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基于80C196单片机的橡胶硫化仪的研制

   利用80C196单片机研制了一种低成本、全自动化橡胶硫化仪该仪器采用单片机驱动24针打印机和彩色液晶屏,实现了整机自动控制,大大提高了整机的性能价格比,在橡胶加工工业中具有较大的实用价值

    1 概述 
    橡胶硫化仪是用于测量生橡胶受控加热后变成熟橡胶的硫化时间、硫化速度及其它橡胶加工性能参数的测量仪器该仪器是橡胶厂用于确定胶料配方、*佳硫化点和选择合适硫化条件的必不可少的关键设备 
    硫化仪主要有两种形式:往复测量式和扭转测量式因为能保证比较完整的试样,所以后者应用较多国家标准GB/T 9869-1997(圆盘振荡硫化仪法)指出了控温范围、记录硫化曲线(转矩-时间曲线)的量程,以及从曲线上获得的剪切值、时间值等9项胶料常数的方法 
    国内外有一些公司生产硫化仪,竞争比较激烈带有高性能微机和触摸屏的硫化仪也在国内外有探讨和研究,但是在关键的性能价格比上总不能令人满意 
    笔者设计的硫化仪微机系统,主要考虑了如下几点: 
    A保证了测试技术指标符合国家标准; 
    B遵循软件代替硬件的原则; 
    C含微机在内的全电路系统造价低; 
    D减少按键,实现实验过程全程自动化; 
    E用彩色液晶屏进行显示,实现了曲线与测试结果图文并茂的效果; 
    F用单片机驱动24针打印机输出数据、曲线及测试结果; 
    G曲线存储于RAM中,且掉电不丢失,允许在液晶屏上重新恢复曲线; 
    基于以上特点的硫化仪具有很高的性能价格比 
    2 硫化仪整机工作原理简述 
    将生橡胶试块连同一个圆盘转子放到恒温状态下的模腔内,通过安装在电机出轴上的偏心轮、连杆及传感梁使转子摆动,摆动角度为±1.5°利用应变桥测出转子的转矩,可以获得转矩——时间曲线,这就是硫化曲线它代表了橡胶硫化时间和机械可加工性能 
    模腔恒温精度±0.3℃,外施压力11 kN整机机械结构示意图见图2—1 
    在电路方面,考虑到硫化仪功能复杂,要求测量精度高,所以选择美国INTEL公司的80C196单片机硫化仪还选用了显示效果良好的彩色液晶屏,完**机交互及各种界面显示硫化仪选用EPSON公司的24针打印机取代微打,完成曲线及实验结果的打印微机电路框图见图2—2



    3 仪器的软件方案 
    传统的硫化仪温度控制模块与其它电路分开,这样必须在两套系统间实现通讯,从而使硬件设计复杂化,增加了成本该仪器采用的16位单片机速度快、功能强,采用分时复用的方法即可克服上述缺点,能够实现整机的自动操作软件主程序流程见图3—1

    4 温度的自动控制 
    电炉为纯滞后系统,控制算法为经过优化的数字PID算法测温传感器选用热电偶,温度控制周期一般为20~35 s,通过控制加热炉的通电时间实现控制温度 
    4.1 温度控制算法 
    系统采用“扩充相应曲线法(飞升曲线法)+归一参数整定法+超限全控制”来控制升温和恒温设n0为上个控制周期的控制常数,n1为本次控制周期的控制常数则有:


    其中需要整定4个常数:采样周期T、比例常数Kp、积分常数KI和微分常数KD式中e0、e1和e2分别为温度设定值与3个连续温度采样值之差可利用飞升曲线对控制周期T、Kp、KI和KD进行整定 
    4.2 温度控制方案 
    将一个控制周期T分为N份,在T 秒内电炉开启n次(n=0~N)n为微机输出的控制量,上下炉各有一个控制量,每T 秒更新一次n在一个周期T内,微机共进行5次A/D转换,进行数字滤波之后通过PID算法计算出n值该值为下一个控制周期所用在一个控制周期内,一方面进行A/D转换、PID运算,另一方面在定时器T1中断子程序中控制开启或关闭电炉实践证明,这种温度控制方法恒温精度高(150℃±0.3℃),进入恒温之前的时间较短,而且容易实现单片机编程 
    5 曲线的自动打印输出 
    当前大多数硫化仪都是采用绘图仪或微型打印机输出曲线及数据,其中绘图仪价格比较贵,微型打印机又受尺寸大小的限制,均不能满足硫化仪的要求笔者尝试了单片机与24针打印机的接口及程序设计,使硫化仪具有更好的打印效果,并提高了性能价格比 
    5.1 单片机与针式打印机的硬件接口 
    80C196单片机与LQ-300K打印机接口示意图见图5—1


    5.2 单片机与打印机的通讯 
    EPSON公司的LQ-300K型打印机配备了一个EA-232串行接口和一个Centroics兼容的并行接口为提高传输速度,选用并行接口单片机与打印机的通讯子程序框图见图5—2

    5.3 曲线打印的实现 
    曲线打印子程序流程图见图5—3打印显示不同于液晶显示,打印纸走动一行之后就不能再退回所以打印曲线时不可能先打印出背景表格再打印曲线,只能在打印之前将打印缓冲区赋完表格数据,再进行曲线数据处理,*后充入曲线数据,即把曲线点的打印值与表格点的值进行求或运算,再一同打印出来


    6 结束语 
    橡胶硫化测定仪作为一种重要的仪器,其智能化一直得到人们的重视笔者开发的以16位单片机为核心的硫化仪测控系统,其自动化程度及测量精度大大提高采用单片机带24针打印机的应用在国内外未见报导,这种方案比多媒体计算机更能降低硫化仪的成本再依靠软件代替硬件的原则,近一步降低了仪器硬件成本因此该仪器在市场上**竞争力 

    [参考文献] 

    [1]孙涵芳Intel 16位单片机[M]北京航空航天大学出版社,1995 
    [2]何立民单片机应用技术选编(6)[M].北京航空航天大学出版社,1998 
    [3]中华人民共和国国家标准(橡胶胶料硫化特性的测定)[S].国家技术监督局,1997.

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