电子万能试验机测试系统设计.docx

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摘要

电子万能材料试验机是专门针对高等院校、科研院所而设计的新一代单空间微机控制万能试验机。

电子万能材料试验机是材料生产行业和各级质检部门对材料性能检测最常用而且最重要的机电设备之一。

它可以用来检测各种材料及其制品在各种环境和模拟状态下的力学性能、工艺性能、结构强度以及材料与构件内外表面缺陷。

电子万能材料试验机测控系统主要由数据采集系统单元、交流伺服系统单元、基于单片机的主测控器（下位机）以及微型计算机和配套软件（上位机）组成。

本文主要设计了测控系统的测试部分、数据采集系统单元。

主要包括测控系统总体结构，基于单片机的主控制器，数据采集系统模块，A/D转换器与单片机的接口，力、变形和位移测试的电路，测试软件的部分等设计。

实现电子万能材料试验机测控系统的整体设计。

最后对测试系统进行了调试。

关键词：

试验机；单片机数据采集系统；测试系统调试的温湿度控制系统

ABSTRACT

Electronicuniversaltestingmachineisoneoftheelectricalandmechanicalequipmentusedtodetectanimportantmaterialproperties,itisusedinmaterialproductionandqualitysupervisiondepartmentsatalllevelsoftheenterprise.Itcanmakedetectionandanalysisinavarietyofenvironmentsandstatesimulationofmechanicalpropertiesofmaterials,structuralvibrationcapability,processperformance,qualitydefectsandbalancinginternalandexternalrotationperformancematerialsandcomponentparts.Dataacquisitionsystem,themainmicrocontrollerunitandACservocontrollerandthecorrespondingsoftwaremicrocomputer-basedmonitoringandcontrolsystemsconstitutethemainbodyofthetestingmachine.

Thispapermainly designsthetesting part, dataacquisition unit andcontrolsystem. Mainlyincludestheoverall structureof controlsystem, themaincontrollerbasedonMCU, dataacquisition module, A/D converterandsinglechip interface circuit, stress, deformationanddisplacement test, thedesign oftestsoftware. Achievetheoveralldesignofelectronicuniversaltestingmachinemonitoringandcontrolsystems.Finally,thetestsystemtodebug.

Keywords：

Testingmachine；Singlechipmicrocomputer；DataacquisitionsystemTestsystem

目录

第一章电子万能试验机测试系统总体设计方案 1

1.1前言 1

1.2电子万能试验机概述 1

1.3试验机测试系统方案设计 5

第二章试验机测控系统硬件设计 10

2.1单片机概述 10

第三章试验机数据采集处理系统硬件设计 15

3.1数据采集处理系统的设计 15

3.2A/D转换器的选择及工作原理 23

3.3A/D转换器与单片机的接口 25

第四章试验机数据采集处理系统软件设计 26

4.1数据采集处理系统软件设计 26

第五章试验机数据采集处理系统测试 29

5.1引伸计校准测试数据分析 29

5.2金属拉伸试验测试 30

参考文献 32

谢词 33

天津工业大学毕业设计（论文）

第一章电子万能试验机测试系统总体设计方案

1.1前言

电子万能材料试验机是用来测定材料各种力学性能、工艺性能、结构强度等特性的仪器设备。

试验机是属于技术密集性的精密测试仪器，它涉及到机械、电气、液压、高温、低温、真空、光学、电子、材料、工艺、测量、测控等许多新技术与高技术领域，并且还综合了近代闭环伺服、遥控、数显、数控、激光、机电一体化以及电子计算机等技术，成为仪器仪表行业中具有多学科、多种技术特点的一类测试计量仪器。

试验机是材料生产行业和各级质检部门对材料性能检测最常用而且最重要的设备之一。

在各类材料的产品质量检测、生产过程质量测控、材料科学研究和教学试验中都必须应用试验机来进行材料的力学性能测试。

它可以用来检测各种材料及其制品在各种环境和模拟状态下的力学性能、工艺性能、结构抗振强度、各种旋转件的动平衡性以及材料与构件内外表面缺陷。

1.2电子万能试验机概述

1.2.1试验机测试系统简述

材料试验机测试系统其实就是一套自动检测系统，能按照国家标准对试验材料的各项规定，在对标准试样进行加载直至完全破坏的整个过程中，依据制定的各项参数并能够按照给定的各项数值进行测控的系统，在该系统的测控之下，试验机的动横梁、强电、弱电等各个部分能够协调有序、相互配合的工作，从而形成了一个有机统一的整体，使得万能试验机的各项试验功能都得以准确的实现，并对试验过程中的负荷和试样的形变量等重要的试验实时数据进行记录，依照数据对材料要求试验的各项力学性能指标进行分析计算。

