（機(jī)械電子工程專業(yè)論文）聚合物pvt測試裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).pdf

摘要 聚合物p v t 測試裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 摘要 聚合物p v t 參數(shù)( 壓力一比容一溫度) 廣泛應(yīng)用于m o l d f l o w 和c - m 0 1 d 等c a e 模擬計(jì)算軟件中，為注射模塑過程的參數(shù)的設(shè)置以及分析制品加工 中產(chǎn)生收縮、翹曲等缺陷的原因提供依據(jù)，在材料科學(xué)中起到越來越重要 的作用。文中詳細(xì)介紹了北京化工大學(xué)英藍(lán)實(shí)驗(yàn)室研制的聚合物p v t 在線 測試儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成。 該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)顯示等。 設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。硬件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)參數(shù)測量 硬件的選型和數(shù)據(jù)采集卡電路的芯片選型與電路設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)主要包括 單片機(jī)固件程序的設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。 硬件設(shè)計(jì)選擇了合適的傳感變送器采集聚合物p v t 參數(shù)的物理量， 數(shù)據(jù)采集電路板基于a t 8 9 s 51 單片機(jī)和m a x l5 6 等芯片設(shè)計(jì)，再通過串 口與上位p c 機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸通訊。單片機(jī)固件程序?qū)τ布M(jìn)行配置與控 制，將p v t 參數(shù)的物理量數(shù)字化采集并按一定協(xié)議發(fā)送給上位p c 機(jī)。 應(yīng)用程序基于v b 6 o 開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對下位機(jī)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處 理、標(biāo)定、實(shí)時(shí)數(shù)字顯示和曲線顯示，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的保存，以及對不同 組數(shù)據(jù)間的關(guān)系曲線( p v ，p t ，t - v ) 自行繪制、保存和打印。 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在聚合物p v t 在線測試儀上測量精度高、速度快、實(shí) 時(shí)性強(qiáng)，特別是能發(fā)揮應(yīng)用軟件的靈活作用，更切合聚合物p v t 參數(shù)的 測量與分析處理。通過對各種聚合物材料進(jìn)行大量重復(fù)的試驗(yàn)可以確定各 t 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 聚合物材料在s p e n c e r 狀態(tài)方程和t a i t 方程中的參數(shù)，從而可將試驗(yàn)成果 建立數(shù)據(jù)庫，以指導(dǎo)m o l d n o w m o l d 等c a e 軟件的計(jì)算機(jī)模擬，最終實(shí) 現(xiàn)指導(dǎo)制定注塑成型工藝，減少制品的成型缺陷，提高制品質(zhì)量。 關(guān)鍵詞：聚合物p v t 參數(shù)；數(shù)據(jù)采集；單片機(jī)；v b i i 摘要 d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fp 0 l y m e rp v t t e s t i n ga p p a r a t u s a b s t r a c t p v 二t ( p r e s s u r e - v 0 1 u m e 一1 e m p e r a m r e ) r e l a t i o n s h i p so fp o l y m e r s ，w h i c h a r eu s e db yc a es o f i w a r es u c ha sm o l d n o wo rc - m o l dt op r e d i c ts l l r i n k a g e o rw a 印a g eb e h a v i o ri np l a s t i cc o n l p o n e n t sa n da p p l i e dt os e tp r o c e s s i n g c o n d i t i o n st oa c h i e v eo p t i i m i mr e s u l t s ，b e c o m ei n c r e a s i n g l yi m p o r t a n ti n m a t e r i a ls c i e n c e t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fp v to n - l i n et e s t i n ga p p a r a t u s d e s i g n e d b yy i n g l a np o l y l l l e rp r o c e s s i n gl a b o r a t o 巧i si n 們d u c e d t h e 如n c t i o n si m p l e m e n t e db yt h ed e s i g ni n c l u d ed a t aa c q u i s i t i o n ，d a t a t r a n s m i s s i o n ，d a t as t o r a g ea n dd a t ad i s p l a y ：i t sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：d e s i g n o fh a r d w a r ea 1 1 d d e s i g n o fs o r w a r e d