螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺改進(jìn)設(shè)計(jì)說明書[帶圖紙]

1、<p>　　螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺改進(jìn)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　螺栓聯(lián)接是機(jī)械設(shè)計(jì)課程中重要的教學(xué)章節(jié)，是機(jī)械零部件聯(lián)接中最常用的聯(lián)接方法。我校現(xiàn)有螺栓聯(lián)接綜合實(shí)驗(yàn)臺由于誤差大，均起不到驗(yàn)證理論的作用。為此，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對我校現(xiàn)有的螺栓聯(lián)接試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)給出改進(jìn)設(shè)計(jì)方案.該方案實(shí)施后，增加了螺栓聯(lián)接實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，完善了整個(gè)實(shí)驗(yàn)

2、過程，在提高試驗(yàn)臺的效率和能力方面取得了明顯的效果。該實(shí)驗(yàn)臺具有加載穩(wěn)定準(zhǔn)確、改變螺栓和被聯(lián)接件剛度可靠、操作方便、性能穩(wěn)定、精度高的特點(diǎn)。還介紹了螺栓連接實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)組成及測試原理，測試系統(tǒng)的組成及各部分作用;進(jìn)行了機(jī)械裝置零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算;設(shè)計(jì)了測試系統(tǒng)的硬件電路，包括應(yīng)變儀的采樣電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、鍵盤電路、顯示電路等;分析了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能，數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇型ㄓ嵲?、波特率、發(fā)送與接收、電平轉(zhuǎn)換等內(nèi)容;討論了鍵盤防抖

3、原理和數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及非編碼鍵盤的控制方式、中斷查詢等問題;論文還對軟件的實(shí)現(xiàn)和元器件的選擇等做了詳細(xì)的論述。</p><p>　　在本文中，還詳細(xì)闡述虛擬式應(yīng)變測試系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)和軟硬件在螺栓聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺上的應(yīng)用，并以Visual C++軟件為開發(fā)平臺，運(yùn)用面向?qū)ο螅∣OP）的軟件設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建出了圖形逼真、功能強(qiáng)大的虛擬式應(yīng)變測試儀系統(tǒng)。該應(yīng)變測試系統(tǒng)的軟件由主控制模塊、初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、圖

4、形顯示模塊、存儲打印模塊和輔助功能模塊七部分組成，實(shí)現(xiàn)了對應(yīng)變信號進(jìn)行采集、處理、分析和顯示。系統(tǒng)可對與應(yīng)變測量有關(guān)的多類型參量進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，將信息的采集和處理一體化，數(shù)據(jù)和結(jié)果實(shí)現(xiàn)可視化，其價(jià)格比傳統(tǒng)應(yīng)變測量儀器低廉，大大提高了工作效率。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：螺栓,聯(lián)接,試驗(yàn)臺,改進(jìn)</p><p>　　Bolt connection experimental design i

5、mprovement</p><p>　　ABSTRACT </p><p>　　Bolt connection is important in mechanical design course teaching section, is the most commonly used mechanical components in the connection of the conn

6、ection method. Our existing comprehensive test-bed bolt connection error, because both theoretical role play. Therefore, the combination of experimental teaching, our existing bolt-joint test design scheme is improved st

7、ructure. The plan implementation, increase the bolt-joint experiment content, experiment process, perfect the test in improving </p><p>　　In this paper, also tells the virtual strain test system of logical s

8、tructure and software and hardware in the experimental stage bolt connection with Visual c + +, and the application of software development platform for using object-oriented (OOP) software design method, and construct a

9、 graphical lifelike, powerful virtual strain tester system. This strain of software testing system by the master control module, initialization module, the data acquisition module, data processing module, the gr</p>

10、;<p>　　Key words: bolts, Connection, Test-beds, improved</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　中文摘要I</b></p><p><b>　　英文摘要II</b></p><

11、;p>　　第1章 緒 論1</p><p>　　1.1螺栓組聯(lián)接試驗(yàn)臺的應(yīng)用背景1</p><p>　　1.2螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及其性能特點(diǎn)1</p><p>　　1.2.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2</p><p>　　1.2.2 性能特點(diǎn)2</p><p>　　1.3 本課題的意義與研究內(nèi)容2</

12、p><p>　　第2章螺栓聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.1螺栓聯(lián)結(jié)部分3</p><p>　　2.1.1 螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.1.2螺栓組聯(lián)接的受力分析3</p><p>　　2.1.3螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算7</p><p>　　2.1.4 確定螺栓直

13、徑13</p><p>　　2.1.5校核螺栓所受的預(yù)緊力15</p><p>　　2.2 加載裝置部分17</p><p>　　2.3測試儀器部分17</p><p>　　2.3.1電阻應(yīng)變片的測試17</p><p>　　2.3.2電橋18</p><p>　　2.3.3壓力傳感

14、器19</p><p>　　2.4 本章小結(jié)20</p><p>　　第3章 螺栓測量裝置的設(shè)計(jì)21</p><p>　　3.1 測量裝置的需求分析21</p><p>　　3.2 測量裝置的總體方案確定21</p><p>　　3.3 測量裝置的硬件實(shí)現(xiàn)22</p><p>　　3

15、.3.1采樣電路22</p><p>　　3.3.2采樣電路30</p><p>　　3.3.3 串行通信37</p><p>　　3.4 測量裝置的軟件實(shí)現(xiàn)42</p><p>　　3.4.1流程控制44</p><p>　　3.4.2傳感器校正44</p><p>　　3.4.3

16、數(shù)據(jù)管理45</p><p>　　3.4.4 數(shù)據(jù)評價(jià)46</p><p>　　3.4.5 用戶接口程序47</p><p>　　3.5 本章小結(jié)47</p><p>　　第4章 虛擬圖像顯示儀的設(shè)計(jì)48</p><p><b>　　4.1 引言48</b></p>&l

17、t;p>　　4.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)48</p><p>　　4.2.1系統(tǒng)的組成49</p><p>　　4.2.2系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)49</p><p>　　4.2.3系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺的選擇50</p><p>　　4.3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)51</p><p>　　4.3.1電阻應(yīng)變片的選擇51<

18、;/p><p>　　4.3.2 應(yīng)變放大器的選用52</p><p>　　4.3.3 數(shù)據(jù)采集卡的選用55</p><p>　　4.4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)原則55</p><p>　　4.5系統(tǒng)軟件開發(fā)流程55</p><p>　　4.5.1儀器功能定制56</p><p>　　4.5.2功能

19、模塊開發(fā)56</p><p>　　4.5.3儀器集成測試57</p><p>　　4.6軟件功能總體設(shè)計(jì)57</p><p>　　4.7 主控制模塊58</p><p>　　4.8 初始畫模塊59</p><p>　　4.8.1 測試對象參數(shù)設(shè)置59</p><p>　　4.8.2

20、傳感器、放大器的參數(shù)設(shè)置59</p><p>　　4.9 數(shù)據(jù)采集模塊59</p><p>　　4.9.1采樣界面操作59</p><p>　　4.9.2采樣方程的類型60</p><p>　　4.9.3本系統(tǒng)的采樣程序62</p><p>　　4.10 數(shù)據(jù)處理模塊62</p><p&

