Development of Tonnage Detection Instrument for Pressure Machine

YI Xianjun, YE Chunsheng

(State Key Lab. of Plastic Forming Simulation and Die & Mould, HUST ,
Wuhan 430074, China)

　　Key words: tonnage measurement; low level signal amplification; peak detection

1測(cè)量?jī)x的功能
　　根據(jù)鍛壓設(shè)備的工藝要求，設(shè)計(jì)的功能如下：
　　(1)有兩類測(cè)量模式：一是在擠壓情況下對(duì)壓力值進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量；二是測(cè)量打擊情況下每次打擊中力的峰值。當(dāng)在后者測(cè)量時(shí)，要區(qū)分兩種情況：本班次的打擊作業(yè)從一個(gè)新的工件開始；本班次的打擊作業(yè)是對(duì)尚未完工的工件的繼續(xù)工作。
　　(2)在擠壓情況下對(duì)壓力值進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量時(shí)，在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示測(cè)得的壓力數(shù)據(jù)；當(dāng)外力消失時(shí)，顯示值也消失。
　　(3)在打擊情況下測(cè)量時(shí)，對(duì)當(dāng)班次作業(yè)的打擊次數(shù)與打擊峰值中的最大值、該工件累計(jì)的打擊次數(shù)與打擊峰值最大值以及該測(cè)量?jī)x本身已記錄的打擊次數(shù)的累計(jì)值與歷史打擊峰值最大值進(jìn)行記錄，記下最后的20錘的打擊峰值，并可在測(cè)量結(jié)束后調(diào)出這些數(shù)據(jù)顯示。
　　(4)通過鍵盤設(shè)置檢測(cè)力的極限值，當(dāng)測(cè)量超載時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

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　　噸位測(cè)量?jī)x的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。行程開關(guān)主要檢測(cè)鍛壓設(shè)備打擊錘的起落信號(hào)，并將該信號(hào)經(jīng)光電隔離后送入單片機(jī)。壓力傳感器所檢測(cè)的壓力經(jīng)信號(hào)放大及峰值(打擊力最大值)采集電路處理后進(jìn)入帶片內(nèi)采樣保持的模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC1543，在單片機(jī)AT89C52的控制下對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和讀取。單片機(jī)的P11引腳對(duì)峰值采集電路進(jìn)行控制。當(dāng)儀表設(shè)置成打擊模式下對(duì)每錘打擊力最大值測(cè)量時(shí)，P11輸出低電平，峰值采集保持電路起峰值保持作用，單片機(jī)根據(jù)行程開關(guān)所測(cè)得的信號(hào)對(duì)每一次打擊的力的最大值進(jìn)行采樣；當(dāng)儀表對(duì)壓力值進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量時(shí)，P11輸出高電平，峰值保持器功能被旁路，峰值保持電路輸出電壓緊緊跟隨其輸入電壓。X25045為內(nèi)帶512字節(jié)的串行EEPROM及看門狗和電壓監(jiān)控功能的集成芯片，用來對(duì)打擊次數(shù)、打擊峰值及各次打擊力等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并對(duì)儀器的工作起抗干擾作用。當(dāng)壓力超載時(shí)，單片機(jī)引腳P12發(fā)出信號(hào)控制電鈴發(fā)出聲音報(bào)警。LCD中文顯示模塊和編碼鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)操作及測(cè)量顯示。儀表帶有打印機(jī)接口，可以驅(qū)動(dòng)微型打印機(jī)TPuP40A將記錄數(shù)據(jù)打印出來；并通過RS232與上位機(jī)通訊。