a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i td e s i g na i l d s e l e c t i o no fp a r a m e t e rm e a s u r e m e n th a r d w a r ea n dc h i p sa r em 旬o rw o r ko f h a r d w a r ed e s i g n f i r m w a r ed e s i g n ，a p p l i c a t i o ns o m v a r ed e s i g na r em a j o r w o r ko fs o 小v a r ed e s i g n i nh a r d w a r ed e s i g n ，a p p r o p r i a t es e n s o rt r a n s m i t t e ri ss e l e c t e dt oa c q u i r e p o l y m e rp v tpa ：r a m e t e r s ， d a t a a c q u i s i t i o n c a r di s d e s i g n e db a s e d o n s i n g l e c h i ps u c ha sa t 8 9 s 5 1a 1 1 dm a x l5 6c h i p ，t h ec o 蚴u n i c a t i o nb e 帆e e n d o w nt e m l i n a t i o na n du pm a c h i n ei st h r o u g ht h es e r i a lp o r t f i n n w a r ei su s e d t oc o n f i g u r ea n dc o n t r o lt h eh a r d w a r e ，a c q u i r et h ep o l y m e rp v tp a r a m e t e r s i i i 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a n ds e n dd a t at oap c a p p l i c a t i o ns o r w a i ei sd e v e l o p e db a s e do nv b 6 ot o i m p l e m e n tt h ed a t aa n a l y s i s ，r e a l - t i m ed i g i t a ld i s p l a y ，c u r v e sd i s p l a md a t a m e m o 巧a n d t oa c h i e v et h ep r e s e r v a t i o no fc u e ( p v ，p t ，t _ v ) m 印p i n g ， s t o r a g ea 1 1 dp r i n t i n g t h i sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fp o l y m e rp v tt e s t i n ga p p a r i l t u si so fh i g h m e a s u r e m e n ta c c u r a c y ，s p e e d ，r e a l t i m e s p e c i a l l y ，印p l i c a t i o ns o f t w a r ei sa b l e t op l a yt h er o l eo fn e x i b i l i 吼w h i c hi sm o r e 砷m n e dt om e a s u r e ，a n a l y s i sa n d p r o c e s sp o l y n l e r p v tp a r 鋤e t e r s t h ep a 舢e t e r so f 印繃c a n d死豇 e q u a t i o n sc a nb ed e t e m l i n e db yal a r g en u m b e ro fp o l y m e r st e s t t b s tr e s u l t s c o u l db eu s e dt oe s t a b l i s had a t a b a s e ，t og u i d ec o i n p u t e rs i m u l a t i o nw i t hc a e s o f 吶a r es u c ha sm o l d n o w m o l da n de v e n t u a l l yt og u i d et h ei n j e c t i o n m o l d i n gp r o c e s s ， t or e d u c ed e f e c t sa n di m p r o v et h eq u a l i t yo ff o m e d p r o d u c t s l ：e yw o r d s ： p 0 1 y m e rp v tr e l a t i o n s h i p s ；d a t aa c q u i s i t i o n ；s i n g l e c h i p ； v i s u a lb a s i c 符號說明 高次多項(xiàng)式系數(shù) 熱電勢，m v 時(shí)鐘頻率，m h z 晶振頻率，m h z 壓力m p a 溫度， 高電平時(shí)間 低電平時(shí)間 間隔時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間，u s 比容，m 3 曠1 輸入電壓值，m v 輸出電壓，m v 符號說明 口f缸知p，死乃乃鋤礦哳脅 北京化工大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立 進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含 任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重 要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲 明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 作者簽名：日期：鯉：蔓：童! 