21、gt;　　4.10.1數(shù)據(jù)處理概述62</p><p>　　4.10.2數(shù)字濾波63</p><p>　　4.10.3標(biāo)度變換65</p><p>　　4.10.4數(shù)據(jù)二次處理66</p><p>　　4.11 圖形顯示模塊67</p><p>　　4.12 存儲模塊69</p><p&

22、gt;　　4.13 本章小結(jié)70</p><p><b>　　致謝71</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)72</b></p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　1.1 螺栓組聯(lián)接試驗(yàn)臺的應(yīng)用背景</p><p

23、>　　我國高等工程教育改革的一項(xiàng)重要任務(wù)是在培養(yǎng)學(xué)生具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)的同時(shí)，加強(qiáng)對學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)．實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)質(zhì)量的優(yōu)劣不僅對本課程有影響，而且對學(xué)生的實(shí)踐能力的培養(yǎng)也會(huì)起到潛移默化的作用,而實(shí)驗(yàn)課程的指導(dǎo)思想和教學(xué)內(nèi)容的制定，實(shí)驗(yàn)方法和手段的采用又不可避免地要受到實(shí)驗(yàn)裝置的制約和影響．為造就面向2I世紀(jì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的優(yōu)秀人才，實(shí)驗(yàn)課程的改革已迫在眉睫．因此必須在實(shí)驗(yàn)中引入現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和

24、先進(jìn)電子技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生掌握先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法和檢測技術(shù)．</p><p>　　螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺裝置是用于工科院校“機(jī)械設(shè)計(jì)”、“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程教學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置大多是在靜態(tài)軸向工作載荷情況下,電測螺栓與被聯(lián)接件之間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系,而無法反映動(dòng)態(tài)軸向工作載荷作用下螺栓與被聯(lián)接件之間的變形協(xié)調(diào)、位移、應(yīng)力關(guān)系。學(xué)生只能憑借書本及課堂理論予以理解,滿足不了現(xiàn)代教學(xué)的需要。而且傳統(tǒng)的“螺栓組聯(lián)接中螺栓的受力和

25、相對剛度系數(shù)”實(shí)驗(yàn)及“單個(gè)緊螺栓聯(lián)接中螺栓的相對剛度系數(shù)和動(dòng)載荷特性實(shí)驗(yàn)”在我校普遍采用的南京金陵機(jī)械廠生產(chǎn)的DLS-I 型螺栓實(shí)驗(yàn)臺。通過動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀來測量應(yīng)變量，再由學(xué)生手工處理數(shù)據(jù)并繪制螺栓受力圖的。這種測量方式手段陳舊、儀器精度難以滿足要求。另外，數(shù)據(jù)處理手段的落后，使實(shí)驗(yàn)不僅耗時(shí)，而且難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也難以提高實(shí)驗(yàn)的水平和深度。因此，在這種情況下必須對原有的實(shí)驗(yàn)臺裝置進(jìn)行改進(jìn)，才能夠滿足現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)要求，加深學(xué)生對機(jī)

26、械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識的理解。經(jīng)過改進(jìn)后該實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡單,性能穩(wěn)定。由于用兩種測試方法,即計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和靜動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀測量,所以該裝置使用時(shí)靈活性好,測試手段新穎,測量精度高,便于學(xué)生掌握。該裝置臺式化設(shè)計(jì),積體小,成本</p><p>　　1.2 螺栓組聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及其性能特點(diǎn)</p><p>　　1.2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容</p><p>　　本試驗(yàn)裝置可完成下

27、述試驗(yàn)項(xiàng)目, 并給出定性或定量結(jié)果</p><p>　?。?）完成不同初拉力的聯(lián)接件和被聯(lián)接件的受力變形規(guī)律研究</p><p>　?。?）實(shí)現(xiàn)螺栓組應(yīng)力分布規(guī)律研究</p><p>　?。?）對初壓力的螺栓動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行參數(shù)可視化分析</p><p>　?。?）測定螺栓聯(lián)接系統(tǒng)的相對剛度</p><p>　　（5）

28、了解和部分掌握電阻應(yīng)變片技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)在力測量中的應(yīng)用。從而驗(yàn)證螺栓組聯(lián)接受力分析理論和現(xiàn)代測量技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。</p><p>　　1.2.2 性能特點(diǎn)</p><p>　?。?）可完成螺栓組在受傾覆靜態(tài)力矩作用下的受力—變形規(guī)律的分析</p><p>　?。?）可對螺栓受力—變形規(guī)律進(jìn)行分析</p><p>　?。?）實(shí)現(xiàn)了加載

29、與檢測的數(shù)字化分析</p><p>　?。?）利用軟件平臺實(shí)現(xiàn)了機(jī)械參數(shù)的可視化分析</p><p>　　1.3 本課題的意義與研究內(nèi)容</p><p>　　該實(shí)驗(yàn)裝置的研制對教學(xué)實(shí)驗(yàn)的改造、開展計(jì)算機(jī)輔助測試的研究工作具有很重要的意義。特別是為機(jī)械基礎(chǔ)系列課程中實(shí)驗(yàn)教學(xué)從傳統(tǒng)的驗(yàn)證型、演示性實(shí)驗(yàn)向綜合性、研究型轉(zhuǎn)變的改革打下良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，也為培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問

30、題、解決問題的能力，培養(yǎng)動(dòng)手能力、科學(xué)研究能力、創(chuàng)新能力發(fā)揮了積極的作用。另外，也提高了實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的科研能力。 </p><p>　　本文主要的研究內(nèi)容:</p><p>　　(1)螺栓軸向力矩的測試方法及原理;</p><p>　　(2)機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算;</p><p>　　(3)測量裝置采樣電路、人機(jī)接口、數(shù)據(jù)傳輸?shù)扔布膶?shí)

31、現(xiàn);</p><p>　　(4)數(shù)據(jù)管理、評價(jià)、流程控制等軟件的實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　(5)虛擬應(yīng)變圖像顯示界面的設(shè)計(jì)</p><p>　　第二章 螺栓聯(lián)接實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　螺栓聯(lián)接綜合實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)主要由：螺栓聯(lián)接部分、加載裝置部分、測試儀器部分等三部分組成。該實(shí)驗(yàn)臺具有加載穩(wěn)定準(zhǔn)確、改變螺栓和被聯(lián)接件剛度可靠、

32、操作方便、性能穩(wěn)定、精度高的特點(diǎn)。</p><p><b>　　2.1螺栓聯(lián)接部分</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)步驟：</b></p><p><b>　　1)螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　2)螺栓受力分析</b><

33、/p><p>　　3)螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算</p><p><b>　　4)確定螺栓直徑</b></p><p>　　5)校核螺栓所需的預(yù)緊力是否合適</p><p>　　確定螺栓的公稱直徑后，螺栓的類型，長度，精度以及相應(yīng)的螺母，墊圈等結(jié)構(gòu)尺寸，可根據(jù)底板的厚度，螺栓在托架上的固定方法及防松裝置等全面考慮后定出。</p

