材料是用來(lái)制造器件、構(gòu)件和其它可供使用物質(zhì)的總稱(chēng)，是人類(lèi)生產(chǎn)生活必須的物質(zhì)基礎(chǔ)。強(qiáng)度是材料的基本力學(xué)性質(zhì)之一，是結(jié)構(gòu)材料最為重要的性能指標(biāo)。強(qiáng)度是指材料在外力作用下抵抗破壞的能力，是材料破壞時(shí)所吸收的能量和其有效截面積的比值。材料承受不同的外力便有不同的強(qiáng)度，如抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等。
擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)實(shí)拍
材料對(duì)于沖擊荷載的抵抗能力稱(chēng)為抗沖擊強(qiáng)度或沖擊強(qiáng)度。根據(jù)沖擊荷載的方向不同，分為沖擊抗拉、沖擊抗壓和沖擊抗彎三類(lèi)。材料的沖擊強(qiáng)度使用沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)量。本文所論述的沖擊試驗(yàn)機(jī)為抗彎沖擊試驗(yàn)機(jī)。
1.擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的工作原理擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)主要由基座、機(jī)身、擺錘、夾具和顯示操作面板組成。其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1：擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖
擺動(dòng)軸擺錘S沖擊刀刃夾具（a）側(cè)視圖（b）正視圖擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)利用擺錘的圓周運(yùn)動(dòng)將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，并在擺錘運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)將試件沖斷。根據(jù)能量守恒原理，擺錘在沖斷試件前后所具有的能量的差值即為試件所吸收的能量（不計(jì)摩擦損失）。如能測(cè)量此差值即可得知試件吸收的能量，并進(jìn)而計(jì)算出試件的強(qiáng)度H。
2.擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的基本功能要求，該試驗(yàn)機(jī)的控制器主要由主控CPU、角度檢測(cè)模塊、鍵控顯示模塊、信息指示模塊、通信及打印模塊、存儲(chǔ)器擴(kuò)展模塊和電源模塊共7個(gè)部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
主控CPU為MCS-51兼容單片機(jī)，負(fù)責(zé)計(jì)算角度、檢測(cè)擺錘最高點(diǎn)、計(jì)算試件的吸收能量和試件強(qiáng)度、顯示控制、打印控制、通信控制、存儲(chǔ)和讀取數(shù)據(jù)等操作H.選用華邦（winbond）公司生產(chǎn)的W78E54C型單片機(jī)。該款單片機(jī)采用MCS-51架構(gòu)，完全兼容51指令集，其40管腳DIP封裝與8051管腳完全兼容0.角度檢測(cè)模塊由光電編碼器、555定時(shí)器、D基金項(xiàng)目：北京市教委科技發(fā)展計(jì)劃面上項(xiàng)目（KM200610009005）觸發(fā)器和邏輯門(mén)電路組成，負(fù)責(zé)將擺錘的擺動(dòng)信息轉(zhuǎn)換為脈沖序列送入單片機(jī)的計(jì)數(shù)器。角度檢測(cè)的設(shè)計(jì)思路是應(yīng)用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器功能，通過(guò)計(jì)數(shù)器對(duì)編碼器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，讀取計(jì)數(shù)器的值計(jì)算擺錘的擺動(dòng)角度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)角度的檢測(cè)。
鍵控顯示模塊由八段數(shù)碼管、按鍵和鍵盤(pán)顯示管理芯片組成，負(fù)責(zé)按鍵檢測(cè)和顯示數(shù)據(jù)。由于按鍵個(gè)數(shù)和數(shù)碼管個(gè)數(shù)都較多，所以不適合直接用單片機(jī)控制，應(yīng)使用專(zhuān)用的按鍵顯示控制芯片，以簡(jiǎn)化電路和程序。本系統(tǒng)使用CH451數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)和鍵盤(pán)控制專(zhuān)用芯片。CH451采用+5V供電，可以直接驅(qū)動(dòng)8位共陰數(shù)碼管，具有閃爍控制、字?jǐn)?shù)據(jù)左移、字?jǐn)?shù)據(jù)右移功能；支持8x8按鍵掃描，內(nèi)置按鍵消抖功能，按鍵中斷時(shí)低電平為有效輸出；4線(xiàn)高速串行輸出方便與單片機(jī)接口。