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 學(xué)位論文作者完全了解北京化工大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī) 定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬北京化工大 學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允 許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可 以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 保密論文注釋：本學(xué)位論文屬于保密范圍，在上年解密后適用本授 權(quán)書。非保密論文注釋：本學(xué)位論文不屬于保密范圍，適用本授權(quán)書。 作者簽名：紐唾翔 日期： 導(dǎo)師簽名： 埔3 0 第一章緒論 1 1 聚合物p v t 測試的背景 第一章緒論 c a d c a e c a m 的技術(shù)的出現(xiàn)對傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方式帶來了新的突破。提高注射 成型c a e 的模擬計(jì)算精度，是個(gè)很重要的問題。聚合物p v t 參數(shù)對c a e 的模擬計(jì) 算精度以及成型的品質(zhì)有很大的影響【l 】。 聚合物的p v t 關(guān)系即壓力、比容、溫度關(guān)系。從聚合物的p v t 曲線圖可獲得直 觀的聚合物的密度、比容、壓縮性、體積膨脹系數(shù)及狀態(tài)方程等方面的信息，為注射 模塑過程的參數(shù)的設(shè)置以及分析制品加工中產(chǎn)生翹曲、收縮等缺陷的原因提供依據(jù)【2 】。 目前用于聚合物p v t 參數(shù)測試的儀器在國外已有工業(yè)化產(chǎn)品，如德國s w o 公司制 h a a k ep v t - 1 0 0 分析儀、r 本東洋精機(jī)t o y o s e i k i 公司制p v t 測試儀、以及美國 m o l d n o w 應(yīng)用的g n o m i x 公司制p v t 高壓膨脹計(jì)等。在世界各國應(yīng)用的儀器有8 0 多 臺，目前在中國大陸地區(qū)僅中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所有一臺，為s w o 公司產(chǎn) 品。 圖卜lp v t 在線測試儀 f i g 1 1p 0 1 y m e rp v t o n l i n et e s t i n ga p p a r a t u s 圖1 1 是北京化工大學(xué)英藍(lán)實(shí)驗(yàn)室研制的聚合物p v t 在線測試儀，是國內(nèi)研發(fā)的 首例聚合物p 測試設(shè)備。國外現(xiàn)有p v t 測試儀的測試對象都是有特殊要求的試驗(yàn) 樣塊，測試條件也有嚴(yán)格限制，而聚合物p v t 在線測試儀的創(chuàng)新特點(diǎn)是基于注射機(jī)， 可以在注塑成型工藝條件下對模腔中被測聚合物直接進(jìn)行加壓、降壓或加熱、冷卻的 過程中進(jìn)行測試，而且使用的測試裝置的模具可以與加工制品的模具形狀相同，測得 的p v t 數(shù)據(jù)能更真實(shí)地反映實(shí)際注塑成型工藝條件下的p v t 數(shù)據(jù)。該裝置主要由p v t 在線測試模具、模溫控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分組成【3 】。 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖卜2p v t 測試模具 f i g 1 - 2p - v tt e s t i n gm o l d 1 2 課題主要研究內(nèi)容與意義 數(shù)據(jù)采集是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量采集、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再由 計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的過程。相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采 集技術(shù)是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，它與傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)一 起構(gòu)成了現(xiàn)代檢測技術(shù)基礎(chǔ)。主要研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理以及控制等作業(yè)， 具有很強(qiáng)的實(shí)用性。隨著大規(guī)模集成電路與計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集技術(shù)已 在通信、遙感、語音處理、智能儀器、以及工業(yè)自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用【4 。7 j 。 本課題旨在完成聚合物p v t 在線測試儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟硬件的構(gòu)架。課題涵 蓋的理論知識體系包括數(shù)據(jù)采集理論、單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)、計(jì)算機(jī)接口技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸 協(xié)議、數(shù)據(jù)處理、軟件開發(fā)等。 課題設(shè)計(jì)采用c 5 l 單片機(jī)為核心，研究開發(fā)一套聚合物p v t 測試裝置的數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)環(huán)節(jié)，主要包括系統(tǒng)參數(shù)測量部分、數(shù)據(jù) 采集和傳輸部分以及數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、處理部分等。 系統(tǒng)參數(shù)測量部分的設(shè)計(jì)主要包括傳感器的選型。數(shù)據(jù)采集和傳輸部分的設(shè)計(jì)主 要是利用a d 轉(zhuǎn)換芯片對模擬采集量進(jìn)行采集和a d 轉(zhuǎn)換或者是對數(shù)字采集量進(jìn)行標(biāo) 準(zhǔn)轉(zhuǎn)換并采集，對通訊接口的選擇和電路設(shè)計(jì)。