用于霍普金森压杆实验的智能测速仪的制作方法

本发明涉及速度测量装置技术领域，尤其涉及一种用于霍普金森压杆实验的智能测速仪。

背景技术：

霍普金森压杆实验是测试多种材料在高应变率下力学响应的一种行之有效方法，其中对压缩气枪发射出撞击杆的速度测试是该试验中的一项重要测试内容。对撞击杆速度的测量采用平行光源测速法，如图 1 所示，在发射管与入射杆之间装有一个平行激光光源，用来发射与接收激光信号，两个光源之间的间距是可设定和测量的，当撞击杆经过平行光源时，会遮挡住光信号而产生一定宽度的脉冲信号，据此可测出撞击杆通过平行光源的时间，即可求出撞击杆的撞击速度。

目前已有的霍普金森压杆实验装置测速仪器存在如下缺点：启动、停止计时信号脉冲整形电路采用集成比较器构成，带宽不够，所产生的脉冲上升时间过长，导致测试仪计数电路触发不可靠；测时仪没有计算功能，只具有计时功能，不能直接计算并显示撞击杆速度；显示器为数码管，只能显示数字，无法显示复杂的仪器状态、操作提示信息，造成操作不便，也不能实现仪器自检和故障定位功能；无法实现测试数据的自动存储及上传，每一次测试都需要操作人员记录测试数据，计算弹丸速度，然后人工输入计算机进行存档；计时电路采用74系列小规模集成电路组成，导致PCB板尺寸大，计数频率低，抗干扰能力差，计数逻辑容易出现问题，计时逻辑电路拓扑无法修改，电路功能无法实现升级；激光发射管老化快，更换频繁；如图1所示，测时仪与数据处理系统之间没有通信接口，无法实现霍普金森压杆实验自动化。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于霍普金森压杆实验的智能测速仪，所述测速仪可实现测试控制、结果显示、数据存储、距离设置、远端操作、测试数据传输等功能，提高霍普金森压杆实验的自动化水平和测试效率，大大减轻测试人员的工作量。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种用于霍普金森压杆实验的智能测速仪，其特征在于：包括5V电源模块、激光发射管电源电路、两个激光发射管、启动光电接收管、停止光电接收管、脉冲整形电路、计数逻辑电路、微控制器、按键电路、显示电路和接口模块，所述电源模块的输出端分为两路，第一路与所述激光发射管电源电路的电源输入端连接，第二路与激光发射管之外的模块的电源输入端连接，用于为其提供工作电源；所述激光发射管电源电路的电源输入端与所述激光发射管的电源输入端连接，用于为所述激光发射管提供工作电源；一个激光发射管与启动光电接收管相对应，另一个激光发射管与停止光电接收管相对应；所述光电接收管用于接收激光发射管发射的激光信号；所述光电接收管的信号输入端与所述脉冲整形电路的信号输入端连接，所述脉冲整形电路的信号输出端与所述计数逻辑电路的输入端连接；晶体振荡器为所述计数逻辑电路提供工作时钟；所述按键电路与所述计数逻辑电路的信号输入端连接，用于输入控制命令；所述计数逻辑电路与微控制器之间双向连接；所述显示电路与所述微控制器的信号输出端连接，用于显示微控制器输出的数据；所述接收模块与所述微控制器双向连接，用于将所述测速仪与数据采集处理系统连接到一起，进行数据的交互。

进一步的技术方案在于：所述激光发射管电源电路包括二极管D1-D2和电阻R，所述二极管D1的正极接+5V电源，所述二极管D1的负极与所述二极管D2的正极连接，所述二极管D2的负极经所述电阻R与所述激光发射管的电源输入端连接。