34、><p>　　2.1.1螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　螺栓組聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的，在于合理地確定聯(lián)接接合面的幾何形狀和螺栓的布置形式，力求各螺栓和聯(lián)接接合面間受力均勻，便于加工和裝配。為此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮以下幾方面的問題：</p><p>　?。╝）聯(lián)接接合面的幾何形狀通常都設(shè)計(jì)成軸對稱的簡單幾何形狀，如圓形，環(huán)形，矩形，框形，三角形等。這樣不但便于加工

35、制造，而且便于對稱布置螺栓，使螺栓組的對稱中心和聯(lián)接接合面的形心重合，從而保證接合面受力比較均勻。</p><p>　?。╞）螺栓的布置應(yīng)使各螺栓的受力合理，當(dāng)螺栓聯(lián)接承受彎矩或轉(zhuǎn)矩時(shí)，應(yīng)使螺栓的位置適當(dāng)靠近聯(lián)接接合面的邊緣，以減小螺栓的受力。如果同時(shí)承受軸向載荷和較大的橫向載荷時(shí)，應(yīng)采用銷，套筒，鍵等抗剪零件來承受橫向載荷，以減小螺栓的預(yù)緊力及其結(jié)構(gòu)尺寸。</p><p>　?。╟）螺栓

36、排列應(yīng)有合理的間距，邊距。布置螺栓時(shí)，各螺栓軸線間以及螺栓軸線和機(jī)體壁間的最小距離，應(yīng)根據(jù)扳手所需活動(dòng)空間的大小來決定。</p><p>　?。╠）分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目，應(yīng)取成4，6，8，10等偶數(shù)，以便在圓周上鉆孔時(shí)分度和畫線。同一螺栓組中螺栓的材料，直徑和長度均應(yīng)相同。</p><p>　?。╡）避免螺栓承受附加的彎曲載荷。除了要在結(jié)構(gòu)上設(shè)法保證載荷不偏心外，還應(yīng)在工藝上保證被聯(lián)

37、接件，螺母和螺栓頭部的支承面平整，并與螺栓軸線相垂直。</p><p>　　2.1.2螺栓組聯(lián)接的受力分析</p><p>　?。╝）受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接</p><p>　　圖2-1所示為一由2個(gè)螺栓組成的受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接。橫向載荷的作用線與螺栓軸線垂直，并通過螺栓組的對稱中心。當(dāng)采用螺栓桿與孔壁間留有間隙的普通螺栓聯(lián)接時(shí)，靠聯(lián)接預(yù)緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦

38、力來抵抗橫向載荷，假設(shè)在橫向總載荷F∑=1500的作用下，各螺栓所承擔(dān)的工作載荷是均等的。</p><p>　　圖2-1 受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　式中z為螺栓聯(lián)接數(shù)目（本設(shè)計(jì)Z=10）</p><p>　　對于普通螺栓聯(lián)接，應(yīng)保證聯(lián)接預(yù)緊后，接合面間所產(chǎn)

39、生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷。假設(shè)各螺栓所需要的預(yù)緊力均為Qp，螺栓數(shù)目為z，則其平衡條件為 </p><p><b>　　(2-2)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　f——接合面間的摩擦系數(shù)，見下表2-1；</p><p>　　i——接合面數(shù)（圖中，

40、i=2）；</p><p>　　Ks——防滑系數(shù)，Ks=1.1～1.3.</p><p>　　所以螺栓所受到的預(yù)緊力為：</p><p><b>　　表 2-1</b></p><p>　　(b)軸向載荷 FΣ的螺栓組聯(lián)接</p><p>　　FΣ與螺栓軸線平行，且過螺栓組聯(lián)接形心O。計(jì)算時(shí)，認(rèn)為

41、各螺栓平均受載。則每個(gè)螺栓所受軸向工作載荷為</p><p>　　(c)受轉(zhuǎn)矩的螺栓組聯(lián)接</p><p>　　如下圖2-2所示，轉(zhuǎn)矩T作用在聯(lián)接接合面內(nèi)，在轉(zhuǎn)拒T的作用下，底板將繞通過螺栓組對稱中心O并與接合面相垂直的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。為了防止底板轉(zhuǎn)動(dòng)，可以采用普通螺栓聯(lián)接，也可以采用鉸制孔用螺栓聯(lián)接。其傳力方式和受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接相同。 </p><p>　　(a)

42、 (b)</p><p><b>　　(c)</b></p><p><b>　　圖2-2</b></p><p>　　采用普通螺栓聯(lián)接時(shí)，靠聯(lián)接預(yù)緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力矩來抵抗轉(zhuǎn)矩T。假設(shè)各螺栓的預(yù)緊程度相同，即各螺栓的預(yù)緊力均為Qp，則各螺栓聯(lián)接處產(chǎn)生的摩

43、擦力均相等，并假設(shè)此摩擦力集中作用在螺栓中心處。</p><p>　　由上式可得各螺栓所需的預(yù)緊力為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中：f—接合面的摩擦系數(shù)，見表2-1；</p><p>　　ri—第i個(gè)螺栓的軸線到螺栓組對稱中心O的距離；</p><p>

44、;<b>　　z—螺栓數(shù)目；</b></p><p>　　Ks—防滑系數(shù)，Ks=1.1～1.3.</p><p>　　采用配合螺栓聯(lián)接時(shí)，在轉(zhuǎn)矩T的作用下，各螺栓受到剪切和擠壓作用，各螺栓所受的橫向工作剪力和各該螺栓軸線到螺栓組對稱中心O的連線（即力臂r。）相垂直（圖b）。為了求得各螺栓的工作剪力的大小，計(jì)算時(shí)假定底板為剛體，受載后接合面仍保持為平面。則各螺栓的剪切變

45、形量與各該螺栓軸線到螺栓組對稱中心O的距離成正比。即距螺栓組對稱中心O越遠(yuǎn)，螺栓的剪切變形量越大。如果各螺栓的剪切剛度相同，則螺栓的剪切變形量越大時(shí)，其所受的工作剪力也越大。如圖b所示，用ri、rmax分別表示第i個(gè)螺栓和受力最大螺栓的軸線到螺栓組對稱中心O的距離；Fi、Fmax。分別表示第i個(gè)螺栓和受力最大螺栓的工作剪力，則得</p><p><b>　　(2-4）</b></p&g

46、t;<p>　　根據(jù)作用在底板上的力矩平衡的條件得</p><p>　　即 （2-5）</p><p>　　聯(lián)解式（2-3）及（2-4），可求得受力最大的螺栓的工作剪力為 ：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　2.1.3

47、螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算</p><p>　　(a) 承受預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接</p><p>　　圖2-3 承受預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接</p><p>　　緊螺栓聯(lián)接裝配時(shí)，螺母需要擰緊，在擰緊力矩作用下，螺栓除受預(yù)緊力的拉伸而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力外，還受螺紋摩擦力矩T的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，使螺栓處于拉伸和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下。因此，進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)綜合考慮拉伸應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的

48、作用。</p><p>　　螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸應(yīng)力為： </p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　所以 </p><p>　　螺栓危險(xiǎn)截面的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為：</p><p><b>　　(2-8)</b>&l

