PVC管材性能检测系统的设计说明

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1、 . . . 前言1选题背景和意义目前中国塑料管道生产能力达300万吨，主要有PVC、PE和PPR管道三大类，其中PVC管道是市场份额最大的塑料管道，占塑料管道近70%的份额。PVC管材生产线1600余条。年生产能力250万吨以上，2003年PVC管道（管件）年产量达120多万吨。在塑料管道中，PVC的份额为70%， PE占25%， PPR占4%， 其它占1%。 虽然PVC管道的快速发展吸引众多企业进入这个行业投资，但在国生产众多厂家（2000多家）众，年产能力在1万吨的仅有70多家，年产3万吨以上的企业为20多家并拥有行业60%的产量。 整体而言，国小口径、低附加值的管道企业多，大口径、高技

2、术含量的企业少。国部分生产厂家的产能分别是：华亚塑胶：10万吨、宝硕：8万吨、国风集团：8万吨、中材管道：6.5万吨、永高：4.5万吨、亚通：4万吨、凯乐：4万吨、顾地：3万吨、久利：3万吨。19982003年PVC管道的产量。 PVC管材的迅速发展来自于诸多因素的推动。在全国新建、改建、扩建工程中，建筑排水管道70采用塑料管，建筑雨水排水管道50采用塑料管，城市排水管道20%采用塑料管，建筑给水、热水供应和供暖管道60%采用塑料管；城市供水管道（DN400 以下）50%采用塑料管，村镇供水管道60%采用塑料管； 城市燃起管道(中低压管)50%采用塑料管，建筑电线穿线护套管80%采用塑料管。重

3、大工程的投资又将有力拉动对PVC管道的需求。如“南水北调”、西部打开发振兴东北老工业基地。虽然PVC管道的快速发展吸引众多企业进入这个行业投资，但在国生产众多厂家（2000多家）众，年产能力在1万吨的仅有70多家。因此市场上的产品性能有着很大的差别。以前的手动施压不够直观，误差大，而且效率低。所以为了减小误差，提高检测效率，规市场提高产品质量PVC管材性能的检测尤为重要。2 方案论证机械部分采用单立柱结构，结构简单易于加工。执行原件选用用直流伺服电机精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位。伺服电动机输出力较小无法达到5000N的试验力，为了增大力矩实现5000N试验力，同时能够控制一定的速度

4、选用直齿圆柱齿轮减速器对电动机输出的力进行增大并降低输出转速。在减速器输出端连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的高精度、可逆性和高效率特点既保证了将电机的回转运动转变成直线运动又确保了测试仪器的精密性。在减速器和滚珠丝杠间用同步带传动，保证准确的传动比的同时减少震动和冲击载荷的影响。测试头部分选用优质合金钢热处理，以减少探头的变形对实验数据的影响，同时也保证了测试头的耐用性。在这些部件的共同作用下测试机以一定的速度对管材施加一定的力，测试PVC管材的抗压性能。电气部分初步计划采用两路传感器器采集信号，一路检测力值由贴片式压力传感器采集受力大小转变成电信号，一路检测位移由光电编码器传递。传感器采集到数字信号

5、，直接输入至A/D转换器，转换成数字信号后由单片机进行处理，换算成实际力值和位移值后在液晶显示器上实时显示出来。同时由D/A转换器直接输出电压值，给相应的伺服控制器去控制直流伺服电机，通过同步带带动丝杠传动，直接传递给中横梁进行上下移动，对管材施加压力。整个试验过程结束后，按标准计算公式计算出强度值，判断合格与否，以备查询和打印结果。1 机械部分的设计1.1电机的选择1.1.1、 选择电机应综合考虑的问题（1） 根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、正反转、调速等要求，选择电动机类型。（2） 负载转矩、速度变化围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力和启动转矩，选择电

