材料是用來制造器件、構件和其它可供使用物質的總稱，是人類生產生活必須的物質基礎。強度是材料的基本力學性質之一，是結構材料最為重要的性能指標。強度是指材料在外力作用下抵抗破壞的能力，是材料破壞時所吸收的能量和其有效截面積的比值。材料承受不同的外力便有不同的強度，如抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度等。
擺錘沖擊試驗機實拍
材料對于沖擊荷載的抵抗能力稱為抗沖擊強度或沖擊強度。根據沖擊荷載的方向不同，分為沖擊抗拉、沖擊抗壓和沖擊抗彎三類。材料的沖擊強度使用沖擊試驗機測量。本文所論述的沖擊試驗機為抗彎沖擊試驗機。
1.擺錘式沖擊試驗機的工作原理擺錘式沖擊試驗機主要由基座、機身、擺錘、夾具和顯示操作面板組成。其機械結構如圖1所示。
圖1：擺錘式沖擊試驗機的機械結構示意圖
擺動軸擺錘S沖擊刀刃夾具（a）側視圖（b）正視圖擺錘式沖擊試驗機的機械結構示意圖擺錘式沖擊試驗機利用擺錘的圓周運動將重力勢能轉化為動能，并在擺錘運動到最低點時將試件沖斷。根據能量守恒原理，擺錘在沖斷試件前后所具有的能量的差值即為試件所吸收的能量（不計摩擦損失）。如能測量此差值即可得知試件吸收的能量，并進而計算出試件的強度H。
2.擺錘式沖擊試驗機控制器硬件設計
根據擺錘式沖擊試驗機的基本功能要求，該試驗機的控制器主要由主控CPU、角度檢測模塊、鍵控顯示模塊、信息指示模塊、通信及打印模塊、存儲器擴展模塊和電源模塊共7個部分組成。系統(tǒng)結構圖如圖2所示。
圖2：系統(tǒng)結構圖
主控CPU為MCS-51兼容單片機，負責計算角度、檢測擺錘最高點、計算試件的吸收能量和試件強度、顯示控制、打印控制、通信控制、存儲和讀取數據等操作H.選用華邦（winbond）公司生產的W78E54C型單片機。該款單片機采用MCS-51架構，完全兼容51指令集，其40管腳DIP封裝與8051管腳完全兼容0.角度檢測模塊由光電編碼器、555定時器、D基金項目：北京市教委科技發(fā)展計劃面上項目（KM200610009005）觸發(fā)器和邏輯門電路組成，負責將擺錘的擺動信息轉換為脈沖序列送入單片機的計數器。角度檢測的設計思路是應用單片機的計數器功能，通過計數器對編碼器輸出的脈沖信號進行計數，讀取計數器的值計算擺錘的擺動角度，從而實現(xiàn)對角度的檢測。
鍵控顯示模塊由八段數碼管、按鍵和鍵盤顯示管理芯片組成，負責按鍵檢測和顯示數據。由于按鍵個數和數碼管個數都較多，所以不適合直接用單片機控制，應使用專用的按鍵顯示控制芯片，以簡化電路和程序。本系統(tǒng)使用CH451數碼管驅動和鍵盤控制專用芯片。CH451采用+5V供電，可以直接驅動8位共陰數碼管，具有閃爍控制、字數據左移、字數據右移功能；支持8x8按鍵掃描，內置按鍵消抖功能，按鍵中斷時低電平為有效輸出；4線高速串行輸出方便與單片機接口。
信息指示模塊由發(fā)光二極管和隔離芯片組成，負責指示電源和數碼管顯示數據的單位，所有指示燈均采用發(fā)光二極管。每個數據單位指示燈由一個單片機引腳控制。為減小單片機負載并將單片機和輸出電路隔離，所有數據單位指示燈均采用集電極開路的與門驅動。
通信及打印模塊采用RS~232串行口，負責與上位機通信或向打印機發(fā)送打印數據。通過該接口，控制器接收上位機發(fā)送的命令和數據，并執(zhí)行相應的操作。也可以通過該接口向打印機發(fā)送打印數據。上位機通信是在試驗機出廠時向EEP-ROM中寫數據時使用，而打印功能是在用戶試驗時使用，所以打印機和上位機通信可以共用一個串行口。
存儲器模塊為非易失性可讀寫存儲器，負責存儲試驗機參數和試驗數據。華邦W78E54C單片機內部沒有在線可讀寫非易失性存儲器，所以需要進行外部擴展，存儲器芯片選用兩片Atmel公司的EEPROM芯片AT24C16，它具有2KB的存儲容量，標準I2C總線接口，可擦寫100萬次，滿足使用要求。
