基于STC12C5A60S2的纯剪切应力测试仪控制系统设计

刘 妮

(西安科技大学高新学院，陕西 西安 710109)

基于STC12C5A60S2的纯剪切应力测试仪控制系统设计

刘 妮

(西安科技大学高新学院，陕西 西安 710109)

介绍了一种检测道路施工中沥青混凝土内部结构剪应变与剪应力关系的工程材料纯剪切应力测试仪器。设计了基于STC12C5A60S2的剪应力测试仪的控制器机械装置、控制系统。控制系统由数据采集模块、微控制单元、显示模块、打印模块、电机控制模块组成。该纯剪切应力测试仪经过实际测试，能够对混凝土样品进行纯剪切应力测试，系统运行稳定可靠，测试数据准确度高，具有一定的实际应用价值，可以推广。

纯剪切；剪应变；剪应力；STC12C5A60S2；嵌入式打印机；MAX7219

0 引言

单元体截面上只有切应力而无正应力作用，这种应力状态叫做纯剪切应力状态[1]。纯剪试验是研究板材成形的基本试验之一，在工程上应用比较广泛。

随着混凝土材料应用领域的不断扩大和研究工作的不断深入，混凝土的剪切强度作为其基本的力学性能指标原来越受到工程界的重视。根据实际工程及修订规范的需要，本文对混凝土剪切强度指标进行了研究，并设计出针对此指标的试验样机[2]。

1 纯剪切应力测试仪机械结构设计

纯剪切应力测试仪的机械装置如图1所示。

测试原理：将待测材料的模型放入到纯剪切模具中，而后将模具和应变传感器固定在升降平台上，使电动机运动带动升降台向应力传感器方向运行，与应力传感器接触并进行挤压实现对材料模型的剪切，通过应变和应力传感器测量该过程中的剪切应力和应力变[3]。

图1 测试仪机电结构图

2 纯剪切测试仪控制器的总体设计方案

本文旨在为上述的测试装置设计一台控制器。该控制器包括剪应力和剪应变的数据实时采集和显示、电机的正反转控制、剪应力和剪应变数据的存储和关系曲线的输出打印。控制器的系统框图如图2所示。

图2 测试仪控制系统框图

3 纯剪切测试仪控制器的硬件电路设计

3.1 控制器介绍

本系统选择的STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T指令周期模式)单片机，相对于传统的8051单片机，其指令系统执行速度比较快，平均速度是传统8051指令速度的8～12倍[4]。STC12C5A60S2单片机内部集成了60 KB的Flash程序存储器，完全能满足系统程序存储的需求；内部RAM具有256 B，同时具有1 024 B的外部扩展RAM，完全能满足SD卡读取的至少512 B RAM的硬件需求[5]。为避免系统瘫痪和程序跑飞，使用其内部看门狗功能，保证系统不会死机，超时自动复位。

图3 剪应变压力信号调理放大电路图

图4 按键和系统指示灯电路图

3.2 剪应力数据采集电路

剪应力传感器采用大洋高精度型称重传感器(压力、拉压力、拉力称重传感器)。该传感器采用高精度S梁结构，广泛应用于混凝土搅拌站、配料秤、料斗秤及拉压力试验机。通过配套变送器可输出4～20 mA、0～5 V、0～10 V等标准信号，与采集系统连接；也可配套显示仪表直接显示力值[6]。该传感器的输出差分电压信号满足如下公式：

满量程输出电压=激励电压×灵敏度

其中灵敏度为2 mV/V。

本系统设计时激励电压采用12 V，故输出满量程电压为24 mV差分小信号；该信号需经过信号调理电路进行处理放大到AD转换模块的有效范围内，才能实现对剪应力的准确采集。设计小信号处理模块电路如图3所示。运放采用OP07单运放设计实际电路。这里的电阻需要用精密电阻。

3.3 剪应变数据采集电路

剪应变采用VHDL型位移传感器，该传感器的满量程为150 mm，输出是0～5 V电压信号，该信号经过滤波电路，直接输入STC12C5A60S单片机的AD输入引脚。

3.4 人机交互接口电路

系统的控制输入由6个按键组成，分别为试验、打印、上升、下降和两个备用按键。系统的运行状态通过两个LED发光二极管指示。按键输入和系统指示电路如图4所示。

系统的数据显示模块采用数码管实现，采用两个4位一体共阴极数码管分别显示剪应力和剪应变。数码管的驱动采用MAX7219驱动芯片[7]。显示模块的硬件电路如图5所示。

