1 引言

　　壓(拉)力機是用于檢測建材及某種產(chǎn)品強度的機械,。它根據(jù)工作方式分為壓和拉兩種,，其工作力均由油泵產(chǎn)生，因此統(tǒng)稱壓力機,。壓力系統(tǒng)由機械結(jié)構(gòu)和控制柜組成,，工作時先安裝試件，人工手動按下開始按鈕,，觀察壓力值,，根據(jù)不同材料相應(yīng)調(diào)節(jié)加壓速度，使其到達額定壓力,，進而進入保壓期,，由于同時還需記錄數(shù)據(jù),，因此要求熟練人員操作。

　　為了減輕操作人員的工作強度,，提高實驗精度,，這里給出一種智能壓力機控制系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)工作時操作人員用鼠標(biāo)選擇材料,，并按下開始試驗按鈕,，計算機則按照預(yù)定方案自動操作，操作完成后可打印出試驗曲線和結(jié)論報表,。

　　2 控制器硬件組成

　　該系統(tǒng)在原壓力機的基礎(chǔ)上增加控制器和計算機,，其組成如圖l所示。該系統(tǒng)分為壓力機(機構(gòu)),、控制柜(強電控制),、控制器(弱電控制)和計算機(人機交互界面)等4部分。

　　控制器處于計算機和控制柜之間,，控制器和計算機之間采用USB通訊,，控制器接收計算機指令則控制各個開關(guān)和模擬信號，并同時采集油泵和油缸的壓力和溫度信號,，將采集的壓力值和計算機的壓力閾值相比較,，進而控制調(diào)節(jié)閥開度，采用PID算法實現(xiàn)加壓速度的自動調(diào)節(jié),，進入保壓期后再控制調(diào)節(jié)閥使壓力值達到恒定,。

　　根據(jù)控制器的功能要求，該控制器應(yīng)具有計算能力,、采集模擬量信號,、控制開關(guān)量和模擬量信號并能通過USB總線和計算機通訊、該控制器組成模塊為CPU,、A/D轉(zhuǎn)換,、D／A轉(zhuǎn)換，V／I轉(zhuǎn)換,、繼電器陣列和RS232／USB轉(zhuǎn)換器,，如圖2所示。

　　CPU采用C8051F040,，它具有高速8051微控制器內(nèi)核,，流水線指令結(jié)構(gòu)；70％指令執(zhí)行時間為1～2個系統(tǒng)時鐘周期,，因此其運算速度較快,；內(nèi)部集成有13個，12位A／D轉(zhuǎn)換器，可將壓力溫度模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,；2個12位D／A轉(zhuǎn)換器,，根據(jù)需要控制調(diào)節(jié)閥；2個UART串口,，用于單片機和計算機通訊,；64個I／O端口，用于控制開關(guān)量信號,；64 KB Flash程序存儲器,，使系統(tǒng)在線編程；4 K RAM可在編程,。因此,，C8051F040是一款功能強大的單片機,是該系統(tǒng)設(shè)計的核心。

　　3 單元電路設(shè)計

　　3．1 USB通訊電路設(shè)計

　　由于單片機提供RS232通訊接口,，而計算機采用USB接口,，因此需要USB和RS232接口轉(zhuǎn)換電路,該系統(tǒng)設(shè)計采用CP2101，它是Silicon公司生產(chǎn)的高度集成的USB轉(zhuǎn)UART橋接器,，內(nèi)置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器,、振蕩器和帶有調(diào)制解調(diào)器控制信號的異步串行數(shù)據(jù)總線(UART),，工作時無需其他外部元件。

　　Silicon提供免費的驅(qū)動程序,，支持Win98／Me／2k／XP／CE,，MAC OS-9、MAC 0S-X以及Linux部分版本,。方便地將一個基于CP2101的產(chǎn)品作為PC機的一個虛擬COM端口,，使用CP2101的UART接口處理所有的RS232信號，而無需更改現(xiàn)存的同件COM端口,。