信息指示模塊由發(fā)光二極管和隔離芯片組成，負(fù)責(zé)指示電源和數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)的單位，所有指示燈均采用發(fā)光二極管。每個(gè)數(shù)據(jù)單位指示燈由一個(gè)單片機(jī)引腳控制。為減小單片機(jī)負(fù)載并將單片機(jī)和輸出電路隔離，所有數(shù)據(jù)單位指示燈均采用集電極開(kāi)路的與門(mén)驅(qū)動(dòng)。
通信及打印模塊采用RS~232串行口，負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信或向打印機(jī)發(fā)送打印數(shù)據(jù)。通過(guò)該接口，控制器接收上位機(jī)發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。也可以通過(guò)該接口向打印機(jī)發(fā)送打印數(shù)據(jù)。上位機(jī)通信是在試驗(yàn)機(jī)出廠(chǎng)時(shí)向EEP-ROM中寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)使用，而打印功能是在用戶(hù)試驗(yàn)時(shí)使用，所以打印機(jī)和上位機(jī)通信可以共用一個(gè)串行口。
存儲(chǔ)器模塊為非易失性可讀寫(xiě)存儲(chǔ)器，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)試驗(yàn)機(jī)參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。華邦W78E54C單片機(jī)內(nèi)部沒(méi)有在線(xiàn)可讀寫(xiě)非易失性存儲(chǔ)器，所以需要進(jìn)行外部擴(kuò)展，存儲(chǔ)器芯片選用兩片Atmel公司的EEPROM芯片AT24C16，它具有2KB的存儲(chǔ)容量，標(biāo)準(zhǔn)I2C總線(xiàn)接口，可擦寫(xiě)100萬(wàn)次，滿(mǎn)足使用要求。
電源模塊由變壓、整流和濾波等基本電路組成，負(fù)責(zé)整個(gè)控制器的供電。為方便用戶(hù)，使用市電供電。系統(tǒng)采用耀華德昌公司生產(chǎn)的PE41174型變壓器，電路板焊接式真空環(huán)氧灌裝，單端7.5V輸出，輸出功率5VA.使用整流橋?qū)⒔涣?. 5V整流后送7805穩(wěn)壓芯片，經(jīng)穩(wěn)壓后+ 5V輸出。為消除電源干擾，在電源正負(fù)極之間接去耦電容，并在每個(gè)芯片的電源和地之間并接0.1uF的去耦電容。
3.擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)控制器軟件設(shè)計(jì)
3.1開(kāi)發(fā)語(yǔ)言及開(kāi)發(fā)環(huán)境
本控制器功能較多，程序結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適宜用匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。且控制器對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，所以全部代碼均使用C語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)。相對(duì)于匯編語(yǔ)言，C51可靠性高，可移植性好，程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性好，開(kāi)發(fā)周期短，開(kāi)發(fā)成本相對(duì)較低。開(kāi)發(fā)環(huán)境使用KeilC51，KeilC51公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。它提供了豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具uVision3。
3.2設(shè)計(jì)思路
本控制器軟件最為關(guān)鍵的部分是擺錘最高點(diǎn)檢測(cè)，只有可靠檢測(cè)到最高點(diǎn)，其它功能才有意義。因?yàn)榻嵌葯z測(cè)是使用計(jì)數(shù)器完成的，所以最高點(diǎn)檢測(cè)只能在主程序中通過(guò)掃描計(jì)數(shù)器的值完成。為保證掃描速度，在做最高點(diǎn)檢測(cè)時(shí)應(yīng)先暫時(shí)關(guān)閉其它功能，包括按鍵、顯示和所有中斷。
