微机在玩具金属丝挠曲性试验机中的应用

【摘　要】利用微机自动控制系统，动态地检测金属丝弯曲力及弯曲极限次数。
    关键词：金属丝 挠曲 试验机
　
1 引　言
　  金属丝挠曲性试验机是玩具安全测试中常用的重要测试仪器之一。由于玩具安全检验时可能选择不同国家的标准，所以试验的程序也不一样。金属丝挠曲性试验最关键的试验要求为：弯曲的角度控制和弯曲力的检测。过去采用人工手动操作，很难保证试验过程的准确与一致。采用微机自动控制，可以按照不同标准方法调用预先编制的相应试验程序进行试验，极大地方便了使用者进行测试操作。本试验机采用M68HC08单片机进行适时控制，可自动完成金属丝的挠曲性试验程序，动态地检测金属丝弯曲力，具有完善的报警显示功能，且体积小、噪声低、效率高，为玩具的安全测试提供了保证。
2 系统设计
2．1 系统简介
　  金属丝挠曲性试验机主要由电动执行机构、试样夹具、检测控制电路和报警显示部分组成。
                            
    如图1所示，由力矩传感器对金属丝的弯曲力进行检测，经放大后的信号直接送M68HC08的A/D输入口。键盘电路用来选择试验程序和设定各试验参数。数码显示板用以显示试验程序的代号和试验过程中的参数记录。本机输出为控制电机正反运转的两路电平信号。
2．2 系统硬件设计
　　M68HC08是MOTOROLA公司1999年推出的新一代八位单片计算机系列产品，其中JL3具有12路8位A／D转换接口，其内部总线速度可达8MHz，内有4KBit闪速存储器及128Bit RAM，且自带960Bit监控与自检程序。
2．2．1 键盘输入电路
　　键盘输入电路如图2所示，PA口作为键盘输入，设置为输入工作方式，按键SB1～SB6分别连接于PA0～PA5。按键SB1～SB6主要完成系统功能设定和试验机的运行及停止。
       
2．2．2 数码显示电路
　　PB口的8条数据线PB0～PB7分别与LED半导体发光数码管的a，b，c，d，e，f，g，dp字段相连接，PD口的PD4至PD7分别通过电阻R10至R13与VT1至VT4的基极相连。这样，通过PB口送出显示代码 ，由PD口送出扫描位选信号，轮流点亮LED1至LED4四位半导体数码管，主要用以显示系统功能参数设置，并显示运行中弯曲次数和金属丝弯曲力检测的实际数值。
2．2．3 光电隔离输出驱动电路
　　PD口的PD2、PD3数据线通过电阻驱动光电耦合器件GO1和GO2。该两只光电耦合器件内部复合了可控硅电路，可直接驱动交流继电器J1、J2。
2．2．4 电机主回路电路
　　电机主回路电路如图3所示，当J1吸合时，电机正转，金属丝被弯曲至一边，当J2吸合时，电机反转，金属丝被反向弯曲至另一边。J1、J2通过常闭触点J1－3、J2－3回路进行互锁保护。
                
    在电机正反向切换中，主程序设置了0．2秒的停转时间。当J1、J2均未吸合时，常闭触点J1－2、J2－2使电机电枢绕组直接短路，电机工作于能耗制动方式，可以在小于0．2秒的时间内迅速停止运转，避免了电机因惯性而停转时间太长的现象。
2．2．5　直流电机变速控制
　　本机采用的直流侍服电机M是系统的输出执行部件，其运行转速由辅助电源电压V1或V2控制在两种转速上，辅助电源电压V1、V2由PD口的PD1高电平或低电平控制。
2．2．6 弯曲角度检测控制
　　电机经多级齿轮减速后，带动摆杆在120°范围内作弧形周期摆动。两只霍尔磁敏传感器分别安装于摆动弧度的起始和终止位置，可对摆动杆进行位置检测。霍尔传感器的信号由PA口的PA6、PA7输入。
2．2．7 金属丝弯曲力检测放大电路　
  　如图4所示，Ra与Rb是粘贴在拉力探头变形金属板上的应变电阻片。当金属板受到一个方向的力时，Ra阻值将会增加，Rb则减少。反之，当受到另一个方向的力时，则Ra减少，Rb增加。调节W1可以使F2输出电压在满量程时为＋5V。调节W2使F2输出电压在拉力探头无拉力作用时，输出+2.5V电压。
                   
2．3 系统软件设计
　　本试验机的软件采用模块化结构，分为主程序、键盘中断程序、数码管扫描显示程序 、A／D转换中断程序、定时中断程序。软件如图5所示。结构主程序首先进行初始化，设定所有I／O口的工作方式，定义六个功能键。每个按键功能均由键盘中断程序执行，各键功能见表1。
　　　　　　　　　　
　　按运行键后，PD2、PD3交替输出高电平信号，电机周期性正反运转。其周期由定时中断程序执行。同时，A／D转换程序对传感器放大电路的信号V0进行模数转换。当电压V0等于2．5V时，可视为传感器无拉力负荷。
    因此，实际测量的拉力F为：　
  　F＝K.｜V0－2．5｜
式中，K为对拉力的比例常数。
　 根据标准要求，金属丝的弯曲力若大于设定值F0，试验机应自动停机。在程序中，当调用A／D转换程序后，将A／D转换结果与预置的F0进行比较，当F－F0＜0时，程序转入停机报警。
                              
3 控制效果及总结
　　采用微机对金属丝弯曲试验机进行控制，可以使金属丝弯曲测试结果更加符合标准的要求，使检测结果准确一致，并在一定程度上降低了检测工作的劳动强度。过去人工手动进行金属丝弯曲试验时，无法在试验过程中监视金属丝的弯曲力，现在采用弯曲试验机可以弥补这一不足，同时弯曲试验的周期也得到了保证。该试验机在玩具安全检测中具有广阔的应用前景。

　参考文献

1　Motorola单片机应用开发研究中心．新一代八位单片机 M68HC08简介．北京：清华大学出版社 ，1999
2　涂时亮等．单片微机软件设计技术．科学技术文献出版社，1988