专利名称：材料力学教学实验系统控制模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及控制模块技术领域，具体地说是一种材料力学教学实验系统控制模块。
背景技术：
用于材料力学教学实验当中的设备、仪器，大都为拉伸与压缩试验机、扭转试验机、弯曲试验台及万能材料试验机，以及应变仪、引伸仪和扭角仪。目前，随着科学技术的不断进步，上述各种实验设备的控制部分正在向数字控制方向发展。因不同的试验设备具有不同的试验功能，而控制其工作的数控模块，同样也是针对不同的试验功能而开发设计的，其在控制试验设备工作时具有用途单一的特点，即独立性较强、通用性较差。此种用途单一的控制模块须逐个根据不同的试验设备逐个研制开发，逐个与不同的试验设备配合使用，由此导致控制模块的研发成本较高、通用性较差以及综合教学操作繁琐的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供了一种材料力学教学实验系统控制模块，它与现有计算机配合使用，并与各种不同试验设备上的不同类型的传感器相连接，各种不同类型传感器的模拟和数字信号，均能够通过本发明进行处理、转换后供计算机处理、运算及显示实验结果，它能够解决现有技术存在的须根据试验机功能不同逐项研发而成本较高的问题，并且它还解决了现有技术存在的用途单一、通用性较差以及综合教学操作繁琐的问题。
本发明的目的通过以下技术方案实现材料力学教学实验系统控制模块，它有壳体1a，壳体1a内安装电路板2a，电路板2a上设置系统控制电路，系统控制电路中分别设置相互电路连接的集成块IC1-IC11及整流器Z，壳体1a上分别设置与集成块IC1-IC11及整流器Z相电路连接的接口AI0-7、AGND、DI0-1、DGND、VSS、GND和接口VCC、DO0-7、AO、RD、TD、GND、VOC。
为进一步实现本发明的目的，还可通过以下技术方案来完成集成块IC1型号CD4051，其为8路转换开关，从这里输入的信号通过集成块IC2型号ICL7650高精度、低漂移运算放大器放大，其增益由集成块IC3型号CD4051根据不同的输入信号进行相应的控制，放大后的信号由集成块IC4型号ADOP07有源低通滤波器滤波，滤波后的信号通过集成块IC5型号MAX195十六位A/D转换器转换成数字信号，再进入集成块IC6型号AT89C51单片机中，其在有关程序的支持下，将对相关数据进行相应的处理。集成块IC8型号AD7542的D/A转换器，经过集成块IC7型号ADOP07输出，其输出端接口AO与直流电机控制器相连接，用于控制直流伺服电机。集成块IC9、集成块IC10型号TLP521-4为光电隔离器，其输出端与步进电机控制器相连接，用于控制步进电机。集成块IC11型号MAX232把TTL电平转换为RS232电平，同时把RS232电平转换为TTL电平。
所述电路板上设置的系统控制电路中，集成块IC1脚13-15、脚12、脚1、脚5、脚2、脚4分别与接口AI0-7相接，IC1脚7接电源-5V、脚10接电源+5V、脚6及脚8短接后接地，IC1脚3接集成块IC2脚5，IC1脚9-11分别接集成块IC3脚9-11；集成块IC2脚1、脚8之间并联电容C01，IC2脚8、脚2之间并联电容C02，IC2脚7接电源-5V、脚11接电源+5V，IC2脚4串联电阻R02-01接IC2脚10，R02、R01节点接集成块IC3脚3，IC2脚10串联电阻R03-04接集成块IC4脚3；集成块IC3脚10接电源+5V、脚7接电源-5V，IC3脚8、脚6短接后接地，IC3脚13-15、脚12、脚1相互短接，IC3脚4-5、脚2、脚13分别串联电阻R06-09接地，接口AGND接地，IC3脚11-9分别接集成块IC6脚1-3；集成块IC4脚4接电源+5V、脚7接电源-5V，IC4脚2、脚6短接，IC4脚2-3之间并联电容C05，IC4脚6串联电阻R05接地、脚3串联电容C04接地，R03、R04节点串联电容C