主要工作包括硬件電路的設(shè)計(jì)、電路 固件程序的設(shè)計(jì)，以及硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)試。數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、處理部分 的設(shè)計(jì)主要是上位p c 機(jī)應(yīng)用軟件的編寫。 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在聚合物p v t 在線測試儀上測量精度高、速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，特 別是能發(fā)揮應(yīng)用軟件的靈活作用，更切合聚合物p v t 參數(shù)的采集與分析處理。克服了 市場上產(chǎn)品價(jià)格昂貴，采樣精度、速度不適合聚合物p v t 測試的特定技術(shù)要求等不足。 第一章緒論 系統(tǒng)應(yīng)用的潛力并不局限于聚合物p v t 的測試裝置，比如在增加與被測信號相 適應(yīng)的傳感器、采樣保持、濾波和隔離電路后系統(tǒng)可以方便的應(yīng)用于其他試驗(yàn)設(shè)備和 工業(yè)實(shí)際應(yīng)用方面，可以用于對溫度、壓力、體積、長度等參數(shù)的測試。在電腦普及 的當(dāng)今，這樣的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有一定的應(yīng)用前景。 1 3 論文內(nèi)容與結(jié)構(gòu) 論文的主要內(nèi)容包括兩大部分。第一部分主要介紹聚合物p v t 參數(shù)測試儀的數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)的硬件選型與架構(gòu)，第二部分主要介紹單片機(jī)固件程序與上位機(jī)程序的編寫 與開發(fā)。 設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖1 2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件構(gòu)成框圖 f i g 1 2h a r d w a r eb l o c kd i a g r a mo fd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e i n i 。一。一。一。一。一一一一。一。一。一。一： i i - 圖卜3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖 f i g 1 3s o f h 粕1 1 ea r c h i t e c t u r eb l o c kd i a g 姍o f d a t aa c q u i s i t i o ns y s t 鋤 3 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 論文共分為六章，各章主要內(nèi)容如下： 第一章：緒論。闡述了課題背景，介紹聚合物p v t 參數(shù)測試的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢； 對課題研究內(nèi)容做了簡要概述，指出了本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和實(shí)用價(jià)值和意義 第二章：系統(tǒng)參數(shù)測量的硬件設(shè)計(jì)。主要闡述設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，以及依此的傳感 器選型，并介紹選用的傳感器特性。 第三章：數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì)。主要介紹電子電路的硬件選擇和架構(gòu)。介紹選 擇的硬件，并闡述設(shè)計(jì)原則和內(nèi)容。 第四章：單片機(jī)固件程序設(shè)計(jì)。主要介紹電子電路芯片的固件程序設(shè)計(jì)。闡述設(shè) 計(jì)原則，給出設(shè)計(jì)流程。 第五章：應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。主要介紹上位機(jī)的系統(tǒng)硬件驅(qū)動(dòng)程序、接口程序和應(yīng)用 程序( 數(shù)據(jù)處理程序) 的設(shè)計(jì)，對整個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)行了可行性分析。 第六章：結(jié)論?？偨Y(jié)本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)所做的工作；指出下一步聚合物p v t 參 數(shù)對產(chǎn)品的c a e 分析的作用。 4 第二章系統(tǒng)參數(shù)測量的硬件設(shè)計(jì) 第二章系統(tǒng)參數(shù)測量的硬件設(shè)計(jì) 傳感器是把電量信號或非電量信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出的裝置 8 】。數(shù)據(jù)采集的 首要步驟是將聚合物p v t 參數(shù)的物理變化轉(zhuǎn)化為電壓或者電流形式，這就需要通過選 擇符合設(shè)計(jì)要求的特定傳感器來實(shí)現(xiàn)。 聚合物p v t 參數(shù)測試的物理量分別是：壓力、溫度和比容。其中壓力和溫度可以 通過壓力、溫度傳感器直接測量，而聚合物的比容無法直接通過傳感器測量，通過測 量一定質(zhì)量的聚合物的體積來間接測得其比容，而體積的變化可通過測量在一定截面 下聚合物材料在某一方向上長度的變化得到，所以比容的測量轉(zhuǎn)化為特定方向的距 離，即位移的測量。 2 1 壓力、溫度傳感器 常見的普通壓力傳感器雖然能夠測量的壓力范圍很大，但是一般工作溫度都較 小，不能在高溫條件下工作；同時(shí)，一般的溫度傳感器也有著同樣的問題，雖然可以 測量很高的溫度，但是卻不能承受很大的壓力。而在聚合物p v t 的測試過程中，需要 將聚合物加熱到熔融狀態(tài)下并施加很大的壓力，在這種高溫、高壓下必須選擇專用的 高溫熔體壓力溫度傳感器變送器。 在本課題設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)要求的工作壓力為常壓1 5 0 m p a ，設(shè)計(jì)工作溫度為常溫 2 0 0 。