49、t;/p><p>　　對于M10~M68的鋼制螺栓，可取</p><p>　　由于螺栓材料是塑性的，可根據(jù)第四強(qiáng)度理論，求出螺栓預(yù)緊狀態(tài)下的計(jì)算應(yīng)力為：</p><p><b>　　=227.03N</b></p><p>　　由此可見，對于M10~M68普通螺紋的鋼制緊螺栓聯(lián)接，在擰緊時(shí)雖同時(shí)承受拉伸和扭轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用，但在

50、計(jì)算時(shí)，可只按拉伸強(qiáng)度計(jì)算，并將所受的拉力（預(yù)緊力）增大30%來考慮扭轉(zhuǎn)的影響。</p><p>　　當(dāng)普通螺栓聯(lián)接承受橫向載荷時(shí)，由于預(yù)緊力的作用，將在接合面間產(chǎn)生摩擦力來抵抗工作載荷。這時(shí)，螺栓僅承受預(yù)緊力的作用，而且，預(yù)緊力不受工作載荷的影響，在承受工作載荷后仍保持不變。預(yù)緊力的大小，根據(jù)接合面不產(chǎn)生相對滑移的條件確定。</p><p>　　螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸強(qiáng)度條件式為：</

51、p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　這種靠摩擦力抵抗工作載荷的緊螺栓聯(lián)接，要求保持較大的預(yù)緊力，結(jié)果必然使螺栓的結(jié)構(gòu)尺寸增加。此外，在振動(dòng)、沖擊或變載荷下，由于摩擦系數(shù)的變動(dòng)，將使聯(lián)接的可靠性降低，有可能出現(xiàn)松脫。為避免上述缺陷，可用各種減載零件來承擔(dān)橫向工作載荷，螺栓聯(lián)接只保證聯(lián)接，不再承受工作載荷，因此預(yù)緊力不必很大。</p>

52、<p>　　(b) 承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接</p><p>　　這種緊螺栓聯(lián)接承受軸向拉伸載荷后，由于螺栓和被聯(lián)接件的彈性變形，螺栓所受的總拉力并不等于預(yù)緊力和工作拉力之和。根據(jù)理論分析，螺栓的總拉力除和預(yù)緊力、工作拉力F有關(guān)外，還受到螺栓剛度C和被聯(lián)接件剛度C等因素影響</p><p>　　圖2-4承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接</p><p&

53、gt;<b>　　圖2-5</b></p><p>　　為保證聯(lián)接的緊密性，防止聯(lián)接受載后接合面間產(chǎn)生縫隙，，有緊密性要求的聯(lián)接，F(xiàn)1 =（1.5~1.8）F；一般聯(lián)接，工作載荷穩(wěn)定時(shí)， F1 =（0.2~0.6）F；工作載荷不穩(wěn)定時(shí)， F1=（0.6~1.0）F ；地腳螺栓，F(xiàn)1≥F。</p><p>　　螺栓的總拉力為： </p><p>

54、;<b>　　式中：</b></p><p>　　----螺栓相對剛度，其大小與螺栓和被聯(lián)接件的結(jié)構(gòu)尺寸、材料及墊片、工作載荷的作用位置等因素有關(guān)。其值在0~1之間變化。</p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)聯(lián)接的受載情況→求出螺栓的工作拉力F→再根據(jù)聯(lián)接的工作要求選取F1→計(jì)算螺栓的總拉力F2→進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。螺栓危險(xiǎn)截面的拉伸強(qiáng)度條件為：</p><

55、p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　表2-2 螺栓的相對剛度Cb/(Cb+Cm)</p><p>　　(c) 受軸向變工作拉力的緊螺栓聯(lián)接</p><p>　　除按上式作靜強(qiáng)度計(jì)算外，還需對螺栓的疲勞強(qiáng)度作精確校核。當(dāng)工作拉力在0~F之間變化時(shí)，螺栓總拉力將在F0~F2之間變化。</p><p&

56、gt;<b>　　圖2-6</b></p><p>　　如果不考慮螺紋摩擦力矩的扭轉(zhuǎn)作用，則螺栓危險(xiǎn)截面的最大拉應(yīng)力為：</p><p><b>　　最小拉應(yīng)力為： </b></p><p><b>　　應(yīng)力幅為： </b></p><p>　　螺栓的最大應(yīng)力計(jì)算安全系數(shù)為：

57、 </p><p>　　式中：σ-1tc—螺栓材料的對稱循環(huán)拉壓疲勞極限，MPa。</p><p>　　ψσ—試件的材料特性，對碳鋼，ψσ=0.1~0.2，對合金鋼，ψσ=0.2~0.3。</p><p>　　Kσ—拉壓疲勞強(qiáng)度綜合影響系數(shù)，忽略加工方法的影響，則，Kσ=kσ/ε。</p><p>　　S—安全系數(shù)。見表2-3</p&g

58、t;<p>　　表2-3 螺紋聯(lián)接的安全系數(shù) S</p><p>　　(d) 承受工作剪力的緊螺栓聯(lián)接,見圖2-7</p><p>　　螺栓桿與孔壁的擠壓強(qiáng)度條件為 </p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　螺栓桿的剪切強(qiáng)度條件為</p><p><

59、;b>　?。?-12）</b></p><p>　　式中：F —螺栓所受的工作剪力/N；</p><p>　　do—螺栓剪切面的直徑（可取為螺栓孔的直徑）/mm；</p><p>　　Lmin—螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度/mm，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使Lmin1.25d0； </p><p>　　[σ]p—螺栓或孔壁材料的許用擠壓應(yīng)力/

60、MPa ； </p><p>　　[τ]—螺栓材料的許用切應(yīng)力/MPa .</p><p>　　圖2-7 承受工作剪力的緊螺栓聯(lián)接</p><p>　　2.1.4確定螺栓直徑</p><p>　　首先選擇螺栓材料，確定其性能等級，查出其材料的屈服極限，并查出安全系數(shù)，計(jì)算出螺栓材料的許用應(yīng)力[σ]= σs/S。適合制造螺栓聯(lián)接件的材料品種很

61、多，常用材料有低碳鋼Q215、10號鋼和中碳鋼Q235、35、45號鋼。對于承受沖擊、振動(dòng)或變載荷的螺紋聯(lián)接件，可采用低合金鋼、合金鋼，如15Cr、40Cr、30CrMnsi等。對于特殊用途（如防銹蝕、防磁、導(dǎo)電或耐高溫等）的螺紋聯(lián)接件，可采用特種鋼或銅合金、鋁合金等。根據(jù)表2-6選擇螺栓的性能等級</p><p>　　表2-6 螺栓的性能等級</p><p>　　表2-7 螺母的性能等

62、級</p><p>　　因?yàn)槌扇?</p><p>　　所以當(dāng)采用4.8級螺栓時(shí)，其直徑為： </p><p>　　2.1.5校核螺栓所需的預(yù)緊力</p><p><b>　　采用公式為：</b></p><p><b>　　碳素鋼螺栓 </b></p&g

63、t;<p><b>　　合金鋼螺栓 </b></p><p>　　式中：—螺栓材料的屈服極限</p><p>　　A1—螺栓危險(xiǎn)截面的面積</p><p>　　對一般聯(lián)接用的鋼制螺栓聯(lián)接的預(yù)緊力QP，擰緊力矩T=T1+T2，由圖2-8可知</p><p><b>　　圖2-8</b>

