基于單片機C8051F350的彈簧片測試與分選系統(tǒng)

        摘要：從彈簧片測試系統(tǒng)的理論基礎分析入手，推導出了測試公式，介紹了硬件結(jié)構(gòu)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彈簧片，當懸體處于靜止狀態(tài)時，它們的兩個支承面應處在同一個水平面位置上，這就要求根據(jù)傳感器的諧振頻率和芯體的懸體質(zhì)量，對上下彈簧片進行搭配，使裝配出的傳感器的頻率和中心度參數(shù)，都能符合設計要求。基于單片機C8051F350的彈簧片自動測試與分選系統(tǒng)，充分發(fā)揮了該單片機內(nèi)置的24位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器的特點，精度高，速度快，能對彈簧片的支撐力和彈性系數(shù)等參數(shù)，進行測試與分選，滿足了生產(chǎn)的需要。

　　1 基本測試原理和測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)胡克定理，存在如下公式：

　　式中：k為彈性系數(shù);F為作用力;x為位移。

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

　　根據(jù)傳感器的性能要求，在實際使用中，主要使用其處在同一個水平面位置的性能參數(shù)，這就意味著在測算彈簧片的彈性系數(shù)時，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(shù)據(jù)，才能近似等于彈簧片處在同一個水平面位置時的彈性系數(shù)。顯然，測試系統(tǒng)對位移和作用力的設定和測量，有著極高的精度要求，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)最早引進和仿制的彈簧片測試系統(tǒng)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，當電流通過加力器的線圈時，產(chǎn)生的電磁力帶動施力桿，使其沿著測試頭軸線方向上下移動，由位移傳感器對彈簧片產(chǎn)生的變形進行測量。我們提出的采用步進電機和荷重傳感器結(jié)合、基于單片機C8051F350的技術方案，克服了這種測試設備存在的結(jié)構(gòu)復雜、故障率高和自動化程度低等缺點，已經(jīng)成功應用到生產(chǎn)實際中。

　　測量機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)由固定機架、零位傳感器、承片盤、加力步進電機、滾珠絲杠傳動機構(gòu)、加力桿和荷重傳感器等組成。單片機接到操作者的啟動命令以后，控制加力步進電機驅(qū)動器，使加力步進電機轉(zhuǎn)動，并通過絲杠傳動機構(gòu)，帶動加力桿從零位傳感器的零位開始，向下運動到預定位置，給放置在承片盤上的彈簧片加力，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(shù)，再根據(jù)預先設定的分選板的坐標原點及分檔步距參數(shù)，計算出具體分選坐標值，并通過串行接口，把坐標信息發(fā)送給矩陣邏輯電路。此后，單片機驅(qū)動加力步進電機，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)來的分選坐標后，驅(qū)動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(shù)轉(zhuǎn)換器接口

　　C8051F350是高度集成的片上系統(tǒng)混合信號單片機[1]，它采用了與8051單片機兼容的專利內(nèi)核CIP-51，但其性能遠超普通8051系列單片機，速度可高達50MIPS，它的最大亮點是具有一個8路輸入的24位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)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個耐5V電壓的數(shù)字I/O口，8k系統(tǒng)可編程的FLASH存儲器，含非易失性存儲器，768字節(jié)的片上RAM，4個16位通用定時器，帶有3個捕捉/比較模塊的可編程定時器/計數(shù)器陣列;片上看門狗定時器，電源監(jiān)視器，電壓比較器，溫度傳感器，高精度內(nèi)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(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描系統(tǒng)等。該系列的單片機在電子儀器儀表和智能傳感器等領域，有著廣泛的應用前景。

　　C8051F350單片機的Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器最高位數(shù)是24位，最大轉(zhuǎn)換速度為1ksps，并具有單次轉(zhuǎn)換和連續(xù)轉(zhuǎn)換功能，其原理結(jié)構(gòu)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行短路和開路故障的檢測;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(shù)，最大為128倍;參考電壓可以配置為內(nèi)部2.5V，也可選用外部參考電源;具有內(nèi)部偏移校正和增益校正，偏置DAC主要用于內(nèi)部校正;調(diào)制器的時鐘由系統(tǒng)時鐘經(jīng)過分頻電路而來;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。