基于單片機技術的裝配壓力測控儀設計與研究

張秀艷，代小軍

（1.大連科技學院，大連 116052；2.大連三洋冷鏈有限公司，大連 116600）

控制技術

基于單片機技術的裝配壓力測控儀設計與研究

張秀艷1，代小軍2

（1.大連科技學院，大連 116052；2.大連三洋冷鏈有限公司，大連 116600）

在零部件過盈配合的裝配時，裝配壓力過小或過大都會影響裝配效果。對裝配壓力要進行監測與控制來保證產品質量。為了準確測量裝配壓力，結合實際應用，針對裝配機的裝配壓力進行全自動監控，設計了一臺以單片機為核心的裝配壓力測控儀。該控制器發揮了單片機智能控制的優勢，能夠達到較高的裝配壓力測控精度。

裝配壓力；單片機；壓力測量

0　引言

壓力指標在工業化生產當中有著重要的作用，在生產中保障安全的一項衡量指標，所以對于壓力的測量是一項比較重要的過程。壓力檢測是一般生產過程所不可缺少的環節，只有按工藝要求保持壓力的穩定，才能維持生產的正常。

在零部件過盈配合的裝配時，為了保證裝配精度和效率，對裝配壓力要進行監測與控制。由于壓力控制在生產過程中起著決定性的安全作用，因此有必要準確測量壓力。

本課題結合實際工程應用，針對裝配機的裝配壓力進行全自動監控，設計了一臺以單片機為核心的裝配壓力測控儀。

1　系統的總體設計方案

裝配壓力測控儀將裝配力的物理量通過力傳感器被送入A/D轉換器，進行模數轉換，將模擬量轉換成數字量，再送入89C51單片機中，在單片機中進行標度變換、二進制碼轉換成BCD碼、BCD碼轉換成分離BCD碼、分離BCD碼轉換成顯示碼，最后將顯示碼送到顯示模塊中。

對系統基本功能的分析，可將該系統結構大致分為如下四個部分：1）電源整流部分：此部分主要包括變壓器、整流器等硬件電路，它的作用是將220V交流電轉換為單片機所需的直流電源。2）A/D轉換部分：主要是指外界的物理量通過傳感器而得到的模擬量，進入A/D轉換器，物理量由A/D轉換器得到數字量送入單片機中，這是系統的關鍵部分之一。3）控制部分：它包括CPU（中央處理器）、以及鍵盤控制電路等，能夠對指示儀的量程、報警值和鍵盤信號進行處理，是整個控制系統的核心。4）顯示部分：是指數碼管和光柱顯示電路，它是LED發光二極管通過單片機的對其控制來實現的。

通過對裝配壓力測控儀顯示方案的分析并結合裝配機的具體要求，裝配壓力測控儀的原理方框圖如圖1所示。

圖1　原理方框圖

2　系統硬件的設計

系統的硬件設計主要包括：壓力傳感器、CPU、A/D轉換器、顯示芯片的選擇，顯示、鍵盤、I/O接口以及控制電路。裝配壓力測控儀電路如圖2所示。

圖2　電路原理圖

2.1力傳感器的選用

壓力傳感器是壓力檢測系統中的重要組成部分，由各種壓力敏感元件將被測壓力信號轉換成容易測量的電信號作輸出，給顯示儀表顯示壓力值，或供控制和報警使用。圖2給出壓力傳感器信號采集電路。選用了測量范圍廣，精度較高，性能價格比好的型號YCB-20A的電阻應變式壓力傳感器。測量范圍2、4、6 、8、10、12、15、20、25、30、35、40、60精度1mV/V電阻應變式壓力傳感器，不銹鋼結構。具有測量精度高、遲滯誤差小、工作穩定、體積小、重量輕，量程廣的特點。

2.2CPU的選用

裝配壓力測控儀系統選用89C51芯片，89C51是MCS-51系列單片機是功能很強的8位微型計算機，是MCS-51系列的代表性產品，89C51雖然片內沒有EPROM，但在市場上價格很低，僅需在片外擴展一片EPROM就可以構成8751。

2.3動態掃描接口

動態掃描顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的8個筆劃段a-h同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM是各自獨立地受I/O線控制，這種顯示方式可以起到節省系統I/O口的作用，采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮。用了74LS373和74LS145地址寄存器與數碼管相連，不連接限流電阻。

2.4A/D轉換器及接口電路

采用的A/D轉換芯片是TLC1459，它是10位逐次逼近模數轉換器，具有自動采樣保持功能，采用串行方式與處理器進行數據交換，與處理器連接僅有芯片選擇、I/O時鐘和數據輸出3引線。89C51的P1.5、P1.6和P1.7分別用于TLC1549的I/O時鐘、數據輸出和片選信號，TLC1549是10位、開關電容、逐次逼近模數轉換器。