6、机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.80.9。过大的备用功率会使电机效率降低，对于感应电动机，其功率因数将变坏，并使按电动机最大转矩校验的强度和生产的机械造价提高。（3） 根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以与腐蚀和易燃气体等考虑必要的保护方式，选择电动机的结构型式。（4） 根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求，确定电动机的电压等级和类型。（5） 根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的要求，以与机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。除此之外，选择电动机还必须符合节能要求，考虑运行可靠性、设备的供货情况、备品备件

7、的通用性、安装检修的难易，以与产品价格、建设费用、运行和维修费用、生产过程中前后期电动机功率变化关系等各种因素。 此试验机根据设计要求选用伺服电机，以下是选择过程。1.1.2确定传动路线电机1.1.3各传动部分效率1同步带传动的效率，取0.96；2减速器的传动效率，取0.84；3丝杠传动的效率，取0.6；4轴承（滚动轴承）的效率，取0.98；1.1.4选用电机最小功率计算P=（W）1.1.5电机选择根据最小功率选择110SZ54型三相混合式步进电机，其技术参数为：转矩：908Nm；转速：3000r/min；额定电压：220V；电流：2A；额定功率：308W；1.1.6确定传动比横梁最大移动速度

8、200/min，丝杠导程L0=6mm，动力源采用步进电机。可计算出传动比i传动比比较大，故采用减速器降速：1.2丝杠的设计计算初步确定实验仪器最大载荷为5KN最大传动速度为200mm/ min，初选丝杠的最大直径d=36mm，最小直径d1=29mm，螺距P=6mm。由于最大传动速度为200mm/min，是低速传动，所以选定丝杠螺母副材料为中碳钢，牙型为等腰梯形，牙型角=30。外螺纹以锥面贴紧不易松动。与矩形螺纹相比，传动效率略低，但工艺性好，牙根强度高，对中性好。梯形螺纹是最常用的传动螺纹。查表5-12滑动螺旋副材料的许用压力p与摩擦系数f得，许用压力为7.5-13MPa取p=13MPa摩擦系

9、数f为0.11-0.17取f=0.17.1.2.1丝杠耐磨性校核校核公式为：式中F丝杠的轴向力（单位为N）; A丝杠工作面积（单位为）；d2丝杠螺纹中径（单位为mm）；h丝杠螺纹工作高度（单位为mm），h=6mm；P丝杠螺纹螺距（单位为mm），P=6mm；H丝杠螺母副高度（单位为mm），H=80mm；满足耐磨性条件。1.2.2自锁性校核满足自锁性。1.2.3丝杠螺纹的强度校核查表5-13得，滑动螺母副材料的许用应力=225Mpa.丝杠的强度计算公式为：式中：F丝杠所受的轴向压力（或拉力），单位为N；A丝杠的危险截面面积；，单位为；WT丝杠的抗扭截面系数，单位为；d1丝杠小径，单位为mm；T丝杠

10、所受的最大扭矩，单位为Nmm。满足强度要求。1.2.4丝杠螺母副纹牙的强度校核纹牙多发生剪切和挤压破坏，一般螺母材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹牙的强度，螺纹牙的危险截面在牙根部。螺纹牙的剪切强度校核公式为：螺纹牙的剪切强度校核公式为：式中：b丝杠螺母副螺纹牙根部的厚度，单位为mm，b=0.65P=3.9mm;l弯曲离臂，单位为mm，l=(D-D2)/2;滑动丝杠螺母副的许用剪切应力,单位为Mpa,查表5-13得，=0.6=135Mpa；滑动丝杠螺母副的许用弯曲应力，单位为Mpa，查表5-13得，b=225Mpa。1.2.4.1剪切强度校核满足剪切强度要求。1.2.4.2弯曲强度校核满足弯

11、曲强度要求。1.2.5键的选择选择圆头平键，即：键 5 x 22 GB 1096.1.2.5.1平键联接强度校核计算计算公式为：式中：T传递的扭矩(T=F x y=F x d/2),单位为Nmm；k键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，此处h为键的高度，单位为mm；l键的工作长度，单位为mm，圆头平键l=L-b=36-6=30mm，这里L为键的公称长度，单位为mm,b为键的宽度，单位为mm；d轴的直径，单位为mm；p键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用压力，单位为Mpa.查表6-2得，p=120Mpa。满足键联接强度要求。1.2.6轴承选择采用推力球轴承 36250 GB/T 292-84。1.2

