基于單片機(jī)C8051F350的彈簧片測試與分選系統(tǒng)
摘要:從彈簧片測試系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)分析入手,推導(dǎo)出了測試公式,介紹了硬件結(jié)構(gòu)框圖和主要軟件功能。
引言
在石油勘探用的磁電式地震檢波器的生產(chǎn)過程中,為了最大限度地減小傳感器的失真度,要求裝入傳感器腔體中的上下兩個彈簧片,當(dāng)懸體處于靜止?fàn)顟B(tài)時,它們的兩個支承面應(yīng)處在同一個水平面位置上,這就要求根據(jù)傳感器的諧振頻率和芯體的懸體質(zhì)量,對上下彈簧片進(jìn)行搭配,使裝配出的傳感器的頻率和中心度參數(shù),都能符合設(shè)計要求?;?a class="contentlabel" href="http://m.ptau.cn/news/listbylabel/label/單片機(jī)">單片機(jī)C8051F350的彈簧片自動測試與分選系統(tǒng),充分發(fā)揮了該單片機(jī)內(nèi)置的24位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn),精度高,速度快,能對彈簧片的支撐力和彈性系數(shù)等參數(shù),進(jìn)行測試與分選,滿足了生產(chǎn)的需要。
1 基本測試原理和測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
根據(jù)胡克定理,存在如下公式:

式中:k為彈性系數(shù);F為作用力;x為位移。
由公式(1)可知,通過對位移量和作用力的設(shè)置和測量,采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型,即可計算出彈簧片處在同一個水平面位置時,所能支承起的等效物體質(zhì)量和彈性系數(shù)。
根據(jù)傳感器的性能要求,在實(shí)際使用中,主要使用其處在同一個水平面位置的性能參數(shù),這就意味著在測算彈簧片的彈性系數(shù)時,所能改變的位移量很小,一般在0.5毫米以下,如此計算得出的數(shù)據(jù),才能近似等于彈簧片處在同一個水平面位置時的彈性系數(shù)。顯然,測試系統(tǒng)對位移和作用力的設(shè)定和測量,有著極高的精度要求,尤其對位移量的要求,應(yīng)能分辨0.05毫米。我國檢波器生產(chǎn)企業(yè)最早引進(jìn)和仿制的彈簧片測試系統(tǒng)設(shè)備,其核心部件是高精度位移傳感器和加力器,加力器是一種自制的電磁式施力部件,當(dāng)電流通過加力器的線圈時,產(chǎn)生的電磁力帶動施力桿,使其沿著測試頭軸線方向上下移動,由位移傳感器對彈簧片產(chǎn)生的變形進(jìn)行測量。我們提出的采用步進(jìn)電機(jī)和荷重傳感器結(jié)合、基于單片機(jī)C8051F350的技術(shù)方案,克服了這種測試設(shè)備存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高和自動化程度低等缺點(diǎn),已經(jīng)成功應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中。
測量機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)由固定機(jī)架、零位傳感器、承片盤、加力步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠傳動機(jī)構(gòu)、加力桿和荷重傳感器等組成。單片機(jī)接到操作者的啟動命令以后,控制加力步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器,使加力步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動,并通過絲杠傳動機(jī)構(gòu),帶動加力桿從零位傳感器的零位開始,向下運(yùn)動到預(yù)定位置,給放置在承片盤上的彈簧片加力,荷重傳感器將代表壓力的毫伏電壓信號輸出給單片機(jī)。單片機(jī)計算出支撐力和彈性系數(shù),再根據(jù)預(yù)先設(shè)定的分選板的坐標(biāo)原點(diǎn)及分檔步距參數(shù),計算出具體分選坐標(biāo)值,并通過串行接口,把坐標(biāo)信息發(fā)送給矩陣邏輯電路。此后,單片機(jī)驅(qū)動加力步進(jìn)電機(jī),使加力桿返回到零位傳感器的零位,從而消除了機(jī)械運(yùn)動的積累誤差,等待下一次測試命令。矩陣邏輯電路在接到單片機(jī)發(fā)來的分選坐標(biāo)后,驅(qū)動10×20掛釘矩陣板上相應(yīng)的LED閃爍,提醒操作者將彈簧片掛在該LED對應(yīng)的掛釘上。
2 單片機(jī)C8051F350的模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口
C8051F350是高度集成的片上系統(tǒng)混合信號單片機(jī)[1],它采用了與8051單片機(jī)兼容的專利內(nèi)核CIP-51,但其性能遠(yuǎn)超普通8051系列單片機(jī),速度可高達(dá)50MIPS,它的最大亮點(diǎn)是具有一個8路輸入的24位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器,內(nèi)含可編程增益放大器和多路選擇器,采樣速度可達(dá)1ksps。此外,它還有兩路8位電流輸出型DAC;有17個耐5V電壓的數(shù)字I/O口,8k系統(tǒng)可編程的FLASH存儲器,含非易失性存儲器,768字節(jié)的片上RAM,4個16位通用定時器,帶有3個捕捉/比較模塊的可編程定時器/計數(shù)器陣列;片上看門狗定時器,電源監(jiān)視器,電壓比較器,溫度傳感器,高精度內(nèi)部振蕩器,2.7V~3.6V的低壓供電;有增強(qiáng)型的硬件串行接口SPI,SMBus/I2C和UART,片內(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描系統(tǒng)等。該系列的單片機(jī)在電子儀器儀表和智能傳感器等領(lǐng)域,有著廣泛的應(yīng)用前景。

C8051F350單片機(jī)的Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器最高位數(shù)是24位,最大轉(zhuǎn)換速度為1ksps,并具有單次轉(zhuǎn)換和連續(xù)轉(zhuǎn)換功能,其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。在其輸入級配備有BURNOUT電流源,主要用于對輸入信號進(jìn)行短路和開路故障的檢測;為了給輸入信號提供高輸入阻抗,輸入級還有可選擇的輸入緩沖器;可變增益放大器能提供八級增益倍數(shù),最大為128倍;參考電壓可以配置為內(nèi)部2.5V,也可選用外部參考電源;具有內(nèi)部偏移校正和增益校正,偏置DAC主要用于內(nèi)部校正;調(diào)制器的時鐘由系統(tǒng)時鐘經(jīng)過分頻電路而來;輸出級的濾波器有快速濾波和SINC3濾波兩種方式,前者速度快,后者精度高。
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