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基于80C196单片机的橡胶硫化仪的研制

基于80C196单片机的橡胶硫化仪的研制

2016/6/1 11:33:00

摘要: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。 关键词:橡胶;硫化;单片机;PID算法;针式打印机

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、最佳硫化点和选择合理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,完成人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。

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