綜合考量了技術(shù)特性與經(jīng)濟(jì)因素，選用了成都先達(dá)電子有限公司生產(chǎn)的p t 系列高溫熔體壓力傳感器變送器。p t 系列高溫熔體壓力傳感器變送器適用于化纖、 塑料、橡膠高溫熔體壓力或其它耐高溫的流體壓力的測量和控制。具有工作穩(wěn)定、性 能可靠、準(zhǔn)確度高、輸出信號大、動(dòng)態(tài)性能好、耐高溫零點(diǎn)漂移小等優(yōu)點(diǎn)【9 】。 圖2 1p t l 3 1 高溫熔體壓力溫度傳感器變送器 f i g 2 - 2p t 131t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r et r a n s m i t t e rs e n s o r 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 表2 1p t 系列高溫熔體壓力傳感器變送器主要技術(shù)指標(biāo)及性能 t a b l e2 - lm a i ns p e c i f i c 撕o n s 鋤dp e r f 0 】肌觚c eo fp tt 鋤l p e m t u r c 齟dp r e s s u 聆缸鋤s m i t c e rs s o r 項(xiàng)目指標(biāo)進(jìn)口材料指標(biāo) 0 3 5 、5 、l o 、1 5 、2 0 、2 5 、3 0 、3 5 、4 0 、5 0 、6 0 、7 0 、8 0 、1 0 0 、 量程系列m p a 2 0 0 、3 0 0 精度f s0 5 ：l ； 1 5 0 1 ；o 2 ：0 3 重復(fù)性f s 0 3 ：0 5 0 1 ；0 2 ： 輸入輸出阻抗q3 5 0 士l o f s3 5 0 士5 f s 輸出靈敏度m v 2 1 5 ；2 ；3 32 ：2 5 ；3 3 零點(diǎn)輸出 l o f s5 f s 供橋電壓v6 ；l o ；最大1 2 絕緣電阻mq 5 0 0 m q ( 1 0 0 v ) 校準(zhǔn)8 0 f s 士2 8 0 f s 士1 耐溫( 探頭)傳感器端8 0 ；探頭端4 0 0 、特殊定制最高5 3 5 傳感器溫漂、靈漂 o 0 5 f s 0 0 2 f s 探頭感溫零點(diǎn)漂移 0 3 m p a 1o o 0 1m p a 1 0 0 連接螺紋尺寸m 1 4 1 5 ；1 2 ”2 0 牙；m 1 8 1 5 ；m 2 2 1 5 ；m 2 8 1 5 ；g 3 4 ” 表2 2p t 系列高溫熔體壓力傳感器變送器外形尺寸 t a b l e2 2d i m e l l s i o no fp t t e m p e r a t u r e 柚dp - 既s u r e 咖l s m i n e rs e l l s o r d ld 2d 3d 4d 5abcl ll 2 密封 m 1 2 1 5m 7 8l o 2m 1 0|5 51 11 6 蝴 m 1 4 1 5 m 7 8m 1 1 8m 1 2西1 45 5 1 l 1 6 劃 出 出 ， 4 5 0 斜面 l 2 ”2 07 81 0 51 0 51 2 75 5 1 l 1 6 。 o o 冷 o m 1 8 1 51 01 5 5m 1 61 861 21 8 ， n o ， o m 2 2 1 51 6西1 9 5m 1 9|1 01 5 83 0 ：2 o o ， n o ， m 2 8 1 5m 1 8m 2 4西2 6|1 11 72 8 卜o o 2平端面 g 3 4 ”1 82 4m 2 4|1 11 72 8 g o p f 3 8 ”m l om 1 4m 1 4 5|81 23 0 卜 ， o 1 1 2 1 6 ”m 2 3 5西3 3 5|1 32 l3 7 卜 寸 法蘭安 3 2 5 m 2 3 5m 3 3|1 3 55 l1 9 ， o n 裝 3 5 ”m 2 3 5m 3 3|1 3 56 l1 9 注：d l = 3 2 5 ”和3 5 ”為法蘭尺寸 6 第二章系統(tǒng)參數(shù)測量的硬件設(shè)計(jì) 圖2 - 2p t l 3 1 高溫熔體壓力溫度傳感器變送器尺寸 f i g 2 2d i n l 鋤s i o no f p t l31 t 鋤p e m t i l r e 姐dp r e s s u r e 劬l n s m i t t e rs c l l s o r 根據(jù)以上的參數(shù)和訂貨說明，最終確定選購的傳感器型號為： p t l 3 1 m 1 4 2 0 0 m p a - 7 0 3 0 0 0 1 0 v 依。其代表的意義如下： p t l 3 1 ：設(shè)計(jì)序號和型號即壓力溫度變送器； m 1 4 ：連接螺紋m 1 4 1 5 ； 2 0 0 m ：額定壓力2 0 0 m p a ； 7 0 3 0 0 ：直桿長度15 0 ，軟管長度4 7 0 ； o 1 0 v 依：壓力變送器輸出信號o 1 0 v ，溫度傳感器為k 型熱電偶。 壓力、溫度傳感器電路及接線圖如下圖所示，其中選擇的傳感器為國產(chǎn)五芯接插 件引線。 國產(chǎn)五芯接插件引線 1 輸出信號正；2 供僑電源正； 3 輸出信號負(fù)；4 供橋電源負(fù)； 5 8 0 f s 校準(zhǔn)； 進(jìn)口六芯接插件引線 a 輸出信號正；b 輸出信號負(fù)； c 供橋電源正；d 供橋電源負(fù)； e f 8 0 f s 校準(zhǔn)； 圖2 - 3 壓力、溫度傳感器電路及接線圖 f i g 2 - 3c h u i ta n d r i i 證gd i a 鏟鋤o fp t l3lt e i n p e r a t u r e 鋤dp r e s s u 代t r a n s m i t t e rs e n s o r 7 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 位移傳感器 2 2 1 位移傳感器的選擇 聚合物在不同溫度、壓力條件下的比容變化是一個(gè)微小的量，在測試儀器上所顯 示出來的位移變化量也是十分微小的，設(shè)計(jì)要求測量精度達(dá)到1 p m ，因此必須選用高 精度的位移傳感器。本設(shè)計(jì)選用了廣東康宇測控儀器儀表工程有限公司生產(chǎn)的k y d m 系列磁致伸縮位移傳感器。 圖2 - 4 磁致伸縮位移傳感器 f i g 2 - 4m a g n e t o s t r i c t i v ed i s p l a c e m e n ts e n s o r 康宇公司生產(chǎn)的磁致伸縮位移傳感器( 簡稱“磁尺”) 是應(yīng)用“磁致伸縮”原理 研制而成，達(dá)到計(jì)量級精度的新一代精確測量位移的傳感器。