12、.7丝杠螺母副的选择整体螺母结构简单，但由磨损而产生的轴向间隙不能补偿，只适合在精度要求较低的螺旋中使用。对于经常双向传动的传导螺旋，为了消除轴向间隙和补偿旋合螺纹的的磨损，避免反向传导时的空行程，常采用组合螺母或剖分螺母，本试验系统要求精度比较高，且需要双向传导，所以丝杠螺母副采用剖分螺母。以上所查表均查自机械设计课本。1.3减速器的选择根据前面的计算知减速器的减速比为 i=30 根据 由减速比可知输出转速为r/min，有前面可知电机的最小功率为62.567kw，经过同步带后的功率为：即输入减速器的功率为：所以减速器输出转矩为：N/M选择减速器是转矩必须大于0.024综合经济性，并考虑安全性

13、，选择RV-40减速器如下图：RV-40减速器的参数1.4同步带传动设计计算为防止发生皮带打滑现象，本试验仪器的带传动采用同步带传动。从动带轮转速：n2=200/6 x 30=1000r/min,减速比i=1/3；主动带轮转速：= n2 /i=1000x3=3000r/min,电机转矩为：Tn=T x 1/30 x 1/3=16784.815 x 1/30 x 1/3=1830.942Nmm传递功率：P=Tn/9550=1830.942 x 3000 / 9550=578.192W1.4.1设计功率Pc=KgP Kg工作情况系数，查机械设计手册第二版上册表10-26可得KA=1.0 Pc=1.

14、0578.192=578.192(W)1.4.2模数 m查机械设计手册第二版上册图10-10，确定同步带轮的模数为m=2。1.4.3同步带轮齿数 由前面的传动比计算已经确定Z1=18,Z2=541.4.4带轮节圆直径 d1=m Z1 =2 x 18=36mm，d2 =mZ2 =2 x 54=108mm1.4.5带速1.4.6初定中心距要满足0.7(d1+d2) 2(d1+d2)0.7(d1+d2)=0.7(36+108)=100.8mm2(d1+d2)=2(36+108)=288mm初定=190（mm）1.4.7初定带的节线长度Lo与齿数 Lo=613.016mm 由机械设计手册第二版第上册表

15、1024选取Lp=628.3mm Z b=1001.4.8实际中心距 中心距可调整mm1.4.9小带轮啮合齿数1.4.10单位带宽的离心拉力，查机械设计手册第二版第上册表1029得，q=2.4kg/mm,所以，1.4.11带宽b 式中KZ小带轮啮合齿数系数，取KZ =1.00Ki传动比系数，查机械设计手册第二版第上册表1028得，Ki=0.90；Fp单位宽度的许用拉力，查机械设计手册第二版第上册表1029得，Fp=20 x 10N/m。取b=40mm1.4.12作用在轴上的力QQ=Pc/v=578.192/1.885=306.733N二 电路部分设计2.1单片机最小系统2.1.1 AT89C5

16、2简介AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。2.1.1.1主要功能特性（1）、兼容MCS51指令系统 （2）、8k可反复擦写(大于1000次）Flash ROM； （3）、32个双向I/O口； （4）、256x8bit部RAM； （5）、3个16位可编程定时/计数器中断； （6）、时钟频率0-24

17、MHz； （7）、2个串行中断，可编程UART串行通道； （8）、2个外部中断源，共8个中断源； （9）、2个读写中断口线，3级加密位； （10）、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能； （11）、有PDIP、PQFP、TQFP与PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。 2.1.1.2引脚功能与管脚电压AT89C52为8 位通用微处理器，采用工业标准的C51核，在部功能与管脚排布上与通用的8xc52 一样，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 部寄存器、数据RAM与外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码与与主板CPU通

18、信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚与28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU

19、的相应功能端，用于当前制式的检测与会聚调整状态进入的控制功能。AT89C52引脚图2.1.1.2.1P0 口P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的 方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活部上拉电阻。 在Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 2.1.1.2.2 P1 口P1 是一个带部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出

20、缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑 门电路。对端口写“1”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为部存在上拉 电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。 与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）， 表1引脚号功能特性P1.0T2，时钟输出P1.1T2EX（定时/计数器2）2.1.1.2.3 P2 口P2 是一个带有部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑 门电路。对端口P2 写“1”

21、，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。 在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI 指令）时，P2 口输出P2 锁存器的容。 Flash 编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。2.1.1.2.4 P3 口P3 口是一组带有部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻 辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被部

22、上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。 P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能 P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 2.1.1.2.5 RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 2.1.1.2.6 ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字 节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储

23、器时将跳过一个ALE 脉冲。 对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。 如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条 MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。 2.1.1.2.7 PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数 据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 2.1.1.2

24、.8 EA/VPP外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接 地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时部会锁存EA端状态。 如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行部程序存储器中的指令。 Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V 编程电压Vpp。 2.1.1.2.9 XTAL1振荡器反相放大器的与部时钟发生器的输入端。 2.1.1.2.10 XTAL2振荡器反相放大器的输出端。 2.1.2最小系统电路使用AT89C52构成的最小系统电路如图3.1所示，它由电容

25、C1，C2和晶振Y1构成以部方式工作的时钟振荡电路。若直接从外部引入振荡信号连接到部振荡器，则时钟电路工作于外部方式，由电阻R2和电容C3构成上电位复位电路，即单片机一旦接通电源，便自动进入复位电路处理，随着电容两端电位的提高，RST端的电位变为低电平，进入正常工作模式。2.2 数据转换芯片ICL7109ICL7109是美国Intersil公司生产的一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式12位A/D转换器。由于目前逐次比较式的高速12位A/D转换器一般价格都很高，在要求速度不太高的场合，如用于称重，测压力等各种高精度测量系统时，可以采用廉价的双积分式高精度A/D转换器ICL7109。I

26、CL7109最大的特点是其数据输出为12位二进制数，并配有较强的接口功能，能方便的与各种微处理器相连。 2.2.1 ICL7109的部结构与芯片引脚功能2.2.1.1 ICL7109的部电路结构ICL7109的部电路有模拟电路和数字电路部分组成。模拟电路部分由模拟信号输入振荡电路、积分、比较电路以与基准电压源电路组成。下图为数字电路部分的结构。他由时钟振荡器、异步通讯握手逻辑、转换控制逻辑以与计数器、锁存器、三态门组成。 高位字节输出引脚 低位字节输出引脚 17 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 16位三态输出 ICL7109 18 16 20 14位锁存器

27、 模拟电路部分 12位计数器 电压比较 振荡器与时钟电路转换控制逻辑 握手 逻辑 器输出 2 26 22 23 24 25 21 27 图1 ICL7109数字电路部分部结构2.2.1.2 ICL7109的功能引脚ICL7109为40引脚双列直插式封装。各引脚功能如下：GND： 数字地，0VSTATUS：状态输出，ICL7109转换结束时，该引脚发出转换结束信号。POL： 极性输出，高电平表示ICL7109的输出信号为正。OR： 过程量状态输出，高电平表示过程量B1B12：三态转换结果输出，B12为最高位，B1为最低位TEST： 此引脚仅适用于测试芯片，接高电平时为正常操作，接低电平时则强迫所

28、有 位B1B12输出为高电平。LBEN： 低电平使能端。当MODE和CE/LOAD均为低电平时，此信号将作为低位 字节（B1B8）输出选通信号；当MODE位高电平时，此信号将作为低位 字节输出。 HBEN： 高字节使能端。当MODE和CE/LOAD均为高电平时，此信号将作为高位 字节（B8B12）以与POL，OR输出的辅助选通信号；当MODE位高电 平时，此信号将作为高位字节输出而用于信号交换方式。 CE/LOAD：片选端。当MODE为低电平时，它是数据输出的主选通信号，当本脚为 低电平时，数据正常输出；当本脚为高电平时，则所有数据输出端（B1B12， POL，OR）均处于高阻状态。MODE：

