锻压设备吨位测量仪的研制

Development of Tonnage Detection Instrument for Pressure Machine

YI Xianjun, YE Chunsheng

(State Key Lab. of Plastic Forming Simulation and Die & Mould, HUST ,
Wuhan 430074, China)

　　Key words: tonnage measurement; low level signal amplification; peak detection

1测量仪的功能
　　根据锻压设备的工艺要求，设计的功能如下：
　　(1)有两类测量模式：一是在挤压情况下对压力值进行实时跟踪测量；二是测量打击情况下每次打击中力的峰值。当在后者测量时，要区分两种情况：本班次的打击作业从一个新的工件开始；本班次的打击作业是对尚未完工的工件的继续工作。
　　(2)在挤压情况下对压力值进行实时跟踪测量时，在显示屏上实时显示测得的压力数据；当外力消失时，显示值也消失。
　　(3)在打击情况下测量时，对当班次作业的打击次数与打击峰值中的最大值、该工件累计的打击次数与打击峰值最大值以及该测量仪本身已记录的打击次数的累计值与历史打击峰值最大值进行记录，记下最后的20锤的打击峰值，并可在测量结束后调出这些数据显示。
　　(4)通过键盘设置检测力的极限值，当测量超载时发出报警信号。

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　　吨位测量仪的硬件结构框图如图1所示。行程开关主要检测锻压设备打击锤的起落信号，并将该信号经光电隔离后送入单片机。压力传感器所检测的压力经信号放大及峰值(打击力最大值)采集电路处理后进入带片内采样保持的模数转换器TLC1543，在单片机AT89C52的控制下对模拟信号进行转换和读取。单片机的P11引脚对峰值采集电路进行控制。当仪表设置成打击模式下对每锤打击力最大值测量时，P11输出低电平，峰值采集保持电路起峰值保持作用，单片机根据行程开关所测得的信号对每一次打击的力的最大值进行采样；当仪表对压力值进行实时跟踪测量时，P11输出高电平，峰值保持器功能被旁路，峰值保持电路输出电压紧紧跟随其输入电压。X25045为内带512字节的串行EEPROM及看门狗和电压监控功能的集成芯片，用来对打击次数、打击峰值及各次打击力等数据进行记录，并对仪器的工作起抗干扰作用。当压力超载时，单片机引脚P12发出信号控制电铃发出声音报警。LCD中文显示模块和编码键盘实现人机操作及测量显示。仪表带有打印机接口，可以驱动微型打印机TPuP40A将记录数据打印出来；并通过RS232与上位机通讯。

3.1传感器微弱信号的放大
　　压力传感器内部是由4个应变片构成的桥式电路。当外加压力时应变片产生形变，相应的电阻值发生变化，从而使桥路失去平衡；在电桥有外电源供电的情况下，产生微弱的电压输出。为了保证电桥输出电压信号能与所承受压力保持线性关系，应变桥的电源由恒流源供电。如图2所示，运放uPC151C、稳压管D1及精密电阻R3组成约2mA的恒流源，压力传感器的上下两端在所承受的压力范围内有0～15mV的电压输出。由于所采用的压力传感器无调零引脚，从D1上由W1取稳定的微小直流电压信号对电桥输出进行调零。
　　由于要对微弱信号进行高倍数放大，而且传感器桥路输出信号的共模电压很高，这里采用了具有高共模抑制比的差分输入专用仪表放大器芯片AD524。按图2电路中的接法，电路的放大倍数1。外接的增益调整电阻R4对放大器的增益精度和温漂影响较大，必须选择温度系数小的高精度电阻。W2(接于AD524的4、5引脚间)为放大器的输入偏置调节电阻，AD524的输入偏置产生的误差是与放大增益成正比的，在高倍数放大中此偏置调节电阻必不可少。仪表放大器芯片的SEN脚为输出参考端，这里作接地处理。实际应用中即使该SEN脚对地之间存在很小的电阻值，也将会对器件的共模抑制比产生很大的影响，因此在设计该部分的印制板时要加以注意。AD524的正负电源引脚处接滤波电容C1、C2，以消除电源带来的干扰。

　　图3是打击模式下对打击力峰值进行采集并保持的电路，由比较器LM311及采样保持芯片LF398构成。LF398的LOGIC引脚为采样／保持控制引脚，当LOGIC引脚电压大于1.4V时，芯片的输出电压大小跟踪输入；当LOGIC引脚电压小于1.4V时，芯片的输出保持为当LOGIC引脚刚过1.4V时的输入电压值。

　　而当仪器为连续跟踪测量方式时，单片机P11引脚发出‘1’信号，从而使LF398始终处于跟踪状态，电路的输出Vout等于输入Vin。 
3.3软件设计
　　在测量仪的软件设计中，采用了模块化设计方法。系统软件由以下几个模块构成：主程序、键盘中断服务子程序、数据采集控制子程序、LCD显示子程序、打印程序、串口通讯子程序等。主程序及键盘中断服务子程序的结构如图4、图5所示。主程序中的工作模式标志、新工件标志、打印机使能、测量力超载门限值等数据均由键盘中断来设置。键盘设置5个按键，键值经过8—3编码后通过3根IO口线输入到CPU。键盘中断置为下跳沿触发方式，在硬件上设计有键盘去抖动电路。数据采集控制子程序中在进行数据采样时进行了滤波处理。程序设计采用C语言，并在KEIL C集成环境下完成程序的调试工作。

　　显示器采用240×60点阵大面积LCD模块。在打击模式下，显示器可在同一屏上显示打击次数、打击峰值等历史记录数据和当前打击值。根据实际需要，采用了大字符(20×40点阵)显示当次的测量值，便于操作人员从较远处观察到实时数据。