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基于AVR单片机的毛细管流变仪系统设计

时间:2019-02-14 18:37:29 来源:荣一平台 作者:匿名



介绍

在研究高分子材料的流变性能时,毛细管流变仪已成为非常重要和必不可少的设备。国内外有一些成熟的毛细管流变仪产品和设计方案,各有各的特点。例如,由TienT.Dao等人设计的SmartRHEO毛细管流变仪。在剪切速率计算方面具有高精度和宽测量范围,具有ESP(平衡应力预测)工作模式和手动工作模式;涂海燕等。用于毛细管流变仪温度控制部分与神经网络的内膜控制相结合,提供了更好的温度控制方案。鉴于AVR微控制器的广泛应用[3-5]和优异的性能,本文以Atmega128L为核心芯片,结合传感技术,微电子技术,PID工业控制算法等技术,设计开发了适合的实验教学。和科学研究。低成本毛细管流变仪可以执行以下功能:1)绘制热塑性材料的塑化曲线; 2)确定热塑性材料的软化点,熔点和温度; 3)测量热固性材料的流动性和固化速度; 4)确定并绘制热塑性材料的剪切应力 - 剪切速率曲线; 5)确定聚合物熔体的粘度和粘性流动活化能; 6)确定聚合物材料的熔融纺丝条件。

1毛细管流变仪的基本结构和原理

毛细管流变仪的基本部分是温度控制的圆柱形炉,如图1所示。加热管通过加热丝在桶(加料区)外加热。将待测试的聚合物材料(样品)装入桶中;毛细管是不同长宽比的金属管,样品可以熔融状态挤出;两个铂电阻分别安装在桶内和加热炉内,分别测量样品的温度和炉子的温度;柱塞(活塞)在一定负荷下加压,使得样品可以在熔融状态下以相应的速率从毛细管中挤出;在挤出过程中,它通过位移传感器测量。活塞的位置可用于计算挤出速率,流速,剪切速率,粘度和其他数据。毛细管流变仪的工作原理如下:将聚合物材料装入桶内后,用加热炉加热聚合物材料。在恒温加热的加热方法中,可以确定热塑性材料的软化点,熔点和倾点温度;在恒温试验中,聚合物材料在负荷压力下通过毛细管挤出,并结合仪器设定的相应参数,可以计算出样品熔体在不同温度和剪切应力条件下的表观粘度。

2系统总体设计

2.1系统结构设计

该系统主要由上位机和下位机组成。下位机负责实验设备的控制和数据采集功能,而上位机主要用于实验数据的图像显示,数据分析和数据记录等,如图2所示。

下位机MCU使用Atmel提供的Atmega128L芯片。在该系统中,Atmega128L的工作频率为11.0592MHz,5V工作电压下的工作电流约为20mA,系统工作电压由稳压电源提供,温度测量模块通过SPI总线与AVR微控制器通信,下位机和上位机通信使用RS232串口传输。

2.2系统工作流程图

该系统的主要工作集中在机器的下半部分,因此系统工作流程图主要是下面的机器,上部机器的工作流程图将在3.5节介绍。下位机系统的工作流程图如图3所示。

可以归纳为以下步骤:1)启动下位机; 2)下位机MCU初始化相关寄存器和IO引脚,并初始化相关芯片; 3)下位机周期性地发送通信信号,即hello探测帧; 4)收到上位机的hello响应帧后,表示通信已经建立; 5)检测主机发送的命令帧和数据帧是否被接收,如果收到,则转6),否则转7);根据收到的网络帧参数设置,设置设定温度,加热速率等; 7)根据定时器的不同定时标志,确定相应的数据采集和控制操作; 8)转5)。

