51单片机拉力采集系统设计(3)
1.1 拉力试验机简介
拉力试验机是通过拉伸试验达到检测材料(金属材料、非金属材料)、零部件、构件等的强度、刚度、弹性、韧性、延展性的基础试验装置。同时具有自动计算各参数，自动统计结果，自动记录最大点、断裂点、指定点的力值或伸长量的功能。它广泛应用于质量检测、计量测试及实验研究，应用领域涉及机械、冶金、建筑、航空、航天、军工、交通、运输、质检、计量、教育、医疗、科研等各行各业，成为了工农业生产、生活及国防建设不可或缺的重要基础性试验测试设备。[3]
1.2测力系统国内外发展概况
2 拉力采集系统的设计原理
2.1设计的原理概述
如图2.1所示，此系统设计主要由力值传感器、前置放大器、A/D转换器、89C51单片机、MX232通讯接口电路、PC机构成。设计方案中以89C51单片机作为主控元件，通过PC机，进行测量的控制和数据的采集。原理如下：
试样经过力值传感器作用,主要采用惠斯通（Wheatstone）电阻电桥结构应变设计,通过电阻应变效应，实现力值的第一步模拟转换。采用AD620仪用放大器构成前置放大器，对应变片传感器输出的毫伏级信号通过放大、滤波等环节进行调理，减小输出电信号微弱、噪声、失调、增益误差的影响。再经A/D转换器实现模拟量到数字量的测量变换。最后经过89C51单片机系统控制，串口通讯电路进行数据接收，实现数据采集的功能。
此外，为了使系统各部分运行安全、准确、可靠，所以在设计过程中按照一定的步骤进行调试试验。通过不断改变环境尝试软件运行效果，不断修正参数达到最佳状态。
图2.1测力系统设计方案原理框图
2.2系统软件设计流程
单片机控制软件流程
按下按键，单片机上电后首先完成系统初始化，然后等待上位PC机指令，收到指令后按照指令开始记录转换结果，并将转化结果按照事先设定好的数据量求和后上传给上位PC机，由8位数码管显示数值；且当数据值超过设置的一定力值时，LED灯开始闪烁进行报警提示。PC发送停止指令后关闭按键完成测试过程，软件流程图如图2.2所示。
图2.2 单片机软件控制流程图
3 硬件设计
3.1 力值传感器设计
3.1.1 电阻应变片设计原理
拉力试验的测量原理是基于力—变形（F-△L）和应变（σ-ξ）实现的，目前，力值测量传感器主要是由采用惠斯通（Wheatstone）电阻电桥结构应变设计构成，其内部主要是由金属电阻应变片构成的，是利用吸附在基体材料上的应变电阻随机械形成形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应，实现力值的第一步模拟转换。
由于金属导体的电阻值可用式（3.1）表示：
R=ρL/S (式3.1)
式中： ρ---金属导体的电阻率（Ω.cm2/m）
S----导体的截面积（cm2）
L----导体的长度（m）
当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可以容易得出，其电阻即会发生改变。假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减小，电阻值便会增大。只要测出电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况，进而获得相应的力值变化。