进一步的技术方案在于：脉冲整形电路包括两个结构相同的脉冲整形模块，电阻R1与电阻R2的结点为所述脉冲整形模块的信号输入端，所述脉冲整形模块的一个信号输入端与其中的一个所述光电接收管的集电极连接，该光电接收管的发射极接地，电阻R1的另一端接+5V电源，电阻R2的另一端接地，所述电阻R1与电阻R2的结点与三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极接+5V电源，所述三极管Q1的发射极分为两路，第一路经电阻R3接地，第二路与三极管Q2的基极连接，电阻R4的一端接+5V电源，电阻R4的另一端分为两路，第一路与三极管Q3的基极连接，第二路与三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的发射极经电阻R5接地；所述三极管Q3的集电极分为两路，第一路与+5V电源连接，第二路经电容C10接地；三极管Q3的发射极分为两路，一路与所述脉冲整形模块的信号输出端，另一路经电阻R6接地。

进一步的技术方案在于：所述计数逻辑电路包括启动停止逻辑电路、20位加法计数器、8位加法计数器、停止计数中断逻辑电路、启动停止状态锁存器、计数器Q19-Q16锁存器、计数器Q15-Q8锁存器、计数器Q7-Q0锁存器、自检计数器Q7-Q0锁存器、按键状态锁存器、输出选择逻辑电路和输出多路选择器；所述启动停止逻辑电路的输入端与所述脉冲整形电路的输出端连接，所述启动停止逻辑电路的启动信号输出端分为两路，第一路与所述20位加法计数器的输入端连接，第二路与所述启动停止状态锁存器的输入端连接；所述启动停止逻辑电路的停止信号输出端分为三路，第一路与20位加法计数器的输入端连接，第二路与启动停止状态锁存器的输入端连接，第三路与停止计数中断逻辑电路的输入端连接，所述停止计数中断逻辑电路的输出端为中断信号输出端；所述启动停止状态锁存器的输出端与所述输出多路选择器的一个输入端连接；时钟信号分别与所述20位加法计数器以及8位加法计数器的输入端连接，清零信号分别与所述20位加法计数器以及8位加法计数器的输入端连接，自检信号与所述8位加法计数器的输入端连接；所述20位加法计数器的三个输出端分别经所述计数器Q19-Q16锁存器、计数器Q15-Q19锁存器、计数器Q7-Q0锁存器与所述输出多路选择器的三个信号输入端连接；8位加法计数器的输出端经所述自检计数器Q7-Q0锁存器与所述输出多路选择器的输入端连接，按键电路的输出端与所述按键状态锁存器的输入端连接，所述按键状态锁存器的输出端与所述输出多路选择器的输入端连接，微控制器的输出端经所述输出选择逻辑电路与所述输出多路选择器的输入端连接，所述输出多路选择器的输出端与所述微控制器的信号输入端连接。

进一步的技术方案在于：所述计数逻辑电路使用7474带置位复位正触发双D触发器构成启动停止逻辑电路。

进一步的技术方案在于：所述微控制器使用STC89C52RC型单片机。

进一步的技术方案在于：所述接口模块为串行通信接口模块。

进一步的技术方案在于：所述串行通信接口模块为RS232接口模块。

进一步的技术方案在于：所述RS232接口模块使用MAX3232型芯片。

进一步的技术方案在于：所述显示电路使用LCD1602型液晶显示模块。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述测速仪通过设置数据采集模块以及输出传输模块，可实现测试控制、结果显示、数据存储、距离设置、远端操作、测试数据传输等功能，提高霍普金森压杆实验的自动化水平和测试效率，大大减轻测试人员的工作量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是现有技术中霍普金森压杆实验装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中所述测速仪的原理框图；