03接地，IC4脚6接集成块IC5脚13；集成块IC5脚4、脚10、脚16接电源+5V，IC5脚11、脚15接电源-5V，IC5脚2-3、脚5、脚7-8、脚9分别接集成块IC6脚30、脚5-7、脚4、脚8，IC5脚14接地、脚12串联电阻R31接地，同时，IC5脚12串联电阻R30-29接电源+5V，R30、R29节点接电源VOC，IC5脚6分别接接口DGND和地；集成块IC6脚31、脚40接电源+5V，IC6脚18、脚19之间并联晶振XAT1，同时，IC6脚18-19分别串联电容C07-08接地，IC6脚16、脚26-28、脚21-24分别接集成块IC8脚9、脚11、脚10、脚8、脚4-7，IC6脚32-35分别接集成块IC9脚7、脚5、脚3、脚1，IC6脚36-39分别接集成块IC10脚7、脚5、脚3、脚1，IC6脚14-15分别接接口DI1-DI0，IC6脚20、脚11-10分别接集成块IC 11脚15、脚10-9，同时，IC6脚20分别接接口GND和地；集成块IC7脚4接电源+5V、脚7接电源-5V，IC7输出脚接接口AO，同时，接口AO串联电阻R12接集成块IC8脚16、接口AO串联电容C06接集成块IC8脚1，IC7脚3接IC8脚1，IC7脚2分别接IC8脚2-3及地；集成块IC8脚14-15并联电阻R11，IC8脚15串联电阻R10接地、脚14接电源+5V、脚12接地；集成块IC9脚10、脚12、脚14、脚16以及集成块IC 10脚10、脚12、脚14、脚16相互短接，IC9脚9、脚8分别串联电阻R13-14接地，IC9脚11、脚6分别串联电阻R15-16接地，IC9脚13、脚4分别串联电阻R17-18接地，IC9脚15、脚2分别串联电阻R19-20接地；IC9脚9、脚11、脚13、脚15分别接接口DO7-4；集成块IC10脚9、脚8分别串联电阻R21-22接地，集成块IC10脚11、脚6分别串联电阻R23-24接地，集成块IC10脚13、脚4分别串联电阻R25-26接地，集成块IC10脚15、脚2分别串联电阻R27-28接地，IC 10脚9、脚11、脚13、脚15分别接接口DO3-0；集成块IC 11脚4-5之间并联电容C09，IC11脚3、脚1之间并联电容C10，IC11脚16、脚2之间并联电容C 11，IC 11脚2接电源+5V，IC11脚6串联电容C12接地，IC11脚7、脚8分别接接口RD、TD；接口GND分别接整流器Z和地，接口VSS、VCC分别接整流器Z，整流器Z上分别设置电源+5V及电源-5V。
本发明能够产生的有益效果本发明能够控制各种不同的教学试验机工作。它与现有计算机配合使用，并与各种不同的试验机上的不同类型的传感器相连接，其在工作时，一方面能够使试验人员在试验过程中根据需要设置试验时间，在设定的时间内，试验机则自动调节在不同试验阶段的运行速度，使试验机能够以最佳的运行速度自动完成实验的全部过程，从而使实验人员和学生能够方便地观察实验过程中材料的力学性能、读取有关的实验数据；同时，通过计算机能够实时显示试验中的载荷与变形曲线，自动处理和计算相关的实验数据，如各种载荷、应力和变形等。试验完成后，本发明能够根据载荷、变形等信息发出停机指令，使试验机自动停机，自动形成完整的实验报告。另一方面，在试验结束后，本发明能够将保存在计算机数据库中的实验数据以快速、较快速、中速、较慢速和慢速五种设定的速度真实再现整个实验过程，并能够随时控制打印机打印完整的实验报告。
本发明作为应变仪、引伸仪、扭角仪等仪器使用时，可以方便地与各种不同类型的传感器相连接，接受和处理不同的传感信号。同时，也能够通过接口与计算机连接，实现对各种不同位移、应变和转角变形的精确测定。
图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的电路原理图；图3为本发明应用在拉伸、压缩试验机及作为引伸仪使用的使用状态示意图；图4为本发明应用在弯曲试验机及作为应变仪使用的使用状态图；图5为本发明应用在扭转试验机及作为扭角仪使用的使用状态图。
