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(cè)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(cè)試儀器,。設(shè)計(jì)了基于STC12C5A60S2的剪應(yīng)力測(cè)試儀的控制器機(jī)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(jī)控制模塊組成。該純剪切應(yīng)力測(cè)試儀經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試,，能夠?qū)炷翗悠愤M(jìn)行純剪切應(yīng)力測(cè)試,，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高,，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)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(jī),；MAX7219

　　中圖分類(lèi)號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(cè)試儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)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(wú)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(yàn)是研究板材成形的基本試驗(yàn)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(kuò)大和研究工作的不斷深入，混凝土的剪切強(qiáng)度作為其基本的力學(xué)性能指標(biāo)原來(lái)越受到工程界的重視,。根據(jù)實(shí)際工程及修訂規(guī)范的需要,，本文對(duì)混凝土剪切強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)出針對(duì)此指標(biāo)的試驗(yàn)樣機(jī)［2］,。

1純剪切應(yīng)力測(cè)試儀機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　純剪切應(yīng)力測(cè)試儀的機(jī)械裝置如圖1所示,。

　　測(cè)試原理：將待測(cè)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(tái)上，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)升降臺(tái)向應(yīng)力傳感器方向運(yùn)行,，與應(yīng)力傳感器接觸并進(jìn)行擠壓實(shí)現(xiàn)對(duì)材料模型的剪切,，通過(guò)應(yīng)變和應(yīng)力傳感器測(cè)量該過(guò)程中的剪切應(yīng)力和應(yīng)力變［3］。

2純剪切測(cè)試儀控制器的總體設(shè)計(jì)方案

　　本文旨在為上述的測(cè)試裝置設(shè)計(jì)一臺(tái)控制器,。該控制器包括剪應(yīng)力和剪應(yīng)變的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和顯示,、電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制、剪應(yīng)力和剪應(yīng)變數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和關(guān)系曲線的輸出打印,?？刂破鞯南到y(tǒng)框圖如圖2所示。

3純剪切測(cè)試儀控制器的硬件電路設(shè)計(jì)

　　3.1控制器介紹

　　本系統(tǒng)選擇的STC12C5A60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T指令周期模式）單片機(jī),，相對(duì)于傳統(tǒng)的8051單片機(jī),，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(jī)內(nèi)部集成了60 KB的Flash程序存儲(chǔ)器,，完全能滿(mǎn)足系統(tǒng)程序存儲(chǔ)的需求；內(nèi)部RAM具有256 B,，同時(shí)具有1 024 B的外部擴(kuò)展RAM，完全能滿(mǎn)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(mén)狗功能，保證系統(tǒng)不會(huì)死機(jī),，超時(shí)自動(dòng)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(chēng)重傳感器（壓力、拉壓力,、拉力稱(chēng)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(yàn)機(jī)。通過(guò)配套變送器可輸出4~20 mA,、0~5 V,、0~10 V等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，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(hào)滿(mǎn)足如下公式：

　　滿(mǎn)量程輸出電壓=激勵(lì)電壓×靈敏度

　　其中靈敏度為2 mV/V。

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)激勵(lì)電壓采用12 V,，故輸出滿(mǎn)量程電壓為24 mV差分小信號(hào),；該信號(hào)需經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行處理放大到AD轉(zhuǎn)換模塊的有效范圍內(nèi),，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)剪應(yīng)力的準(zhǔn)確采集。設(shè)計(jì)小信號(hào)處理模塊電路如圖3所示,。運(yùn)放采用OP07單運(yùn)放設(shè)計(jì)實(shí)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(mǎn)量程為150 mm,，輸出是0~5 V電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路,，直接輸入STC12C5A60S單片機(jī)的AD輸入引腳,。

　　3.4人機(jī)交互接口電路

　　系統(tǒng)的控制輸入由6個(gè)按鍵組成，分別為試驗(yàn),、打印,、上升、下降和兩個(gè)備用按鍵,。系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)兩個(gè)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(shí)現(xiàn),，采用兩個(gè)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(dòng)采用MAX7219驅(qū)動(dòng)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(jī)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(jī),，該打印機(jī)體積小、重量輕,、功能完備,、高速度、高清晰,、外型美觀,、操作簡(jiǎn)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(jiǎn)易方便,、工作電壓寬,、打印速度快、濃度可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)［8］,。本系統(tǒng)通過(guò)串口控制打印機(jī),。

　　3.6交流電機(jī)控制電路

　　測(cè)試儀平臺(tái)的升降通過(guò)220 V交流異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于220 V電機(jī)的正反控制通過(guò)12 V中間繼電器實(shí)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(cè)試儀控制器的軟件設(shè)計(jì)

　　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(cè)量值的顯示,、剪應(yīng)變和剪應(yīng)力測(cè)量值的保存打印,、220 V交流電機(jī)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(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)功能設(shè)計(jì)相應(yīng)的功能子函數(shù),，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)變量sys_state的不同值來(lái)表征：

　　0：未試驗(yàn),；

　　1：試驗(yàn)；

　　2：試驗(yàn)完,，電機(jī)下降,；

　　3：電機(jī)停止；

　　4：打印數(shù)據(jù),，試驗(yàn)完成,。

　　系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)按鍵和測(cè)量流程改變sys_state的值，系統(tǒng)根據(jù)sys_state狀態(tài)值自動(dòng)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(huì)讀取系統(tǒng)運(yùn)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(lái)實(shí)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(jī)（6芯插頭）；

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

　?。?）確保準(zhǔn)備工作完成后，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān),，等待系統(tǒng)打印出“歡迎您使用”字樣,，進(jìn)入待實(shí)驗(yàn)狀態(tài)；

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

　?。?）按“試驗(yàn)”按鍵，電機(jī)正轉(zhuǎn),，工作臺(tái)上升,，開(kāi)始試驗(yàn)；

　?。?）當(dāng)工件被擠壓碎時(shí),，電機(jī)會(huì)停止5 s，然后反轉(zhuǎn),，工作臺(tái)下降,；

　　（7）當(dāng)工作臺(tái)下降到合適位置時(shí),，按一次“打印”鍵,，電機(jī)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(guò)“上升”、“下降”按鍵調(diào)整工作臺(tái)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(yàn)”鍵，開(kāi)始下一次試驗(yàn),。

6結(jié)論

　　本文主要完成了純剪切測(cè)試儀控制器的設(shè)計(jì)與制作,。純剪切測(cè)試儀控制器系統(tǒng)硬件包括剪應(yīng)力小信號(hào)放大調(diào)理電路、剪應(yīng)變AD采樣電路,、按鍵輸入檢測(cè)電路,、系統(tǒng)狀態(tài)顯示電路、數(shù)碼管顯示電路,、打印機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,、交流電機(jī)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(cè)試儀控制器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期計(jì)劃的功能，能夠通過(guò)對(duì)純剪切測(cè)試機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制,，對(duì)混凝土樣品進(jìn)行純剪切應(yīng)力測(cè)試,。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高,，具有一定的實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值,。

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