發布日期：2022-04-27 點擊率：144
關鍵詞：橡膠；硫化；單片機；PID算法；針式打印機
1 概述
橡膠硫化儀是用于測量生橡膠受控加熱后變成熟橡膠的硫化時間、硫化速度及其它橡膠加工性能參數的測量儀器。該儀器是橡膠廠用于確定膠料配方、最佳硫化點和選擇合理硫化條件的必不可少的關鍵設備。
硫化儀主要有兩種形式：往復測量式和扭轉測量式。因為能保證比較完整的試樣，所以后者應用較多。國家標準GB／T 9869－1997(圓盤振蕩硫化儀法)指出了控溫范圍、記錄硫化曲線(轉矩－時間曲線)的量程，以及從曲線上獲得的剪切值、時間值等9項膠料常數的方法。
國內外有一些公司生產硫化儀，競爭比較激烈。帶有高性能微機和觸摸屏的硫化儀也在國內外有探討和研究，但是在關鍵的性能價格比上總不能令人滿意。
筆者設計的硫化儀微機系統，主要考慮了如下幾點：
A保證了測試技術指標符合國家標準；
B遵循軟件代替硬件的原則；
C含微機在內的全電路系統造價低；
D減少按鍵，實現實驗過程全程自動化；
E用彩色液晶屏進行顯示，實現了曲線與測試結果圖文并茂的效果；
F用單片機驅動24針打印機輸出數據、曲線及測試結果；
G曲線存儲于RAM中，且掉電不丟失，允許在液晶屏上重新恢復曲線；
基于以上特點的硫化儀具有很高的性能價格比。
2 硫化儀整機工作原理簡述
將生橡膠試塊連同一個圓盤轉子放到恒溫狀態下的模腔內，通過安裝在電機出軸上的偏心輪、連桿及傳感梁使轉子擺動，擺動角度為?1.5?。利用應變橋測出轉子的轉矩，可以獲得轉矩——時間曲線，這就是硫化曲線。它代表了橡膠硫化時間和機械可加工性能。
模腔恒溫精度?0.3℃，外施壓力11 kN。整機機械結構示意圖見圖2—1。
在電路方面，考慮到硫化儀功能復雜，要求測量精度高，所以選擇美國INTEL公司的80C196單片機。硫化儀還選用了顯示效果良好的彩色液晶屏，完成人機交互及各種界面顯示。硫化儀選用EPSON公司的24針打印機取代微打，完成曲線及實驗結果的打印。微機電路框圖見圖2—2。
3 儀器的軟件方案
傳統的硫化儀溫度控制模塊與其它電路分開，這樣必須在兩套系統間實現通訊，從而使硬件設計復雜化，增加了成本。該儀器采用的16位單片機速度快、功能強，采用分時復用的方法即可克服上述缺點，能夠實現整機的自動操作。軟件主程序流程見圖3—1。
4 溫度的自動控制
電爐為純滯后系統，控制算法為經過優化的數字PID算法。測溫傳感器選用熱電偶，溫度控制周期一般為20～35 s，通過控制加熱爐的通電時間實現控制溫度。
4.1 溫度控制算法
系統采用“擴充相應曲線法(飛升曲線法)＋歸一參數整定法 超限全控制”來控制升溫和恒溫。設n0為上個控制周期的控制常數，n1為本次控制周期的控制常數。則有：
其中需要整定4個常數：采樣周期T、比例常數Kp、積分常數KI和微分常數KD。式中e0、e1和e2分別為溫度設定值與3個連續溫度采樣值之差。可利用飛升曲線對控制周期T、Kp、KI和KD進行整定。
4.2 溫度控制方案
將一個控制周期T分為N份，在T 秒內電爐開啟n次(n=0～N)。n為微機輸出的控制量，上下爐各有一個控制量，每T 秒更新一次n。在一個周期T內，微機共進行5次A／D轉換，進行數字濾波之后通過PID算法計算出n值。該值為下一個控制周期所用。在一個控制周期內，一方面進行A／D轉換、PID運算，另一方面在定時器T1中斷子程序中控制開啟或關閉電爐。實踐證明，這種溫度控制方法恒溫精度高(150℃?0.3℃)，進入恒溫之前的時間較短，而且容易實現單片機編程。
5 曲線的自動打印輸出
當前大多數硫化儀都是采用繪圖儀或微型打印機輸出曲線及數據，其中繪圖儀價格比較貴，微型打印機又受尺寸大小的限制，均不能滿足硫化儀的要求。筆者嘗試了單片機與24針打印機的接口及程序設計，使硫化儀具有更好的打印效果，并提高了性能價格比。
5.1 單片機與針式打印機的硬件接口
80C196單片機與LQ－300K打印機接口示意圖見圖5—1。
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