图3是本发明实施例中激光电源电路的原理图；

图4是本发明实施例中脉冲整形电路的原理图；

图5是本发明实施例中计数逻辑电路的原理图；

图6是本发明实施例中启动、停止逻辑电路的原理图；

图7是本发明实施例中微控制器、显示电路与接口电的原理图；

图8是本发明实施例中测速主程序流程图；

图9是本发明实施例中测速子程序流程图；

图10是本发明实施例中测速仪的主菜单界面图；

图11是本发明实施例中测速仪的等待测试界面图；

图12是本发明实施例中测速仪的距离设定界面图；

图13是本发明实施例中测速仪上位机调试软件主界面图；

图14是本发明实施例中测速仪测电子标签读出界面图；

图15是本发明实施例中测速仪测速距离读出界面图；

图16是本发明实施例中测速仪测速距离上位机设定界面图；

图17是本发明实施例中测速仪测单次计时启动界面图；

图18是本发明实施例中测速仪测16次高速计时启动界面图；

其中：1、压缩气枪 2、撞击杆3、平行光源4、入射杆5、试件6、透射杆7、吸收杆8、阻尼器9、电阻应变计。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

总体的，如图2所示，本发明实施例公开了一种用于霍普金森压杆实验的智能测速仪，包括5V电源模块、激光发射管电源电路、两个激光发射管、启动光电接收管、停止光电接收管、脉冲整形电路、计数逻辑电路、微控制器、按键电路、显示电路和接口模块。所述电源模块的输出端分为两路，第一路与所述激光发射管电源电路的电源输入端连接，第二路与激光发射管之外的模块的电源输入端连接，用于为其提供工作电源；所述激光发射管电源电路的电源输入端与所述激光发射管的电源输入端连接，用于为所述激光发射管提供工作电源；一个激光发射管与启动光电接收管相对应，另一个激光发射管与停止光电接收管相对应；所述光电接收管用于接收激光发射管发射的激光信号；所述光电接收管的信号输入端与所述脉冲整形电路的信号输入端连接，所述脉冲整形电路的信号输出端与所述计数逻辑电路的输入端连接；晶体振荡器为所述计数逻辑电路提供工作时钟；所述按键电路与所述计数逻辑电路的信号输入端连接，用于输入控制命令；所述计数逻辑电路与微控制器之间双向连接；所述显示电路与所述微控制器的信号输出端连接，用于显示微控制器输出的数据；所述接收模块与所述微控制器双向连接，用于将所述测速仪与数据采集处理系统连接到一起，进行数据的交互。

所述测速仪是一个由微控制器统一协调控制进行工作的嵌入式测试系统，不仅可以实现测试控制、结果显示功能，而且可以实现数据存储、间距设置，远端操作、测试数据传输等功能，大大提高了实验的自动化程度。

激光发射管的外径为6mm，波长为650nm，功率5mW。在实际应用中，如果激光发射管直接连接5V电源，会造成激光发射管流过的电流过大，老化速度加快，发射出的激光束亮度很快降低，导致接收电路不能正确接收光信号，特设计了图3所示的激光发射管电源电路。所述激光发射管电源电路包括二极管D1-D2和电阻R，所述二极管D1的正极接+5V电源，所述二极管D1的负极与所述二极管D2的正极连接，所述二极管D2的负极经所述电阻R与所述激光发射管的电源输入端连接。该电路采用了2个串联的1N4148二极管对5V电源进行降压，然后在电路中串联一个1/4W的100欧姆电阻，使得流过激光发射管的电流被限制在10~12mA，即满足了激光束亮度的要求，又将激光发射管的累计工作时间延长。

脉冲整形电路包括两个结构相同的脉冲整形模块，如图4所示，电阻R1与电阻R2的结点为所述脉冲整形模块的信号输入端，所述脉冲整形模块的一个信号输入端与其中的一个所述光电接收管的集电极连接，该光电接收管的发射极接地，电阻R1的另一端接+5V电源，电阻R2的另一端接地，所述电阻R1与电阻R2的结点与三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极接+5V电源，所述三极管Q1的发射极分为两路，第一路经电阻R3接地，第二路与三极管Q2的基极连接，电阻R4的一端接+5V电源，电阻R4的另一端分为两路，第一路与三极管Q3的基极连接，第二路与三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的发射极经电阻R5接地；所述三极管Q3的集电极分为两路，第一路与+5V电源连接，第二路经电容C10接地；三极管Q3的发射极分为两路，一路与所述脉冲整形模块的信号输出端，另一路经电阻R6接地。

