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新型摩擦磨损试验机测试系统开发 向东湖,唐群国 (华中科技大学,湖北武汉430074) The Implement of Test System for New Type Friction and Wear Tester XIANGDong hu,TANG Qun guo ( Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074 ,China) 摘要:介绍了一种新型水润滑端面摩擦磨损试验机的计算机辅助测试系统,该系统主要以传感器、A T89C51 单片机和计算机组成。对硬件结构、软件设计和数字滤波做了重点阐述。 关键词:单片机;测试系统;摩擦磨损试验机 中图分类号: TP274 文献标识码:B 文章编号:1001 2257 (2005) 02 0074 02 收稿日期:2004 10 27 Abstract :This paper int roduces t he implement of test system composed of sensor s ,A T89C51 sin2 gle chip microcomp uter and comp uter for a new type of water lubrication f riction and wear tester . The design of hardware and sof tware are emp ha2 sized. Key words : sngle chip microcomp uter ; test system ;fiction and wear tester 0 引言 摩擦磨损试验在摩擦学的研究中是很重要的,了解摩擦磨损过程中摩擦系数变化特征对于分析和评价摩擦磨损特性很有意义,因此,出于对水润滑条件下材料摩擦磨损特性研究的需要,开发了一台水润滑摩擦磨损试验机,并就其测试系统做出论述。 1 系统结构原理 系统的结构原理如图1 所示。三相异步电动机通过主轴带动上试样旋转,同时通过变频器调速系统来控制电机的转速。上下试样之间的压力通过对液压系统进行加载来实现,压力的大小通过负荷传感器进行测量。摩擦力矩的测定是由上、下试样间 图1 试验机工作原理 的摩擦力传递至下主轴产生回转力矩,通过固定在下主轴的力矩拉绳,直接作用在一个测力传感器上来测定的。给水盒的进水口通水后试样就工作在水 润滑条件下。当然,这种结构也可以用于其它介质条件和干摩擦条件。 2 测试电路硬件设计 2. 1 设计技术要求 a. 1 路压力,1 路摩擦力信号输入。 b. 对采集到的数据保存并进行处理,显示2 路 测量参数和参数关系曲线。 c. 工作稳定,抗干扰性能强,测试精度高。 2. 2 电路设计 电气测量原理如图2 所示。根据总体设计要 图2 电气测量原理框图 求,选用A TMEL 公司生产的A T89C51 单片机,并以其为核心设计硬件和软件。2 路传感器信号通过模拟多路转换开关CD4051 ,经采样保持器L F398采样保持后进入AD574 芯片进行转换,转换后的数据存储在数据存储器中。CD4051 是一种8 路输入通道,1 路输出的集成芯片,由P1 口的低3 位选择通道轮流切换2路传感器与A/ D 转换器的通道。D574 是12 位的逐次比较式A/ D 转换芯片, 可在25μs 内完成一次转换,并将数据锁存在其输出锁存器中,取- 5～ + 5 V 双极性输入, 单片机执行外部数据存储器写指令时,WR 为0 ,使得CE 为1 ,CS 为0 ,R/ C 为0 ,A0 为0 ,启动AD574 ,12/ 8 直接接地,使输出结果格式采用高8 位、低4 位,2 次读取的方法。STS 引脚与外部中断0 引脚P3. 2 相连, 单片机通过P3. 2 线查询STS 脚状态,当STS为0 时,表明转换结束。采用查询方式读取转换结果。A T89C51 有4 kB 的E2 PROM 和256 B 的RAM ,因此扩展1 片数据存储器(6264) ,6264 是8kB ×8 位的随机数据存储器,寻址范围8 kB ,地址范围8000H～FFFFH ,采集到的数据存入此数据存储器。将单片机串行口与PC 机的RS232 接口连接可以实现串行通信,并用1 片MAX232 来转换电平[1 ] 。 3 软件系统 系统以单片机和PC 机为测试系统核心。