基于單片機C8051F350的彈簧片測試與分選系統

        摘要：從彈簧片測試系統的理論基礎分析入手，推導出了測試公式，介紹了硬件結構框圖和主要軟件功能。

　　引言

　　在石油勘探用的磁電式地震檢波器的生產(chǎn)過(guò)程中，為了最大限度地減小傳感器的失真度，要求裝入傳感器腔體中的上下兩個(gè)彈簧片，當懸體處于靜止狀態(tài)時(shí)，它們的兩個(gè)支承面應處在同一個(gè)水平面位置上，這就要求根據傳感器的諧振頻率和芯體的懸體質(zhì)量，對上下彈簧片進(jìn)行搭配，使裝配出的傳感器的頻率和中心度參數，都能符合設計要求?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/單片機">單片機C8051F350的彈簧片自動(dòng)測試與分選系統，充分發(fā)揮了該單片機內置的24位Δ-Σ模數轉換器的特點(diǎn)，精度高，速度快，能對彈簧片的支撐力和彈性系數等參數，進(jìn)行測試與分選，滿(mǎn)足了生產(chǎn)的需要。

　　1 基本測試原理和測試系統結構

　　根據胡克定理，存在如下公式：

　　式中：k為彈性系數;F為作用力;x為位移。

　　由公式(1)可知，通過(guò)對位移量和作用力的設置和測量，采用適當的數學(xué)模型，即可計算出彈簧片處在同一個(gè)水平面位置時(shí)，所能支承起的等效物體質(zhì)量和彈性系數。

　　根據傳感器的性能要求，在實(shí)際使用中，主要使用其處在同一個(gè)水平面位置的性能參數，這就意味著(zhù)在測算彈簧片的彈性系數時(shí)，所能改變的位移量很小，一般在0.5毫米以下，如此計算得出的數據，才能近似等于彈簧片處在同一個(gè)水平面位置時(shí)的彈性系數。顯然，測試系統對位移和作用力的設定和測量，有著(zhù)極高的精度要求，尤其對位移量的要求，應能分辨0.05毫米。我國檢波器生產(chǎn)企業(yè)最早引進(jìn)和仿制的彈簧片測試系統設備，其核心部件是高精度位移傳感器和加力器，加力器是一種自制的電磁式施力部件，當電流通過(guò)加力器的線(xiàn)圈時(shí)，產(chǎn)生的電磁力帶動(dòng)施力桿，使其沿著(zhù)測試頭軸線(xiàn)方向上下移動(dòng)，由位移傳感器對彈簧片產(chǎn)生的變形進(jìn)行測量。我們提出的采用步進(jìn)電機和荷重傳感器結合、基于單片機C8051F350的技術(shù)方案，克服了這種測試設備存在的結構復雜、故障率高和自動(dòng)化程度低等缺點(diǎn)，已經(jīng)成功應用到生產(chǎn)實(shí)際中。

　　測量機構的機械結構由固定機架、零位傳感器、承片盤(pán)、加力步進(jìn)電機、滾珠絲杠傳動(dòng)機構、加力桿和荷重傳感器等組成。單片機接到操作者的啟動(dòng)命令以后，控制加力步進(jìn)電機驅動(dòng)器，使加力步進(jìn)電機轉動(dòng)，并通過(guò)絲杠傳動(dòng)機構，帶動(dòng)加力桿從零位傳感器的零位開(kāi)始，向下運動(dòng)到預定位置，給放置在承片盤(pán)上的彈簧片加力，荷重傳感器將代表壓力的毫伏電壓信號輸出給單片機。單片機計算出支撐力和彈性系數，再根據預先設定的分選板的坐標原點(diǎn)及分檔步距參數，計算出具體分選坐標值，并通過(guò)串行接口，把坐標信息發(fā)送給矩陣邏輯電路。此后，單片機驅動(dòng)加力步進(jìn)電機，使加力桿返回到零位傳感器的零位，從而消除了機械運動(dòng)的積累誤差，等待下一次測試命令。矩陣邏輯電路在接到單片機發(fā)來(lái)的分選坐標后，驅動(dòng)10×20掛釘矩陣板上相應的LED閃爍，提醒操作者將彈簧片掛在該LED對應的掛釘上。

　　2 單片機C8051F350的模數轉換器接口

　　C8051F350是高度集成的片上系統混合信號單片機[1]，它采用了與8051單片機兼容的專(zhuān)利內核CIP-51，但其性能遠超普通8051系列單片機，速度可高達50MIPS，它的最大亮點(diǎn)是具有一個(gè)8路輸入的24位Δ-Σ模數轉換器，內含可編程增益放大器和多路選擇器，采樣速度可達1ksps。此外，它還有兩路8位電流輸出型DAC;有17個(gè)耐5V電壓的數字I/O口，8k系統可編程的FLASH存儲器，含非易失性存儲器，768字節的片上RAM，4個(gè)16位通用定時(shí)器，帶有3個(gè)捕捉/比較模塊的可編程定時(shí)器/計數器陣列;片上看門(mén)狗定時(shí)器，電源監視器，電壓比較器，溫度傳感器，高精度內部振蕩器，2.7V～3.6V的低壓供電;有增強型的硬件串行接口SPI，SMBus/I2C和UART，片內JTAG調試和邊界掃描系統等。該系列的單片機在電子儀器儀表和智能傳感器等領(lǐng)域，有著(zhù)廣泛的應用前景。

　　C8051F350單片機的Δ-Σ模數轉換器最高位數是24位，最大轉換速度為1ksps，并具有單次轉換和連續轉換功能，其原理結構如圖1所示。在其輸入級配備有BURNOUT電流源，主要用于對輸入信號進(jìn)行短路和開(kāi)路故障的檢測;為了給輸入信號提供高輸入阻抗，輸入級還有可選擇的輸入緩沖器;可變增益放大器能提供八級增益倍數，最大為128倍;參考電壓可以配置為內部2.5V，也可選用外部參考電源;具有內部偏移校正和增益校正，偏置DAC主要用于內部校正;調制器的時(shí)鐘由系統時(shí)鐘經(jīng)過(guò)分頻電路而來(lái);輸出級的濾波器有快速濾波和SINC3濾波兩種方式，前者速度快，后者精度高。