发布日期：2022-04-27 点击率：105
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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