电子万能试验机测试系统设计.docx

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摘要

电子万能材料试验机是专门针对高等院校、科研院所而设计的新一代单空间微机控制万能试验机。

电子万能材料试验机是材料生产行业和各级质检部门对材料性能检测最常用而且最重要的机电设备之一。

它可以用来检测各种材料及其制品在各种环境和模拟状态下的力学性能、工艺性能、结构强度以及材料与构件内外表面缺陷。

电子万能材料试验机测控系统主要由数据采集系统单元、交流伺服系统单元、基于单片机的主测控器（下位机）以及微型计算机和配套软件（上位机）组成。

本文主要设计了测控系统的测试部分、数据采集系统单元。

主要包括测控系统总体结构，基于单片机的主控制器，数据采集系统模块，A/D转换器与单片机的接口，力、变形和位移测试的电路，测试软件的部分等设计。

实现电子万能材料试验机测控系统的整体设计。

最后对测试系统进行了调试。

关键词：

试验机；单片机数据采集系统；测试系统调试的温湿度控制系统

ABSTRACT

Electronicuniversaltestingmachineisoneoftheelectricalandmechanicalequipmentusedtodetectanimportantmaterialproperties,itisusedinmaterialproductionandqualitysupervisiondepartmentsatalllevelsoftheenterprise.Itcanmakedetectionandanalysisinavarietyofenvironmentsandstatesimulationofmechanicalpropertiesofmaterials,structuralvibrationcapability,processperformance,qualitydefectsandbalancinginternalandexternalrotationperformancematerialsandcomponentparts.Dataacquisitionsystem,themainmicrocontrollerunitandACservocontrollerandthecorrespondingsoftwaremicrocomputer-basedmonitoringandcontrolsystemsconstitutethemainbodyofthetestingmachine.

Thispapermainly designsthetesting part, dataacquisition unit andcontrolsystem. Mainlyincludestheoverall structureof controlsystem, themaincontrollerbasedonMCU, dataacquisition module, A/D converterandsinglechip interface circuit, stress, deformationanddisplacement test, thedesign oftestsoftware. Achievetheoveralldesignofelectronicuniversaltestingmachinemonitoringandcontrolsystems.Finally,thetestsystemtodebug.

Keywords：

Testingmachine；Singlechipmicrocomputer；DataacquisitionsystemTestsystem

目录

第一章电子万能试验机测试系统总体设计方案 1

1.1前言 1

1.2电子万能试验机概述 1

1.3试验机测试系统方案设计 5

第二章试验机测控系统硬件设计 10

2.1单片机概述 10

第三章试验机数据采集处理系统硬件设计 15

3.1数据采集处理系统的设计 15

3.2A/D转换器的选择及工作原理 23

3.3A/D转换器与单片机的接口 25

第四章试验机数据采集处理系统软件设计 26

4.1数据采集处理系统软件设计 26

第五章试验机数据采集处理系统测试 29

5.1引伸计校准测试数据分析 29

5.2金属拉伸试验测试 30

参考文献 32

谢词 33

天津工业大学毕业设计（论文）

第一章电子万能试验机测试系统总体设计方案

1.1前言

电子万能材料试验机是用来测定材料各种力学性能、工艺性能、结构强度等特性的仪器设备。

试验机是属于技术密集性的精密测试仪器，它涉及到机械、电气、液压、高温、低温、真空、光学、电子、材料、工艺、测量、测控等许多新技术与高技术领域，并且还综合了近代闭环伺服、遥控、数显、数控、激光、机电一体化以及电子计算机等技术，成为仪器仪表行业中具有多学科、多种技术特点的一类测试计量仪器。

试验机是材料生产行业和各级质检部门对材料性能检测最常用而且最重要的设备之一。

在各类材料的产品质量检测、生产过程质量测控、材料科学研究和教学试验中都必须应用试验机来进行材料的力学性能测试。

它可以用来检测各种材料及其制品在各种环境和模拟状态下的力学性能、工艺性能、结构抗振强度、各种旋转件的动平衡性以及材料与构件内外表面缺陷。

1.2电子万能试验机概述

1.2.1试验机测试系统简述

材料试验机测试系统其实就是一套自动检测系统，能按照国家标准对试验材料的各项规定，在对标准试样进行加载直至完全破坏的整个过程中，依据制定的各项参数并能够按照给定的各项数值进行测控的系统，在该系统的测控之下，试验机的动横梁、强电、弱电等各个部分能够协调有序、相互配合的工作，从而形成了一个有机统一的整体，使得万能试验机的各项试验功能都得以准确的实现，并对试验过程中的负荷和试样的形变量等重要的试验实时数据进行记录，依照数据对材料要求试验的各项力学性能指标进行分析计算。