2.574LS373及其接口電路

采用74LS373作為段地址寄存器，它是20管腳三態同向八上升沿D觸發器，其主要電器特性的典型值為：fm=50Hz，Pd=135mW。它的輸出端Q0～Q7可直接與總線相連。當三態允許控制端OE為低電平時，Q0～Q7為正常邏輯狀態，可用來驅動負載或總線。當OE為高電平時，Q0～Q7呈高阻態，即不驅動總線，也不為總線的負載，但所存器內部的邏輯操作不受影響。當時鐘端CP脈沖上升沿的作用下，Q隨數據D而變。

2.6電源的設計

電源外接220V交流電，首先通過變壓器將220V電壓變為24V和12V交流電，通過整流濾波電路（包括電橋，電容器等元件）最終將電壓變為5V直流電，供整套系統使用。其電源內部電路圖3所示。

圖3　電源內部電路原理圖

3　系統軟件的設計

本系統的軟件設計所用的編程語言是匯編語言，對系統功能的分析，程序的總體設計，系統資源的分配，相關定時器/計數器工作方式的選擇，然后再進行相關數據的計算，流程圖的繪制，具體編程，仿真調試，對程序進行修改等多個方面。

A/D轉換器TLC1549從傳感器讀入模擬量之后轉換成數字量然后將其送入單片機，經過標度變換、顯示碼處理后將顯示碼分別送到數碼管和光柱上顯示出來。軟件還可以實現按鍵操作。

基于操作友好、功能齊全、安全可靠的設計原則，該系統的程序還具有報警提示功能、鍵抖動處理功能、看門狗功能以及工作狀態顯示功能等。

3.1系統的主程序

該系統的主程序有初始化（包括89C51的初始化，定時器初始化，看門狗初始化等）、A/D轉換，標度變換，顯示處理鍵盤掃描，鍵盤處理等程序段和功程序模塊組成，其流程圖如圖4所示。外界的物理量經過A/D轉換變為數字量再經過標度變換、顯示處理，顯示出來。

圖4　主程序流程圖

3.2系統子程序

1）按鍵操作子程序

鍵盤也是該儀表的重要的一部分，該儀表一共設計了四個功能鍵，分別為設置鍵，增加鍵，減少鍵和退出鍵，它們接在89C51單片機的P2口上，當K分別為1，2，4，8時表示它們已被分別按下。

2）一鍵多功能操作子程序

在按鍵操作中經常會用到一種特殊的按鍵方式，就是一鍵多功能操作，在一個按鍵上實現對多個參數的控制。

系統子程序具體流程圖如圖5所示。

圖5　子程序流程圖

【】【】

4　用戶使用說明

控制面板是人和工作機進行交流的十分重要平臺，面板上的數碼管顯示器能精確的顯示出物理量的值，光柱顯示器又能直觀的表現出物理量的變化，如圖6所示。紅色的指示燈為上限報警燈，黃色的為下限報警燈，綠色的為設置狀態指示燈。長按控制面板上的設置鍵（大約兩秒鐘）便可進入設置狀態此時綠色的指示燈亮，此時數碼管顯示器顯示儀表的下限值，按“+”和“-”進行設置，按退出鍵便可退出設置狀態。

圖6　光柱式指示儀控制面板

5　結論

設計了以單片機為核心的裝配壓力測控儀。從硬、軟件介紹了裝配壓力測控儀的設計思想，并結合其功能與操作介紹該儀器的一些設計技巧。對產生測量誤差的原因進行分析，并提出解決的途徑和方法。該裝配壓力測控儀已經在現場使用，具有檢測精度高、使用簡單、成本較低、工作穩定可靠的特點。

［1］ 李朝青.單片機原理及接口技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005.

［2］ 黃賢武.傳感器實際應用電路設計［M］.成都:電子科技大學出版社，1997.

［3］ 吳東艷，張鵬，李毅，李艷萍，金延軍.基于C8051F020單片機的壓力測控系統的設計［J］.交通科技與經濟，2011，13（1）:119-121.

［4］ 徐文俊，楊帆，劉文軍，林鈺珍.一種超塑脹形壓力測控系統設計［J］.熱加工工藝，2014，13:126-127.

［5］ 孫以材.劉玉嶺.孟慶浩.壓力傳感器的設計、制造與應用［M］.北京:冶金工業出版社，2001.

The design and study of assembly pressure monitor based on SCM technology

ZHANG Xiu-yan1，DAI Xiao-jun2

TP273

A

1009-0134（2016）09-0001-03

2016-01-31

遼寧省教育廳科學研究計劃項目（L2013514）

張秀艷（1978 -），女，遼寧沈陽人，副教授，碩士，研究方向為機電一體化和機械加工工藝。