图5 数码管显示电路图

3.5 嵌入式打印机控制电路

系统的打印模块采用北京思普瑞特SP-RMDⅢ系列微型嵌入打印机，该打印机体积小、重量轻、功能完备、高速度、高清晰、外型美观、操作简单、连接方便,是医用器材、火警控制、工业控制以及其他各种仪器仪表更新换代的理想匹配产品，具有安装方式简易方便、工作电压宽、打印速度快、浓度可调等优点[8]。本系统通过串口控制打印机。

3.6 交流电机控制电路

测试仪平台的升降通过220 V交流异步电机实现，对于220 V电机的正反控制通过12 V中间继电器实现，12 V中间继电器的控制电路如图6所示。

图6 中间继电器控制电路图

4 纯剪切测试仪控制器的软件设计

控制器的软件功能包括：剪应力和剪应变数据的AD采样、剪应变和剪应力测量值的显示、剪应变和剪应力测量值的保存打印、220 V交流电机的控制、外部按键输入处理、系统状态显示功能。系统软件设计采用模块化设计，每个功能设计相应的功能子函数，系统的运行状态通过变量sys_state的不同值来表征：

0：未试验；

1：试验；

2：试验完，电机下降；

3：电机停止；

4：打印数据，试验完成。

系统运行过程中通过按键和测量流程改变sys_state的值，系统根据sys_state状态值自动调用相应的功能模块子函数[9-10]。系统软件主流程如图7所示。其中按键处理子程序中也会读取系统运行状态变量，根据不同的状态执行不同的处理子函数。

图7 纯剪切测试仪控制器的软件主流程图

5 系统联调

系统联调按照以下步骤来实现：

(1)连接好压力传感器(4芯插头)、位移传感器(3芯插头)、电机(6芯插头)；

(2)在工作台上固定好工件，并将压力传感器、位移传感器安装在零点位置上；

(3)确保准备工作完成后，打开电源开关，等待系统打印出“欢迎您使用”字样，进入待实验状态；

(4)通过“上升”或者“下降”按键，调节工作台高度，使测试工件与压力传感器刚接触，但没有作用力；

(5)按“试验”按键，电机正转，工作台上升，开始试验；

(6)当工件被挤压碎时，电机会停止5 s，然后反转，工作台下降；

(7)当工作台下降到合适位置时，按一次“打印”键，电机停止；

(8)读取数码管显示的最大剪应力和剪应变，再按“打印”键，打印数据曲线单；

(9)通过“上升”、“下降”按键调整工作台到合适位置，固定工件和位移传感器后，按“上升”键，使工件与压力传感器、位移传感器刚接触，然后按“试验”键，开始下一次试验。

6 结论

本文主要完成了纯剪切测试仪控制器的设计与制作。纯剪切测试仪控制器系统硬件包括剪应力小信号放大调理电路、剪应变AD采样电路、按键输入检测电路、系统状态显示电路、数码管显示电路、打印机驱动电路、交流电机控制电路；软件包括剪应变和剪应力数据采集、保存、曲线打印功能[11]。纯剪切测试仪控制器系统实现了预期计划的功能，能够通过对纯剪切测试机械结构的控制，对混凝土样品进行纯剪切应力测试。系统运行稳定可靠，测试数据准确度高，具有一定的实际应用和推广价值。

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Design of control system for pure shear stress test instrument based on STC12C5A60S2

Liu Ni

(Xi’an KEDAGAOXIN University, Xi’an 710109, China)

This paper introduces a kind of pure shear stress testing instrument for detecting the relationship between shear and shear stress of asphalt concrete structure in road construction. The controller of mechanical device and control system based on STC12C5A60S2 is designed. Control system consists of data acquisition module, micro control unit, display module, print module, and motor control module. After actual test, it can be used to test the pure shear stress of concrete samples, the system runs stably and reliably, and the test data is accurate. It has certain practical application value.

pure shear; shear strain; shear stress; STC12C5A60S2; embed printer; MAX7219

TP273

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.09.009

刘妮.基于STC12C5A60S2的纯剪切应力测试仪控制系统设计[J].微型机与应用，2017,36(9)：28-30，33.

2016-12-13)

刘妮(1989-)，女，硕士，助教，主要研究方向：智能检测与自动化控制、移动互联网和物联网技术。