劉妮
（西安科技大學(xué)高新學(xué)院，陜西 西安 710109）
摘要：介紹了一種檢測(cè)道路施工中瀝青混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變與剪應(yīng)力關(guān)系的工程材料純剪切應(yīng)力測(cè)試儀器。設(shè)計(jì)了基于STC12C5A60S2的剪應(yīng)力測(cè)試儀的控制器機(jī)械裝置、控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、微控制單元、顯示模塊、打印模塊、電機(jī)控制模塊組成。該純剪切應(yīng)力測(cè)試儀經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，能夠?qū)炷翗悠愤M(jìn)行純剪切應(yīng)力測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可以推廣。
關(guān)鍵詞： 純剪切；剪應(yīng)變；剪應(yīng)力；STC12C5A60S2；嵌入式打印機(jī)；MAX7219
中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.09.009
引用格式：劉妮.基于STC12C5A60S2的純剪切應(yīng)力測(cè)試儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（9）：28-30，33.
0引言
單元體截面上只有切應(yīng)力而無(wú)正應(yīng)力作用，這種應(yīng)力狀態(tài)叫做純剪切應(yīng)力狀態(tài)［1］。純剪試驗(yàn)是研究板材成形的基本試驗(yàn)之一，在工程上應(yīng)用比較廣泛。
隨著混凝土材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和研究工作的不斷深入，混凝土的剪切強(qiáng)度作為其基本的力學(xué)性能指標(biāo)原來(lái)越受到工程界的重視。根據(jù)實(shí)際工程及修訂規(guī)范的需要，本文對(duì)混凝土剪切強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)出針對(duì)此指標(biāo)的試驗(yàn)樣機(jī)［2］。
1純剪切應(yīng)力測(cè)試儀機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
純剪切應(yīng)力測(cè)試儀的機(jī)械裝置如圖1所示。
測(cè)試原理：將待測(cè)材料的模型放入到純剪切模具中，而后將模具和應(yīng)變傳感器固定在升降平臺(tái)上，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)升降臺(tái)向應(yīng)力傳感器方向運(yùn)行，與應(yīng)力傳感器接觸并進(jìn)行擠壓實(shí)現(xiàn)對(duì)材料模型的剪切，通過應(yīng)變和應(yīng)力傳感器測(cè)量該過程中的剪切應(yīng)力和應(yīng)力變［3］。
2純剪切測(cè)試儀控制器的總體設(shè)計(jì)方案
本文旨在為上述的測(cè)試裝置設(shè)計(jì)一臺(tái)控制器。該控制器包括剪應(yīng)力和剪應(yīng)變的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和顯示、電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制、剪應(yīng)力和剪應(yīng)變數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和關(guān)系曲線的輸出打印。控制器的系統(tǒng)框圖如圖2所示。
3純剪切測(cè)試儀控制器的硬件電路設(shè)計(jì)
3.1控制器介紹
本系統(tǒng)選擇的STC12C5A60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T指令周期模式）單片機(jī)，相對(duì)于傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，其指令系統(tǒng)執(zhí)行速度比較快，平均速度是傳統(tǒng)8051指令速度的8~12倍［4］。
STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部集成了60 KB的Flash程序存儲(chǔ)器，完全能滿足系統(tǒng)程序存儲(chǔ)的需求；內(nèi)部RAM具有256 B，同時(shí)具有1 024 B的外部擴(kuò)展RAM，完全能滿足SD卡讀取的至少512 B RAM的硬件需求［5］。為避免系統(tǒng)癱瘓和程序跑飛，使用其內(nèi)部看門狗功能，保證系統(tǒng)不會(huì)死機(jī)，超時(shí)自動(dòng)復(fù)位。
3.2剪應(yīng)力數(shù)據(jù)采集電路
剪應(yīng)力傳感器采用大洋高精度型稱重傳感器（壓力、拉壓力、拉力稱重傳感器）。該傳感器采用高精度S梁結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于混凝土攪拌站、配料秤、料斗秤及拉壓力試驗(yàn)機(jī)。通過配套變送器可輸出4~20 mA、0~5 V、0~10 V等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，與采集系統(tǒng)連接；也可配套顯示儀表直接顯示力值［6］。該傳感器的輸出差分電壓信號(hào)滿足如下公式：
滿量程輸出電壓=激勵(lì)電壓×靈敏度
其中靈敏度為2 mV/V。
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)激勵(lì)電壓采用12 V，故輸出滿量程電壓為24 mV差分小信號(hào)；該信號(hào)需經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行處理放大到AD轉(zhuǎn)換模塊的有效范圍內(nèi)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)剪應(yīng)力的準(zhǔn)確采集。設(shè)計(jì)小信號(hào)處理模塊電路如圖3所示。運(yùn)放采用OP07單運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)際電路。這里的電阻需要用精密電阻。
3.3剪應(yīng)變數(shù)據(jù)采集電路