3系统详细设计

3.1温度测量模块

系统采用两个温度测量模块,其中一个测量实验炉的程度,温度控制模块进行相应的PID计算;另一个温度测量模块测量样品的温度,反映样品的实时温度。两个温度测量模块的电路图和过程基本相同。该模块通过美国AD公司的AD7705芯片内核连接到AD7705(如图4所示)。D7705的晶振使用4.9152MHz,通过AVR片上SPI端口设置数据提高传输速率和可靠性。参考电压由AD780提供,其中Ref使用精密电阻,铂电阻Pt100检测实验中的温度变化,变化值通过AD7705的通道1进行AD转换。在程序执行过程中,为了提高工作效率,中断方用于接收转换结果,在中断服务功能中,首先检测采样的AD是否达到设定的采样数。当达到设定的次数时,信号被发送到主功能,并且主功能对采样的数据进行数字滤波,从而可以去除干扰信号以提高测量精度。通过使用中断模式,只有在达到预定数量的样本后才给出主函数信号,从而保证了程序行的并发性,提高了系统的工作效率。

3.2液晶显示模块

系统液晶模块采用深圳三元晶体液晶有限公司YT320240FZKV2.0型液晶。液晶主要用于显示工作状态及相关实验数据,可直观观察实验情况并掌握实验的进度,并采取相应的实验措施,图5是液晶显示模块的物理图。

3.3位移采集模块

位移采集模块主要在熔化炉内实验材料后收集活塞的位置。模块检测由位移传感器检测到的信号并将其发送到MCU的计数器。计数器计数的脉冲数决定当前位置。图6。

位移传感器采用长春科信数字显示器提供的GCQ-D光栅传感器,将位移转换为脉冲信号,传感器运动方向的变化产生A之间相位差为90°的脉冲信号。和B2,根据光栅尺。方波信号用于获得光栅尺的位移和移动方向,供用户处理。如何判断传感器方向的变化,即处理辨别问题,是该模块设计的关键。解决歧视问题的方法是曲兴华等人提出的软件方法,以及其他学者提出的硬件方法。结合系统的实际情况,采用改进的硬件方法解决了识别问题。首先,位移传感器的两个脉冲的输出连接到通用逻辑器件GAL,输入方波乘以GAL,得到两种倍频方波P1和P2(见图7和图7)。 8),旨在提高置换采集精度。然后,将GAL乘法信号输出到MCU的两个计数器,并实时读取两个计数器中的计数值,然后将差值作为当前传感器位移,并将差值转换为相应的位移单元显示在液晶显示模块上。如果差值为负,则表示当前传感器位置低于起始位置;如果差值为正,则表示当前传感器位置高于起始位置。设备的起始位置被指定为设备刚刚通电时传感器的位置。

3.4温度控制模块

温度控制模块主要由两部分组成:过零检测电路和晶闸管触发电路。过零测试电路部分使用555个器件与1N4003二极管组合形成桥接电路,以完成过零测试电路的设计。晶闸管触发电路部分主要由光耦合器MOC3021,晶闸管BT151,开路集电极驱动器7406等组成,如图2所示。晶闸管负责实验炉的加热控制,光耦合用于光电隔离,7406负责触发光耦合器。过零检测电路的功能主要是通过外部交流电压形成系统所需的晶闸管导通角参考信号。在微控制器获得过零脉冲之后,通过PID算法计算的加热量设置定时器计数值。当定时器溢出时,晶闸管的触发脉冲在溢出中断时给出,光耦合器由触发脉冲控制。反过来,控制晶闸管,调节实验炉的加热功率,达到温度控制的目的。晶闸管触发电路的基本原理是光耦合器接受MCU提供的触发脉冲,从而使用光耦合器控制晶闸管的导通。只有当光耦合器控制晶闸管的电压高于晶闸管的导通电压,并且晶闸管的阳极电压高于晶闸管的阴极电压时,晶闸管才能导通,当导通时,晶闸管是只要晶闸管阳极电流大于维持电流就保持,并且当阳极电流小于维持电流时晶闸管截止。当下一个触发脉冲到来时,重复上述过程,使得触发脉冲控制晶闸管的导通时间,即晶闸管的导通角,在每个晶闸管操作的AC周期内的某个位置。晶闸管导通时间的长度决定了实验炉的加热功率。导通角越大,导通时间越短,加热功率越小。如图9所示。3.5 PC软件部分