具体实施例方式
本发明的材料力学教学实验系统控制模块，它有壳体1a，壳体1a内安装电路板2a，电路板2a上设置系统控制电路，系统控制电路中分别设置相互电路连接的集成块IC1-IC11及整流器Z，壳体1a上分别设置与集成块IC1-IC11及整流器Z相电路连接的接口AI0-7、AGND、DI0-1、DGND、VSS、GND和接口VCC、DO0-7、AO、RD、TD、GND、VOC。所述的集成块IC1型号CD4051，其为8路转换开关，从这里输入的信号通过集成块IC2型号ICL7650高精度、低漂移运算放大器放大，其增益由集成块IC3型号CD4051根据不同的输入信号进行相应的控制，放大后的信号由集成块IC4型号ADOP07有源低通滤波器滤波，滤波后的信号通过集成块IC5型号MAX195十六位A/D转换器转换成数字信号，再进入集成块IC6型号AT89C51单片机中，其在有关程序的支持下，将对相关数据进行相应的处理。集成块IC8型号AD7542的D/A转换器，经过集成块IC7型号ADOP07输出，其输出端接口AO与直流电机控制器相连接，用于控制直流伺服电机。集成块IC9、集成块IC10型号TLP521-4为光电隔离器，其输出端与步进电机控制器相连接，用于控制步进电机。集成块IC11型号MAX232把TTL电平转换为RS232电平，同时把RS232电平转换为TTL电平。所述电路板2a上设置的系统控制电路中，集成块IC 1脚13-15、脚12、脚1、脚5、脚2、脚4分别与接口AI0-7相接，IC1脚7接电源-5V、脚10接电源+5V、脚6及脚8短接后接地，IC1脚3接集成块IC2脚5，IC1脚9-11分别接集成块IC3脚9-11；集成块IC2脚1、脚8之间并联电容C01，IC2脚8、脚2之间并联电容C02，IC2脚7接电源-5V、脚11接电源+5V，IC2脚4串联电阻R02-01接IC2脚10，R02、R01节点接集成块IC3脚3，IC2脚10串联电阻R03-04接集成块IC4脚3；集成块IC3脚10接电源+5V、脚7接电源-5V，IC3脚8、脚6短接后接地，IC3脚13-15、脚12、脚1相互短接，IC3脚4-5、脚2、脚13分别串联电阻R06-09接地，接口AGND接地，IC3脚11-9分别接集成块IC6脚1-3；集成块IC4脚4接电源+5V、脚7接电源-5V，IC4脚2、脚6短接，IC4脚2-3之间并联电容C05，IC4脚6串联电阻R05接地、脚3串联电容C04接地，R03、R04节点串联电容C03接地，IC4脚6接集成块IC5脚13；集成块IC5脚4、脚10、脚16接电源+5V，IC5脚11、脚15接电源-5V，IC5脚2-3、脚5、脚7-8、脚9分别接集成块IC6脚30、脚5-7、脚4、脚8，IC5脚14接地、脚12串联电阻R31接地，同时，IC5脚12串联电阻R30-29接电源+5V，R30、R29节点接电源VOC，IC5脚6分别接接口DGND和地；集成块IC6脚31、脚40接电源+5V，IC6脚18、脚19之间并联晶振XAT1，同时，IC6脚18-19分别串联电容C07-08接地，IC6脚16、脚26-28、脚21-24分别接集成块IC8脚9、脚11、脚10、脚8、脚4-7，IC6脚32-35分别接集成块IC9脚7、脚5、脚3、脚1，IC6脚36-39分别接集成块IC10脚7、脚5、脚3、脚1，IC6脚14-15分别接接口DI1-DI0，IC6脚20、脚11-10分别接集成块IC 11脚15、脚10-9，同时，IC6脚20分别接接口GND和地；