　　CP2101 UART接口包括TXD(發(fā)送)和RXD(接收)數(shù)據(jù)信號以及RTS,，CTS，DSR,，DTR,，DCD和RI控制信號，UART支持RTS／CTS,，DSR／DTR和X-On／X-Off握手,，在PC機的COM端口配置時，編程設(shè)置UART的數(shù)據(jù)格式和波特率,。該系統(tǒng)設(shè)計采用3線制串口,，波特率19．2 Kb／s，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位,，1位停止位,，無校驗位。圖3為USB轉(zhuǎn)RS232接口電路,。圖中RXD和TXD連接單片機串口,，USB接口依次是+5 V、D-,、D+和GND,，工作時連接計算機任意USB接口。

　　3．2 模擬量采集信號調(diào)理電路

　　由于系統(tǒng)需采集1～5 V電壓和4-20 mA電流的模擬信號,，對于電流信號只要在電流環(huán)串聯(lián)一只250 Ω電阻即可轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓信號,，圖4是任一路信號調(diào)理電路。該電路可輸入電壓信號或電流信號,，輸入信號為ADI4,。ADI4不接尺R204時，輸入電壓信號,；接R204(250 Ω)電阻時,，則輸入電流信號，U22B是電壓跟隨器,，輸出1～5 V,，后接2只分壓電阻R228和R232，可將信號轉(zhuǎn)換為0．5～2．5 V,，R208和C204用于低通濾波,，U21B為比例運放，由于運放單電源供電,，所以設(shè)計為同相比例運算,，R220和R224為分壓電阻，根據(jù)試驗確定阻值,，VD24和VD28為保護電路,。

　　3．3 開關(guān)量驅(qū)動電路

　　由于該系統(tǒng)開關(guān)量控制信號較大，故采用同態(tài)繼電器和三極管組合驅(qū)動,，如圖5所示,。圖中K1為同態(tài)繼電器，COM和DO1為常開觸點的2個接線端子,；VD401為繼電器線圈續(xù)流二極管,，VQ1為NPN三極管，工作在OC方式下,。單片機控制VQ1以驅(qū)動繼電器的線圈,。

　　3．4 模擬量輸出電路

　　利用模擬量控制調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥控制信號是4～20 mA電流信號，但下一代調(diào)節(jié)閥可能是1～5 V電壓信號控制,，為了方便互換,，設(shè)計了電流輸出和電壓輸出選擇跳線，如圖6所示,。單片機D／A轉(zhuǎn)換器輸出電壓信號,，經(jīng)過同相比例運算放大器信號為0～5 V，如果輸出電壓信號可用跳線將JP1的1和2短路,，JP2輸出電壓信號,；如果輸出電流信號，可用跳線將JP1的2和3短路,，信號輸入至AD694電壓／電流轉(zhuǎn)換器,，則JP2輸出電流信號。AD694供電電源電壓范同寬,，其范圍為4．5～36 V,，根據(jù)不同連線方式可輸入0～2 V、O～2．5 V,、0～10 V和0～12．5 V,，輸出可選O～20 mA和4～20 mA。該系統(tǒng)設(shè)計輸入為0～2．5 V,，輸出4～20 mA,。

　　4 軟件設(shè)計

　　控制器是以單片機為核心，設(shè)計采用C語言編寫,，其流程圖如圖7所示。上電運行后先初始化,，包括端口,、定時器、串口和中斷等初始化,；初始化完成后等待上位機開始試驗指令和壓力閾值,，收到指令后打開電源，根據(jù)壓力閾值進行PID預(yù)算,，利用運算結(jié)果控制調(diào)節(jié)器,，試驗結(jié)束后卸載油缸，然后斷電停機,。

　　5 結(jié)論

　　在分析現(xiàn)有的手動操作壓力機缺點的基礎(chǔ)上,，提出智能壓力機方案和組成原理，并著重論述弱電控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計,，介紹基于USB接口的采集控制系統(tǒng)組成原理,，詳細論述各個單元電路設(shè)計。該控制器已通過實驗測試，達到預(yù)期效果,，研制出產(chǎn)品樣機,，為批量生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。