相比于傳統(tǒng)的位移傳感 器，采用磁致伸縮技術(shù)具有以下優(yōu)勢： 精度更高：采用磁場變化感應(yīng)位移，使得產(chǎn)品具有高精度，目前業(yè)內(nèi)磁致伸縮位 移傳感器的精度可以達(dá)到2 4 h m ，而康宇公司生產(chǎn)的磁致伸縮位移傳感器的精度可以 達(dá)到1 “m 。 環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)：磁致伸縮位移傳感器利用非接觸技術(shù)通過檢測活動(dòng)磁鐵的位移 進(jìn)行工作，磁鐵和傳感器沒有直接接觸，因此傳感器在惡劣的工作環(huán)境，如油漬、溶 液、塵埃等污染下，能夠完全正常工作。 使用更穩(wěn)定、更簡單：磁致伸縮位移傳感器的輸出信號是一個(gè)真正的絕對位移輸 出，而不是比例或者是需要再放大處理的信號，因此不存在信號漂移或者變值的情況， 無需定期重標(biāo)和維護(hù)。即使是電源中斷重接通也不會(huì)對數(shù)據(jù)接收構(gòu)成問題，無需重新 回零。 使用壽命更長：由于靈敏元件都是非接觸的，所以即使工作過程不斷高速重復(fù)， 也不會(huì)對傳感器造成任何磨損。 康宇公司生產(chǎn)的磁致伸縮位移傳感器工作原理如下圖，該產(chǎn)品主要由波導(dǎo)絲、測 第二章系統(tǒng)參數(shù)測量的硬件設(shè)計(jì) 桿、電子倉和套在測桿上的非接觸磁環(huán)組成。當(dāng)傳感器工作時(shí)，電子倉內(nèi)的電子電路 產(chǎn)生一“起始脈沖”，此起始脈沖與定位裝置中的永久磁場相遇時(shí)，產(chǎn)生磁致伸縮效 應(yīng)，使波導(dǎo)絲發(fā)生扭動(dòng)。這一扭動(dòng)被安裝在電子倉內(nèi)的信號處理機(jī)構(gòu)感知并轉(zhuǎn)換成相 應(yīng)的“終止脈沖，通過計(jì)算“起始脈沖”與相應(yīng)“終止脈沖之間的時(shí)間差，即可 精確測出其位移量【l o 】。 唧 ；o - _ i e i 不： 圖2 5 磁致伸縮位移傳感器工作原理圖 f i g 2 5w b d ( p 血c i p l eo f m a 印e t o s t r i c t i 、，ed i s p l a c 鋤e n ts c i l s o r 磁珂： 圖2 6 磁致伸縮位移傳感器尺寸 f j g 2 - 6d i i n e n s i o no fm a 印e t o s t r i c t i v ed i s p l a c e m ts e n s o r k y d m 系列磁致伸縮位移傳感器主要性能指標(biāo)與技術(shù)參數(shù)如表2 3 和表2 - 4 所 9 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 表2 3k y d m 系列磁致伸縮位移傳感器主要性能指標(biāo) 1 a b l e2 - 3m a i l lp e r f o 】衄鋤c eo f m a g t o s t r i c t i v ed i s p l a c 鋤鋤ts 銣s o r 非線性誤差 o 0 5 f s 或者 8 0 “m 重復(fù)性誤差 o 0 0 2 f s ( 最小2 5 p m ) s s i ： 4 p m ( 2 4 位、2 6 位時(shí)) 、 2 i i m ( 2 5 位時(shí)) 遲滯 m o d b u s ： 4 p m 模擬： o 0 0 2 f s ( 最小1 0 p m ) s s i ： 4 p m ( 2 4 位、2 6 位時(shí)) 、 2 p m ( 2 5 位時(shí)) 分辨力 m o d b u s ： a ，d 轉(zhuǎn)換：m a x l 5 6 p c 通訊接口：m a x 2 3 2 輸入信號( 溫度) 調(diào)理：l m 3 5 8 輸入信號( 位移) 采集：m a x 4 8 8 電源：a c d c 電源適配器 第三章數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì) 圖3 7p v t 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路圖 f i g 3 - 7c i r c u i to f d a t aa c q u i s i l i o ns y s t 唧o f p o l y m e rp v t o n 一1 i n et e s t i n ga p p a r a t u s 2 3 l 、電源適配器2 、m c u 處理器3 、a d 轉(zhuǎn)換器4 、運(yùn)算放大器 5 、r s 一4 8 5 4 2 2 轉(zhuǎn)換器6 、r s 一2 3 2 轉(zhuǎn)換器7 、串口接口 圖3 8p v t 數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)板 f i g 3 - 8e x p e r i m e n tb o a r do fp v t d a t aa c q u i s i l i o ns y s t e m 2 1 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 6 印刷電路板設(shè)計(jì) 在完成數(shù)據(jù)采集卡的原理設(shè)計(jì)與調(diào)試之后，依據(jù)原理圖設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集卡的p c b 印 刷電路板。p c b 電路板設(shè)計(jì)的流程如圖3 9 所示： 圖3 9 p c b 板設(shè)計(jì)流程圖 f i 9 3 9d 筋i g nn o wc h a r to fp c b 原理圖設(shè)計(jì)完成后，元件的封裝有可能被遺漏或有錯(cuò)誤。正確加入網(wǎng)表后，系統(tǒng) 會(huì)自動(dòng)地為大多數(shù)元件提供封裝。但是對于用戶自己設(shè)計(jì)的元件或者是某些特殊元件 必須由用戶自己定義或修改元件的封裝。 網(wǎng)表是電路原理圖和印刷電路板設(shè)計(jì)的接口，只有將網(wǎng)表引入p c b 系統(tǒng)后， 才能進(jìn)行電路板的自動(dòng)布線。在設(shè)計(jì)好的p c b 板上生成網(wǎng)表和加載網(wǎng)表，必須保證 產(chǎn)生的網(wǎng)表已沒有任何錯(cuò)誤，其所有元件能夠很好地加載到p c b 板中。加載網(wǎng)表后 系統(tǒng)將產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部的網(wǎng)表，形成飛線。 