启动、停止光电接收管为光电三极管，型号为PT334-6C，直径5mm，工作光谱范围为400~1100nm，940nm时为其灵敏度峰值。脉冲整形电路主要用于将光电接收管产生的峰值约为2.4V的光电脉冲信号整形为TTL电平信号，将其变为启动计数器工作的“启动”和“停止”信号。其工作原理为，当光电三极管Q0受到激光束照射时，Q0导通，此时Q1的b极电平为0.4V，Q1截止，Q2的b极为0V，Q2也处于截止态，于是Q3的b极处于高电平，Q3饱和导通，Q3的发射极输出约为4.2V的高电平；当激光束被撞击杆挡住后，Q0截止，Q1的b极电平变为2.4V，此时Q1导通，Q2也处于导通态，Q2的c极电平约为0.4V，Q3处于截止态，Q3的发射极输出0V的低电平。在此电路中，Q1和Q2起到了比较器的作用，阈值约为1.2V，而Q3起到了射极跟随器的作用。该测试仪的脉冲整形电路与图1的实验装置相比，该电路的主要特点是结构简单，舍弃了放大器电路，与超高速集成电路比较器相比，带宽可以达到150MHz，但成本要低廉的多。

如图5所示，所述计数逻辑电路包括启动停止逻辑电路、20位加法计数器、8位加法计数器、停止计数中断逻辑电路、启动停止状态锁存器、计数器Q19-Q16锁存器、计数器Q15-Q8锁存器、计数器Q7-Q0锁存器、自检计数器Q7-Q0锁存器、按键状态锁存器、输出选择逻辑电路和输出多路选择器；所述启动停止逻辑电路的输入端与所述脉冲整形电路的输出端连接，所述启动停止逻辑电路的启动信号输出端分为两路，第一路与所述20位加法计数器的输入端连接，第二路与所述启动停止状态锁存器的输入端连接；所述启动停止逻辑电路的停止信号输出端分为三路，第一路与20位加法计数器的输入端连接，第二路与启动停止状态锁存器的输入端连接，第三路与停止计数中断逻辑电路的输入端连接，所述停止计数中断逻辑电路的输出端为中断信号输出端；所述启动停止状态锁存器的输出端与所述输出多路选择器的一个输入端连接；时钟信号分别与所述20位加法计数器以及8位加法计数器的输入端连接，清零信号分别与所述20位加法计数器以及8位加法计数器的输入端连接，自检信号与所述8位加法计数器的输入端连接；所述20位加法计数器的三个输出端分别经所述计数器Q19-Q16锁存器、计数器Q15-Q8锁存器、计数器Q7-Q0锁存器与所述输出多路选择器的三个信号输入端连接；8位加法计数器的输出端经所述自检计数器Q7-Q0锁存器与所述输出多路选择器的输入端连接，按键电路的输出端与所述按键状态锁存器的输入端连接，所述按键状态锁存器的输出端与所述输出多路选择器的输入端连接，微控制器的输出端经所述输出选择逻辑电路与所述输出多路选择器的输入端连接，所述输出多路选择器的输出端与所述微控制器的信号输入端连接。

计数逻辑电路由外形尺寸约为30mm×30mm×2mm的可编程逻辑芯片编程实现，型号为MAX7128S，计数时钟信号最高可达150MHz； MAX7128S编程基于QuartusII9.0软件实现，编程语言为VHDL，编程文件利用JTAG接口ISP下载，功能升级十分方便；所设计的计数逻辑电路结构如图5所示，如果采用74系列TTL集成电路构成相同功能的计数逻辑电路，不仅电路结构一旦确定就无法改变，而且PCB尺寸很大，连接线长度较长，计数时钟信号最高不能超过20MHz。

