源与社会保障局,山东 东营 257091；4．中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院, 山东 青岛 266580）

在金属材料的力学性能测试实验中，测定材料的变形通常有两种方法：1）传统方法，即利用球铰式引伸仪测量金属材料的微小变形量，该方法存在很多缺点和不足，如读数误差太大、人工计算麻烦、时效性差、操作繁琐、检验精度低等，导致其很多时候无法满足教学实验或生产加工的实际功能需求；2）电子仪器采集方法，即应用与引伸计有关的专用电子仪器设备对金属材料的微小变形量进行测量。但是目前这些专用的电子仪器设备大多数采用PCI板卡的形式与计算机进行通讯连接，需要另外专门配备计算机并安装配套系统软件才能使用；成套软硬件设备不仅价格昂贵，而且其接口形式单一、便携性差，不便于一些特殊现场的实际使用，后期维护和改进升级也很困难。

针对以上问题，文中利用高精度传感器和高性能单片机设计了一套用于多个电子引伸计数据采集的电路系统，可以对1～3路引伸计信号同时进行检测，对材料1～3个维度的形变量进行直观显示；该系统检测精度高、实时性好、造价低、体积小、便携性好；同时该系统设置有串行通信接口，可与外部计算机进行互联通信，上位计算机通过启动配套的系统软件可以对检测参数进行直观显示和后期处理，系统软件的维护和升级方便快捷。

1 系统硬件电路设计

1.1 总体设计

电子引伸计一般由全桥式电阻片、弹性元件和装夹3部分组成，其输出信号电压与电阻片变化量成正比[1]。在5 V供电情况下，通过实际测量可知电子引伸计的输出信号在0～10 mV之间，而且受外部干扰的影响比较大，这给后期信号处理带来很大困难。文中结合电子引伸计的输出信号特性和教学实验及生产加工的实际功能需求，以单片机为核心器件设计了一套用于多个电子引伸计数据采集的接口电路系统[2]，系统的硬件电路结构如图1所示。

图1 系统硬件电路Fig.1 Hardware circuit structure chart of the system

系统硬件电路采用模块化设计思想，首先对电子引伸计输出的微小毫伏信号进行放大和硬件滤波，然后经过A/D转换为数字信号，最后由单片机处理数据并将处理结果由液晶模块实时显示出来、同时可以通过通讯接口发送给上位计算机。其中单片机系统以STC12C5410AD为核心，液晶电路选用1602型液晶，串行通信电路采用MAX232转换电平完成通信任务，电源部分由LM1117-5提供+5 V电压。

1.2 放大及滤波电路设计

1）放大电路的设计。根据输出信号特点，要求放大电路对信号具有较高的放大增益，并且在放大过程中尽量少引入噪声。因此系统设计选用了专门的信号调理集成芯片AD7714（可编程增益放大器）。其优点是放大倍数可以根据实际需要调整，而且集成在芯片内部引入的噪声小[3]。

2）滤波方案的设计。通过测量知道系统前端的电子引伸计输出信号的外部干扰很大，所以滤波处理是必要的。系统采用软硬件滤波相结合的方法，通过AD7714进行硬件滤波，在程序中加入滤波算法对信号进行进一步的处理；其优点是方法简单，不需要搭建复杂的硬件电路，对小信号的处理效果比较好。

1.3 模数转换电路设计

系统直接采用AD7714对电子引伸计信号进行处理，它内部包括开关矩阵、缓冲器、可编程增益放大器、电荷平衡式A/D转换器、串行接口、寄存器组及时钟发生器，可以对小信号直接进行处理，适合本系统对小信号处理的需要。其具有如下特点：1）采用电荷平衡式ADC；2）24位无误码；3）非线性误差为±0.0015%；4）具有三线性串行接口，能与SPI、QSPI、MICRO WIRET、DSP接口兼容；5）内部有8个寄存器，利用微控制器，通过串行接口可将AD7714配置成差分输入或单端输入方式，能构成3通道（差分输入）或5通道（单端输入）的输入通道；6）具有自校准、系统校准、系统失调校准及背景校准等多种校准功能，通过自校准可以消除零刻度和满刻度时系统误差、紊乱时误差以及温度改变引起的数据漂移。AD7714具有6个可编程的模拟输入通道（AIN1-AIN6），这正好符合同时检测多路引伸计数据的要求。AD7714及其外围电路图如图2所示。

图2 AD7714及其外围电路图Fig.2 AD7714 and its peripheral circuit diagram

2 系统软件设计与开发

2.1 下位单片机处理程序设计

系统下位单片机处理程序流程如图3所示。其主要功能包括：1）设定外部元件寄存器参数；2）读取并处理A/D转换结果；3）控制液晶模块显示处理结果；4）单片机和上位机相互通信。核心程序代码采用Keil C51进行编写[4]。系统选用FIR数字滤波器法对A/D转换结果进行软件数字滤波处理。

图3 单片机处理程序流程图Fig.3 SCM processing program flow chart

2.2 上位机软件设计与开发

系统上位机软件需要完成数据采集、存储和曲线绘制等任务，采用可视化编程工具Visual Basic 6.0进行设计和开发[5]。软件通过MSComm控件完成串行通信任务[6-9]、通过DATA控件和ADO控件来连接数据库进行存储和更新、运用Timer控件完成数据定时采集，系统的数据接收界面如图4所示。

系统软件的曲线绘制功能界面如图5所示。界面左边的数据列表区使用DATAGRID控件显示多行多列数据，界面右边的曲线绘制区使用了MSchart控件的绘图方法实现曲线的绘制。

图4 数据接收界面Fig.4 Picture of the data receiving program

图5 曲线绘制功能界面Fig.5 Picture of the curve plotting function

3 测试实验

系统硬件电路和软件程序设计开发完成之后在中国石油大学(华东)工程力学实验室进行了对比测试实验。实验中对直径为10.00 mm的低碳钢试样进行了多次试样变形量测量，并记录了实验室原有标准测量设备与本系统分别在同样载荷和变形量情况下的测量值，测量数据对比如表1所示。测试数据表明，本系统的测量值与实验室现有的标准测量设备的测量值基本相同，完全能满足力学实验的实际应用需求，实现了系统的设计目标。

表1 实验测试数据Tab.1 The experimental test data

4 结 论

文中针对教学实验或生产加工的实际功能需求设计开发了一套检测精度高、实时性好、造价低、体积小、便携性好的能用于多个电子引伸计数据采集的电路系统，系统设置有与上位机通讯的串行通信接口，通过启动上位机软件可以对检测参数进行形象直观的曲线显示和后期处理，软件后期的维护和升级操作方便快捷。测试实验表明该系统能实时测量金属材料万分之一毫米数量级的微小变化，在测量精度和速度上都达到了预期设计目标，具有较大的应用价值。

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