单片机主程序主要完成复位,包括存储区的初始化、标志位清零等,子程序包括A/ D 转换、数据处理、数据存储和线性补偿等程序,下位机程序用汇编语言编写。PC 机程序主要完成串口通讯、标度变换、数字滤波和图形处理等,上位机程序用VC 编写。下面重点介绍一下通讯程序设计。该系统中通信协议采用常用的“9600 ,8 ,N ,1”协议,即波特率为9 600 bit/ s ,无校验,每次数据是8 位,停止位为1 位。 3. 1 串行通讯下位机程序 单片机的系统晶振频率为11. 059 2 MHz ,选用定时器T1 作为波特率发生器,并让其工作于方式2 。另外设置PCON 的SMOD 位为1 。设T1 的初 始值为N ,即TH1 = TL 1 = N 。为了使波特率为9 600 bit/ s ,经计算可知N = FA H。单片机每次采集的数据放入累加器A ,然后立刻将其发送出去。 单片机发送程序如下。 START : MOV PCON , # 80H ;SMOD = 1 MOV TMOD , # 20H ;定时器T1 工作于方 式2 MOV TH1 , # 0FA H MOV TL1 , # 0FA H SETB EA ;开CPU 中断 SETB ET1 ;开T1 中断 SETB TR1 ;启动定时器1 CLR TI ;清TI SETB ES ;开串行口中断 MOV SCON , # 40H ;设定串行口工作方式1 MOV SBUF ,A ;发送数据 WAIT :JBC TI ,WAIT ;等待发送完毕 CLR TI ;清TI 3. 2 串行通讯上位机程序 PC 机的接收程序是基于Visual C + + 编写的,通过其自带的MSComm 控件实现与单片机的串行通信[2 ] 。MSComm 控件提供了2 种处理通信的方法,即事件驱动方式和查询方式。事件驱动方式利用该控件的OnComm 事件捕获并处理串口通信事件,实时性强,为此可采用这种方式。在程序中建立一个MSComm 类对象,如m_comm. ,在串行通讯前对串口进行初始化。 m_comm. SetCommPort (1) ; / / 设置端口为 COM1 m_Comm. Set Set tings ("9600 ,n ,8 ,1" ) ; / / 数 据帧格式 m_Comm. Set Inp utMode (1) ; / / 设置缓冲区 大小 m_Comm. Set Inp utMode (1) ; / / 二进制方式 m_ Comm. SetRThreshold ( 1) ; / / 引发On2 Comm 事件 在程序中利用MSComm 控件的方法Get Inp ut() 函数从串口缓冲区读取数据,但是由于Get Inp ut函数所返回的数据类型为VARIAN T 型,所以使用相应的处理函数将其转化为B YTE 类型后再对所读取的数据进行其它处理。 3. 3 数字滤波 对于采集到数据,由于各种噪声干扰的存在,使得系统采集到的数据有一定的波动,数据偏离其真实值。系统除了在硬件上采用了一定的抗干扰技术,还有必要采用数字滤波技术进一步处理数据,以消除试验机工作过程中的高频干扰信号和周期性脉动信号。 由于强电磁干扰引起的大幅度扰动和偶然出现的跳码干扰,用程序判断滤波方法剔除非正常数据的采入。即 当| Pi - Pi - 1 | ≤C,取Pi ; 当| Pi - Pi - 1 | C,取Pi - 1 ; 式中 Pi , Pi - 1 当前和前一次的采样值C 规定的采样偏差绝对值 对于试验机工作过程中周期性脉动带来的影响,采用滑动算术平均值滤波方法可以平滑加工信号,剔除信号中出现的周期性震荡干扰。其实现方法为: Yn = 1 N ∑ n- i i = 0 Yn - i 式中 Yn 第K 次采样N 项平均值 Yn - i 往前滑动第i 次的采样值 N 平均项数 4 结束语 本试验机的开发为水润滑等条件下对材料开展大量摩擦磨损性能的研究奠定了基础,很好地实现了信号采集、数据处理及曲线绘制,具有采样精度高、数据处理快等优点,使试验精度和试验效率大大提高。 参考文献: [1 ] 刘艳玲. 用MAX232 实现MCS 51 单片机与PC 机的 通信[J ] . 天津理工学院学报,1999 ,15 (2) :32 - 34. [2 ] 李现勇. Visual C + + 串口通信技术与工程实践[M] . 北京:人民邮电出版社,2003. 作者简介:向东湖 (1979 - ) ,男,湖北巴东人,华中科技大学 机械学院硕士研究生,主要从事水液压传动及测试技术的研究。