万能试验机的测控系统也可以成为操作者与试验机之间的接口,既能使操作者对机器进行简单的操作，同时也能对机器的各种运行状态进行记录，方便及时地向操作者反馈，还可以对操作中出现的各种错误给出原因，对不正常的运行状态及不正当的操作提出报警，而且为操作员提供数据的各项分析计算、图形的显示和各种参考数据的编辑、储存和输入输出等功能。

试验机的测控系统是由硬件部分和软件部分通过有机结合而组成的一个整体。

测控系统的硬件部分主要包括：

单片机控制器、外部设备、输入输出设备、PC微机。

从而硬件部分就构成了万能试验机测控系统的实体部分,但如果想要完成对被控对象的测控作用还要为实体部分提供软件系统,万能试验机的软件部分通常由系统软件与应用软件两部分组成。

其中，系统软件由操作系统、语言处理系统和例行服务程序组成。

应用软件则是为了满足那些需要由测控系统的专门设计人员开发的特定程序，其核心部分是过程控制程序。

1.2.2试验机测量参数分析

为了绘制被测材料的力－形变图或应力－应变图，需要对材料在每个时间段的受力大小、式样的形变量或应力大小、应变量进行测量。

通过材料力学的知识可得：

（1-1）

（1-2）

（1-3）

（1-4）

其中F为加载在试验材料上的外力，A则为试验材料的横截面积，L0为式样变形前的固定长度，L为式样变形后的长度示值，B为拉伸实验材料在宽度方向上的示值。

其中L0和B可以直接进行输入，而F和△L则需要进行实时动态检测。

通过前面对万能试验机的工作原理分析可知，为了测量出加载在试验材料上的力，即要测量出荷载值F可以由高精度应变式负荷传感器实现，而在此荷载值的作用下所引起的形变量，可以由电子引伸计对变形前后试验材料长度的绝对差值△L进行测量。

实际测量出的参数为拉力变形图或应力－应变图，如图1.1所示。

图1-1应力-应变曲线图

如前面所述，因为需要测量出试验材料的应力与应变，将式（1-4）代入式（1-1），可得

（1-5）

而在实际中，当试验材料被拉伸（压缩）时，试样的横截面积会变小（变大），即会发生形变，但当应力没有超过比例极限时，试验材料的横向应变示值与轴向应变示值之比的绝对值会是一个常数，但是若杆件轴向伸长时横向会缩小，而轴向缩短时横向会增大，所以符号总是相反的，即:

（1-6）

其中μ为横向变形系数（泊松比），是一个没有量纲的量。

若假设试验材料在进行拉伸试验前宽度方向的示值是B0，B0可以在试验前由测量工具直接测出。

由

（1-7）

而只考虑拉伸时:

（1-8）

则:

（1-9）

整理后，得:

（1-10）

（1-11）

（1-12）

显然，只需F和ΔL这两个变量的输入，就可以测试出应力б、应变ε。

1.2.3试验机的组成及工作原理

电子万能试验机的结构由机械部分和电子测控部分两个部分组成，机械部分是材料试验机工作的主要载体，而测控部分则是主要的核心部分，控制着整个试验机的运作和测量试验，整个试验机的性能由测控系统性能的好坏决定。

电子万能试验机的实物图如图1-2所示。

图1-2电子万能试验机实物图

电子万能试验机测控系统主要包括交流电机、伺服驱动系统、控制主板、显示屏等部分，能够对整个系统进行控制，并能对力及位移数据进行采集、处理，并能进行显示。

测控系统的工作过程为：

力传感器受外力负载后会输出一个正比于负载的微小信号，该信号途中不经任何中间环节，直接输入到A/D转换器进行信号放大、转换，再输入到单片机，单片机进行信号处理，数字滤波后以直读的方式显示。

