【正文】 ............................... 22 謝 辭 .............................................................................................................................................. 23 參 考 文 獻(xiàn) .................................................................................................................................... 24 附錄 1 ............................................................................................................................................. 25 附錄 2 ............................................................................................................................................. 27 附錄 3 ............................................................................................................................................. 28 基于 LabVIEW 的材料測試系統(tǒng)設(shè)計(jì) —— 載荷測量 1 第 1 章 緒論 引 言 材料測試機(jī)早在幾十年前就已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于拉力機(jī)，壓力機(jī)的測量實(shí)驗(yàn)中，然而，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代測試技術(shù)的不斷更新和進(jìn)步，尤其是計(jì)算機(jī)的日新月異的變化，虛擬儀器應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)越來越普及。使用 非常靈活方便 ?。眾多的源碼設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，多種多樣的對分析和表達(dá)功能的支持，為用戶快捷地構(gòu)建自己在實(shí)際生產(chǎn)中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。 研究的背景和意義 LabVIEW 是美國國家儀器公司（ National Instrument ）開發(fā)的一種虛擬儀器平臺(tái)。 LabVIEW 功能強(qiáng)大 ,提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析和存儲(chǔ)庫函數(shù)以及包括 DAQ、 GPIB、 PXI、 VXI、 RS232 和RS485 在內(nèi)的各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的所有功能函數(shù)。但用 LabVIEW 開發(fā)的虛擬儀器通常都是建立在LabVIEW 支持的價(jià)格昂貴的數(shù)據(jù)采集硬件之上的。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及， 傳感器的運(yùn)用越來越普遍， 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在多個(gè)領(lǐng)域 也 有著廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，還要對某一檢測點(diǎn)任意參數(shù)能夠進(jìn)行隨機(jī)查尋 ，將其在某一時(shí)間段內(nèi)檢測得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換提取出來，以便進(jìn)行比較，做出決策，調(diào)整控制方案， 福州大學(xué)本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 提高產(chǎn)品的合格率，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。在科學(xué)研究中，運(yùn)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大量的動(dòng)態(tài)信息，也是獲取科學(xué)數(shù)據(jù)和生成知識(shí)的重要手段之一。 此外，計(jì)算機(jī)的發(fā)展對通信起了巨大的推動(dòng)作用 .計(jì)算機(jī)和通信緊密結(jié)合構(gòu)成了靈活多樣的通信控制系統(tǒng)，也 可以構(gòu)成強(qiáng)有力的信息處理系統(tǒng) ,這樣對社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從嚴(yán)格的意義上來說，應(yīng)該是用計(jì)算機(jī)控制的數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測或巡回檢測，并且能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)行存儲(chǔ)、處理、分析計(jì)算以及從檢測的數(shù)據(jù)中提取可用的信息，供顯示、記錄、打印或描繪的系統(tǒng)。輸入通道要實(shí)現(xiàn)對被測對象的檢測，采樣和信號(hào)轉(zhuǎn)換等工作。 數(shù)據(jù)處理就是從采集到的原始數(shù)據(jù)中，刪除有關(guān)干擾噪聲，無關(guān)信息和必要的信息，提取出反映被測對象特征的重要信息。數(shù)據(jù)輸出及顯示就是把數(shù)據(jù)以適當(dāng)?shù)男问竭M(jìn)行輸出和顯示。在近端與遠(yuǎn)端通信過程中，采用串行 RS232 標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)與單片機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。 