3.1傳感器微弱信號(hào)的放大
　　壓力傳感器內(nèi)部是由4個(gè)應(yīng)變片構(gòu)成的橋式電路。當(dāng)外加壓力時(shí)應(yīng)變片產(chǎn)生形變，相應(yīng)的電阻值發(fā)生變化，從而使橋路失去平衡；在電橋有外電源供電的情況下，產(chǎn)生微弱的電壓輸出。為了保證電橋輸出電壓信號(hào)能與所承受壓力保持線性關(guān)系，應(yīng)變橋的電源由恒流源供電。如圖2所示，運(yùn)放uPC151C、穩(wěn)壓管D1及精密電阻R3組成約2mA的恒流源，壓力傳感器的上下兩端在所承受的壓力范圍內(nèi)有0～15mV的電壓輸出。由于所采用的壓力傳感器無調(diào)零引腳，從D1上由W1取穩(wěn)定的微小直流電壓信號(hào)對(duì)電橋輸出進(jìn)行調(diào)零。
　　由于要對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行高倍數(shù)放大，而且傳感器橋路輸出信號(hào)的共模電壓很高，這里采用了具有高共模抑制比的差分輸入專用儀表放大器芯片AD524。按圖2電路中的接法，電路的放大倍數(shù)1。外接的增益調(diào)整電阻R4對(duì)放大器的增益精度和溫漂影響較大，必須選擇溫度系數(shù)小的高精度電阻。W2(接于AD524的4、5引腳間)為放大器的輸入偏置調(diào)節(jié)電阻，AD524的輸入偏置產(chǎn)生的誤差是與放大增益成正比的，在高倍數(shù)放大中此偏置調(diào)節(jié)電阻必不可少。儀表放大器芯片的SEN腳為輸出參考端，這里作接地處理。實(shí)際應(yīng)用中即使該SEN腳對(duì)地之間存在很小的電阻值，也將會(huì)對(duì)器件的共模抑制比產(chǎn)生很大的影響，因此在設(shè)計(jì)該部分的印制板時(shí)要加以注意。AD524的正負(fù)電源引腳處接濾波電容C1、C2，以消除電源帶來的干擾。

　　圖3是打擊模式下對(duì)打擊力峰值進(jìn)行采集并保持的電路，由比較器LM311及采樣保持芯片LF398構(gòu)成。LF398的LOGIC引腳為采樣／保持控制引腳，當(dāng)LOGIC引腳電壓大于1.4V時(shí)，芯片的輸出電壓大小跟蹤輸入；當(dāng)LOGIC引腳電壓小于1.4V時(shí)，芯片的輸出保持為當(dāng)LOGIC引腳剛過1.4V時(shí)的輸入電壓值。

　　而當(dāng)儀器為連續(xù)跟蹤測(cè)量方式時(shí)，單片機(jī)P11引腳發(fā)出‘1’信號(hào)，從而使LF398始終處于跟蹤狀態(tài)，電路的輸出Vout等于輸入Vin。
3.3軟件設(shè)計(jì)
　　在測(cè)量?jī)x的軟件設(shè)計(jì)中，采用了模塊化設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)軟件由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：主程序、鍵盤中斷服務(wù)子程序、數(shù)據(jù)采集控制子程序、LCD顯示子程序、打印程序、串口通訊子程序等。主程序及鍵盤中斷服務(wù)子程序的結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。主程序中的工作模式標(biāo)志、新工件標(biāo)志、打印機(jī)使能、測(cè)量力超載門限值等數(shù)據(jù)均由鍵盤中斷來設(shè)置。鍵盤設(shè)置5個(gè)按鍵，鍵值經(jīng)過8—3編碼后通過3根IO口線輸入到CPU。鍵盤中斷置為下跳沿觸發(fā)方式，在硬件上設(shè)計(jì)有鍵盤去抖動(dòng)電路。數(shù)據(jù)采集控制子程序中在進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣時(shí)進(jìn)行了濾波處理。程序設(shè)計(jì)采用C語言，并在KEIL C集成環(huán)境下完成程序的調(diào)試工作。

　　顯示器采用240×60點(diǎn)陣大面積LCD模塊。在打擊模式下，顯示器可在同一屏上顯示打擊次數(shù)、打擊峰值等歷史記錄數(shù)據(jù)和當(dāng)前打擊值。根據(jù)實(shí)際需要，采用了大字符(20×40點(diǎn)陣)顯示當(dāng)次的測(cè)量值，便于操作人員從較遠(yuǎn)處觀察到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。