试验材料所承受的荷载直接由数字进行显示。

位移闭环控制和位移测量则由编码器负责，其中光电编码器主要是实现位置与电信号转换，通过拖动电机转动，光电编码器能将角位移转换成直线的位移，而输出的脉冲数与编码器的角位移的比值为常数。

因此只要能对脉冲数进行识别从而就可以知道直线位移的大小，光电编码器输出的脉冲信号先经过整形电路的整形然后再输入给计算机，计算机用软件的方法对接收到的脉冲信号进行计数、处理及方向的识别，最后显示器对接收到的结果进行显示。

单片机在控制器内的作用是进行数字控制，将输入接收到的反馈信号直接转换为数字脉冲信号，从而实现对控制参数的数字化，再由管理模块产生PWM信号，经过隔离、放大等处理对电机进行驱动，实现对交流电机的启动、调速、停止等操作。

电子万能试验机的原理图如图1-3所示。

图1-3电子万能试验机原理图

1.3试验机测试系统方案设计

1.3.1试验机测试系统方案论证

目前，试验机测控系统的设计方案主要有两种:

一种是通过采用单片机技术为核心的设计方案，另一种则是以现代通用的PC微机技术为核心的技术改造方案。

本测控系统的设计方案主要是采用第一种设计方案，即采用现代嵌入式单片机的结构，综合使用微电子技术，使其外形虽然紧凑但还是具有完整的一系列的计算机功能，该系统使用简洁方便、并且功能齐全。

单片机内集成化较高，反应迅速，能够很好的满足测试系统的检测精度及功能要求。

测控系统总体结构图如图1-4所示。

图1-4测控系统结构图

该测控系统以单片机作为控制核心，主要实现的是：

对力的加载及控制，试验材料测试数据的采集、处理、分析和计算，测试数据的储存和LCD会实时显示出应力－应变曲线图。

本测试重点主要是对传统试验机测量精度较低，对加载速率无法进行定量的测试控制，并且传统系统缺乏实时性，对于曲线的绘制较单一，且自动化程度较差，测试系统效率较低等不足，对万能试验机的控测控统进行设计改造。

该测控系统主要由单片机模块，传感器模块，数据的采集、处理模块以及LCD显示模块等组成。

先利用单片机模块对加载机构进行加载，然后，利用传感器模块将获得的应力和应变的等信号输送到数据的采集、处理模块，对获得的数据进行处理、分析和计算。

最后，将处理完的数据采用应力－应变曲线图的方式在LCD显示器上进行显示，并存储在计算机中。

改造后的电子万能试验机具有系统精准，自动化程度高，能够对获得的数据进行实时的显示和存储功能，且整体的性能比较完善，并且造价低等优点。

1.3.2系统组成单元方案设计

电子万能试验机测控系统主要有交流伺服系统单元、数据采集模块、单片机主测控器、人机交互式测控、上位PC机五部分组成。

测控系统工作原理图如图1-5所示。

图1-5测控系统工作原理图

1、交流伺服系统：

该系统是万能试验机的核心部分。

传统的材料试验机是采用直流电做动力，其最大的缺陷是非常容易损坏，需要经常维护，而且在大转矩下的工作稳定性比较差，而现在的交流伺服电机的伺服驱动系统完善，不采用电刷，几乎不需要进行维修，而且在小转矩的情况下定位精度高，测量数据精准，在不丢失脉冲的情况下可以达到0.01mm的精度，这是直流电机所不能达到的。

2、数据采集模块：

对于本次电子万能试验机的设计，所配置得应变电测式传感器，此传感器通常有三种：

一是用于测试力示值的拉压力传感器或测力传感器；二是可以测定试验材料变形量的变形传感器；三是可以测定机器的动横梁移动量的位移传感器。

本设计主要针对拉力、压力、伸长量数据的采集，因此，采用了拉压力传感器。

3、单片机主测控器:

单片机主测控器是采用MCS-51系列的80C51单片机，外围扩展存储器模块，液晶显示器（LCD）和键盘作为人机交互接口设备，数据通信接口等。

主测控器通过串口，以太网等与上位PC机进行通讯或者构成计算机网络系统。

主测控器主要负责接受系统测量信号并进行处理、显示，同时伺服系统测控算法由单片机芯片软件编程实现。

此外，试验机运行的状态、测控面板上的按钮状态等，则通过开关量的数字输入，由单片机主测控器来进行判断、检测并做出相应的反应。

4、人机交互式测控：

该测控软件可以直接同测控部分进行通讯，主要目的是创造人机友好的交互式界面，为满足现在对机器越来越简洁的要求。

5、上位PC机:

上位PC机按软件工程理论分析电子万能试验机的测控功能的实现，然后进行模块化、结构化的软件设计，目标是使软件具有人机界面友好、功能易扩充及易维护的优点。

1.3.3试验机的技术参数

1、最大试验力100KN、50KN、20KN。

2、负荷测量衰减倍率：

1、、5、10。

3、负荷测量精度：

各量程内起均为示值的

4、变形测量：

测量范围为传感器容量的。

测量精度为指示值的示值分辨率为，显示单位为。

引伸计标距可按25、、100系列选择，测量范围可按标距的选择。

匀试验力变形速率控制范围：

0.01-10%FS/s

匀试验力变形速率控制误差:

小于0.05%FS为±2%;大于0.05%FS为±0.5%

恒试验力变形速率控制范围：

0.5-100%FS

恒试验力变形速率控制误差：

小于10FS时为±1%；大于10%FS时为±0.1%

动横梁位移测量：

测量范围为，

动横梁位移测量精度为数字显示，示值分辨率，位移零点任意设定。

5、记录方式：

负荷－变形、负荷－位移

6、工作环境：

温度在20±10℃范围内；相对湿度不大于，表面无结露；无冲击、无振动的环境；

在固定的基础上水平安装，水平度应不超过；系统接地阻抗　。

试验空间宽度：

活动横梁行程：

7、主机约重：

8、工作电源：

交流，总功率　

第二章试验机测控系统硬件设计

2.1单片机概述

2.1.1单片机的介绍

单片机是一个集成在一块芯片上有完整计算机系统的控制器。

虽然单片机的大部分功能都集成在一块小芯片上，但是它却具有一个完整计算机系统应具备的主要部件：

中央处理器、内存储器、内部与外部的总线系统，目前部分单片机还具有外存功能。

同时集成例如通讯接口、定时器，时钟等很多外围的设备。

而现在功能最强大的单片机系统甚至可以将音频、图片、网络连接等复杂的输入输出系统都集成在一块芯片上。

单片机也被称为微控制器（Microcontroller），这是因为单片机最早被用于工业机器控制领域。

单片机由一块芯片内仅有一个中央处理器的专用处理器发展到现在的复杂系统。

早期单片机的设计理念只是通过将大量外围设备与中央处理器集成到一块芯片中，使运用到对体积要求严格的控制设备的计算机系统更小，更容易集成。

现在的单片机与一般微型计算机进行比较，具有以下特点：

1、系统结构比较简单，使用较方便，能够实现模块化。

2、单片机的可靠性较高，可工作到 小时无障碍。

3、处理功能较强，速度快，具有很强的逻辑操作的功能。

4、对于测控系统的功能较强。

5、环境适应能力也较强。

2.1.2单片机的选择

单片机测控系统的设计，对于单片机的选择是一个重要的环节。

只有选择了合适的单片机才能够进一步对其外围电路进行设计。

单片机的选择应根据实际要求来确定，在满足设计要求的基础上简化设计难度并能够节约成本。

在选择单片机是应注意考虑的因素有：

单片机的性能、I/O口、定时器、计数器、存储器、单片机的运算速度、工作电压与功能消耗及抗干扰性等。

综上所述的特点要求，结合实际情况，MCS-51单片机符合本测控系统的性能要求。

MCS_51系列的单片机是INTEL公司在以前单片机的基础上推出的一系列高性能8位单片机。

它基本上可以满足用户的一系列要求，是工业工程测控、数控机床测控及通讯系统优先选择的机种、在此设计中选用了MSC-80C51单片机。

2.1.3单片机的结构

MSC-80C51单片机的结构主要包含四部分组成：

中央处理器，存储器，I/O口及定时器和计数器。

单片机存储器结构将数据存储器及程序存储器的寻址空间分开，所以单片机的存储器在物理上有四个相互独立的存储空间：

内程序存储器，外程序存储器，内数据存储器，外数据存储器。

对于单片机的中央处理器CPU，它是由两部分组成：

控制器及运算器，作为80C51单片机的核心组成部分，其在单片机的运行中占很大的比重，有面向测试系统的8位CPU。

1、运算器：

运算器由五部分组成，包含作为核心的算术逻辑单元ALU，累加器A、B形式的寄存器，为程序状态的寄存器PAW以及TMP1和TMP2这两个8位暂存器组成。

其可以运行的算术运算包括：

加、减、乘、除、加1、减1、BCD数十进制调整、比较运算；也可以进行与或非、异或等逻辑运算；还能进行判断和程序转移、循环移位等控制指令。

2、控制器：

指令寄存器、PC程序计数器、振荡器、指令译码器、定时电路和控制电路等部件组成了控制器；它能控制单片机各部分工作是通过不同的指令产生相应的操作时序和控制信号来完成的；PC控制着单片机执行相应那条指令。

3、存储器

（1）片内ROM是程序存储器。

（2）片内RAM具有的功能包括：

存放输入、输出和中间计算结果的数据，也可作为数据堆栈区使用。

4、I/O口

（1）并行口：

有4个8位并行I/O口P0～P3，这四个并行I/O口均可并行输入输出8位数据。

（2）串行口：

有1个串行I/O口，用于数据的串行输入输出。

5、定时器/计数器

（1）定时脉冲用于单片机的定时控制。

（2）用于计数方式，记录外部事件的脉冲个数。

80C51单片机的结构组成框图如图2-1所示。

图2-180C51单片机的结构框图

2.1.480C51单片机引脚及其功能

80C51单片机的引脚组成如下所示

图2-2单片机引脚

各引脚说明如下：

（1）电源引脚（2个）

VCC：

接+5V电源

VSS：

接地端

（2）外接晶体引脚（2个）

XTAL1：

外接晶振输入端

XTAL2：

外接晶振输入端

（3）并行输入输出引脚

P0.0~P0.7：

通用I/O引脚；

此外可以作为数据低8位地址总线复用引脚来用；

P1.0~P1.7：

通用I/O引脚

P2.0~P2.7：

通用I/O引脚；

此外可以作为高8位地址总线复用引脚；

P3.0~P3.7：

通用I/O引脚；

此外可以作为第二功能引脚；

（4）控制引脚（4个）

RST/VPD：

复位信号输入引脚；

也可作为备用电源输入引脚；

ALE：

地址锁存允许信号输出引脚；

也可作为编程脉冲输入引脚；

VPP：

内外存储器选择引脚；

也可作为片内EPROM编程电压输入引脚；

2.1.5试验机的测控系统硬件设计

电子万能试验机的测控系统电路图如图2-3所示。

图2-3试验机测控系统电路图

第三章试验机数据采集处理系统硬件设计

3.1数据采集处理系统的设计

3.1.1数据采集处理系统的基本组成

电子万能试验机的数据采集处理模块主要是对测试材料的力、变形量、位移量等物理量进行测量，然后把测量结果送给单片机和PC计算机进行数据处理。

首先要根据测量材料物理量的不同选择与其相对应型号的各种传感器，从传感器中输出的电信号则需要进一步的放大、调理，从而将机器或数据不准产生的误差补偿掉，提高抗干扰能力，滤波器的作用则是将信号中不需要出现的频率分量过滤掉。

最后再经A/D转换器将输出的模拟信号转换成数字信号，交给单片机和PC计算机进行处理等。

数据采集处理系统组成如图3-1所示。

图3-1数据采集处理系统组成图

3.1.2数据采集处理系统主要功能和技术指标

1、主要功能：

（1）完成对试验机应力、变形、位移的模拟、数字型号的采集和处理。

（2）试验曲线图形处理、试验数据智能处理、数据库管理、报告生成、打印。

（3）数据采集处理系统自动调零、自动标定、最大试验力连续全程测量部分档。

2、技术指标：

（1）试验力测试的范围：

试验力小于100KN。

（2）