29、 方式选择。当输出低电平信号时，转换器为直接输出方式。此时，可在片 选和数据使能的控制下直接读取数据。当输出高电平脉冲时，转换器处于 UART方式，并在输出两个字节的数据后，返回到直接输出方式。当输入 高电平时，转换器将在信号交换方式的每一转换周期的结尾输出数据。OSC IN： 振荡器输入OSCOUT：振荡器输出OSCSEL： 振荡器选择。输出高电平时，采用RC振荡器；输入低电平时采用晶体振 荡器。BUFOSCOUT：缓冲振荡器输出。RUN/HOLD：运行/保持输出。输入高电平，每经8192个时钟脉冲均完成一次转换。 当输入低电平时，转换器将立即结束消除积分阶段并跳至自动调零阶段， 从而缩短了

30、消除积分阶段的时间，提高了转换速度。SEND： 是输入信号。用于数据信号传送时的信号交换方式，以指示外部器件能 够接受数据的能力。 V-： 负电源，接5V。 REFUOT： 基准电压输出，一般为+2，8V BUF： 缓冲器输出 AZ： 自动调零电容Caz连接端。 INT： 积分电容Cint连接端。 COMMON： 公共模拟端 INLO： 差分输入低端。 INHI： 差分输入高端。 REFIN+： 正差分基准输入端。 REFCAP+： 正差分电容连接端。 REFCAP-： 负差分电容连接端。 REFIN-： 负差分基准输入端。 V+： 正电源，接+5V。2.2.2 ICL7109的外部电路连接与

31、元件参数选择2.2.2.1 ICL7109的外部电路连接2.2.2.1.1 ICL7109外部电路的应用特征A.电源供给ICL7109位双电源5V，引入V+，V（40，28脚），1端GND为公共接地端。B.基准电压供给ICL7109有一个良好的片基准电压源，由REFOUT端输出（29端），可以使用电阻分压以获得一个合适的基准电压。一般来说，对模拟输入如果要求满度输出4096个数，则Vin=2Vref，即+2.048V基准电压对应于+4.096满度输出模拟电压；+204.8mv则对应于+409.6V满度输出电压。但在许多应用中，A/D变换器直接与传感器相连，测量的绝对电压输出并不等于标准量程，这

32、时，只要将基准电压等于传感器输出电压的一般即可，而不必进行分压。在要求零读数而不是零输入时，如温度测量中的补偿，称重中的去皮重等。这时，补偿电压可直接引入，即将传感器的输出端接到模拟输入高端和模拟公共端之间，只需注意极性即可。基准电压的稳定与否，直接影响转换精度，ICL7109分辨率位1/4096或244ppm。如果片基准源的温度系数为80ppm/，则环境温度变化了3就会增加1LSB绝对误差。如果不控制环境温度则建议使用外部基准电压源。C.模拟信号输入模拟信号可差分输入，分别接入差分输入高端INHI（35脚）和差分输入低端INLO（34脚）。模拟信号公共端为COMMON（33脚）。D.时钟电路

33、ICL7109片有振动器与时钟电路。片提供的多功能时钟振动器既可用作RC振荡器，也可作为晶体振荡器。OSCSEL（24端）为振荡器选择。OSCSEL（24端）为高电平或开路时片为RC振荡器，此时OSCOUT（23端）和BUFOSCOUT（25端）外接电阻、电容到OSCIN（22端），如图4所示；OSCSEL为低电平时，外接振荡晶体，片为晶体振荡器如图5所示。接成RC振荡器时，振荡器频率为045/RC（电容不能小于50PF）。接成晶体振荡器时，部时钟为58分频后的振荡器频率。为了使电路具有抗50串模干扰能力。A/D转换时应选择积分时间（2048个时钟数）等于50HZ的整数倍。例如取积分时间为50

