基于C8051F064的電腦抗張試驗機的研制與開發

摘要：以C8051F064單片機為核心，研制了一種電腦抗張試驗機，用來測量紙張的抗張力和抗張強度。系統主要由傳感器、日歷顯示芯片、步進電機、液晶電路等構成。文章給出了試驗機的設計思路和測量方法。測試結果表明，該試驗機測量精度高，能夠顯示測量值的大小，并提供了一個友好的人機對話界面。

關鍵詞：抗張力；抗張強度；抗張試驗機；C8051F064

中圖分類號：TS736+.2

文獻標識碼：A

文章編號：1006-8228(2011)08-08-02

引言

隨著我國經濟的繁榮和發展，人們對物品包裝、印刷等的要求越來越嚴格，包裝需求量與日俱增，對包裝印刷材料的印刷適性的測試需求越來越高。因此，研制一種既符合ISO國際標準，又能從價格上被國人所接受的高性價比紙張印刷適性智能檢測系統，對促進我國造紙印刷業的發展具有積極的意義。隨著新技術的不斷發展，相關的國際國內標準不時進行相應的修訂，提高了對測試儀器的要求。與電子、日化等其他行業相比，我國的這類測試儀器整體水平處于相對落后狀態，不能很好地適應我國迅猛發展的造紙和及印刷行業面向國際的需要。因此為印刷、造紙行業提供一種測試技術先進、操作簡便、自動化程度高的新型電腦抗張試驗機就顯得非常重要和迫切，對提高行業水平，與國際水平接軌也具有重要的意義。

我們研究的電腦抗張試驗機廣泛適用于紙張、紙板、塑料薄膜以及其他非金屬材料抗張強度、伸長率、抗張能量吸收的測定試驗。它可以測量試樣抗張力、抗張強度、伸長率、裂斷長、抗張能量吸收、指數的智能型數字儀器。該儀器功能齊全，測量精度高，能夠顯示測量值的大小，測量范圍廣，并提供了一個友好的人機對話界面，操作簡單方便。本文以C8051F064為核心分析設計該試驗機的研制過程。

1、系統組成及工作原理

1.1 系統硬件組成

系統的結構如圖1所示。

C8051F064為試驗機的主控CPU，負責與用戶的對話和設備的控制。存儲器為非易失性存儲器，用于保存用戶設置的參數和系統的內部數據。液晶屏用于顯示人機對話界面。打印機采用微型打印機，打印測試報告。傳感器用于檢測試樣的抗張力。按鍵作為人機對話操作，負責指令的輸入。步進電機和驅動器為儀器的動力源，用于驅動試驗機的拉伸部件，對試樣進行拉伸運動。串口用于上下位機的通訊電平轉換。

1.2 系統工作原理

電腦抗張試驗機利用步進電機驅動傳動機構，使試驗機的動夾頭以設定的拉伸速度拉動被測試樣，利用拉力傳感器檢測試樣在被拉伸時所承受的最大拉力值并記錄試樣被拉伸的變形量，直到試樣被拉斷或拉潰為止。同時，系統將采樣到的力值和變形量以曲線和數字的形式在顯示屏上顯示出來，讓用戶了解試樣的動態性能參數。

2、主要硬件電路設計

2.1 C8051F064

C8051F064器件是完全集成的混合信號片上系統型MCU，具有59個數字I／O引腳，片內集成了兩個16位、l Msps的ADC；64KB可在系統編程的FLASH存儲器；4352字節的片內RAIVI；可尋址64KB地址空間的外部數據存儲器接口；硬件實現的SPI、SMBus／12C和兩個UART串行接口；5個通用的16位定時器；具有6個捕捉，比較模塊的可編程計數器／定時器陣列；片內設有看門狗定時器、VDD監視器和溫度傳感器；在使用JTAG調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行；每個MCU都可在工業溫度范圍(-45℃到+85℃)工作，工作電壓為2.7-3.6V；端口I／O、／RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號電壓。

2.2 傳感器

測力傳感器是電腦抗張試驗機的關鍵部件，它的性能及準確度直接影響到整個測力儀的性能及指標。測力傳感器的種類很多，根據國標GB／TBl634－2000對測力儀用傳感器的要求，經過測試與比較，我們選用了S型傳感器以及柱式傳感器。S型傳感器用于檢定量程100kN以下的試驗機，100kN以上試驗機則用柱式傳感器來檢定。S型測力傳感器具有準確度高、可靠性好、性能穩定、可拉壓兩用、抗偏載能力強等性質，可用于電子皮帶秤、料倉秤、配料秤、機電結合稱、吊鉤秤及其他力值的測量與控制及計算機控制配料系統等。

2.3 PF8563時鐘日歷芯片

PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工業級內含12C總線接口功能的具有極低功耗的多功能時鐘，日歷芯片。PCF8563的多種報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能以及中斷輸出功能，能完成各種復雜的定時服務。甚至可為單片機提供看門狗功能，內部時鐘電路、內部振蕩電路、內部低電壓檢測電路(1.0V)以及兩線制12C總線通訊方式，不但使外圍電路極其簡潔，而且也增加了芯片的可靠性，同時每次讀寫數據后，內嵌的地址寄存器會自動產生增量。

PCF8563有16個位寄存器，一個可自動增量的地址寄存器，一個內置32.768KHz的振蕩器(帶有一個內部集成的電容)，一個分頻器用于給實時時鐘RTC提供源時鐘，—個可編程時鐘輸出一個定時器一個報警器，一個掉電檢測器和一個400KHz 12C總線接口。

所有16個寄存器設計成可尋址的8位并行寄存器，但不是所有位都有用。前兩個寄存器內存地址(00H，01H)用于控制寄存器和狀態寄存器，內存地址(02H-08H)用于時鐘計數器(秒一年計數器)，地址(09H-0CH)用于報警寄存器(定義報警條件)地址0DH控制CLKOUT管腳的輸出頻率，地址0EH和0FH分別用于定時器控制寄存器和定時器寄存器。秒、分鐘、小時、日、月、年、分鐘報警、小時報警、日報警等寄存器，編碼格式為BCD，星期和星期報警寄存器則不以BCD格式編碼。當一個RTC寄存器被讀時所有計數器的內容被鎖存，因此在傳送條件下可以禁止對時鐘日歷芯片的錯讀。

3、軟件設計

軟件程序由參數設置、啟動、打印、設置編碼、出廠設置、結果統計等幾部分組成，流程圖如圖4所示。

4、測量結果

C8051F064集成了兩個1Msps、16位分辨率的ADC，試驗機的最大測試量程一般為300N，以此ADC對傳感器接收到的力值信號進行模／數轉換，系統的最小分辨率可達0.0046N，在測量時可達到很高的精度。

另外，力值傳感器的最大反應(變化)頻率一般為1kHz左右，用本系統的ADC，以1Msps的頻率對傳感器信號進行采樣，能夠完全保證系統可以采試樣的最大峰值。經實際測試，系統的靜態力值準確度一般都達到了0.1％左右。

5、結束語

本文所述試驗機和同類產品比較，具有測量精度高、可以實時顯示力值變形量曲線、可與上位機軟件配套使用、方便測試數據的管理等有優點。上位機顯示界面如圖5所示。該試驗機已經投入市場使用，具有良好的市場前景。

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