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測量儀的功能
　　根據鍛壓設備的工藝要求，設計的功能如下：
　　(1)有兩類測量模式：一是在擠壓情況下對壓力值進行實時跟蹤測量；二是測量打擊情況下每次打擊中力的峰值。當在后者測量時，要區(qū)分兩種情況：本班次的打擊作業(yè)從一個新的工件開始；本班次的打擊作業(yè)是對尚未完工的工件的繼續(xù)工作。
　　(2)在擠壓情況下對壓力值進行實時跟蹤測量時，在顯示屏上實時顯示測得的壓力數據；當外力消失時，顯示值也消失。
　　(3)在打擊情況下測量時，對當班次作業(yè)的打擊次數與打擊峰值中的最大值、該工件累計的打擊次數與打擊峰值最大值以及該測量儀本身已記錄的打擊次數的累計值與歷史打擊峰值最大值進行記錄，記下最后的20錘的打擊峰值，并可在測量結束后調出這些數據顯示。
　　(4)通過鍵盤設置檢測力的極限值，當測量超載時發(fā)出報警信號。

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　　噸位測量儀的硬件結構框圖如圖1所示。行程開關主要檢測鍛壓設備打擊錘的起落信號，并將該信號經光電隔離后送入單片機。壓力傳感器所檢測的壓力經信號放大及峰值(打擊力最大值)采集電路處理后進入帶片內采樣保持的模數轉換器TLC1543，在單片機AT89C52的控制下對模擬信號進行轉換和讀取。單片機的P11引腳對峰值采集電路進行控制。當儀表設置成打擊模式下對每錘打擊力最大值測量時，P11輸出低電平，峰值采集保持電路起峰值保持作用，單片機根據行程開關所測得的信號對每一次打擊的力的最大值進行采樣；當儀表對壓力值進行實時跟蹤測量時，P11輸出高電平，峰值保持器功能被旁路，峰值保持電路輸出電壓緊緊跟隨其輸入電壓。X25045為內帶512字節(jié)的串行EEPROM及看門狗和電壓監(jiān)控功能的集成芯片，用來對打擊次數、打擊峰值及各次打擊力等數據進行記錄，并對儀器的工作起抗干擾作用。當壓力超載時，單片機引腳P12發(fā)出信號控制電鈴發(fā)出聲音報警。LCD中文顯示模塊和編碼鍵盤實現(xiàn)人機操作及測量顯示。儀表帶有打印機接口，可以驅動微型打印機TPuP40A將記錄數據打印出來；并通過RS232與上位機通訊。

3.1傳感器微弱信號的放大
　　壓力傳感器內部是由4個應變片構成的橋式電路。當外加壓力時應變片產生形變，相應的電阻值發(fā)生變化，從而使橋路失去平衡；在電橋有外電源供電的情況下，產生微弱的電壓輸出。為了保證電橋輸出電壓信號能與所承受壓力保持線性關系，應變橋的電源由恒流源供電。如圖2所示，運放uPC151C、穩(wěn)壓管D1及精密電阻R3組成約2mA的恒流源，壓力傳感器的上下兩端在所承受的壓力范圍內有0～15mV的電壓輸出。由于所采用的壓力傳感器無調零引腳，從D1上由W1取穩(wěn)定的微小直流電壓信號對電橋輸出進行調零。
　　由于要對微弱信號進行高倍數放大，而且傳感器橋路輸出信號的共模電壓很高，這里采用了具有高共模抑制比的差分輸入專用儀表放大器芯片AD524。按圖2電路中的接法，電路的放大倍數1。外接的增益調整電阻R4對放大器的增益精度和溫漂影響較大，必須選擇溫度系數小的高精度電阻。W2(接于AD524的4、5引腳間)為放大器的輸入偏置調節(jié)電阻，AD524的輸入偏置產生的誤差是與放大增益成正比的，在高倍數放大中此偏置調節(jié)電阻必不可少。儀表放大器芯片的SEN腳為輸出參考端，這里作接地處理。實際應用中即使該SEN腳對地之間存在很小的電阻值，也將會對器件的共模抑制比產生很大的影響，因此在設計該部分的印制板時要加以注意。AD524的正負電源引腳處接濾波電容C1、C2，以消除電源帶來的干擾。

　　圖3是打擊模式下對打擊力峰值進行采集并保持的電路，由比較器LM311及采樣保持芯片LF398構成。LF398的LOGIC引腳為采樣／保持控制引腳，當LOGIC引腳電壓大于1.4V時，芯片的輸出電壓大小跟蹤輸入；當LOGIC引腳電壓小于1.4V時，芯片的輸出保持為當LOGIC引腳剛過1.4V時的輸入電壓值。

　　而當儀器為連續(xù)跟蹤測量方式時，單片機P11引腳發(fā)出‘1’信號，從而使LF398始終處于跟蹤狀態(tài)，電路的輸出Vout等于輸入Vin。
3.3軟件設計
　　在測量儀的軟件設計中，采用了模塊化設計方法。系統(tǒng)軟件由以下幾個模塊構成：主程序、鍵盤中斷服務子程序、數據采集控制子程序、LCD顯示子程序、打印程序、串口通訊子程序等。主程序及鍵盤中斷服務子程序的結構如圖4、圖5所示。主程序中的工作模式標志、新工件標志、打印機使能、測量力超載門限值等數據均由鍵盤中斷來設置。鍵盤設置5個按鍵，鍵值經過8—3編碼后通過3根IO口線輸入到CPU。鍵盤中斷置為下跳沿觸發(fā)方式，在硬件上設計有鍵盤去抖動電路。數據采集控制子程序中在進行數據采樣時進行了濾波處理。程序設計采用C語言，并在KEIL C集成環(huán)境下完成程序的調試工作。

　　顯示器采用240×60點陣大面積LCD模塊。在打擊模式下，顯示器可在同一屏上顯示打擊次數、打擊峰值等歷史記錄數據和當前打擊值。根據實際需要，采用了大字符(20×40點陣)顯示當次的測量值，便于操作人員從較遠處觀察到實時數據。