在实验过程中,收集的数据需要在PC上以图形形式实时显示,便于监控测试过程和进行数据分析。上位机主要负责实验数据的可视化显示和处理,便于观察材料测试过程。上位机部分主要包括实验数据实时显示和实验数据处理两部分。

3.5.1实验数据实时显示部分

上位机实验数据的实时显示部分主要是以直观,实时的方式观察实验数据。首先,根据网络协议与下位机串口(RS232)建立通信连接。实验开始后,上位机接收下位机收集的实验数据,然后根据实验数据的范围,根据实验数据的范围,在上位机的屏幕上实时显示。程序流程图如图4所示。

该程序的主要模块设计为:串行通信模块,数据接收和分析模块,绘图曲线模块和数据保存模块。串行通信模块使用MSComm控件。设置串口参数后,打开串口并与下位机建立通信连接。数据接收解析模块建立用于接收数据的缓冲区,然后根据通信协议中指定的帧格式解析数据。从接收的数据中提取有效且正确的实验数据,并以对象的形式存储在链表中。主要通过使用MFC类库中的绘图功能绘制曲线模块,并且根据合适的比率将存储在对象链表中的数据绘制成曲线图案。数据保存模块使用MFC中的序列化技术将对象链表中的数据保存为二进制文件。应该注意的是,该程序利用MFC编程中的消息传递和事件驱动技术来确保实时数据实时显示在屏幕上。此外,程序使用中间文件来确保当程序异常退出时实验数据不会丢失。

3.5.2实验数据处理部分

实验数据处理部分主要用于实验数据的观察,分析和计算。它主要包括以下模块:实验数据读取模块,实验数据处理模块和处理结果分析模块。实验数据读取模块主要将实时存储的二元实验数据读入存储对象,便于观察和处理实验数据;实验数据处理模块主要根据公式计算剪切应力,剪切速率和粘度。并将计算结果存储在数据库中;处理结果分析模块主要用于测试结果分析和曲线绘制,对存储在数据库中的计算结果进行条件查询。可以根据不同的条件查询计算结果,如相同的剪切应力条件,查询相同的样品处理结果,然后根据查询记录绘制曲线。4实验结果与分析

该实验在聚乙烯材料上进行。实验参数如下:毛细管长度为20 mm;毛细管直径为1毫米;载荷为60 kgf;温升是等温温度;初始温度为15.5°C;最终温度为200°C; °C /分钟。得到的实验结果和塑化曲线如图11所示。从图中可以看出,聚乙烯逐渐加热后,柱塞的下降曲线逐渐升高,聚乙烯逐渐软化并在加热炉中压实。 。当温度达到约120℃(图中的A)时,样品达到玻璃化。在温度改变之后,聚乙烯进入高弹性状态并开始在加热炉中膨胀。当温度达到约140°C(图中的B)时,柱塞下降位移曲线开始上升,样品达到熔化温度,然后聚乙烯进入粘性流动状态并从毛细管中挤出(C中的C部分)图)。

根据分析,聚乙烯软化直至达到A点;它在A点和B点之间处于扩展状态;它在BC部分处于熔融状态;并且它在C部分处于流动状态。因此,应理解聚乙烯的玻璃化转变温度为约120℃,熔融温度为约140℃。

5结论

本文介绍了毛细管流变仪的系统设计,详细介绍了设计的关键点和难点,并给出了实验结果。实验表明,所设计的系统操作简单,稳定性好,精度高,温控效果好,配备该系统的数据处理软件为用户分析实验结果提供了极大的便利。

摘录自:中国计量与测量网络

[关键词] AVR微控制器,毛细管流变仪,AOC官方网站,北京世纪奥克

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