在計(jì)算擺錘角度、試件吸收能量和試件強(qiáng)度時(shí)，要用到浮點(diǎn)數(shù)，而且要計(jì)算三角函數(shù)值。試驗(yàn)機(jī)對(duì)控制器的運(yùn)算速度要求不高，且RAM空間夠用，所以可以使用KeilC51提供的庫(kù)函數(shù)直接進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。
在主程序循環(huán)中，首先判斷是否正在試驗(yàn)（按下落錘鍵），如正在試驗(yàn)則只開(kāi)啟最高點(diǎn)檢測(cè)功能，其它所有功能和所有中斷均被關(guān)閉。試驗(yàn)結(jié)束后關(guān)閉最高點(diǎn)檢測(cè)，開(kāi)啟其它功能和所有中斷。這里的其它功能包括：處理上位機(jī)命令、打印、實(shí)時(shí)顯示擺錘角度和按鍵管理。在主程序中不刷新顯示，顯示只在需要（顯示數(shù)據(jù)變更）時(shí)刷新。主程序流程圖如圖3所示。
圖3：主程序流程圖
3.3角度測(cè)量
由于系統(tǒng)所用編碼器為增量式編碼器，所以在檢測(cè)角度前應(yīng)先設(shè)置位置。在位置將兩個(gè)計(jì)數(shù)器清零，在擺錘偏離位置時(shí)，兩計(jì)數(shù)器中的數(shù)值差即可表示擺錘的擺動(dòng)角度。每個(gè)脈沖代表的角度k為360算，該差值乘以k即為擺錘相對(duì)于位置的角度。在計(jì)算試件吸收能量和試件強(qiáng)度時(shí)，角度值不區(qū)分正負(fù)，一律取絕對(duì)值。
3.4最高點(diǎn)檢測(cè)
將兩計(jì)數(shù)器的差值表示為有符號(hào)整型數(shù)d則d的符號(hào)表示了擺錘相對(duì)于點(diǎn)的位置，的變化則表示了擺錘的運(yùn)動(dòng)方向。
設(shè)擺錘已擺至最高點(diǎn)，程序已檢測(cè)到d第1次減小并記錄了d'，并且在其后的n次之內(nèi)出現(xiàn)了干擾，T計(jì)數(shù)增加，d變大，此時(shí)程序不丟棄所記錄的d'，而是比較本次檢測(cè)的d值和已記錄的d'的大小，將二者中大的作為新的d'，并重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。如此，雖然重新開(kāi)始檢測(cè)最高點(diǎn)，但不會(huì)錯(cuò)記最高點(diǎn)的d值，不會(huì)出現(xiàn)誤判。
在檢測(cè)到最高點(diǎn)后，需要保存擺錘在最高點(diǎn)的角度值，以備計(jì)算時(shí)使用。本試驗(yàn)機(jī)一次最多允許做15個(gè)試樣，所以需要記錄15個(gè)數(shù)據(jù)。角度值是浮點(diǎn)型變量，占用4B的空間。最高點(diǎn)檢測(cè)程序流程圖如圖4所示。
圖4：最高點(diǎn)檢測(cè)程序流程圖
3.5通信程序設(shè)計(jì)
根據(jù)用戶(hù)需要，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以上傳至上位計(jì)算機(jī)，以打印正式試驗(yàn)報(bào)告，或存入數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、管理。
通信控制程序負(fù)責(zé)接收、執(zhí)行上位機(jī)命令。
所有上位機(jī)命令均占1B，但有的命令帶有操作數(shù)，有的沒(méi)有操作數(shù)。
通信控制程序接收到上位機(jī)發(fā)送的命令后，首先對(duì)命令進(jìn)行分析，如果不帶操作數(shù)，則執(zhí)行命令，如果帶有操作數(shù)，則將操作數(shù)長(zhǎng)度寫(xiě)入操作數(shù)接收計(jì)數(shù)器，并等待數(shù)據(jù)接受完成，待數(shù)據(jù)接收完成后執(zhí)行命令。
通信控制程序流程圖如圖5所示。
圖5：串口中斷服務(wù)流程圖
4.總結(jié)
經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，控制器實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的預(yù)定功能。能夠自動(dòng)落錘，試驗(yàn)后自動(dòng)計(jì)算、顯示試件吸收的能量；通過(guò)按鍵查詢(xún)擺錘升角、試件吸收能量和試件強(qiáng)度；進(jìn)行錯(cuò)誤提示；正確顯示試驗(yàn)結(jié)果并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存；正確打印試驗(yàn)結(jié)果；正常與上位機(jī)通信，運(yùn)行穩(wěn)定、性能良好。
來(lái)源：天氏庫(kù)力 發(fā)布日期
2018-12-22 瀏覽：