布氏硬度计的单片机测控系统的研制

TaylorA

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摘要:介绍了用单片机改造旧式布氏硬度计。改造后的布氏硬度计可精确控制加载延时和电机的
: F8 ^6 \  {: S7 Z. r" V正反转,并可方便地实现数据采样、数据处理、键盘控制和数字显示,从而提高了测量精度和速度。
& Q8 ^; t, d' D6 n& X+ ^5 p关键词:布氏硬度计;单片机;数据采样;数据处理
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3 I$ \* p- \+ G* d1 x# O布氏硬度计是金属材料常用的硬度测试装置,广泛
应用于机械制造、冶金以及教学和科研等。目前使用较
- I) d! o, C1 l% ^, d: W1 [, f5 C$ F多的是老式布氏硬度计,其不能直接读数,测量过程复
6 B) h# P- m) b- w2 b杂,测量误差大,控制部分易损坏，而带有微机控制的新
- X* J  x) t9 V$ H型布氏硬度计价格.又较贵。基于上述原因，笔者用体积.
小价格便宜、功耗低且控制功能强的单片机,改造了旧
$ L' Y% Q; l( z: Z8 Q: U+ Y式布氏硬度计,取得了一定的成效。.
1布氏硬度计存在的问题及改造方案
1.1 存在的问题
在布氏硬度计上测量硬
度,其原理如图1所示,将一
* c. x5 Y7 A. o# Y) @. h+ i' q8 u# a定直径(D)的钢球,以规定
! h: e$ O3 z. n: Z' f6 x的试验力(F)压入被测材料
表面,保持一定的时间,卸除
% o. J1 A7 r; G( P1 d+ S载荷后,测得压痕直径(d),
再用公式求得布氏硬度值。
现存在如下问题:a.压痕直径d值由读数显微镜测出，而压痕往往
不太清晰,所以测出的d值存在人为误差。
* \. Z( C( }/ _; g0 {4 |$ s9 Qc.用机械的方式来进行定时和换向,所以定时不够
准确,也易损坏,不好维修。
% X% h' t# ]( X, B5 y1 w9 Q1.2改造方案
* h" L4 m% L. d$ z; X) Pa.只要精确地测出h值,就可直接
* D2 V1 D  T; S8 t4 g求出硬度值。由于h值非常小，且对硬度值很敏感，所以
要求测量的精度比较高、因此需要采用精度高.短行程
+ S* ?! k/ q' A* ?4 ]5 C% j的位移传感器.同时模拟量的采样精度要求也高,需采
用高精度的A/D转换元件。
: J# k6 n3 ]% ]! w  bb.为了做到定时准确，将普通的布氏硬度计的加.
载定时控制机构全部去掉,直接采用单片机对电机进行
( Q8 V5 _3 k3 D4 s  X  n- m控制。
' ?6 a. b1 R0 r9 O& v" ^5 k% H. Pc.由于只需要改造- -台硬度计，同时考虑到时间和
系统的稳定性要求等,优先考虑购买符合测量控制要求
的成熟单片机硬件系统。
% Q  z6 Z) A# p+ Q$ R# ]4 X* D5 R2 M! Ed.为了消除测量过程中的偶然错误.在进行位移
采样时,对起始和终止位置应分别使用采样的平均值
. Q" i$ z) L, d: l0 a(10次/s)。
2硬件的选择
9 C2 w5 F- K% q- a根据所设计的测量系统的具体情况看，并非要求系
% i, W: \# t/ x统处理大量的数据,且要求的控制功能较简单,主要是
要求系统的精度和稳定性。8位单片机的价格低,应用
  e* Q! v* D( {$ u% m: g范围广，故选用MCS-51系列的单片机[1.21。根据数据
采样精度要求，选取精度为12位的AD574模数转换芯
& B0 J! x$ G7 z4 o  I, E片。控制板选用启东斯迈特计算机厂的LH-
MPU89C51。由于在测量材料硬度时.要提示输入- -些
参数和显示材料硬度值,所以还需要显示板、键盘及-一
; u* l9 v6 \! e些必要的硬件配置。
: R# ?8 T% w3 l/ n( O7 j为控制加载电机的正反转，系统扩展了继电器控制
电路及光电隔离电路。

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单片机改造旧式布氏硬度计