剪應(yīng)變采用VHDL型位移傳感器，該傳感器的滿量程為150 mm，輸出是0~5 V電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過濾波電路，直接輸入STC12C5A60S單片機(jī)的AD輸入引腳。
3.4人機(jī)交互接口電路
系統(tǒng)的控制輸入由6個(gè)按鍵組成，分別為試驗(yàn)、打印、上升、下降和兩個(gè)備用按鍵。系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)通過兩個(gè)LED發(fā)光二極管指示。按鍵輸入和系統(tǒng)指示電路如圖4所示。
系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示模塊采用數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)，采用兩個(gè)4位一體共陰極數(shù)碼管分別顯示剪應(yīng)力和剪應(yīng)變。數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)采用MAX7219驅(qū)動(dòng)芯片［7］。顯示模塊的硬件電路如圖5所示。
3.5嵌入式打印機(jī)控制電路
系統(tǒng)的打印模塊采用北京思普瑞特SPRMDⅢ系列微型嵌入打印機(jī)，該打印機(jī)體積小、重量輕、功能完備、高速度、高清晰、外型美觀、操作簡(jiǎn)單、連接方便,是醫(yī)用器材、火警控制、工業(yè)控制以及其他各種儀器儀表更新?lián)Q代的理想匹配產(chǎn)品，具有安裝方式簡(jiǎn)易方便、工作電壓寬、打印速度快、濃度可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)［8］。本系統(tǒng)通過串口控制打印機(jī)。
3.6交流電機(jī)控制電路
測(cè)試儀平臺(tái)的升降通過220 V交流異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于220 V電機(jī)的正反控制通過12 V中間繼電器實(shí)現(xiàn)，12 V中間繼電器的控制電路如圖6所示。
4純剪切測(cè)試儀控制器的軟件設(shè)計(jì)
控制器的軟件功能包括：剪應(yīng)力和剪應(yīng)變數(shù)據(jù)的AD采樣、剪應(yīng)變和剪應(yīng)力測(cè)量值的顯示、剪應(yīng)變和剪應(yīng)力測(cè)量值的保存打印、220 V交流電機(jī)的控制、外部按鍵輸入處理、系統(tǒng)狀態(tài)顯示功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)功能設(shè)計(jì)相應(yīng)的功能子函數(shù)，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)通過變量sys_state的不同值來(lái)表征：
0：未試驗(yàn)；
1：試驗(yàn)；
2：試驗(yàn)完，電機(jī)下降；
3：電機(jī)停止；
4：打印數(shù)據(jù)，試驗(yàn)完成。
系統(tǒng)運(yùn)行過程中通過按鍵和測(cè)量流程改變sys_state的值，系統(tǒng)根據(jù)sys_state狀態(tài)值自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的功能模塊子函數(shù)［910］。系統(tǒng)軟件主流程如圖7所示。其中按鍵處理子程序中也會(huì)讀取系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變量，根據(jù)不同的狀態(tài)執(zhí)行不同的處理子函數(shù)。
5系統(tǒng)聯(lián)調(diào)
系統(tǒng)聯(lián)調(diào)按照以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)：
（1）連接好壓力傳感器（4芯插頭）、位移傳感器（3芯插頭）、電機(jī)（6芯插頭）；
（2）在工作臺(tái)上固定好工件，并將壓力傳感器、位移傳感器安裝在零點(diǎn)位置上；
（3）確保準(zhǔn)備工作完成后，打開電源開關(guān)，等待系統(tǒng)打印出“歡迎您使用”字樣，進(jìn)入待實(shí)驗(yàn)狀態(tài)；
（4）通過“上升”或者“下降”按鍵，調(diào)節(jié)工作臺(tái)高度，使測(cè)試工件與壓力傳感器剛接觸，但沒有作用力；
（5）按“試驗(yàn)”按鍵，電機(jī)正轉(zhuǎn)，工作臺(tái)上升，開始試驗(yàn)；
（6）當(dāng)工件被擠壓碎時(shí)，電機(jī)會(huì)停止5 s，然后反轉(zhuǎn)，工作臺(tái)下降；
（7）當(dāng)工作臺(tái)下降到合適位置時(shí)，按一次“打印”鍵，電機(jī)停止；
（8）讀取數(shù)碼管顯示的最大剪應(yīng)力和剪應(yīng)變，再按“打印”鍵，打印數(shù)據(jù)曲線單；
（9）通過“上升”、“下降”按鍵調(diào)整工作臺(tái)到合適位置，固定工件和位移傳感器后，按“上升”鍵，使工件與壓力傳感器、位移傳感器剛接觸，然后按“試驗(yàn)”鍵，開始下一次試驗(yàn)。
6結(jié)論
本文主要完成了純剪切測(cè)試儀控制器的設(shè)計(jì)與制作。純剪切測(cè)試儀控制器系統(tǒng)硬件包括剪應(yīng)力小信號(hào)放大調(diào)理電路、剪應(yīng)變AD采樣電路、按鍵輸入檢測(cè)電路、系統(tǒng)狀態(tài)顯示電路、數(shù)碼管顯示電路、打印機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、交流電機(jī)控制電路；軟件包括剪應(yīng)變和剪應(yīng)力數(shù)據(jù)采集、保存、曲線打印功能［11］。純剪切測(cè)試儀控制器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期計(jì)劃的功能，能夠通過對(duì)純剪切測(cè)試機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制，對(duì)混凝土樣品進(jìn)行純剪切應(yīng)力測(cè)試。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，具有一定的實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。
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