34、HZ的1倍，即20MS，则晶体频率F=（2048个时钟周期）（58/20MS）=5939MHZ；对于RC振荡器，则F=（2048个时钟数）/20ms=1024KHZ。E接口方式ICL7109部有一个14位（12位数据和一个极性，一位溢出）的锁存器和一个14位的三态输出寄存器，可以很方便地与各种微处理器直接连接，而无须外部加额外的锁存器。ICL7109有两种接口方式，一种是直接接口方式，另一种是挂钩接口方式。在直接接口方式中，ICL7109转换结束时，由STATUS发出转换结束信号到单片机，单片机对转换后数据分高位字节和低位字节进行读数。在挂钩接口方式时，ICL7109提供工业标准的（通用异步接

35、收发送器）数据交换模式，适用于远距离的数据采集系统。2.2.2.1.2 ICL7109外部电路的参数选择 ICL7109外部电路的连接与元件参数值： A积分电阻RINT的选择缓冲放大器和积分器能够提供20UA的推动电流，积分电阻要选得足够大，以于直接输出方式。振荡器选择端(即OS 端，24 脚)接地，则 7109 的时钟振荡器以晶 体振荡器工作，部时钟等于 58 分频后的振荡器频率，外接晶体为 6MHz，则时钟频率=6MHz/58=103kHz。积分时间=2048 时间周期=20ms，与 50Hz 电源周期一样。积分时间为电源周期的整数倍，可抑制 50Hz 的串模干扰。在模拟输入信号较小时，如

36、 00.5 伏时，自动调零电容可选比积分电容 CINT 大一倍，以减小噪声，CAZ 的值越大，噪声越小，如果 CINT 选为 0.15F，则 CAZ=2CINT=0.33保证在输入电压围的线性。 积分电阻RINT=满度电压/20UA当输入满度电压=4096V时，RINT=200K，此时基准电压REFIN-和REFIN+之间为+2V，由电阻R2和电位器R1分压取得。如满度电压为方便用户4096MV，则RINT=20K，基准电压=0.2V。RINT接入缓冲放大器输出端BUF（30脚）。B积分电容CINT的选择积分电容根据积分器给出的最大输出摆幅电压选择。此电压应使积分器不饱和（大约低于电源0.3V

37、）。对ICL7109的5V电源。模拟公共点接地，积分器输出摆幅一般为3.5V至4V。对不同的时钟频率，电容值也要改变，以保证积分器输出电压的摆幅。 CINT=2048*时钟周期*20UA/积分器输出摆幅为了使积分器不饱和，积分器输出的摆幅最大为4V，所以积分器的最小电容为1UF。积分器电容越大，积分器输出摆幅越小，所以，CINT也不应选的过大，如果电路设计时选用不同的时钟频率，则积分电容应根据上面的公式计算，以便选择合适的CINT的值。积分电容CINT接入积分电容连接端INT（32脚）。C自动调零电容CAZ的选择积分电容CINT选定以后，自动调零电容CAZ的选择是非常容易的。在模拟输入信号较小

38、时，如0409.6MV，这时抑制噪声是主要的。而这时积分电阻又较小，所以，自动调零电容CAZ可选为比积分电容CAZ大一倍，以减少噪声。CAZ的值越小，噪声越小。对于大部分实际应用系统,由传感器来的微小信号都要经过放大器放大成较大的信号,如0+4096mV。这时噪声的影响不是主要的，可把积分电容Cint选大一些以减少复零误差，使Cint=2Caz。D基准电容Cref的选择一般情况下Cref取值1uf较好。但如果存在一个大的共模电压（即基准电压低端不是模拟公共点），对于模拟输入为0+4096MV的情况下，要求电容值较大，以防止滚动误差，在这种情况下，如选Cref=10uf可以使滚动误差在05以。2