本設(shè)計(jì)所做的工作 本設(shè)計(jì)以一個(gè)通道進(jìn)行模擬量輸入，從載荷傳感器采集而來的模擬量電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理后，送入 ADC0809 進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，然后通過單片機(jī)的串行口 TXD 發(fā)送到計(jì)算機(jī)上（單片機(jī)發(fā)送出來的數(shù)據(jù)要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，可用 MAX232 和 RS232 來連接計(jì)算機(jī)和單片機(jī)）， LabVIEW 會(huì)自動(dòng)識(shí)別并實(shí)時(shí)的顯示載荷的大小，如果載荷的大小超過了預(yù)定值或者是用戶設(shè)定的數(shù)值大小，軟件 系統(tǒng)就會(huì)及時(shí)的報(bào)警，并停止載荷傳感器 LRK 的工作。在信號(hào)的調(diào)理電路中，有許多的干擾，其中電源的干擾很嚴(yán)重，故可以進(jìn)行電源去耦，盡量消除電源的噪聲干擾；在設(shè)計(jì)中，也采用了調(diào)零電路，主要是為了防止溫度和零度漂移，讓傳感器輸出的信號(hào)到進(jìn)入 ADC0809 進(jìn)行模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換更加的精確。因此，做好硬件與 單片機(jī)之間的通信，并編好程序，就能夠輸出需要的數(shù)字信號(hào)了。 使用傳感器類型：在設(shè)計(jì)中采用的是日本 NTS 公司的力測量傳感器 LRK— 5KN 進(jìn)行載荷測量工程中的測力傳感器。特點(diǎn)：小型，重量輕，操作簡單；高精度，高出力，信賴度高的傳感器；有兩端螺牙和單邊凸緣 2 種安裝方式；接受 OEM 生產(chǎn)，可降低成本。 1%（ 100N— 200N 為177。 1% 建議施加電壓 10V（ 100N— 200N 時(shí)為 5V） 非直線性 % 溫度補(bǔ)償范圍 10 70??℃ 重復(fù)性 % 放大器及其調(diào)理電路 在實(shí)際的單片機(jī)輸入通道中，傳感器的輸出信號(hào)時(shí)各種各樣的，由于 LRK 傳感器的輸出信號(hào)比較微弱，所以必須要進(jìn)行信號(hào)的調(diào)理和其他的輔助處理，才能滿足后面電路 (ADC)需要。 儀表放大器是一種閉環(huán)增益組件，也是一種特殊功能的運(yùn)算放大器，它具有差分輸入和單端輸出，高的阻抗，共模抑制比高。它具有較好的失調(diào)電壓，高的共模抑制比，一般可達(dá)到 80 100dB，而且價(jià)格便宜，使用方便 [2]。由固定的電阻 R，我們可以調(diào)整 Rx 來調(diào)整放大的增益值，其關(guān)系式為 : 0 1 22(1 )( )XRV V VR? ? ? () 需要注意的是避免每個(gè)放大器的飽和現(xiàn)象（放大 器最大輸出為其工作電壓）。 在設(shè)計(jì)中，由于所要求的增益是 100 到 1000 倍，因此可接一個(gè)電位器來調(diào)節(jié)輸出的電壓的放大倍數(shù)。下圖中的 OP07 是用來穩(wěn)定電壓的和調(diào)零作用的，以免產(chǎn)生零點(diǎn)漂移和溫度漂移，從而造成信號(hào)的不準(zhǔn)確，如圖22 所示： 福州大學(xué)本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 127 4 L S 0 40 .1 u F1 0 u F326478 51A D62 01 0 k2 0 k2 4 k326741 8O P 0 73 5 03 5 03 5 03 5 0電位器+1 2 V+ 1 2 V 圖 22 信號(hào)調(diào)理電路圖 詳細(xì)的電路圖可以參考附錄 2。這些信號(hào)與有用信號(hào)疊加在一起，可能會(huì)嚴(yán)重扭曲測量結(jié)果。 其中電和磁都可以通過電路和磁路對檢測系統(tǒng) 產(chǎn)生干擾作用。電磁干擾對于檢測系統(tǒng)來說是最為普遍和影響最嚴(yán)重的干擾 [5]。通過電源線，電網(wǎng)上的干擾可以傳入設(shè)備，干擾設(shè)備的正常工作。另外，調(diào)理電路中有時(shí)輸出的信號(hào)會(huì)有漂移，可以用 OP07 進(jìn)行調(diào)零，具體調(diào)零電路和去耦電路見附錄 2. A/D 轉(zhuǎn)換及其接口方法 A/D 轉(zhuǎn)換器的選取 (1)轉(zhuǎn)換時(shí)間的選擇 轉(zhuǎn)換速度是指完成一次 A/D 轉(zhuǎn)換所需時(shí)間的倒數(shù)，是一個(gè)很重要的指標(biāo)。通常， 8 位逐次比較式 ADC 的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 128us 左右。 (2)ADC 位數(shù)的選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定著信號(hào)采集的精度和分辨率。 用它可直接將 8個(gè)單端模擬信號(hào)輸入，分時(shí)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，在多點(diǎn)巡回監(jiān)測、過程控制等領(lǐng)域中使用非常廣泛 ,所以本設(shè)計(jì)中選用該芯片作為 A/D 轉(zhuǎn)換電路的核心。實(shí)際中采樣 保持是做成一個(gè)電路。還要把每個(gè)樣值脈沖轉(zhuǎn)換成與它幅值成正比的數(shù)字量。 ADC0809 內(nèi)部功能與引腳介紹 分辨率和精度在第一 部分 中已作了相應(yīng)的計(jì)算和分析。 8 路轉(zhuǎn)換開關(guān)能直接連通 8 個(gè)單端模擬信號(hào)中的任何一個(gè)。1LSB （最 低有效位） ? 轉(zhuǎn)換時(shí)間（ 500CLKf KHz? ） 128us ? 轉(zhuǎn)換精度： %? ? ADC0809 沒有內(nèi)部時(shí)鐘，必須由外部提供，其范圍為 10～ 1280kHz。 基于 LabVIEW 的材料測試系統(tǒng)設(shè)計(jì) —— 載荷測量 9 圖 24 ADC0809引腳圖 各引腳的功能如下： IN0～ IN7： 8 個(gè)通道的模擬量輸入端。 D0～ D7： 8位轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端。 A、 B、 C：通道選擇端。 ALE：地址鎖存信號(hào)輸入端。 