電源模塊由變壓、整流和濾波等基本電路組成，負責整個控制器的供電。為方便用戶，使用市電供電。系統(tǒng)采用耀華德昌公司生產的PE41174型變壓器，電路板焊接式真空環(huán)氧灌裝，單端7.5V輸出，輸出功率5VA.使用整流橋將交流7. 5V整流后送7805穩(wěn)壓芯片，經穩(wěn)壓后+ 5V輸出。為消除電源干擾，在電源正負極之間接去耦電容，并在每個芯片的電源和地之間并接0.1uF的去耦電容。
3.擺錘式沖擊試驗機控制器軟件設計
3.1開發(fā)語言及開發(fā)環(huán)境
本控制器功能較多，程序結構復雜，不適宜用匯編語言開發(fā)。且控制器對實時性要求不高，所以全部代碼均使用C語言書寫。相對于匯編語言，C51可靠性高，可移植性好，程序結構清晰、可讀性好，開發(fā)周期短，開發(fā)成本相對較低。開發(fā)環(huán)境使用KeilC51，KeilC51公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。它提供了豐富的庫函數和功能強大的集成開發(fā)調試工具uVision3。
3.2設計思路
本控制器軟件最為關鍵的部分是擺錘最高點檢測，只有可靠檢測到最高點，其它功能才有意義。因為角度檢測是使用計數器完成的，所以最高點檢測只能在主程序中通過掃描計數器的值完成。為保證掃描速度，在做最高點檢測時應先暫時關閉其它功能，包括按鍵、顯示和所有中斷。
在計算擺錘角度、試件吸收能量和試件強度時，要用到浮點數，而且要計算三角函數值。試驗機對控制器的運算速度要求不高，且RAM空間夠用，所以可以使用KeilC51提供的庫函數直接進行浮點數運算。
在主程序循環(huán)中，首先判斷是否正在試驗（按下落錘鍵），如正在試驗則只開啟最高點檢測功能，其它所有功能和所有中斷均被關閉。試驗結束后關閉最高點檢測，開啟其它功能和所有中斷。這里的其它功能包括：處理上位機命令、打印、實時顯示擺錘角度和按鍵管理。在主程序中不刷新顯示，顯示只在需要（顯示數據變更）時刷新。主程序流程圖如圖3所示。
圖3：主程序流程圖
3.3角度測量
由于系統(tǒng)所用編碼器為增量式編碼器，所以在檢測角度前應先設置位置。在位置將兩個計數器清零，在擺錘偏離位置時，兩計數器中的數值差即可表示擺錘的擺動角度。每個脈沖代表的角度k為360算，該差值乘以k即為擺錘相對于位置的角度。在計算試件吸收能量和試件強度時，角度值不區(qū)分正負，一律取絕對值。
3.4最高點檢測
將兩計數器的差值表示為有符號整型數d則d的符號表示了擺錘相對于點的位置，的變化則表示了擺錘的運動方向。
設擺錘已擺至最高點，程序已檢測到d第1次減小并記錄了d'，并且在其后的n次之內出現(xiàn)了干擾，T計數增加，d變大，此時程序不丟棄所記錄的d'，而是比較本次檢測的d值和已記錄的d'的大小，將二者中大的作為新的d'，并重新開始計數。如此，雖然重新開始檢測最高點，但不會錯記最高點的d值，不會出現(xiàn)誤判。
在檢測到最高點后，需要保存擺錘在最高點的角度值，以備計算時使用。本試驗機一次最多允許做15個試樣，所以需要記錄15個數據。角度值是浮點型變量，占用4B的空間。最高點檢測程序流程圖如圖4所示。
圖4：最高點檢測程序流程圖
3.5通信程序設計
根據用戶需要，試驗數據可以上傳至上位計算機，以打印正式試驗報告，或存入數據庫管理系統(tǒng)，以便對數據進行分析、管理。
通信控制程序負責接收、執(zhí)行上位機命令。
所有上位機命令均占1B，但有的命令帶有操作數，有的沒有操作數。
通信控制程序接收到上位機發(fā)送的命令后，首先對命令進行分析，如果不帶操作數，則執(zhí)行命令，如果帶有操作數，則將操作數長度寫入操作數接收計數器，并等待數據接受完成，待數據接收完成后執(zhí)行命令。
通信控制程序流程圖如圖5所示。
圖5：串口中斷服務流程圖
4.總結
經過現(xiàn)場調試，控制器實現(xiàn)了設計的預定功能。能夠自動落錘，試驗后自動計算、顯示試件吸收的能量；通過按鍵查詢擺錘升角、試件吸收能量和試件強度；進行錯誤提示；正確顯示試驗結果并對試驗數據進行保存；正確打印試驗結果；正常與上位機通信，運行穩(wěn)定、性能良好。
來源：天氏庫力 發(fā)布日期
2018-12-22 瀏覽：