集成块IC7脚4接电源+5V、脚7接电源-5V，IC7输出脚接接口AO，同时，接口AO串联电阻R12接集成块IC8脚16、接口AO串联电容C06接集成块IC8脚1，IC7脚3接IC8脚1，IC7脚2分别接IC8脚2-3及地；集成块IC8脚14-15并联电阻R11，IC8脚15串联电阻R10接地、脚14接电源+5V、脚12接地；集成块IC9脚10、脚12、脚14、脚16以及集成块IC10脚10、脚12、脚14、脚16相互短接，IC9脚9、脚8分别串联电阻R13-14接地，IC9脚11、脚6分别串联电阻R15-16接地，IC9脚13、脚4分别串联电阻R17-18接地，IC9脚15、脚2分别串联电阻R19-20接地；IC9脚9、脚11、脚13、脚15分别接接口DO7-4；集成块IC10脚9、脚8分别串联电阻R21-22接地，集成块IC10脚11、脚6分别串联电阻R23-24接地，集成块IC10脚13、脚4分别串联电阻R25-26接地，集成块IC10脚15、脚2分别串联电阻R27-28接地，IC10脚9、脚11、脚13、脚15分别接接口DO3-0；集成块IC11脚4-5之间并联电容C09，IC11脚3、脚1之间并联电容C 10，IC 11脚16、脚2之间并联电容C11，IC11脚2接电源+5V，IC11脚6串联电容C12接地，IC11脚7、脚8分别接接口RD、TD；接口GND分别接整流器Z和地，接口VSS、VCC分别接整流器Z，整流器Z上分别设置电源+5V及电源-5V。
本发明应用于不同的材料力学试验机，如拉伸、压缩、扭转和弯曲试验机时，或者作为应变仪、引伸仪、扭角仪使用时，仅需要与不同试验机上的相应传感器相连接，在相应的实验软件的支持下，即可实现对不同材料力学教学实验机的自动化控制和作为仪器使用。
本发明的接口AI0-4为电阻应变仪信号接口或为扩展模拟信号接口，接口AI5-7分别为拉力或压力、扭矩及位移信号接口，接口DI0为光电信号接口，接口DI1为脉动信号接口，接口AGND、DGND和GND分别为模拟地、数字地和电源地接口，接口VSS、VCC为电源输出接口，接口VOC为比例电压输出接口；接口DO0-7分别为步进电机驱动控制接口；接口AO为直流伺服电机驱动器控制接口；接口RD、TD和GND分别为计算机串行接口。
实施例一、本发明应用于拉伸、压缩试验机和作为引伸仪使用a、对试件进行的拉伸试验拉压试验机10a上的高压油缸10推动活塞9向上运动，通过压力传感器8推动上工作台6和下工作台1一起向上运动。在进行拉伸试验时，装夹在上工作台6与主工作台4之间的拉伸试件5发生拉伸变形，此时，位移传感器7和压力传感器8分别将位移模拟量信号和拉力模拟量信号传送到本发明的控制模块KZ中。数据信号经集成块IC2运算放大器放大后，进入有源低通滤波器集成块IC3滤波，滤波后的信号通过集成块IC5型号MAX195十六位A/D转换器转换成数字信号，再进入集成块IC6型号AT89C51单片机中，集成块IC6在有关程序的技术下，将对有关数据进行相应的处理，再经过集成块IC11型号MAX232即TTL-RS232转换电路将信号传送到计算机中，计算机运算处理后最终将相关的实验数据传送到显示器上，显示相关的实验结果。
b、对试件进行压缩试验在进行压缩试验时，放置在下工作台1上的压缩试件2在主工作台4与下工作台1力作用下发生压缩变形，压缩试件2所受到的压力通过压力传感器8传送到本发明的控制模块KZ中，由计算机运算处理后，显示相关的实验结果。
c、作为引伸仪使用在试件处于拉伸的弹性变形阶段时，控制模块KZ也可以作为引伸仪单独使用，即仅测定拉伸试件在弹性变形时的伸长量、轴向线应变和拉压弹性模量，此时本发明的控制模块KZ的原理与拉伸试验时相同。
二、本发明应用于弯曲试验机(台)和作为应变仪使用在对材料进行弯曲试验时，加载系统在弯曲试验台19上的辅助梁17的中点施加载荷16，辅助梁17通过两个支座给试件18施加两个相等的横向载荷，从而使试件18发生纯弯曲变形。
本发明在弯曲试验台上作为应变仪使用时，应将控制模块KZ上的接口AI0、AI1、AI2、AI3和AI4分别与贴在试件18上的五个应变片11-15相连接，从该应变片接收的信号经过集成块IC1八路转换开关输入信号通过集成块IC2高精度、低漂移运算放大器放大后，进入集成块IC4有源低通滤波器滤波，滤波后的信号通过集成块IC5十六位A/D转换器转换成数字信号，再进入集成块IC6单片机中，集成块IC6单片机在有关程序的支持下，将对有关数据进行相应的处理，经该模块处理后，通过集成块IC11即TTL-RS232转换电路接口输入到计算机中，计算机在实验软件支持下，将处理运算后的实验数据显示在计算机屏幕上。