START：啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入端。脈沖寬度應(yīng)不小于 100～ 200ns。啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)它自動(dòng)變?yōu)榈碗娖健? CLK：時(shí)鐘輸入端。 REF()、 REF(+)：參考電壓輸入端。 VCC、 GND：供電電源端。 當(dāng) ALE為高電平時(shí)，通道地址輸入到地址鎖存器中，下降沿將地址鎖存，并譯碼。在 START 下降沿后 10us 左右，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑?EOC 為低電平時(shí)，表示正在轉(zhuǎn)換，為高電平時(shí)，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。 ADC0809 芯片的轉(zhuǎn)換速度在最高時(shí)鐘頻率下為 100us 左右，速度低，故可以在和 CPU接口時(shí)要求采用查詢方式或中斷方式。采樣所得的模擬信號(hào)也在同一芯片中保存。 系統(tǒng)中 CPU對 A/D 轉(zhuǎn)換板的主要操作為：多通道選擇命令、啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換命令、判斷A/D 轉(zhuǎn)換是否完成、讀 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果。 選定通道后 ，模擬量即為通過采樣 /保持器 AD582 的 +LOGIC IN 端，使 AD582 處于采樣狀態(tài)，其保持電容器 CH上的電壓隨輸入的模擬信號(hào)的變化而變化，即處于跟隨狀態(tài)。 逐次比較寄存器和比較器是 ADC0809 的核心。在 START 信號(hào)下降沿的作用下，逐次逼近過程開始，在時(shí)鐘的控制下，一位一位地逼近。由于逐次逼近需要一定的過程，所以，在次期間內(nèi)，模擬輸入值應(yīng)維持不變，比較器要一次次進(jìn)行比較，直到轉(zhuǎn)換結(jié)束。 ADC0809 具有較高的轉(zhuǎn)換速度和精度，受溫度影響較小，能較長時(shí)間保證精度，重現(xiàn)性好，功能較低，且?guī)в?8路模擬開關(guān)，可以直接與微機(jī)系統(tǒng)相連，而不需要另加接口邏輯。所以用于過程控制是比較理想的器件 。此地址經(jīng)譯碼器選通 8 路模擬信號(hào)之一到比較器。直到 A/D 轉(zhuǎn)換完成，EOC 變?yōu)楦唠娖剑甘?A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器中。當(dāng) OE 輸入高電平時(shí)，打開三態(tài)輸出鎖存器，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上，完成模擬量到數(shù)字量的變化。為將這三位地址寫入通道地址鎖存器中，就要使 ADC0809 的 ALE 信號(hào)有效。因此 ADC0809 的 8 路通道地址可以確定為： 6000H 6007H（ 、 、 = 001）。因此只要 WR 非核 Y3 非都為0，反相器的輸出信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)高電平。因此啟動(dòng)上圖中的 ADC0809 的轉(zhuǎn)換只需執(zhí)行下面的幾條指令（以通道０為例）： MOV A, 00H MOV DPTR, 6000H MOV DPTR, A 第一條指令可以省略，也就是說 A 中可以為任意數(shù)，只要通過 MOVX 指令使 WR 為 0即可。 4） 提供有效的 OE信號(hào) 上圖中將 （ RD ）和 3— 8 譯碼器 74LS138 的輸出 3Y 相“或”后，在經(jīng)過反相接到 ADC0809 的 OE 引腳上的。 5） A/D 轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 A/D 轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量應(yīng)傳入到單片機(jī)中進(jìn)行處理。可采用以下三種方式： 定時(shí)傳送： 對于有的 A/D 轉(zhuǎn)換器來說，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的 .如ADC0809 芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 128us，相當(dāng)于 oscf =6MHZ 的單片機(jī)的 64 個(gè)機(jī)器周期。 查詢方式： A/D轉(zhuǎn)換芯片有表明轉(zhuǎn)換完成后的狀態(tài)信號(hào)，即 ADC0809 的 EOC 引腳為高電平。 中斷方式： 表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào) EOC 也可作為中斷請求，以中斷的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。 串行口通信 51 單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行口，所以單片機(jī)和 PC 之間可以方便地進(jìn)行串口通訊。 MAX232 簡介 它包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器，可以把輸入的 +5V 電壓變換位 RS232 輸出電平所需的 +10V 電壓。其應(yīng)用性更強(qiáng)。實(shí)際應(yīng)用中，器件對電源噪聲很敏感。電容 1C 、 2C 、 3C 、 4C 取同樣數(shù)值的電解電容，以提高抗干擾能力 。 RS232 接口標(biāo)準(zhǔn) RS232 是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，最初都是由電子工業(yè)協(xié)會(huì)（ EIA）制訂并發(fā)布的， RS232在 1962年發(fā)布，命名為 EIA232E，作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以保證不同廠家產(chǎn)品之間的兼容。為改 進(jìn) RS232 通信距離短、速率低的缺點(diǎn)， RS422 定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到 10Mb/s，傳輸距離延長到 4000 英尺（