元件布局是由電路原理圖根據(jù)網(wǎng)表轉(zhuǎn)換成的p c b 圖，一般元件布局都不很規(guī) 則，甚至有的相互重疊，因此必須將元件進(jìn)行重新布局。元件布局的合理性將影響到 布線的質(zhì)量。在進(jìn)行單面板設(shè)計(jì)時(shí)，如果元件布局不合理將無法完成布線操作。在進(jìn) 行對于雙面板等設(shè)計(jì)時(shí)，如果元件布局不合理，布線時(shí)，將會(huì)放置很多過孔，使電路 板走線變得復(fù)雜。 ， p r o t e ld x p 提供了強(qiáng)大的自動(dòng)布線功能，在設(shè)置好布線規(guī)則之后，可以用系統(tǒng)提 供的自動(dòng)布線功能進(jìn)行自動(dòng)布線。只要設(shè)置的布線規(guī)則正確、元件布局合理，一般都 第三章數(shù)據(jù)采集卡的硬件設(shè)計(jì) 可以成功完成自動(dòng)布線。在自動(dòng)布線結(jié)束后，有可能因?yàn)樵季只騽e的原因，自動(dòng) 布線無法完全解決問題或產(chǎn)生布線沖突時(shí)，即需要進(jìn)行手動(dòng)布線加以設(shè)置或調(diào)整。如 果自動(dòng)布線完全成功，則可以不必手動(dòng)布線講2 5 1 。 設(shè)計(jì)完成的p c b 印刷電路板是一個(gè)雙層電路板，如圖3 1 0 所示，圖3 1 l 是由p r o t e l d x p 生成的三維p c b 板。 圖3 1 0p c b 印刷電路板 確瞄一1p 曲t 耐c i r c 吐b o a 碡( p c b ) ，女o 一t - f 毫兩。；， _ 一 、一， 疆玉 瓣 鍵 # 圖3 - 1 1 三維p c b 印刷電路板 f i g 3 - 1 l3 dp r i m e dc i l l c u i tb o a r d 北京化工大學(xué)碩七學(xué)位論文 3 7 硬件抗干擾設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)作為聚合物p v t 參數(shù)的測量采集板卡，為保證測量參數(shù)的準(zhǔn)確性，就要 保證該電路板在使用環(huán)境中能夠穩(wěn)定運(yùn)行，數(shù)據(jù)不丟失，芯片不異常復(fù)位，所以在硬 件設(shè)計(jì)中，必須采取切實(shí)有效的抗干擾措施，以確保整個(gè)測量系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定的工作。 在設(shè)計(jì)中采用的主要抗干擾措施有【2 42 6 2 7 】： 一、在電路中加去耦電容。集成電路元件加上去耦電容也是很關(guān)鍵的，數(shù)字電路 中去耦電容用來濾除高速器件引起的干擾，在布線時(shí)，去耦電容越靠近集成電路元件 的電源和地效果越好。 二、盡可能采用片內(nèi)存儲(chǔ)器。微處理器的存儲(chǔ)器包括片內(nèi)存儲(chǔ)器及片外擴(kuò)展存儲(chǔ) 器。單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器抗干擾度要優(yōu)于片外r a m 的抗干擾性，考慮測量工作 環(huán)境很復(fù)雜，相關(guān)的重要參數(shù)全部保存到片內(nèi)存儲(chǔ)器中。另外，在軟件設(shè)計(jì)中注意合 理使用內(nèi)存，避免外擴(kuò)數(shù)字存儲(chǔ)器，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。 三、元件的選擇及電路的結(jié)構(gòu)對抗干擾設(shè)計(jì)都是至關(guān)重要的，電路板的布局和互 連也具有同等重要的影響。具體布線時(shí)注意到以下幾點(diǎn)： 1 、電源線和地線應(yīng)該盡量靠近，以減少差模輻射的環(huán)面積； 2 、信號線要進(jìn)行屏蔽并相互絞合使用，信號線要遠(yuǎn)離干擾源，不與電網(wǎng)線平行； 3 、電源線應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離電路中的信號線； 4 、當(dāng)同一塊p c b 板上有多個(gè)不同功能的電路時(shí)，可將同一功能單元的元器件集 中一點(diǎn)接地，自成獨(dú)立回路。這就可以使地線電流不會(huì)流到其他功能單元的回路去， 避免了對其它單元的干擾。 2 4 第四章單片機(jī)固件程序設(shè)計(jì) 第四章單片機(jī)固件程序設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)部分主要分為下位機(jī)和上位機(jī)兩部分軟件。下位機(jī)程序主要指單片機(jī)固 件程序。上位機(jī)程序主要指p c 機(jī)端的驅(qū)動(dòng)、處理程序和用戶操作界面等。本章首先 介紹單片機(jī)固件程序軟件設(shè)計(jì)。 4 1 程序設(shè)計(jì)總體框架 首先確定單片機(jī)固件程序要實(shí)現(xiàn)的功能。結(jié)合課題特點(diǎn)，下位機(jī)程序的主要功能 是采集數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行d 轉(zhuǎn)換( 位移量不需要此步轉(zhuǎn)換) 、處理、通訊發(fā)送等。 根據(jù)功能劃分，將固件程序分為以下幾個(gè)模塊：，d 轉(zhuǎn)換芯片的參數(shù)配置模塊； d 轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理模塊；位移數(shù)字量采集模塊；通訊接口配置模塊和數(shù)據(jù)通訊模塊。 由此劃分，繪制主程序流程圖，圖4 1 。 圖4 1 主程序流程圖 f i g 4 - lf l o wc h a r to f l em a i l lp r o g r a m 北京化工大學(xué)碩上學(xué)位論文 4 2 程序設(shè)計(jì)調(diào)試環(huán)境 本設(shè)計(jì)選用m e d l i nv 2 3 9 作為開發(fā)環(huán)境。m e d l i n 是h l s i 曲t 系列仿真開發(fā)系統(tǒng)的高 性能集成開發(fā)環(huán)境。集編輯、編譯匯編、在線及模擬調(diào)試為體，v c 風(fēng)格的用戶界 面，內(nèi)嵌自主版權(quán)的宏匯編器和連接器，并完全支持f r a n k l i 帳e i ic 擴(kuò)展o m f 格式 文件，支持所有的變量類型和表達(dá)式。其集成開發(fā)環(huán)境界面如圖4 2 所示。 