材料试验机数据采集及控制系统

李 凯，夏国明，左文香，郭玉霞，张铁壁

(1.河北工程技术高等专科学校 电力工程系，河北 沧州 061001；2.河北工程技术高等专科学校 电气自动化系，河北 沧州 061001；3.河北工程技术高等专科学校 土木工程系，河北 沧州 061001)

材料试验机是测定材料机械、结构强度等特性的重要仪器，广泛应用于水利、机械、冶金、航空、造船、建筑等部门，目前我国仍在使用的W E系列液压万能材料试验机，存在测量精度不够、人为因素较多、可操作性不高等问题，如果采用一刀切的办法，淘汰现有的试验机，势必造成巨大的资源浪费。因此，利用现代先进的测试技术，改造现有的材料试验机，可实现自动检测、自动处理数据，提高了测量精度，方便了数据读取和存储，减少了人为因素，能够为国家节省大量资金投入，具有很好的社会效益和经济效益[1]。

1 测控系统的组成

材料试验机测控系统采用上、下位机结构，以PC机为上位机，以delphi软件为开发平台，负责管理工作，实现实时图形的显示、将数据存入Access数据库和对下位机发出指令信号。以AV R单片机为下位机，负责对信号的采集和现场对象的控制。上、下位机通过串口通信实现了管理、操作、显示的高度集中。材料试验机测控系统组成如图1所示[2]。

2 上位机设计

上位机以Delphi为开发平台，Delphi采用面向对象的编程技术，是新一代可视化开发工具，由于具有功能强大、简便易用和代码执行速度快等特点，基于Dephi7开发环境实现上位机的程序设计，主要完成对下位机的监控、操作管理等功能。可分为数据发送与接收、数据显示与打印、数据存储、上位机控制等几个功能模块。用户操作界面如图2所示[3，4]。

程序各部分的主要功能如下：

1)数据发送与接收模块的功能是与下位机实现通信，交换较为大量的数据。在主界面中设置两个TButton 元件“打开串口”和“关闭串口”用于对串口的控制，设置两个TbitBtn 元件“数据传送”和“停止传送”用于数据传送。

2)数据显示与打印模块的功能是实时显示下位机上传的各模拟通道的数据，并以图像曲线的形式实时显示。

3)数据存储模块的功能是与Access数据库相连接，将下位机上传数据存入Access数据库中，以便查询、整理，为实验提供科学的实验数据。

4)上位机控制模块的功能是给下位机发送控制指令，使下位机按照指令工作，如工作油泵的起动和停止等。

3 下位机设计

3.1 下位机硬件结构

图3 下位机硬件系统框图

下位机硬件系统主要由ATmega16单片机、压力传感器、位移传感器、引伸计、油泵电机、键盘控制电路及液晶显示电路组成。下位机硬件结构图如图3所示[5]。

压力传感器用于测定加在试件上的载荷力值。本系统选用上海天沐自动化仪表有限公司生产的N S-W 型无腔压力传感器，该传感器为半导体压阻式压力传感器，其核心元件是扩散硅敏感元件。当受到流体压力或压差作用时，其上的电阻阻值由于压阻效应而发生变化，从而将变形转换为电信号输出。压力传感器安装在工作油缸与测力送油管的接口处，通过感受油缸油压变化获得压力信号来间接反映试验时力值的大小。

引伸计装夹在试件上，用于测量拉伸试验中弹性阶段与屈服阶段的小变形数据。本系统选用YYU-10/50引伸计作为测试变形传感器，其主要性能指标如表1所示。

表1 YYU-10/50引伸计主要性能指标

位移传感器用于测定试件拉伸全过程的位移。安装在液压缸的中心部位。本系统采用W DL300-2系列直滑式导电塑料电位计作为位移传感器。它具有测量大位移、结构简单、重量轻、相对高的精度和稳定性、受外界条件(温度、湿度)的影响较小等特点。

3.2 数据采集硬件接口电路

图4 数据采集接口电路

A Tmega16内部集成有一个10位逐次比较ADC电路。因此使用AV R可以非常方便的处理输入的模拟信号量。ATmega16的ADC与一个8通道的模拟多路选择器连接，能够对8路单端模拟输入电压进行采样，单端电压输入以0V(GN D)为参考。ADC转换的参考电源可采用芯片内部的2.56V参考电源，也可使用外部参考电源。使用内部电压参考源时，可以通过在AREF引脚外部并接一个电容来提高ADC的抗噪性能。本系统中由压力传感器、引伸计、位移传感器检测的3路模拟信号分别由PA0，PA1，PA2端子输入完成模数转换功能。数据采集接口电路见图4[6]。

3.3 下位机软件设计

图5 定时中断程序流程图

A Tmega16单片机是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AV R RISC结构的高性能、低功率8位单片机，具有先进的RISC精简指令集结构，内部资源非常丰富，可以显著地降低产品成本，同时由于C编译专家的参与，C代码效率极高，为程序的编写带来了极大的方便。下位机软件在AV R Studio+AV R GCC编程环境下，采用模块化的程序设计方法，主要包括初始化模块、主程序模块、数据采集模块、串口通讯模块、数码显示模块、键盘输入模块和控制输出模块。这里着重介绍数据采集模块的实现方法[7]。

数据采集模块是材料试验机测控系统的关键模块，完成实时数据的采集和向上位机传送数据的功能。通过设置定时中断的采样时间，每隔0.2s产生中断进行数据采集工作，根据实际需要在一次定时中断程序中采集3路数据(可扩展8路数据)，分别为压力、位移和变形量，其设计思想为：进入定时中断程序后，由于ADC初始化程序已设置模数转换通道号为0，首先完成0通道模拟量的模数转换并将转换结果存入缓存数组的第0单元，完成转换后通道号加1，再进行1通道模拟量的转换并将转换结果存入缓存数组的第1单元，如此循环，当通道号为3时，说明3路数据转换结束，中断返回。定时中断程序流程图见图5。

定时中断程序代码如下：

4 结论

下位机以AV R单片机为核心，充分利用AV R单片机内部丰富资源，可以显著地降低开发成本，具有结构简单，实时性强，可靠性高及抗干扰能力较强等特点。在材料试验机测控系统中可同时采集3路实时数据，而且可方便地扩充为8路数据，为其他场合的应用提供了参考。上、下位机的通讯采用应答方式，上位机始终处于主机地位，可以向下位机发出控制或数据采集指令，下位机应答指令，确保了数据的正确传送。该系统提高了材料试验机的测量精度、减少了人为因素、便于用户操作，具有良好的实用性。

[1]王庭俊，周建华.液压万能材料试验机的自动化改造[J].现代制造技术与装备，2009(5)：42-44.

[2]李凯，吉艳卿，左文香.M CGS在填料吸收实验装置中的应用[J].河北工程技术高等专科学校学报，2010(1)：42-44.

[3]姚巍.Delphi数据库开发及精彩实例[M].北京：中国电力出版社，2007.

[4]徐枫，马国之，刘良旭.基于ADO技术的数据库访问研究与实现[J].计算机工程与设计.2004，25(1)：107-110.

[5]杨莉华.WE-60液压万能材料试验机的数字化改造[D].昆明：昆明理工大学，2007.

[6]马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[7]顾耀林，翁丽华，王正山.AVR单片机在多回路数据采集器中的应用[J].微计算机信息，2007，23(12-2)：110-111.