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關(guān)鍵詞：
膠
硫化
單片機(jī)
- 摘要：利用80C196單片機(jī)研制了一種低成本、全自動(dòng)化橡膠硫化儀。該儀器采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)24針打印機(jī)和彩色液晶屏，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)自動(dòng)控制，大大提高了整機(jī)的性能價(jià)格比，在橡膠加工工業(yè)中具有較大的實(shí)用價(jià)值。
摘要：利用80C196單片機(jī)研制了一種低成本、全自動(dòng)化橡膠硫化儀。該儀器采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)24針打印機(jī)和彩色液晶屏，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)自動(dòng)控制，大大提高了整機(jī)的性能價(jià)格比，在橡膠加工工業(yè)中具有較大的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：橡膠；硫化；單片機(jī)；PID算法；針式打印機(jī)
1 概述
橡膠硫化儀是用于測(cè)量生橡膠受控加熱后變成熟橡膠的硫化時(shí)間、硫化速度及其它橡膠加工性能參數(shù)的測(cè)量?jī)x器。該儀器是橡膠廠用于確定膠料配方、最佳硫化點(diǎn)和選擇合理硫化條件的必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。
硫化儀主要有兩種形式：往復(fù)測(cè)量式和扭轉(zhuǎn)測(cè)量式。因?yàn)槟鼙ＷC比較完整的試樣，所以后者應(yīng)用較多。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 9869－1997(圓盤(pán)振蕩硫化儀法)指出了控溫范圍、記錄硫化曲線(轉(zhuǎn)矩－時(shí)間曲線)的量程，以及從曲線上獲得的剪切值、時(shí)間值等9項(xiàng)膠料常數(shù)的方法。
國(guó)內(nèi)外有一些公司生產(chǎn)硫化儀，競(jìng)爭(zhēng)比較激烈。帶有高性能微機(jī)和觸摸屏的硫化儀也在國(guó)內(nèi)外有探討和研究，但是在關(guān)鍵的性能價(jià)格比上總不能令人滿意。
筆者設(shè)計(jì)的硫化儀微機(jī)系統(tǒng)，主要考慮了如下幾點(diǎn)：
A保證了測(cè)試技術(shù)指標(biāo)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；
B遵循軟件代替硬件的原則；
C含微機(jī)在內(nèi)的全電路系統(tǒng)造價(jià)低；
D減少按鍵，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程全程自動(dòng)化；
E用彩色液晶屏進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)了曲線與測(cè)試結(jié)果圖文并茂的效果；
F用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)24針打印機(jī)輸出數(shù)據(jù)、曲線及測(cè)試結(jié)果；
G曲線存儲(chǔ)于RAM中，且掉電不丟失，允許在液晶屏上重新恢復(fù)曲線；
基于以上特點(diǎn)的硫化儀具有很高的性能價(jià)格比。
2 硫化儀整機(jī)工作原理簡(jiǎn)述
將生橡膠試塊連同一個(gè)圓盤(pán)轉(zhuǎn)子放到恒溫狀態(tài)下的模腔內(nèi)，通過(guò)安裝在電機(jī)出軸上的偏心輪、連桿及傳感梁使轉(zhuǎn)子擺動(dòng)，擺動(dòng)角度為?1.5?。利用應(yīng)變橋測(cè)出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩，可以獲得轉(zhuǎn)矩——時(shí)間曲線，這就是硫化曲線。它代表了橡膠硫化時(shí)間和機(jī)械可加工性能。
模腔恒溫精度?0.3℃，外施壓力11 kN。整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2—1。
在電路方面，考慮到硫化儀功能復(fù)雜，要求測(cè)量精度高，所以選擇美國(guó)INTEL公司的80C196單片機(jī)。硫化儀還選用了顯示效果良好的彩色液晶屏，完成人機(jī)交互及各種界面顯示。硫化儀選用EPSON公司的24針打印機(jī)取代微打，完成曲線及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的打印。微機(jī)電路框圖見(jiàn)圖2—2。
3 儀器的軟件方案
傳統(tǒng)的硫化儀溫度控制模塊與其它電路分開(kāi)，這樣必須在兩套系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)通訊，從而使硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜化，增加了成本。該儀器采用的16位單片機(jī)速度快、功能強(qiáng)，采用分時(shí)復(fù)用的方法即可克服上述缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)整機(jī)的自動(dòng)操作。軟件主程序流程見(jiàn)圖3—1。
4 溫度的自動(dòng)控制
電爐為純滯后系統(tǒng)，控制算法為經(jīng)過(guò)優(yōu)化的數(shù)字PID算法。測(cè)溫傳感器選用熱電偶，溫度控制周期一般為20～35 s，通過(guò)控制加熱爐的通電時(shí)間實(shí)現(xiàn)控制溫度。
4.1 溫度控制算法
系統(tǒng)采用“擴(kuò)充相應(yīng)曲線法(飛升曲線法)＋歸一參數(shù)整定法 超限全控制”來(lái)控制升溫和恒溫。設(shè)n0為上個(gè)控制周期的控制常數(shù)，n1為本次控制周期的控制常數(shù)。則有：
其中需要整定4個(gè)常數(shù)：采樣周期T、比例常數(shù)Kp、積分常數(shù)KI和微分常數(shù)KD。式中e0、e1和e2分別為溫度設(shè)定值與3個(gè)連續(xù)溫度采樣值之差。可利用飛升曲線對(duì)控制周期T、Kp、KI和KD進(jìn)行整定。
4.2 溫度控制方案
將一個(gè)控制周期T分為N份，在T 秒內(nèi)電爐開(kāi)啟n次(n=0～N)。n為微機(jī)輸出的控制量，上下?tīng)t各有一個(gè)控制量，每T 秒更新一次n。在一個(gè)周期T內(nèi)，微機(jī)共進(jìn)行5次A／D轉(zhuǎn)換，進(jìn)行數(shù)字濾波之后通過(guò)PID算法計(jì)算出n值。該值為下一個(gè)控制周期所用。在一個(gè)控制周期內(nèi)，一方面進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換、PID運(yùn)算，另一方面在定時(shí)器T1中斷子程序中控制開(kāi)啟或關(guān)閉電爐。實(shí)踐證明，這種溫度控制方法恒溫精度高(150℃?0.3℃)，進(jìn)入恒溫之前的時(shí)間較短，而且容易實(shí)現(xiàn)單片機(jī)編程。
5 曲線的自動(dòng)打印輸出
當(dāng)前大多數(shù)硫化儀都是采用繪圖儀或微型打印機(jī)輸出曲線及數(shù)據(jù)，其中繪圖儀價(jià)格比較貴，微型打印機(jī)又受尺寸大小的限制，均不能滿足硫化儀的要求。筆者嘗試了單片機(jī)與24針打印機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì)，使硫化儀具有更好的打印效果，并提高了性能價(jià)格比。
5.1 單片機(jī)與針式打印機(jī)的硬件接口
80C196單片機(jī)與LQ－300K打印機(jī)接口示意圖見(jiàn)圖5—1。
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