64、</p><p>　　對一定直徑的螺栓，當(dāng)F0已知時(shí)，可由上式求出T</p><p>　　由圖2-9可知，假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)扳手L=15d，擰緊力F，T=FL</p><p><b>　　，成人</b></p><p><b>　　所以對于</b></p><p><b>　

65、　圖2-9</b></p><p>　　2.2 加載裝置部分</p><p>　　加載裝置主要有加載手柄、加載絲桿、推力軸承等組成，主要作用是給螺栓提供一個(gè)軸向壓力P,由M=PL求出聯(lián)接受到的翻轉(zhuǎn)力矩，其中P為作用在傳感器上的載荷。其主要結(jié)構(gòu)如圖2-10所示</p><p><b>　　圖2-10</b></p>&l

66、t;p>　　2.3 測試儀器部分</p><p>　　測試儀器部分主要由電阻應(yīng)變片、電橋盒、壓力傳感器組成。 應(yīng)用應(yīng)變測量技術(shù)，測量構(gòu)件表面的應(yīng)變及應(yīng)力，對于分析與研究零件、機(jī)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的受力情況及工作狀態(tài)的可靠性程度，驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的正確性，對于發(fā)展機(jī)械設(shè)計(jì)理論，研究機(jī)械工程中某些物理現(xiàn)象的機(jī)理及實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)行自動(dòng)化，都具有十分重要的意義。應(yīng)變測量作為一種有效的測試與轉(zhuǎn)換技術(shù)，還可以用于多種物理量的檢測與計(jì)

67、量，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程或科學(xué)實(shí)驗(yàn)的測量與控制。</p><p>　　2.3.1 電阻應(yīng)變片的測試</p><p>　　用應(yīng)變片測量螺栓受力應(yīng)變時(shí)，將應(yīng)變片粘貼于各個(gè)螺栓表面上，并焊接上引線。在外力作用下，螺栓表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形時(shí)，應(yīng)變片也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化。通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓或電流的變化，根據(jù)式</p><p>　　其中稱金屬電阻的靈敏系數(shù)，=2.

68、</p><p>　　可以得到被測對象的應(yīng)變值，而根據(jù)引力應(yīng)變關(guān)系：</p><p>　　式中：—測試的應(yīng)力；</p><p><b>　　E—材料彈性模量。</b></p><p>　　可以測得應(yīng)力值。通過彈性敏感元件，、力、力矩、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，因此可以用應(yīng)變片測量上述各量，從而可做成各種應(yīng)變式傳感器。<

69、;/p><p><b>　　2.3.2電橋</b></p><p>　　電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化變成電壓或電流輸出的一種測量電路，其輸出既可用指示儀表直接測量，也可以送入放大器進(jìn)行放大。橋式測量電路簡單，并具有較高精確度盒靈敏度，因此在測量裝置中廣泛應(yīng)用。電橋電路如圖2-11所示</p><p><b>　　圖2-11 <

70、;/b></p><p>　　測量電路有多種，最常用的是橋式測量電路。R1、R2、R3、R4四個(gè)電阻依次接在A、B、C、D （或1、2、3、4）之間，構(gòu)成電橋的四橋臂。電橋的對角AC接電源，電源電壓為E；對角BD 為電橋的輸出端，其輸出電壓用UDB表示。電橋的組合方式如表2-8所示</p><p>　　表2-8 電橋的組合</p><p>　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要由表

71、2-8選擇相應(yīng)的電橋組合方式，并通過電橋盒把相應(yīng)的應(yīng)變輸入到所設(shè)置的電阻應(yīng)變儀中。</p><p>　　2.3.2 壓力傳感器</p><p>　　設(shè)計(jì)綜合測試試驗(yàn)臺，通過測量加載絲桿所承受的軸向壓力信號，測出作用在壓力傳感器上的載荷Q，通過M=QL計(jì)算出聯(lián)接受到的翻轉(zhuǎn)力矩M ，并作出是否合格的判斷。此過程測量力大，測試規(guī)格范圍廣， 試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，測量精度高，測量快速方便，勞動(dòng)強(qiáng)度低 。&

72、lt;/p><p>　　根據(jù)GB/1231-2002的規(guī)定，螺栓測試時(shí)的預(yù)拉力，M12螺栓為119~178Nk，擬選用杭州永正電子有限公司生產(chǎn)的電阻應(yīng)變式Y(jié)Z363YSO型壓式負(fù)荷傳感器，見圖2-12，測量范圍0~490Nk ，技術(shù)參數(shù)見表2-8。</p><p>　　圖2-12 壓力傳感器</p><p>　　表2-8壓式負(fù)荷傳感器技術(shù)數(shù)據(jù)</p>&l

73、t;p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要進(jìn)行機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對工作臺的組成部件，螺栓聯(lián)接的受力、強(qiáng)度進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，對電阻應(yīng)變片的安裝、工作原理進(jìn)行了說明，并對壓力傳感器的選擇做了簡單分析。</p><p>　　第三章 螺栓測量裝置的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 測量裝置的需求分析</p&

74、gt;<p>　　對于螺栓測量裝置的用戶與制造商來說，一般有三方面的需求:功能需求、造價(jià)需求和其他需求。首先，裝置的功能應(yīng)當(dāng)滿足力矩系數(shù)計(jì)算和傳感器參數(shù)調(diào)整這些基本需要，同時(shí)，還應(yīng)該有便于管理環(huán)境的數(shù)據(jù)上傳功能、方便快捷的人機(jī)交互等。其次，裝置的造價(jià)是需要考慮的另一個(gè)問題。</p><p>　　3.2 測量裝置的總體方案確定</p><p>　　測量裝置部分和機(jī)械部分一起構(gòu)成

75、了螺栓扭矩測量系統(tǒng)?；谏线厡τ跍y量裝置的需求的分析，可以得出裝置的總體框架如圖3-1所示:</p><p>　　圖3-l測量裝置總體框圖</p><p>　　圖3-1左半部分主要是測量系統(tǒng)的信號輸入部分:主要包括傳感器與數(shù)據(jù)采集器。傳感器有一個(gè):壓力傳感器檢測加載裝置的壓力;電阻應(yīng)變片檢測螺栓加載后產(chǎn)生變形后的應(yīng)變。它們的輸出信號經(jīng)過接口電路的放大調(diào)整后，達(dá)到與參考電壓相匹配的狀態(tài)，然后

76、接入數(shù)據(jù)采集器。</p><p>　　圖3-1中間部分的處理器和數(shù)據(jù)存儲器構(gòu)成了整個(gè)測量系統(tǒng)的運(yùn)算處理單元。</p><p>　　圖3-1右邊部分主要是測量系統(tǒng)的人機(jī)接口和數(shù)據(jù)接口。人機(jī)接口包括鍵盤與顯示單元。數(shù)據(jù)接口設(shè)定為串行通訊口，用于將數(shù)據(jù)備份到其他設(shè)備?？v觀上圖，測量裝置方案設(shè)計(jì)的核心是傳感器與處理器的選擇。這兩者確定下來以后，其他的都是細(xì)節(jié)問題。因?yàn)閷τ趥鞲衅鳎紫?，只有選擇了某