圖4 2m e d w i n 開發(fā)環(huán)境界面 f i g 4 2i n t e r f a c eo fm e d w i n 仿真器采用南京萬利公司的m e 5 2 p 1 u s 仿真器。它能夠完全實(shí)時(shí)仿真5 l 系列單 片機(jī)，并且對系統(tǒng)沒有任何的限制，不占用系統(tǒng)的任何資源；具有實(shí)時(shí)跟蹤內(nèi)存的功 能。6 4 k 程序存儲(chǔ)器和6 4 k 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用戶可以根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)的實(shí)際需要，任意 的安排借用空間，可全部或部分借用仿真內(nèi)存進(jìn)行軟件調(diào)試和軟、硬件聯(lián)合調(diào)試。 本設(shè)計(jì)的編程器采用北京煒煌科技發(fā)展公司的w h 5 0 0 a 型的編程器。其應(yīng)用軟 件的界面如圖4 3 所示。 單片機(jī)開發(fā)仿真器和編程器實(shí)物如圖4 4 所示。 2 6 第四章睜片機(jī)固件程序設(shè)計(jì) 文件【曰緩沖區(qū) 團(tuán)芯片選擇 u 芯片編程【口電子盤【翻虛擬儀器設(shè)置圍在線升組 翊查看凹幫助 蝴g u a q e 氯! 篡，| 纓；黑；怒；怒| 黹| 慧l 忠i 基 炱 圜 慝；黑l 囂 僳 圍 髻|(zhì)日l n ；h e ii _ 。；。芒貧；t y p e 丸t o d | a 啪 p o g r e a d v e r i f y 日i 晶k j 圭激；掌；蓄蠶if r e c ii 芑而l 砑鈿 l 云蟊；榭l。； 芯片類墅：虻u ，聹v芯片容量：約玨加密特性：3序列號：關(guān)閉狀態(tài) 扶蠹指示： 生產(chǎn)廠寡： 姐e l 墑程電壓：1 2 v 插座選擇： u l 控驗(yàn)和： 關(guān)閉狀態(tài) 毒 芯片型號：蚵8 9 c 5 5 w d 工作文件：未打開任何文件i i ；i ；! 緝 h e x0 00 10 2 0 30 4 0 50 6 0 7 0 b 0 90 0 b0 c0 d 0 e 0 f0 1 2 3 q s 6 7 e 9 k b c d e f 0 0 0 0 0 0f ff ff ff f f f f f r r f f f f f ff f f ff f f ff ff f 0 0 0 0 1 0f f f f f f f f f r r f f f f f f f f p f f f f f f f f f f f f 0 0 0 0 2 0f f f f f f f f f f f f f r f f f r f f f f f f f f f f f f f f 0 0 0 0 3 0f f f f f f f f f f f f f f f f f f f f f r f f f f f f f f f f 0 0 d 0 q 0f f f f f f f f f f f ff rf f f ff f r ff ff f f f f ff f 0 0 口0 5 0f f f f f f f f f f f f f f f f f ff ff f f ff ff f f f f f 0 0 d 0 6 0f f f f f f f ff rf f f f f f f f f f f f f ff ff f f ff f 0 0 0 0 7 0f f f ff ff ff f f f f f f f f f f ff f f f f ff ff ff f 0 0 0 0 8 0f f f f f f f f f f r f f f f f f f f f f f f f f f f f f f f f 0 0 0 0 9 0f ff ff ff f f ff f f f f f f r f f f f f f f f f f f f f f 0 0 0 0 0f ff ff ff rf ff ff f f r f rf ff ff f f f f f f f f f 0 0 0 0 8 0f ff ff rf ff ff ff f f f f ff f f f f f f f f ff ff f 0 0 0 0 c of f f f f f f f f f f f r f f f f f f ff ff f f f f ff ff f 0 0 0 0 d of f f f f f f f f ff ff f f f f r f ff ff f f f f f f f f f 0 0 0 d e 0 f ff ff f f ff f f ff f f f f rf f f f f ff ff f f f f f 0 口0 0 f 0f f f f f f r f f f f f f f f f f f f ff ff r f f f ff ff f 光標(biāo)地址 0 o oh 光標(biāo)移至 0 0 d c o hj ，。l 自動(dòng)編程成功次數(shù)；0失敗次數(shù)： 5 黜 a d y 圖4 - 3w h 編程器界面 f i g 4 - 3h t e r f a c eo fw hp m g r a m m e r 圖4 - 4 仿真器 f i g 4 4s i m u l a t o r 圖4 5 編程器 f i g 4 5p r o 黟舢e r 2 7 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 為了能夠在電腦端看到單片機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)，必須借助一個(gè)w 烈d o w s 軟件進(jìn)行 觀察，這里利用一個(gè)免費(fèi)的電腦串口調(diào)試軟件，串口調(diào)試助手。這是一個(gè)綠色的軟件， 無需安裝，可以直接在當(dāng)前位置運(yùn)行這個(gè)軟件。軟件界面如圖4 5 。首先要設(shè)置一下 串口通訊的參數(shù)，將波特率調(diào)整為9 6 0 0 ，勾選十六進(jìn)制顯示。串口選擇為c o m 2 ( 由 個(gè)人電腦的硬件決定，本試驗(yàn)用電腦為c 0 m 2 ) ，將p v t 數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)板的串口和電 腦的c o m 2 連接，將仿真器接頭插入單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板的萬能插座中，并接通p v t 數(shù)據(jù) 采集實(shí)驗(yàn)板的電源，這時(shí)在串口調(diào)試助手軟件的接收區(qū)界面中就會(huì)顯示p