基于单片机技术的装配压力测控仪设计与研究

2016-10-18张秀艳代小军

制造业自动化 2016年9期

关键词：子程序测控单片机

张秀艳，代小军

（1.大连科技学院，大连 116052；2.大连三洋冷链有限公司，大连 116600）

控制技术

基于单片机技术的装配压力测控仪设计与研究

张秀艳1，代小军2

（1.大连科技学院，大连 116052；2.大连三洋冷链有限公司，大连 116600）

在零部件过盈配合的装配时，装配压力过小或过大都会影响装配效果。对装配压力要进行监测与控制来保证产品质量。为了准确测量装配压力，结合实际应用，针对装配机的装配压力进行全自动监控，设计了一台以单片机为核心的装配压力测控仪。该控制器发挥了单片机智能控制的优势，能够达到较高的装配压力测控精度。

装配压力；单片机；压力测量

0　引言

压力指标在工业化生产当中有着重要的作用，在生产中保障安全的一项衡量指标，所以对于压力的测量是一项比较重要的过程。压力检测是一般生产过程所不可缺少的环节，只有按工艺要求保持压力的稳定，才能维持生产的正常。

在零部件过盈配合的装配时，为了保证装配精度和效率，对装配压力要进行监测与控制。由于压力控制在生产过程中起着决定性的安全作用，因此有必要准确测量压力。

本课题结合实际工程应用，针对装配机的装配压力进行全自动监控，设计了一台以单片机为核心的装配压力测控仪。

1　系统的总体设计方案

装配压力测控仪将装配力的物理量通过力传感器被送入A/D转换器，进行模数转换，将模拟量转换成数字量，再送入89C51单片机中，在单片机中进行标度变换、二进制码转换成BCD码、BCD码转换成分离BCD码、分离BCD码转换成显示码，最后将显示码送到显示模块中。

对系统基本功能的分析，可将该系统结构大致分为如下四个部分：1）电源整流部分：此部分主要包括变压器、整流器等硬件电路，它的作用是将220V交流电转换为单片机所需的直流电源。2）A/D转换部分：主要是指外界的物理量通过传感器而得到的模拟量，进入A/D转换器，物理量由A/D转换器得到数字量送入单片机中，这是系统的关键部分之一。3）控制部分：它包括CPU（中央处理器）、以及键盘控制电路等，能够对指示仪的量程、报警值和键盘信号进行处理，是整个控制系统的核心。4）显示部分：是指数码管和光柱显示电路，它是LED发光二极管通过单片机的对其控制来实现的。

通过对装配压力测控仪显示方案的分析并结合装配机的具体要求，装配压力测控仪的原理方框图如图1所示。

图1　原理方框图

2　系统硬件的设计

系统的硬件设计主要包括：压力传感器、CPU、A/D转换器、显示芯片的选择，显示、键盘、I/O接口以及控制电路。装配压力测控仪电路如图2所示。

图2　电路原理图

2.1力传感器的选用

压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分，由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号作输出，给显示仪表显示压力值，或供控制和报警使用。图2给出压力传感器信号采集电路。选用了测量范围广，精度较高，性能价格比好的型号YCB-20A的电阻应变式压力传感器。测量范围2、4、6 、8、10、12、15、20、25、30、35、40、60精度1mV/V电阻应变式压力传感器，不锈钢结构。具有测量精度高、迟滞误差小、工作稳定、体积小、重量轻，量程广的特点。

2.2CPU的选用

装配压力测控仪系统选用89C51芯片，89C51是MCS-51系列单片机是功能很强的8位微型计算机，是MCS-51系列的代表性产品，89C51虽然片内没有EPROM，但在市场上价格很低，仅需在片外扩展一片EPROM就可以构成8751。

2.3动态扫描接口

动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。其接口电路是把所有显示器的8个笔划段a-h同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM是各自独立地受I/O线控制，这种显示方式可以起到节省系统I/O口的作用，采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮。用了74LS373和74LS145地址寄存器与数码管相连，不连接限流电阻。

2.4A/D转换器及接口电路

采用的A/D转换芯片是TLC1459，它是10位逐次逼近模数转换器，具有自动采样保持功能，采用串行方式与处理器进行数据交换，与处理器连接仅有芯片选择、I/O时钟和数据输出3引线。89C51的P1.5、P1.6和P1.7分别用于TLC1549的I/O时钟、数据输出和片选信号，TLC1549是10位、开关电容、逐次逼近模数转换器。

2.574LS373及其接口电路

采用74LS373作为段地址寄存器，它是20管脚三态同向八上升沿D触发器，其主要电器特性的典型值为：fm=50Hz，Pd=135mW。它的输出端Q0～Q7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，Q0～Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，Q0～Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但所存器内部的逻辑操作不受影响。当时钟端CP脉冲上升沿的作用下，Q随数据D而变。

2.6电源的设计

电源外接220V交流电，首先通过变压器将220V电压变为24V和12V交流电，通过整流滤波电路（包括电桥，电容器等元件）最终将电压变为5V直流电，供整套系统使用。其电源内部电路图3所示。

图3　电源内部电路原理图

3　系统软件的设计

本系统的软件设计所用的编程语言是汇编语言，对系统功能的分析，程序的总体设计，系统资源的分配，相关定时器/计数器工作方式的选择，然后再进行相关数据的计算，流程图的绘制，具体编程，仿真调试，对程序进行修改等多个方面。

A/D转换器TLC1549从传感器读入模拟量之后转换成数字量然后将其送入单片机，经过标度变换、显示码处理后将显示码分别送到数码管和光柱上显示出来。软件还可以实现按键操作。

基于操作友好、功能齐全、安全可靠的设计原则，该系统的程序还具有报警提示功能、键抖动处理功能、看门狗功能以及工作状态显示功能等。

3.1系统的主程序

该系统的主程序有初始化（包括89C51的初始化，定时器初始化，看门狗初始化等）、A/D转换，标度变换，显示处理键盘扫描，键盘处理等程序段和功程序模块组成，其流程图如图4所示。外界的物理量经过A/D转换变为数字量再经过标度变换、显示处理，显示出来。

图4　主程序流程图

3.2系统子程序

1）按键操作子程序

键盘也是该仪表的重要的一部分，该仪表一共设计了四个功能键，分别为设置键，增加键，减少键和退出键，它们接在89C51单片机的P2口上，当K分别为1，2，4，8时表示它们已被分别按下。

2）一键多功能操作子程序

在按键操作中经常会用到一种特殊的按键方式，就是一键多功能操作，在一个按键上实现对多个参数的控制。

系统子程序具体流程图如图5所示。

图5　子程序流程图

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4　用户使用说明

控制面板是人和工作机进行交流的十分重要平台，面板上的数码管显示器能精确的显示出物理量的值，光柱显示器又能直观的表现出物理量的变化，如图6所示。红色的指示灯为上限报警灯，黄色的为下限报警灯，绿色的为设置状态指示灯。长按控制面板上的设置键（大约两秒钟）便可进入设置状态此时绿色的指示灯亮，此时数码管显示器显示仪表的下限值，按“+”和“-”进行设置，按退出键便可退出设置状态。