77、種類型的傳感器，才能考慮和數(shù)據(jù)采集器接口的問題。傳感器的接口電路很多人都討論過，是比較成熟的東西。而傳感器的選擇方案比較多，可以用貼片的方式，也可以用壓-壓傳感器的組合方式或者壓-扭傳感器的組合方式;其次，傳感器還與機(jī)械部分相連，需要考慮機(jī)械連接部分的造價(jià)和裝配等問題;最后，要考慮傳感器精度及精度損失的問題。所以，傳感器的選擇對最終方案有決定性的影響。對于處理器，與傳感器一樣也存在一個(gè)接口問題，同時(shí)選擇不同的處理器對于測量裝置功能的強(qiáng)弱

78、有很大影響，還影響到軟件設(shè)計(jì)開發(fā)的效率，以及日后升級換代的代價(jià)。因此，處理器與傳感器的選擇是首先和重點(diǎn)要考慮的問題。壓力傳感器的選擇已在第二章中討論過了，因此，這里只介紹處理器的選擇。</p><p>　　處理器方案有兩個(gè):32位的ARM7系列和8位的MCS51系列。目前，嵌入式處理器市場，32位ARM產(chǎn)品隨著日漸增長的高性能新應(yīng)用，包括信息家電、汽車電子、電子玩具市場則促進(jìn)32位ARM產(chǎn)品需求的增長。32位的A

79、RM系列MCU可以滿足更寬的尋址范圍需求的增長，提供在時(shí)鐘速度方面更多原始CPU能力、以及嵌入式應(yīng)用需要的網(wǎng)絡(luò)連接、USB通信接口等;且32位的ARM7系列MCU可以更好地對TROS進(jìn)行支持，滿足迅速開發(fā)軟件的需求。再加上生產(chǎn)工藝的進(jìn)步使得32位產(chǎn)品在整體成本上與16位產(chǎn)品相差無幾。因此32位產(chǎn)品在MCU市場上呈持續(xù)上升的發(fā)展勢頭。8位MCU主要功能是作控制，大部分應(yīng)用在通信產(chǎn)品、PC外圍設(shè)備、消費(fèi)類電子以及一般通用型產(chǎn)品之中。8位產(chǎn)品

80、具有低廉的生產(chǎn)成本、巨大的整體出貨量、簡潔的程序代碼等優(yōu)勢，因此設(shè)計(jì)人員在綜合考慮成本、效能、設(shè)計(jì)時(shí)效等因素之后大部分愿意選擇8位微控制器產(chǎn)品。在市場上8位微控制器應(yīng)用依然占據(jù)微處理器市場近六成以上的市場份額，并且還在不斷增長之中。要求低成本和小尺寸器件的嵌入式應(yīng)用是使8位MCU仍然是應(yīng)用主流的主要因素。出于在滿足基本功能的基礎(chǔ)上盡量節(jié)省成本的考慮</p><p>　　3.3測量裝置的硬件實(shí)現(xiàn)</p>

81、<p>　　測量裝置的硬件電路主要有四部分構(gòu)成:采樣電路、人機(jī)接口電路、串行通訊和其他控制電路。</p><p><b>　　3.3.1采樣電路</b></p><p><b>　　1)概述</b></p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與普及，數(shù)字設(shè)備正越來越多地取代模擬設(shè)備，在生產(chǎn)過程控制和科學(xué)研究等廣

82、泛的領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)測控技術(shù)正發(fā)揮著越來超重要的作用。然而，外部世界的大部分信息是以連續(xù)變化的物理量形式出現(xiàn)的，例如溫度、壓力、位移、速度等。要將這些信息送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，就必須先將這些連續(xù)的物理量離散化，并進(jìn)行量化編碼，從而變成數(shù)字量，這個(gè)過程就是數(shù)據(jù)采集。</p><p>　　數(shù)據(jù)采樣就是將被測對象(外部世界、現(xiàn)場)的各種參量(可以是物理量，也可以是化學(xué)量、生物量等)通過各種傳感元件做適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號調(diào)理

83、、采集、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E，最后送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或存儲記錄的過程。用于數(shù)據(jù)采樣的成套設(shè)備稱為數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)(DataAqcuisitionSysetm)。數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)與外部世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。數(shù)據(jù)采樣技術(shù)是信息科學(xué)的重要組成部分，已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采樣技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)追求的最主要目標(biāo)有兩個(gè):一是精度，二是速度。對任何目的測試都要有一

84、定的精確度要求，否則將失去測試的意義;提高數(shù)據(jù)采樣的速度不僅僅是提高了工作效率，更主要的是擴(kuò)大數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的適用范圍，便于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測試。</p><p><b>　　2)基本組成</b></p><p>　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，硬件部分又可分為模擬部分和數(shù)字部分。圖4-2是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件基本組成示意圖。 傳感器的作用是把非電的物理量轉(zhuǎn)變成模擬電量(如

85、電壓、電流或頻率)。通常把傳感器輸出到AD/轉(zhuǎn)換器輸出的這一段信號通道稱為模擬通道。</p><p>　　放大器用來放大和緩沖輸入信號。由于傳感器輸出的信號較小，因此，需要以放大。以滿足大多數(shù)AD/轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入4~10v的要求。</p><p>　　圖3-2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成</p><p>　　在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，往往要對多個(gè)物理量進(jìn)行采集，即所謂多路巡回檢測，

86、這可通過多路模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。模擬開關(guān)之后是模擬通道的轉(zhuǎn)換部分,它包括采樣/保持和A/D轉(zhuǎn)換電路。采樣/保持電路的作用是快速拾取模擬多路開關(guān)輸出的子樣脈沖，并保持幅值恒定，以提高A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，如果把采樣/保持電路放在模擬多路開關(guān)之前(每道一個(gè))。還可實(shí)現(xiàn)對瞬時(shí)信號進(jìn)行同時(shí)采樣。采樣/保持器輸出的信號送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是模擬輸入通道的關(guān)鍵電路。由于輸入信號變化速度不同，系統(tǒng)對分辨力、精度、轉(zhuǎn)換速率及成本的要求也不同。目前普

87、遍采用單片集成電路，有的單片A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部還包含有采樣/保持電路、基準(zhǔn)電源和接口電路。這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了較大方便。本設(shè)計(jì)采用的TLC2543采集芯片即是此種類型。A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果要送給計(jì)算機(jī)。有的則采用并行碼輸出，有的則采用串行碼輸出。使用串行輸出結(jié)果的方式對長距離傳輸和需要光電隔離的場合較為有利。并且能夠節(jié)省單片機(jī)系統(tǒng)的資源。</p><p><b>　　3)性能指標(biāo)</b></p

88、><p>　　對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能要求和具體應(yīng)用目的與應(yīng)用環(huán)境有密切關(guān)系，對應(yīng)不同的情況往往有不同的要求。以下給出的是比較主要和常用的幾個(gè)指標(biāo)的含義。</p><p>　?、傧到y(tǒng)分辨率:是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號最小變化量。通常用最低有效位值(ILSB)占系統(tǒng)滿度信號的百分比表示。表3-l示出了滿度值為10v時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率。</p><p>　　表3-l

