1 引言

　　壓(拉)力機是用于檢測建材及某種產品強度的機械。它根據工作方式分為壓和拉兩種，其工作力均由油泵產生，因此統稱壓力機。壓力系統由機械結構和控制柜組成，工作時先安裝試件，人工手動按下開始按鈕，觀察壓力值，根據不同材料相應調節加壓速度，使其到達額定壓力，進而進入保壓期，由于同時還需記錄數據，因此要求熟練人員操作。

　　為了減輕操作人員的工作強度，提高實驗精度，這里給出一種智能壓力機控制系統設計方案。該系統工作時操作人員用鼠標選擇材料，并按下開始試驗按鈕，計算機則按照預定方案自動操作，操作完成后可打印出試驗曲線和結論報表。

　　2 控制器硬件組成

　　該系統在原壓力機的基礎上增加控制器和計算機，其組成如圖l所示。該系統分為壓力機(機構)、控制柜(強電控制)、控制器(弱電控制)和計算機(人機交互界面)等4部分。

　　控制器處于計算機和控制柜之間，控制器和計算機之間采用USB通訊，控制器接收計算機指令則控制各個開關和模擬信號，并同時采集油泵和油缸的壓力和溫度信號，將采集的壓力值和計算機的壓力閾值相比較，進而控制調節閥開度，采用PID算法實現加壓速度的自動調節，進入保壓期后再控制調節閥使壓力值達到恒定。

　　根據控制器的功能要求，該控制器應具有計算能力、采集模擬量信號、控制開關量和模擬量信號并能通過USB總線和計算機通訊、該控制器組成模塊為CPU、A/D轉換、D／A轉換，V／I轉換、繼電器陣列和RS232／USB轉換器，如圖2所示。

　　CPU采用C8051F040，它具有高速8051微控制器內核，流水線指令結構；70％指令執行時間為1～2個系統時鐘周期，因此其運算速度較快；內部集成有13個，12位A／D轉換器，可將壓力溫度模擬信號轉換為數字信號；2個12位D／A轉換器，根據需要控制調節閥；2個UART串口，用于單片機和計算機通訊；64個I／O端口，用于控制開關量信號；64 KB Flash程序存儲器，使系統在線編程；4 K RAM可在編程。因此，C8051F040是一款功能強大的單片機,是該系統設計的核心。

　　3 單元電路設計

　　3．1 USB通訊電路設計

　　由于單片機提供RS232通訊接口，而計算機采用USB接口，因此需要USB和RS232接口轉換電路,該系統設計采用CP2101，它是Silicon公司生產的高度集成的USB轉UART橋接器，內置USB2.0全速功能控制器、USB收發器、振蕩器和帶有調制解調器控制信號的異步串行數據總線(UART)，工作時無需其他外部元件。

　　Silicon提供免費的驅動程序，支持Win98／Me／2k／XP／CE，MAC OS-9、MAC 0S-X以及Linux部分版本。方便地將一個基于CP2101的產品作為PC機的一個虛擬COM端口，使用CP2101的UART接口處理所有的RS232信號，而無需更改現存的同件COM端口。

　　CP2101 UART接口包括TXD(發送)和RXD(接收)數據信號以及RTS，CTS，DSR，DTR，DCD和RI控制信號，UART支持RTS／CTS，DSR／DTR和X-On／X-Off握手，在PC機的COM端口配置時，編程設置UART的數據格式和波特率。該系統設計采用3線制串口，波特率19．2 Kb／s，1位起始位，8位數據位，1位停止位，無校驗位。圖3為USB轉RS232接口電路。圖中RXD和TXD連接單片機串口，USB接口依次是+5 V、D-、D+和GND，工作時連接計算機任意USB接口。

　　3．2 模擬量采集信號調理電路

　　由于系統需采集1～5 V電壓和4-20 mA電流的模擬信號，對于電流信號只要在電流環串聯一只250 Ω電阻即可轉換為0～5 V的電壓信號，圖4是任一路信號調理電路。該電路可輸入電壓信號或電流信號，輸入信號為ADI4。ADI4不接尺R204時，輸入電壓信號；接R204(250 Ω)電阻時，則輸入電流信號，U22B是電壓跟隨器，輸出1～5 V，后接2只分壓電阻R228和R232，可將信號轉換為0．5～2．5 V，R208和C204用于低通濾波，U21B為比例運放，由于運放單電源供電，所以設計為同相比例運算，R220和R224為分壓電阻，根據試驗確定阻值，VD24和VD28為保護電路。

　　3．3 開關量驅動電路

　　由于該系統開關量控制信號較大，故采用同態繼電器和三極管組合驅動，如圖5所示。圖中K1為同態繼電器，COM和DO1為常開觸點的2個接線端子；VD401為繼電器線圈續流二極管，VQ1為NPN三極管，工作在OC方式下。單片機控制VQ1以驅動繼電器的線圈。

　　3．4 模擬量輸出電路

　　利用模擬量控制調節閥，調節閥控制信號是4～20 mA電流信號，但下一代調節閥可能是1～5 V電壓信號控制，為了方便互換，設計了電流輸出和電壓輸出選擇跳線，如圖6所示。單片機D／A轉換器輸出電壓信號，經過同相比例運算放大器信號為0～5 V，如果輸出電壓信號可用跳線將JP1的1和2短路，JP2輸出電壓信號；如果輸出電流信號，可用跳線將JP1的2和3短路，信號輸入至AD694電壓／電流轉換器，則JP2輸出電流信號。AD694供電電源電壓范同寬，其范圍為4．5～36 V，根據不同連線方式可輸入0～2 V、O～2．5 V、0～10 V和0～12．5 V，輸出可選O～20 mA和4～20 mA。該系統設計輸入為0～2．5 V，輸出4～20 mA。

　　4 軟件設計

　　控制器是以單片機為核心，設計采用C語言編寫，其流程圖如圖7所示。上電運行后先初始化，包括端口、定時器、串口和中斷等初始化；初始化完成后等待上位機開始試驗指令和壓力閾值，收到指令后打開電源，根據壓力閾值進行PID預算，利用運算結果控制調節器，試驗結束后卸載油缸，然后斷電停機。

　　5 結論

　　在分析現有的手動操作壓力機缺點的基礎上，提出智能壓力機方案和組成原理，并著重論述弱電控制系統的硬件電路設計，介紹基于USB接口的采集控制系統組成原理，詳細論述各個單元電路設計。該控制器已通過實驗測試，達到預期效果，研制出產品樣機，為批量生產打下基礎。