计数逻辑电路的输入有脉冲整形电路输出的启动、停止信号，10MHz晶体振荡器输入的时钟信号，微控制器输入的清零、自检、输出选通逻辑控制信号（P2.4~P2.0），3个按键信号，输出有停止计数中断信号（INT0）、P0.7~P0.0数据总线信号。

计数逻辑电路主要包括6部分：主计数器，主要包括启动停止逻辑电路、20位加法计数器，其中启动停止逻辑电路是一个不可重复触发的触发器电路（图6），可将启动、停止脉冲信号变为Start、Stop逻辑状态信号，而且停止脉冲触发受控于Start计数逻辑状态信号，防止了20位加法计数器误计数和重复计数；8位自检加法计数器，自检信号为其使能信号，当自检信号有效，则可对10MHz的时钟信号从0开始连续计数，直至0XFF停止，用于在测试前检验10MHz时钟信号是否正常；停止计数中断电路，主要用于当Stop信号有效时，产生INT0信号输出给微控制器，使之进入中断程序，准备读取主计数器的计数值；输出选通逻辑电路及多路选择器用于解决微控制器对计数逻辑电路输出锁存器的分时读取问题；Start、Stop状态锁存器主要用于微控制器将Start、Stop状态读出，判断计数过程是否有效，而非计数器故障；按键状态锁存器用于存储3个按键的“按下”或“断开”状态，用于微控制器扫描键盘，解决了其IO口不足的问题。

进一步的，如图6所示，所述计数逻辑电路使用7474带置位复位正触发双D触发器构成启动停止逻辑电路。

测速仪的微控制器、显示及接口部分主要由STC89C52RC、MAX3232、LCD1602构成（如图7所示）。微控制器STC89C52RC采用11.0592MHz晶振，以确保RS232通信速率9600bps准确，保障RS232数据高可靠性传输；MAX3232完成串行通信的TTL电平向RS232电平转换，然后与上位机的RS232接口相连接；LCD1602是常用的2行16字符液晶显示器，自带显示芯片，数据接口线D0~D7与STC89C52RC的P1.0~P1.7口相连，控制线LCD_RS、LCD_RW、LCD_EP分别受控于P3.3、P3.5、P4.0。

测速仪工作软件基于Keil C51开发，其程序主框图如图8所示。根据主框图可知，程序启动运行初始化完成后，会对主计数器和自检计数器进行自检，如果自检不通过，则显示错误；如果自检通过，则进入按键扫描程序，根据返回的键码执行测速程序或者是设定测速距离子程序，执行完后返回主程序；如果按键没有按下，则判断是否发生了串行中断，即上位机是否发送了命令；如果发生了串行中断，则根据上位机的命令码来执行相应的子程序，如单次或多次测速、测速距离设定、测速距离上传、电子标签上传，执行完毕后返回主程序，如果执行软件复位，则系统自动从程序起点开始执行。

测速仪电子标签是存储在STC89C52RC的EEPROM区域中特定信息，包含了仪器类型、软件版本、知识产权等信息，STC89C52RC可以将其读出并上传至上位机；在多次测速中，程序会每次将所测数据自动暂存在微处理器STC89C52RC的RAM中，在测试完成后，将其中数据重新读出后上传或存入STC89C52RC的EEROM中，以防掉电后丢失。

测速子程序程序框图如图9所示。在测速过程中，首先将主计数器、启动停止逻辑电路清零，然后打开外部中断INT0，当主计数器计数结束后，INT0中断响应，则首先读入Start、Stop锁存器状态值，如果二者均为“1”，则说明本次测试有效，否则显示测试错误；如果测试有效，则读入主计数器的计数值，并根据设定测速距离计算出压杆速度，然后主计数器计数值发送至上位机，并在LCD显示器显示测速结果。

上位机软件以Windows XP为操作平台，利用虚拟仪器开发软件LabWindows/CVI开发而成，主要是利用RS232接口函数对测速仪进行控制，可以完成电子标签读入、单次测速启动、测试距离设置、测试距离读出、多次测速启动，并能对测速结果进行显示和初步分析。