89、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率</p><p>　　②系統(tǒng)精度:是指當(dāng)系統(tǒng)工作在額定采集速率下，每個(gè)離散子樣的轉(zhuǎn)換精度。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度是系統(tǒng)精度的極限值。通常表示為滿度值的百分?jǐn)?shù)。</p><p>　　③采集速率:又稱為系統(tǒng)通過速率、吞吐率等，是指在滿足系統(tǒng)精度指標(biāo)的前提下，系統(tǒng)對輸入模擬信號在單位時(shí)間內(nèi)所完成的采集次數(shù)，或者說是系統(tǒng)每個(gè)通道、每秒鐘可采集的子樣數(shù)目。它表征了系統(tǒng)每采集一個(gè)有效數(shù)據(jù)

90、所需的時(shí)間。</p><p>　　④動(dòng)態(tài)范圍:是指某個(gè)物理量的變化范圍。信號的動(dòng)態(tài)范圍是指信號的最大幅值和最小幅值之比的分貝數(shù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍通常定義為所允許輸入的最大幅值VmaX與最小幅值Vmin之比的分貝數(shù)，即</p><p>　?、莘蔷€性失真:也稱諧波失真。當(dāng)給系統(tǒng)輸人一個(gè)頻率為f的正弦波時(shí)，其輸出中出現(xiàn)很多頻率為kf(k為正整數(shù))的新的頻率分量的現(xiàn)象，稱為非線性失真。諧波失

91、真系數(shù)用來衡量系統(tǒng)產(chǎn)生非線性失真的程度，它通常用下式表示:</p><p><b>　　式中A一基波振幅</b></p><p>　　AK一第K次諧波的振幅。</p><p>　　4)數(shù)據(jù)采集器TLC2543</p><p>　　TLC2543是12位開關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。每個(gè)器件有三個(gè)片選(瓦)，輸入/輸出時(shí)鐘(

92、1/0CLOCK)以及地址輸入端(DATA可以通過一個(gè)串行的3態(tài)輸出端(DATAOUT)與主處理器或其外圍的輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。本器件可以從主機(jī)高速傳輸數(shù)據(jù)。除了高速的轉(zhuǎn)換器和通用的控制能力外，TLC2543有一個(gè)片內(nèi)的器可以在n個(gè)輸入通道或3個(gè)內(nèi)部自測試電壓中任采樣一保持是自動(dòng)。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，“轉(zhuǎn)換結(jié)束”(EOC)輸出端變高成。本器件中的轉(zhuǎn)換器結(jié)合外部輸入的差分高阻抗的基準(zhǔn)電壓，具有轉(zhuǎn)換、刻度以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點(diǎn)。 &

93、lt;/p><p><b>　　TLC2543特點(diǎn)</b></p><p>　　TLC2543模塊使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成AD/轉(zhuǎn)換過程。樣速率66KsPs，供電電流僅需lmA。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省機(jī)I/O資源，且價(jià)格適中，大約為40元左右。其特點(diǎn)有:</p><p>　　12位分辨率A/D轉(zhuǎn)換器</p><p>

94、;<b>　　n個(gè)模擬輸入通道</b></p><p><b>　　3路內(nèi)置自測試方式</b></p><p><b>　　固有的采樣與保持</b></p><p>　　線性誤差I(lǐng)LSBMxa</p><p><b>　　片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘</b></p&

95、gt;<p>　　轉(zhuǎn)換結(jié)束(End一of一Conversion，EOC)輸出</p><p><b>　　單極性或雙極性輸出</b></p><p>　　可編程的MBS或LBS前導(dǎo)</p><p>　　可編程的輸出數(shù)據(jù)長度</p><p><b>　　采用CMOS技術(shù)</b></

96、p><p>　　TLC2543C的工作溫度為O℃-75℃;TLC2543I的工作溫度為40℃-85℃;TLC254M3的工作溫度為55℃-125℃。</p><p>　　表3-2TLC2543的引腳說明</p><p>　?、赥LC2543的引腳排列及說明</p><p>　　TLC2543有兩種封裝形式:DB、DW或N封裝以及NF封裝，這兩種封

97、裝的引腳</p><p>　　排列如圖3-3，引腳說明見表3-2。</p><p>　　圖3-3 TLc2543的兩種封裝引腳排列</p><p><b>　　③接口時(shí)序 </b></p><p>　　可以用四種傳輸方法使TLC2543得到全12位分辯率，每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞可以使用12或16個(gè)時(shí)鐘周期。一個(gè)片選(瓦)

98、脈沖要插到每次轉(zhuǎn)換的開始處，或是在轉(zhuǎn)換時(shí)序的開始處變化一次后保持瓦為低，直到時(shí)序結(jié)束。</p><p>　　圖3-4顯示每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞使用16個(gè)時(shí)鐘周期和在每次傳遞周期之間插入?yún)柕臅r(shí)序，圖3-5顯示每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞使用16個(gè)時(shí)鐘周期，僅在每次換序列開始處插入一次時(shí)序。</p><p>　　圖3-4 16時(shí)鐘傳送時(shí)序圖(使用，MSB在前)</p><p>　　圖

99、3-5 16時(shí)鐘傳送時(shí)序圖(不使用，MBS在前)</p><p><b>　?、艽型庠O(shè)接口SP</b></p><p>　　在TLC2543與微處理器之間傳送數(shù)據(jù)最快地方式是串行外設(shè)接口(SP)I。TMS37O(德州儀器公司)，HS/300(日立公司)，和MC68HCll(摩托羅拉)等系列微處理器的某些芯片都提供SPI接口。其主要特性:串行數(shù)據(jù)同時(shí)輸出和輸入;同步工

100、作;提供頻率可編程的串行時(shí)鐘;數(shù)據(jù)傳送結(jié)束標(biāo)志。其主要功能如下:SPIDAT(SPI移位寄存器)裝入要發(fā)送數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)。這樣對這個(gè)字節(jié)的傳送自動(dòng)初始化。在這個(gè)數(shù)據(jù)傳送時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)在另一個(gè)SPIDAT被接受。PSINTFLAG定時(shí)被檢查。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)的最后一位被接受到，SPINTFLAG被置1。這表示接收的數(shù)據(jù)字節(jié)可以從串行輸入緩沖器(SPIBUF)讀取，</p><p>　　SPIDAT準(zhǔn)備接收下一個(gè)傳送來的字

101、節(jié)。</p><p><b>　　5)采樣電路</b></p><p>　　在C52系列微處理器中都不帶SPI或相同的接口能力。為了和TLC2543模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，需要用軟件合成SP的操作。這樣數(shù)據(jù)傳送速率下降，受微處理器的時(shí)鐘頻率影響。因此盡可能要選擇高的微處理器頻率，以減少指令周期時(shí)間，優(yōu)化接口的數(shù)據(jù)傳送速率。</p><p>　　圖3-6

102、顯示了TLC2543和AT89C52微處理器接口電路。TLC2543的I/O時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入、片選CS由并行雙向I/0口1的管腳Pl.O、PI.1、Pl.2、Pl.3提供。TLC2543的轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)通過Pl.2腳接收。通道選擇和數(shù)據(jù)輸出方式通過編程來選擇。</p><p>　　圖3-6 AT89C52與TLC2543連接圖</p><p><b>　　6)采樣程序</b&g

