基于單片機電磁鉚接加載速率測速系統設計*

鄧將華，余祥峰

（福州大學 機械工程及自動化學院，福建 福州350108）

電磁鉚接是一種將電能轉化為機械能使鉚釘發生塑性變形的一種新型鉚接方法，是實現鈦合金和復合材料結構連接及大直徑鉚釘和難成形材料鉚釘成形的一種先進的連接技術。電磁鉚接質量穩定，加載速率高，與普通鉚接本質的差別就在于加載速率不同。研究結果表明，過高的加載速率有可能出現釘頭剪切破壞，而相對緩慢的加載速率有利于解決釘頭出現裂紋的問題。對于不同的材料，有不同的加載速率要求，需充分研究其加載速率范圍，這是制定合理工藝參數的基礎，所以加載速率是電磁鉚接最為重要的參數。電磁鉚接屬于高速沖擊加載，要準確獲得其加載速率相對困難。目前大多數研究者通過計算放電電流周期來確定加載時間，并根據鉚釘變形即可近似求出電磁鉚接鉚模加載速率[1]。由于鉚接設備中放大器對應力波的周期和幅值起到調節作用，鉚模的加載時間與放電電流周期有較大差別，導致鉚模加載速率的計算存在較大誤差。

高速加載速率的測量廣義上可分為接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量主要是用金屬絲纏制成網靶，當物體經過網靶，沖斷金屬絲時產生一個脈沖電壓信號，通過對信號的處理獲得物體的速率值[2]。該方法每次測量都要更換金屬絲，浪費材料，重復性差，因此運用較少。激光多普勒速率測量和光電測速系統屬于非接觸式測量。這兩種方式動態響應快，測量精度高，在高速物體速率測量領域得到廣泛應用。其中，激光多普勒測速系統具有測量范圍寬、空間分辨率高等優點[3]，但設備復雜、對光學元件要求高、調試困難、造價高昂，使其在應用中受到很大限制[4]。隨著光電技術的發展，光電傳感器響應時間越來越短，光電傳感測速系統應用也越來越廣泛。光電測速系統可分為透射式和反射式兩種。反射式光電測速系統需要在運動物體上加工高精度明暗條紋，對激光器和光電探測器的安裝要求較高[5]。透射式光電測速系統采用高功率紅外發光二極管與高靈敏度的光電晶體管組成，這種測量方式可避免可見光的影響，抗干擾能力強[6]。相比接觸式測量，非接觸式測量方法重復性好，不會對原有設備造成損害。本文采用非接觸式紅外傳感器將鉚模加載速率轉化為電信號，經過運算放大處理，利用STC89C52單片機捕獲脈沖時間，經過邏輯運算，實現電磁鉚接鉚模加載速率的測量。

1 測速原理

為了測量鉚模的加載速率，將U形遮光片與鉚模沖頭固定在一起。在電磁鉚接過程中，鉚模將帶著U形遮光片一起運動，測得U形遮光片的信號，經過處理即可獲得鉚模的加載速率。電磁鉚接鉚模加載速率測試系統原理如圖1所示。測試系統主要由U形遮光片、紅外傳感器、放大電路和單片機等組成。當U形遮光片兩側通過紅外傳感器時，紅外傳感器產生兩個跳變下降沿。當單片機檢測到第一個下降沿時，捕獲并立即獲取計時寄存器中的值，將該值存入一組寄存器中，同時向CPU申請中斷。當單片機引腳的下一個負跳變到來時，將產生另一個捕獲，再次向CPU申請中斷。運行燒錄在單片機中程序獲得兩個負跳變的時間間隔。經過邏輯運算，即可準確地計算出鉚模的加載速率。

鉚模的平均加載速率V可由式(1)求得：

其中S表示U型遮光片兩片之間距離；t2表示第二次捕獲時存在寄存器中的時間值；t1表示第一次捕獲時存在寄存器中的時間值。

2 測速系統硬件

鉚模運動屬于高速加載，測速系統的硬件需滿足響應時間短、穩定性好、集成度高、電路檢測容易等要求。因此，本文采用控制功能強的STC89C52單片機為核心控制器，與紅外測速技術相結合構成硬件系統。該系統結構緊湊，可實現復雜邏輯功能運算控制。

2.1 傳感器模塊及電壓調節放大電路

傳感器是轉換信號的來源，傳感器的選擇直接關系到測量的精度。透射式光電傳感器DB1S6150采用高功率紅外發光二極管以及高靈敏度光電晶體管組成，抗干擾能力較強，靈敏度較高。傳感器響應測試電路如圖2所示。傳感器響應上升時間Tr典型值為3μs，最大值為15μs；響應下降時間Tf典型值為4μs，最大值為20μs，滿足實驗要求。傳感器輸出波形并不是方波，直接連接單片機會產生不可預測的誤差，因此通過運算放大器將模擬量轉變為開關量來規避誤差。電壓調節放大電路主要由基準電壓源、電壓比較器兩部分組成，電路如圖3所示。傳感器電壓經穩壓后，送入電壓比較器與基準電壓Vg進行比較。當VsVg時，電壓輸出V為高電平。U型遮光片加工采用線切割制成毛坯并通過精磨來提高精度，減少誤差。