三、本发明应用于扭转试验机和作为扭角仪使用材料在扭转试验时，应将试件23装夹在扭转试验机28的固定夹头22和活动夹头24之间。电机27启动后，通过减速器25将动力传至活动夹头24，使试件23发生扭转变形。
实验过程中，从扭矩传感器21接收的扭矩模拟量信号经集成块IC2运算放大器放大后，进入有源低通滤波器集成块IC3滤波，滤波后的信号通过集成块IC5型号MAX195十六位A/D转换器转换成数字信号，再进入集成块IC6型号AT89C51单片机，集成块IC6在有关程序的支持下，将对有关数据进行相应的处理，再经过集成块IC11型号MAX232即TTL-RS232转换电路将信号传送到计算机中；从光电传感器26接收的电机27转速和试件23的扭转角度数字量信号直接输入到接口DI0并传送到集成块IC6型号AT89C51单片机中。所有模拟量和数字量信号经计算机运算处理后最终将相关的实验数据传送到显示器上，显示相关的实验结果。同时，计算机根据测得的电机27转速，按照实验要求，可以发出相应的指令，通过集成块IC6、集成块IC8D/A转换器和集成块IC7型号ADOP07输出，通过直流伺服电机控制器，调节电机27的转速，使试验机按照实验要求的速度运行。
交流电源220V可以不通过壳体1a上的接口直接与整流器Z相接。也可以通过壳体1a上的接口接入。整流器Z内设置的变压器为公知技术。
本发明所述技术方案不仅限于本实施例记载的实施方式，还可以有其它实施方式完成本发明的技术方案。
本发明未详细描述的技术部分均为公知技术。
权利要求
1.材料力学教学实验系统控制模块，它有壳体(1a)，壳体(1a)内安装电路板(2a)，电路板(2a)上设置系统控制电路，其特征在于系统控制电路中分别设置相互电路连接的集成块IC1-IC11及整流器Z，壳体(1a)上分别设置与集成块IC1-IC11及整流器Z相电路连接的接口AI0-7、AGND、DI0-1、DGND、VSS、GND和接口VCC、DO0-7、AO、RD、TD、GND、VOC。
2.根据权利要求1所述的材料力学教学实验系统控制模块，其特征在于集成块IC1型号CD4051，其为8路转换开关，从这里输入的信号通过集成块IC2型号ICL7650高精度、低漂移运算放大器放大，其增益由集成块IC3型号CD4051根据不同的输入信号进行相应的控制，放大后的信号由集成块IC4型号ADOP07有源低通滤波器滤波，滤波后的信号通过集成块IC5型号MAX195十六位A/D转换器转换成数字信号，再进入集成块IC6型号AT89C51单片机中，其在有关程序的支持下，将对相关数据进行相应的处理；集成块IC8型号AD7542的D/A转换器，经过集成块IC7型号ADOP07输出，其输出端接口AO与直流电机控制器相连接，用于控制直流伺服电机；集成块IC9、集成块IC10型号TLP521-4为光电隔离器，其输出端与步进电机控制器相连接，用于控制步进电机。集成块IC11型号MAX232把TTL电平转换为RS232电平，同时把RS232电平转换为TTL电平。
3.根据权利要求1或2所述的材料力学教学实验系统控制模块，其特征在于所述电路板(2a)上设置的系统控制电路中，集成块IC1脚13-15、脚12、脚1、脚5、脚2、脚4分别与接口AI0-7相接，IC1脚7接电源-5V、脚10接电源+5V、脚6及脚8短接后接地，IC1脚3接集成块IC2脚5，IC1脚9-11分别接集成块IC3脚9-11；集成块IC2脚1、脚8之间并联电容C01，IC2脚8、脚2之间并联电容C02，IC2脚7接电源-5V、脚11接电源+5V，IC2脚4串联电阻R02-01接IC2脚10，R02、R01节点接集成块IC3脚3，IC2脚10串联电阻R03-04接集成块IC4脚3；集成块IC3脚10