劉妮

　?。ㄎ靼部萍即髮W(xué)高新學(xué)院，陜西 西安 710109）

　　摘要：介紹了一種檢測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)力測試儀器。設(shè)計了基于STC12C5A60S2的剪應(yīng)力測試儀的控制器機械裝置、控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、微控制單元、顯示模塊、打印模塊、電機控制模塊組成。該純剪切應(yīng)力測試儀經(jīng)過實際測試，能夠?qū)炷翗悠愤M行純剪切應(yīng)力測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，具有一定的實際應(yīng)用價值，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；MAX7219

　　中圖分類號：TP273文獻標(biāo)識碼：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)力測試儀控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.微型機與應(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］。純剪試驗是研究板材成形的基本試驗之一，在工程上應(yīng)用比較廣泛。

　　隨著混凝土材料應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大和研究工作的不斷深入，混凝土的剪切強度作為其基本的力學(xué)性能指標(biāo)原來越受到工程界的重視。根據(jù)實際工程及修訂規(guī)范的需要，本文對混凝土剪切強度指標(biāo)進行了研究，并設(shè)計出針對此指標(biāo)的試驗樣機［2］。

1純剪切應(yīng)力測試儀機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　純剪切應(yīng)力測試儀的機械裝置如圖1所示。

　　測試原理：將待測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上，使電動機運動帶動升降臺向應(yīng)力傳感器方向運行，與應(yīng)力傳感器接觸并進行擠壓實現(xiàn)對材料模型的剪切，通過應(yīng)變和應(yīng)力傳感器測量該過程中的剪切應(yīng)力和應(yīng)力變［3］。

2純剪切測試儀控制器的總體設(shè)計方案

　　本文旨在為上述的測試裝置設(shè)計一臺控制器。該控制器包括剪應(yīng)力和剪應(yīng)變的數(shù)據(jù)實時采集和顯示、電機的正反轉(zhuǎn)控制、剪應(yīng)力和剪應(yīng)變數(shù)據(jù)的存儲和關(guān)系曲線的輸出打印。控制器的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3純剪切測試儀控制器的硬件電路設(shè)計

　　3.1控制器介紹

　　本系統(tǒng)選擇的STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T指令周期模式）單片機，相對于傳統(tǒng)的8051單片機，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單片機內(nèi)部集成了60 KB的Flash程序存儲器，完全能滿足系統(tǒng)程序存儲的需求；內(nèi)部RAM具有256 B，同時具有1 024 B的外部擴展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)不會死機，超時自動復(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機。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，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滿足如下公式：

　　滿量程輸出電壓=激勵電壓×靈敏度

　　其中靈敏度為2 mV/V。

　　本系統(tǒng)設(shè)計時激勵電壓采用12 V，故輸出滿量程電壓為24 mV差分小信號；該信號需經(jīng)過信號調(diào)理電路進行處理放大到AD轉(zhuǎn)換模塊的有效范圍內(nèi)，才能實現(xiàn)對剪應(yīng)力的準(zhǔn)確采集。設(shè)計小信號處理模塊電路如圖3所示。運放采用OP07單運放設(shè)計實際電路。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，該信號經(jīng)過濾波電路，直接輸入STC12C5A60S單片機的AD輸入引腳。

　　3.4人機交互接口電路

　　系統(tǒng)的控制輸入由6個按鍵組成，分別為試驗、打印、上升、下降和兩個備用按鍵。系統(tǒng)的運行狀態(tài)通過兩個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)碼管實現(xiàn)，采用兩個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)動采用MAX7219驅(qū)動芯片［7］。顯示模塊的硬件電路如圖5所示。

　　3.5嵌入式打印機控制電路

　　系統(tǒng)的打印模塊采用北京思普瑞特SPRMDⅢ系列微型嵌入打印機，該打印機體積小、重量輕、功能完備、高速度、高清晰、外型美觀、操作簡單、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，具有安裝方式簡易方便、工作電壓寬、打印速度快、濃度可調(diào)等優(yōu)點［8］。本系統(tǒng)通過串口控制打印機。

　　3.6交流電機控制電路

　　測試儀平臺的升降通過220 V交流異步電機實現(xiàn)，對于220 V電機的正反控制通過12 V中間繼電器實現(xiàn)，12 V中間繼電器的控制電路如圖6所示?！　?/p>

4純剪切測試儀控制器的軟件設(shè)計

　　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)力測量值的顯示、剪應(yīng)變和剪應(yīng)力測量值的保存打印、220 V交流電機的控制、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)計采用模塊化設(shè)計，每個功能設(shè)計相應(yīng)的功能子函數(shù)，系統(tǒng)的運行狀態(tài)通過變量sys_state的不同值來表征：

　　0：未試驗；

　　1：試驗；

　　2：試驗完，電機下降；

　　3：電機停止；

　　4：打印數(shù)據(jù)，試驗完成。

　　系統(tǒng)運行過程中通過按鍵和測量流程改變sys_state的值，系統(tǒng)根據(jù)sys_state狀態(tài)值自動調(diào)用相應(yīng)的功能模塊子函數(shù)［910］。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讀取系統(tǒng)運行狀態(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)按照以下步驟來實現(xiàn)：

　?。?）連接好壓力傳感器（4芯插頭）、位移傳感器（3芯插頭）、電機（6芯插頭）；

　　（2）在工作臺上固定好工件，并將壓力傳感器、位移傳感器安裝在零點位置上；

　　（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，進入待實驗狀態(tài)；

　?。?）通過“上升”或者“下降”按鍵，調(diào)節(jié)工作臺高度，使測試工件與壓力傳感器剛接觸，但沒有作用力；

　?。?）按“試驗”按鍵，電機正轉(zhuǎn)，工作臺上升，開始試驗；

　?。?）當(dāng)工件被擠壓碎時，電機會停止5 s，然后反轉(zhuǎn)，工作臺下降；

　?。?）當(dāng)工作臺下降到合適位置時，按一次“打印”鍵，電機停止；

　?。?）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；

　?。?）通過“上升”、“下降”按鍵調(diào)整工作臺到合適位置，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”鍵，開始下一次試驗。

6結(jié)論

　　本文主要完成了純剪切測試儀控制器的設(shè)計與制作。純剪切測試儀控制器系統(tǒng)硬件包括剪應(yīng)力小信號放大調(diào)理電路、剪應(yīng)變AD采樣電路、按鍵輸入檢測電路、系統(tǒng)狀態(tài)顯示電路、數(shù)碼管顯示電路、打印機驅(qū)動電路、交流電機控制電路；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］。純剪切測試儀控制器系統(tǒng)實現(xiàn)了預(yù)期計劃的功能，能夠通過對純剪切測試機械結(jié)構(gòu)的控制，對混凝土樣品進行純剪切應(yīng)力測試。系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，具有一定的實際應(yīng)用和推廣價值。

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