39、.2.3 ICL7109 与 89C52 的接口本系统采用直接接口方式，7109 的 MODE 端接地，使 7109 工作F。由传感器传来的微弱信号经放大器放大后为 05V，这时噪声的影响不是主要的，可把积分电容 CINT选大一些，使 CINT=2CAZ，选 CINT= 0.33F，CAZ=0.15F，通常 CINT 和 CAZ 可在 0.1F 至 1F 间选择。积分电阻 RINT 等于满度电压时对应 的电阻值(当电流为 20A、输入电压=4.096V 时，RINT=200k)，此时基准电压 V+RI 和 V-RI 之间为 2V，由电阻 R1、R3 和电位器 R2 分压取得。本电路中，CE/L

40、OAD 引脚接地，使芯片一直处于有效状态。RUN/HOLD(运行/保持)引脚接+5V，使A/D 转换连续进行。A/D 转换正在进行时，STATUS 引脚输出高电平，STATUS 引脚降为低电平时，由 P2.6 输出低电平信号到 ICL7109 的 HBEN，读高 4 位数 据、极性和溢出位；由 P2.7 输出低电平信号到 LBEN，读低 8 位数据。本系统中尽管 CE/LOAD 接地，RUN/HOLD 接+5V，A/D 转换连续进 行，然而如果 89C51 不查询 P1.0引脚，那么就不会给出 HBEN、LBEN 信号，A/D 转换的结果不会出现在数据总线 D0D7 上。不需要采集数据 时，不

41、会影响 89C51 的工作，因此这种方法可简化设计，节省硬件和软件。2.3传感器在对PVC管材施加压力的过程中。通过控制机械传动部分，带动压盘对管材施加压力。所以传感器需要来测量压盘对管材施加的压力大小。根据设计要求（1）最大试验力：5000N（2）量程：1,2,5.（5000,2500,1000）（3）位移：最大显示：5000mm（4）试验速度：5,10,50,100,200,500.综合考虑传感器的型号、精度等因素，选取BHR-25负荷传感器，它主要的技术指标如下：灵敏度：20mV/V01%非线性：0.03% RO滞后误差：0.02% RO重复性误差：002% RO激励电压：推荐10V12

42、V（AC或DC） 最高20V（AC或DC）零点输出：1% RO输入电阻：420输出电阻：导线：，4芯，3m长电缆绝缘电阻：桥路端子对本体以上温度补偿围：-10+70工作温度围：-20+100温度零点变化：002% RO/10温度输出变化：002% RL/10允许过载能力：50% RL允许最大侧向负荷：50% RL外形与安装尺寸2.4光电编码器在压盘对管材施加压力的过程中需要控制压盘随滑块的位移量，所以需要选择光电编码器来实现计数。2.4.1.光电编码器原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测

43、装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90旱牧铰仿龀逍藕拧2.4.2 BL3806光电编码器2.4.2.1 特性与用途(1)外径38，轴径6，厚度35(2)小型化，低价格，高性能设计，抗干扰强(3)多种输出电路可选，出线方式为电缆侧出与后出(4)适用于工业机械、自动化控制等行业2.4.2.2可选脉冲数：50 、60 、100

44、、 120、 125、200 、300 、360 、400、 500、600 、720 、900 、1000 、1024、1200、1800、2000、2500 或根据用户要求定做 2.4.2.3接线定义：信号AB+VCC0VN.C导线颜色红绿白黑网线2.5外围电路设计2.5.1信号采集电路机械传动部分带动压盘对管材施加压力，传感器来测量压盘对管材施加的压力大小并送至单片机。BHR-25负荷传感器组成的传感器电路连接到ICL7109A/D转换器，将模拟信号转换成数字信号送到AT89C52单片机以实现信号的采集；在压盘对管材施加压力的过程中需要控制压盘随滑块的位移量，光电编码器来实现计数。光电编

45、码器直接连接到AT89C52单片机以实现对位移量得信号采集。如下图：传感器电路单片机与其I/O口外接电路光电编码器电路2.5.2控制电路采用单片机控制伺服电机以实现机械传动，单片机连接D/A转换器将数字信号转换成虚拟信号通过直流控制器连接到电机通过控制电机调节电机的转速。线路见图如下：电机控制电路2.5.3键盘电路由若干个按键组成的键盘，其电路可分为独立式键盘和矩阵式键盘两种。独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多