103、t;</p><p>　　TLC2543的通道選擇和方式數(shù)據(jù)為8位，其功能為:D7、D6、D5和D4用來選擇要求轉(zhuǎn)換的通道，D7D6DSD4=0000時(shí)選擇O通道，D7D6DSD4=0001時(shí)選擇1通道，依次類推;D3和D2用來選擇輸出數(shù)據(jù)長度，本程序選擇輸出數(shù)據(jù)長度為12位，即D3DZ=00或D3DZ=10;Dl，DO選擇輸入數(shù)據(jù)的導(dǎo)前位，DIDO=00選擇高位導(dǎo)前。在本數(shù)據(jù)采集器中，才有中斷方式定時(shí)采集，即每

104、1Oms采集一次。利用TO定時(shí)/計(jì)數(shù)器產(chǎn)生定時(shí)。其中斷服務(wù)程序?yàn)?</p><p>　　TCL2543： CLK EQU P1.1</p><p>　　DIN EQU Pl.2</p><p>　　DOUT EQU P1.3</p><p>　　CS EQU Pl.4</p><p>

105、　　MOV DPH， 36H ；定義數(shù)據(jù)存儲高位地址</p><p>　　MOV DPL， 35H ；定義數(shù)據(jù)存儲低位地址</p><p>　　CLR CLK ；清I/0時(shí)鐘</p><p>　　SETB CS ；片選為高 </p><p>　　

106、CLR CS ；片選為低</p><p>　　MOV R7，#OSH ；先讀高8位</p><p>　　MOVA，37H ；通道選擇及數(shù)據(jù)輸出方式入A</p><p>　　LOOPI: MOVC，DOUT ；數(shù)據(jù)輸出到C</p><p&

107、gt;　　RLCA A ；A寄存器的內(nèi)容左移</p><p>　　MOV DIN，C ；輸出方式/通道字節(jié)</p><p>　　SETB CLK ；設(shè)置I/O時(shí)鐘為高</p><p>　　CLR CLK ；設(shè)置I/O時(shí)鐘為低</p><

108、;p>　　DJNZ R7，LOOPI ；R7不為0則返回LOOP1</p><p>　　MOVX @DPTR，A ；采集數(shù)據(jù)存儲到指定RAM區(qū)</p><p>　　INC DPTR ；RAM區(qū)地址加1</p><p>　　MOV A，#OOH ；清累加器</p>

109、<p>　　MOV R7，#O4H ；再低4位</p><p>　　LOOPZ: MOVC，DOUT ；讀轉(zhuǎn)換結(jié)果</p><p>　　RLC A ；A寄存器左移，移入結(jié)果數(shù)據(jù)位</p><p>　　STEB CLK ；設(shè)置I/0時(shí)鐘為高&

110、lt;/p><p>　　CLR CLK ；清I/O時(shí)鐘</p><p>　　DJNZR7，LOOP2 ；R7不為O，則返回LOOP2</p><p>　　MOVX @DTPR，A ；采集數(shù)據(jù)存儲到指定RAM區(qū)</p><p>　　SETB CS ；設(shè)置

111、片選為高</p><p>　　INC DPTR ；RAM區(qū)地址加一</p><p>　　MOV 36H，DPH ；RAM區(qū)地址入緩沖區(qū)</p><p>　　MOV 35H，DPL</p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　除

112、需要以TLC2543為核心的采集電路外，還必須有電源、控制、鍵盤及顯示電路。下面就其他部分電路進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　3.3.2人機(jī)接口</b></p><p><b>　　1)鍵盤電路</b></p><p><b>　?、俑攀?lt;/b></p><p>　

113、　隨著單片機(jī)在各種智能儀表、工業(yè)過程自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，在某些應(yīng)用場合往往需要對單片機(jī)控制的工藝過程進(jìn)行參數(shù)的修正或設(shè)置，人為對單片機(jī)的工作進(jìn)行干預(yù)，此時(shí)作為人與單片機(jī)之間進(jìn)行對話的接口設(shè)備的鍵盤則成為不可缺少的一部分。鍵盤可分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤。前者是用軟件來識別和產(chǎn)生代碼，后者則用硬件來識別。而目前，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，大多數(shù)鍵盤是根據(jù)不同的應(yīng)用要求分別定做的。根據(jù)硬件的組成，其工作方式可分為外部中斷鍵盤、矩陣掃描鍵盤

114、，或者采用專用鍵盤接口以及使用標(biāo)準(zhǔn)鍵盤。單片機(jī)與一般矩陣鍵盤的接口方法有兩種:一是通過8155或8255接口芯片來進(jìn)行擴(kuò)展;二是用8279可編程鍵盤/顯示器芯片實(shí)現(xiàn)接口。另外還有一種是采用外部中斷實(shí)現(xiàn)鍵盤接口，該種方式特別適合少量功能鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)電路采用此種方式實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　②單片機(jī)對非編碼鍵盤的控制方式</p><p>　　鍵盤處理程序的關(guān)鍵是如何識別鍵碼。而在單片機(jī)

115、應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了節(jié)省硬件，通常采用非編碼鍵盤。在這種鍵盤結(jié)構(gòu)中，單片機(jī)對鍵盤控制的辦法是“掃描”。根據(jù)單片機(jī)進(jìn)行掃描的方法又可分為程控掃描法、定時(shí)掃描法和中斷掃描法。</p><p>　　程序控制掃描方式:這種方式就是只有單片機(jī)空閑的時(shí)候，調(diào)用鍵盤掃描子程序，響應(yīng)鍵盤的輸入請求。</p><p>　　定時(shí)掃描方式:定時(shí)掃描方式就是CPU每隔一定時(shí)間(通常為10ms)對鍵盤掃描一次。&l

116、t;/p><p>　　當(dāng)發(fā)現(xiàn)有鍵按下時(shí)，便進(jìn)行讀入鍵盤操作，求出鍵值，并分別進(jìn)行處理。定時(shí)時(shí)間間隔由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器來完成，這樣可以減少計(jì)算機(jī)掃描鍵盤的時(shí)間。采用該方式時(shí)，必須在其初始化程序中，對定時(shí)器寫入相應(yīng)的命令，使之能定時(shí)產(chǎn)生中斷，以完成定時(shí)掃描的任務(wù)。</p><p><b>　　中斷掃描方式</b></p><p>　　無論是程控掃

117、描法還是定時(shí)掃描法，均占用單片機(jī)CUP的大量時(shí)間。因?yàn)椴还苡袥]有鍵入操作，CUP總要在一定的時(shí)間進(jìn)行掃描，這對于單片機(jī)控制系統(tǒng)和智能化儀器都是很不利的。為了更進(jìn)一步節(jié)省CUP的時(shí)間，可采用中斷掃描法。該方法的實(shí)質(zhì)是:當(dāng)沒有鍵入操作時(shí)，CUP不對鍵盤進(jìn)行掃描，以節(jié)省出大量的時(shí)間對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理。一旦鍵盤輸入，則向CUP申請中斷。CUP響應(yīng)中斷后，即轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，對鍵盤進(jìn)行掃描，以便判別鍵值，并作相應(yīng)的處理。</p&