所述测速仪主要特点如下：

LCD显示界面简洁，操作提示明确，可同时显示测试时间值及速度值；可手动设置测速段距离，设置范围为1~999 mm，分辨率为1 mm，默认50mm；时间测试范围为0.1~99999.9 us（0.1s），分辨率为±0.1 us，速度分辨率为±0.01 m/s；具有串行通信接口，可根据用户需求设计上位机控制软件控制测试过程；供电电源为AC220V，工作温度-10~40 ℃。

所述测速仪正面面板有电源开关、复位按钮，3个操作按键（“确定”、“+”、“-”），LCD显示器；背面面板有220V电源插座，串口通信插座，2个激光发射管电源输出BNC插座，1个启动信号BNC插座，1个停止信号BNC插座。

测试过程具体如下：

一.准备工作

（1）在仪器后面板利用电源线将AC220V电源接入仪器；

（2）通过BNC电缆，将后面板的2个激光电源BNC插座引出至激光发射组件；

（3）通过BNC电缆，将激光接收组件所对应的“启动”和“停止”信号从后面板BNC插座引入测速仪。

二、操作使用方法

1、按下面板上的电源按钮，LCD显示屏显示

“Welcome”

“Time Test V1.0”

如果开机自检错误，则显示

“Error01”

“Reset or Check! ”

此时应该重新启动仪器，如果再次出现同样的错误，则说明仪器有故障，请送回检修。

2、自检成功后，显示主菜单（如图10所示）。

“1.Test time”

“2.Set Distance”

此时光标会停在菜单1上，如果选择菜单1，则按下“确定”按钮即可，则仪器开始处于测试状态，如图10所示。

测试完毕后，界面会显示测试结果，例如：

“t=70.5us”

“ v=141.68m/s”

3、 如果需要选择菜单2，则按下“+”按钮，光标自动下移，并再按下确定按钮，仪器执行距离设定程序，显示图11界面。

仪器可以设定的距离范围为1~999 mm。如图12所示，现在光标在百位数，可以不断按下“+”或“-”键调整数字，直至满意为止，按下“确定”键后，光标移至十位数，与百位数调整方法相同。当调整完个位数后，按下“确定”键，会在界面上提示用户所设定的距离值，然后返回图10所示的主界面。

三、基于RS232串口的上位机遥控使用方法

1. 将上位机与测速仪之间用串行通信线连接后，启动上位机程序，出现如图13所示界面。

2.点击“读电子标签”按钮，会将测速仪内部存储的电子标签读出，并在相应的控件中显示出来，如图14所示。测速仪传输完毕后，LCD显示器显示“E-Label ->PC”，“RS232 TX End！”。利用读出的电子标签，操作人员可以立即确定测速仪的批号，软件版本号，软件下载的时间等信息，非常便于测速仪的维护。

3.点击“MCU－>PC”按钮，可以将测速仪当前所设定的测速距离值读出，如图15所示，下位机设定的测速距离为40mm。传输完毕后，测速仪的LCD显示器显示：“Distance －>PC”,“RS232 TX End！”。

4.点击“PC－>MCU”按钮，可以将其右侧的距离设定值下传测速仪当前所设定的测速距离值读出，如图16所示。传输完毕后，测速仪的LCD显示器显示：“Distance －>MCU”,“d = 50mm ”。

5.点击“单次计时启动”按钮，启动测速仪工作，测速完成后，上位机接收到测速仪发送来的计时结果，并在相应的控件显示出来，如图17所示。传输完毕后，测速仪的LCD显示器显示：“RS232 TX End！”,“Count num = 1 ”。

6.点击“16次高速计时启动”按钮，启动测速仪工作，测速完成后，上位机接收到测速仪发送来16次计时结果，并在相应的控件显示出来，如图18所示。传输完毕后，测速仪的LCD显示器显示：“High_Vel Count ”“RS232 TX End！”。由高速计时启动界面可知，本次16次计时的平均值、方差、最大值和最小值。