接电源+5V、脚7接电源-5V，IC3脚8、脚6短接后接地，IC3脚13-15、脚12、脚1相互短接，IC3脚4-5、脚2、脚13分别串联电阻R06-09接地，接口AGND接地，IC3脚11-9分别接集成块IC6脚1-3；集成块IC4脚4接电源+5V、脚7接电源-5V，IC4脚2、脚6短接，IC4脚2-3之间并联电容C05，IC4脚6串联电阻R05接地、脚3串联电容C04接地，R03、R04节点串联电容C03接地，IC4脚6接集成块IC5脚13；集成块IC5脚4、脚10、脚16接电源+5V，IC5脚11、脚15接电源-5V，IC5脚2-3、脚5、脚7-8、脚9分别接集成块IC6脚30、脚5-7、脚4、脚8，IC5脚14接地、脚12串联电阻R31接地，同时，IC5脚12串联电阻R30-29接电源+5V，R30、R29节点接电源VOC，IC5脚6分别接接口DGND和地；集成块IC6脚31、脚40接电源+5V，IC6脚18、脚19之间并联晶振XAT1，同时，IC6脚18-19分别串联电容C07-08接地，IC6脚16、脚26-28、脚21-24分别接集成块IC8脚9、脚11、脚10、脚8、脚4-7，IC6脚32-35分别接集成块IC9脚7、脚5、脚3、脚1，IC6脚36-39分别接集成块IC10脚7、脚5、脚3、脚1，IC6脚14-15分别接接口DI1-DI0，IC6脚20、脚11-10分别接集成块IC11脚15、脚10-9，同时，IC6脚20分别接接口GND和地；集成块IC7脚4接电源+5V、脚7接电源-5V，IC7输出脚接接口AO，同时，接口AO串联电阻R12接集成块IC8脚16、接口AO串联电容C06接集成块IC8脚1，IC7脚3接IC8脚1，IC7脚2分别接IC8脚2-3及地；集成块IC8脚14-15并联电阻R11，IC8脚15串联电阻R10接地、脚14接电源+5V、脚12接地；集成块IC9脚10、脚12、脚14、脚16以及集成块IC10脚10、脚12、脚14、脚16相互短接，IC9脚9、脚8分别串联电阻R13-14接地，IC9脚11、脚6分别串联电阻R15-16接地，IC9脚13、脚4分别串联电阻R17-18接地，IC9脚15、脚2分别串联电阻R19-20接地；IC9脚9、脚11、脚13、脚15分别接接口DO7-4；集成块IC10脚9、脚8分别串联电阻R21-22接地，集成块IC10脚11、脚6分别串联电阻R23-24接地，集成块IC10脚13、脚4分别串联电阻R25-26接地，集成块IC10脚15、脚2分别串联电阻R27-28接地，IC10脚9、脚11、脚13、脚15分别接接口DO3-0；集成块IC11脚4-5之间并联电容C09，IC11脚3、脚1之间并联电容C10，IC11脚16、脚2之间并联电容C11，IC11脚2接电源+5V，IC11脚6串联电容C 12接地，IC11脚7、脚8分别接接口RD、TD；接口GND分别接整流器Z和地，接口VSS、VCC分别接整流器Z，整流器Z上分别设置电源+5V及电源-5V。
全文摘要
本发明提供了一种材料力学教学实验系统控制模块，它有壳体，壳体内安装电路板，电路板上设置系统控制电路，系统控制电路中分别设置相互电路连接的集成块IC1－IC11及整流器Z，壳体上分别设置与集成块IC1－IC11及整流器Z相电路连接的接口AI0－7、AGND、DI0－1、DGND、VSS、GND和接口VCC、DO0－7、AO、RD、TD、GND、VOC。本发明与现有计算机配合使用，并与各种不同试验设备上的不同类型的传感器相连接，它能够解决现有技术存在的须根据试验机功能不同逐项研发而成本较高的问题，并且它还解决了现有技术存在的用途单一、通用性较差以及综合教学操作繁琐的问题。
文档编号G08C19/00GK1808084SQ20051004536
公开日2006年7月26日 申请日期2005年12月15日 优先权日2005年12月15日
发明者付新春, 于忠芳, 李允志, 江潮, 宋连龙, 刘茂华 申请人:山东省机电学校