46、时，I/O口线浪费较大，不宜采用1。矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。对于独立式按键键盘，因按键数量少，可根据实际需要灵活编码。对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号惟一确定，因此可分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位

47、是行号，低4位是列号。2.5.4显示电路单片机应用系统最常用的显示器是LED(发光二极管显示器)，LCD(液晶显示器)。这两种显示器可以显示系统指令，数字和字符。它们的驱动电路简单，易于实现且价格低廉，性价比较高，因此得到了广泛的使用。本次设计采用了金鹏OCM160128液晶显示器。OCM160128 是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器与 160X128 全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示 10X8 个（16X16 点阵）汉字。模块外部接口编号引脚名称引脚功能描述1FG模块结构地2VSS电源地（0）3VDD电源正极（+5）4V0液晶显示偏压信号 AT89C51单

48、片机键 盘ICL7109正转 反转控制器电机传感器压 力信号放大数据显示 报警电路光电编码器位 移3 流程图4 结 论本设计针对PVC管材的抗压性能检测系统进行了一系列设计，对试验机的机械部分和电气电路部分选择和连接进行了系统的研究和设计。本文主要完成的工作如下：(1).了解了整个试验机的工作原理和工作流程，特别是电路部分的系统设计和选择连接电路。(2).运用机电传动理论，结合实习中实际机电一体化设计，拟定机械传动方式和电气控制方式，选择机械零件和电气零件，确定设计思路，划分设计阶段，确定方案。(3).设计该检测系统的机械传动部分，包括电机的选型、丝杠螺母副的选择、传动方式的确定、减速器和同步

49、带的确定等。(4).设计了该检测系统的电气控制部分，包括单片机的选型、数据转换芯片的选择、传感器和光电编码器的确定以与各部分电路的连接等。参 考 文 献1 宋和, 甘勇. 单片机模糊控制系统设计与应用实例M. : 电子工业, 1999.5:20-252 新民, 王燕芳. 微型计算机控制技术M, 第2版. : 电子工业, 2003.4:305-3503 Newman W M, Sbroull R F. Principles of Interactive Computer GraphicsM. New York: McGraw Hill, 1979.10: 10-254 Mastri A R. N

50、europathy of diabetic neurogenic bladderJ. Ann Intern Med, 1980, 92(2):316-3185 钟爱琴，王幸之. AT89系列单片机原理与接口技术M.：航空大学，2004.5.1:338-4376 邓星钟. 机电传动控制M.：华中科技大学，2000.6.6:97-1017 竺南直，熊小芸.MCS-51单片机原理与应用实例M.：电子工业，2008.1:11-368 纪名刚.机械设计M，第8版.：高等教育，2006.8:143-1649 志祺.机械零件设计手册M，第2版.：冶金工业，1980.11：328-33110 吴宗泽，罗圣国.

51、机械设计课程设计手册M，第3版.：高等教育，2006.5:64-8211 周明衡.减速器选用手册M.：化学工业，2002.6:151-28912 泽鼎.单片机应用与实例M.：电子工业，2005.1:81-8513 周开勤.机械零件手册M.第4版.：高等教育，1994.5:10-2014 廖晓钟.电力电子技术与电气传动M.：理工大学，2000:64-7615 宁，启新.电机自动控制系统M.：机械工业，2003:63-81致 经过近半年的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有王老师的督促指导，以与一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感老师。虽然老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，他都要不辞辛苦的对我们进行指导，每一阶段王老师都要检查我们的设计进度并为我们指出设计过程中的错误，督促我们与时改正。这让我很感动。王老师的治学严谨和科学研究的精神是我永远学习的榜样。然后还要感大学四年来所有的老师，为我们打下机械专业知识的基础；同时还要感所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励。此次毕业设计才会顺利完成。30 / 30