万能试验机的测控系统也可以成为操作者与试验机之间的接口,既能使操作者对机器进行简单的操作，同时也能对机器的各种运行状态进行记录，方便及时地向操作者反馈，还可以对操作中出现的各种错误给出原因，对不正常的运行状态及不正当的操作提出报警，而且为操作员提供数据的各项分析计算、图形的显示和各种参考数据的编辑、储存和输入输出等功能。

试验机的测控系统是由硬件部分和软件部分通过有机结合而组成的一个整体。

测控系统的硬件部分主要包括：

单片机控制器、外部设备、输入输出设备、PC微机。

从而硬件部分就构成了万能试验机测控系统的实体部分,但如果想要完成对被控对象的测控作用还要为实体部分提供软件系统,万能试验机的软件部分通常由系统软件与应用软件两部分组成。

其中，系统软件由操作系统、语言处理系统和例行服务程序组成。

应用软件则是为了满足那些需要由测控系统的专门设计人员开发的特定程序，其核心部分是过程控制程序。

1.2.2试验机测量参数分析

为了绘制被测材料的力－形变图或应力－应变图，需要对材料在每个时间段的受力大小、式样的形变量或应力大小、应变量进行测量。

通过材料力学的知识可得：

（1-1）

（1-2）

（1-3）

（1-4）

其中F为加载在试验材料上的外力，A则为试验材料的横截面积，L0为式样变形前的固定长度，L为式样变形后的长度示值，B为拉伸实验材料在宽度方向上的示值。

其中L0和B可以直接进行输入，而F和△L则需要进行实时动态检测。

通过前面对万能试验机的工作原理分析可知，为了测量出加载在试验材料上的力，即要测量出荷载值F可以由高精度应变式负荷传感器实现，而在此荷载值的作用下所引起的形变量，可以由电子引伸计对变形前后试验材料长度的绝对差值△L进行测量。

实际测量出的参数为拉力变形图或应力－应变图，如图1.1所示。

图1-1应力-应变曲线图

如前面所述，因为需要测量出试验材料的应力与应变，将式（1-4）代入式（1-1），可得

（1-5）

而在实际中，当试验材料被拉伸（压缩）时，试样的横截面积会变小（变大），即会发生形变，但当应力没有超过比例极限时，试验材料的横向应变示值与轴向应变示值之比的绝对值会是一个常数，但是若杆件轴向伸长时横向会缩小，而轴向缩短时横向会增大，所以符号总是相反的，即:

（1-6）

其中μ为横向变形系数（泊松比），是一个没有量纲的量。

若假设试验材料在进行拉伸试验前宽度方向的示值是B0，B0可以在试验前由测量工具直接测出。

由

（1-7）

而只考虑拉伸时:

（1-8）

则:

（1-9）

整理后，得:

（1-10）

（1-11）

（1-12）

显然，只需F和ΔL这两个变量的输入，就可以测试出应力б、应变ε。

1.2.3试验机的组成及工作原理

电子万能试验机的结构由机械部分和电子测控部分两个部分组成，机械部分是材料试验机工作的主要载体，而测控部分则是主要的核心部分，控制着整个试验机的运作和测量试验，整个试验机的性能由测控系统性能的好坏决定。

电子万能试验机的实物图如图1-2所示。

图1-2电子万能试验机实物图

电子万能试验机测控系统主要包括交流电机、伺服驱动系统、控制主板、显示屏等部分，能够对整个系统进行控制，并能对力及位移数据进行采集、处理，并能进行显示。

测控系统的工作过程为：

力传感器受外力负载后会输出一个正比于负载的微小信号，该信号途中不经任何中间环节，直接输入到A/D转换器进行信号放大、转换，再输入到单片机，单片机进行信号处理，数字滤波后以直读的方式显示。

试验材料所承受的荷载直接由数字进行显示。

位移闭环控制和位移测量则由编码器负责，其中光电编码器主要是实现位置与电信号转换，通过拖动电机转动，光电编码器能将角位移转换成直线的位移，而输出的脉冲数与编码器的角位移的比值为常数。

因此只要能对脉冲数进行识别从而就可以知道直线位移的大小，光电编码器输出的脉冲信号先经过整形电路的整形然后再输入给计算机，计算机用软件的方法对接收到的脉冲信号进行计数、处理及方向的识别，最后显示器对接收到的结果进行显示。

单片机在控制器内的作用是进行数字控制，将输入接收到的反馈信号直接转换为数字脉冲信号，从而实现对控制参数的数字化，