2.2 單片機模塊

STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器。通過設置工作模式選擇位可將定時器2設為捕獲模式。捕獲能夠捕捉到某一瞬間的值，準確測量兩個跳變沿之間的時間間隔，在實際脈沖寬度測量中有廣泛的應用。捕獲模式邏輯結構圖如圖4所示。在定時器2啟動/停止控制位TR2和定時器外部使能標志位都打開的情況下，當單片機P1.1口接收到一個負跳變時，捕獲便將定時/計數寄存器TH2和TL2的值獲取并將它們分別存入RCAP2H和RCAP2L這兩組寄存器中，同時向CPU申請中斷。

晶振是單片機控制的一個重要組成部分，單片機晶振的時鐘頻率越高，計算速率越快。為便于計算，單片機選擇12 MHz的晶振，它的時鐘周期為1/12μs，一個機器周期為1μs。定時器加1所用的時間為1μs。通過讀取寄存器的值獲取U型遮光片產生的兩個時間間隔。整個電路原理圖如圖5所示。單片機檢測外部信號，對其進行數據運算并驅動1602液晶顯示鉚模速率及時間。

3 軟件設計

單片機測速系統目前主要的方法需要用兩個相同的光電傳感器，分別連到單片機的P3.2口和P3.3口，當物體經過第一個傳感器時，一個電信號便輸入單片機的P3.2口中，執行程序將開啟單片機定時器。物體經過第二個傳感器時，另一個電信號便輸入到單片機的P3.3口中，同樣地執行程序將關閉定時器。這種方法廣泛用于炮彈初速率測量、汽車速率與加速率測量等。由于使用兩個傳感器，引入不同傳感器響應輸出一致性誤差。由于兩個傳感器固有間距的要求，這種方法并不適用于短距離的速率測量。針對52單片機特有的捕獲功能，本文采用一個傳感器，單通道實現鉚模加載速率的測量，大大減小了傳感器誤差。測速的流程如圖6所示。測速程序主要包含：(1)液晶及STC89C52單片機復位；(2)捕獲觸發脈沖中斷響應；(3)利用定時器2定時讀取脈沖間隔計數寄存器，計算鉚模速率；(4)1602液晶顯示時間及速率；(5)測量檢測；(6)手動復位，準備下一次測量。

圖5 測速系統電路圖

圖6 測速程序流程圖

4 測量系統誤差分析

測量誤差是考察系統性能的重要指標。系統中存在的誤差都必須進行合理的處理。誤差來源主要有單片機計時模塊誤差、紅外傳感器輸出一致性誤差、U型遮光片加工精度及安裝精度誤差等幾個方面。

根據誤差傳遞理論，鉚模的速率測量誤差可由式(2)確定：

式中ΔS為U形遮光片的加工及安裝誤差；Δt為時間間隔測量誤差，該誤差主要由紅外傳感器在不同速率下的輸出一致性Δt1、單片機計時模塊偏差Δt2決定，可由式(3)近似估算：

表1 單片機與示波器時間對比

由于紅外傳感器的響應時間的最大值為15μs，取傳感器輸出一致性Δt1為15μs。系統采用12 MHz的晶振，計時模塊偏差為1μs。將其代入式(3)得時間間隔誤差的最大值為15.03μs。電磁鉚接鉚模的相對速率誤差為：

測速系統中ΔS的實測值為0.05 mm。遮光片光縫距離S為7 mm。將其帶入式（4），可得電磁鉚接鉚模加載速率測量系統的誤差小于0.81%。

用該測速系統測量電磁鉚接鉚模加載速率，并用示波器驗證該系統測量時間。針對不同速率做8組實驗。示波器顯示時間為T1，單片機液晶顯示時間為T2。結果如表1所示。通過對數據進行分析，單片機和示波器的時間基本一致，滿足實驗要求。

電壓與鉚模加載速率關系曲線如圖7所示。低電壓電磁鉚接鉚模加載速率在10 m/s以內。隨著放電電壓升高，鉚模加載速率增加，大致呈線性關系。

本文基于單片機和紅外測速技術成功設計了一套電磁鉚接鉚模加載速率測試系統。該測試系統通過硬件的集成化以及軟件編程技術對測量數據進行優化處理，具有結構簡單、穩定性好、抗電磁干擾能力強、測量精度高等特點。其測量誤差小于1%，測速范圍可達0～100 m/s，可用于高速物體速率的測量。

[1]曹增強，佘公藩，夏力農，等.不同加載速率下鉚釘材料變形研究[J].西北工業大學學報，2000，18(1)：27-30.

[2]劉福才，劉陽，王世國，等.基于網靶和高速數據采集方法的彈丸速率測[J].兵工自動化，2008，27(3)：72-74.

[3]王輝林，陳志敏.激光多普勒測速實驗系統[J].激光與紅外，2009，39(7)：722-723.

[4]周健，馮慶奇，龍興武，等.激光多普勒測速儀信噪比及多普勒電流的研究[J].光電工程，2009，36(6)：46-51.

[5]何遠航，魏文，張慶明.反射式激光測速系統[J].北京理工大學學報，2007，27(11)：981-983.

[6]周志廣，雷彬，李治源.對射式激光測速系統設計與實現[J].計算機測量與控制，2011，19(1)：36-38.