弹性体碰撞.doc

目录摘要1第一章 概述 21.1 弹性体碰撞的定义21.2 弹性体碰撞模型21.3 弹性体打击的测量方法的现状41.4 本章小结5第二章 总体设计62.1 钢球与平板的碰撞装置62.2 测量系统设计72.3 本章小结7第三章 硬件设计83.1 测量系统的电路设计组成83.2 测量系统各部分设计83.3 本章小结12第四章 软件设计134.1 编程思路 134.2 主程序 134.3 中断服务程序 144.4 清零和程序出错处理 184.5 本章小结 18第五章 结论195.1 本实验设计的基础 195.2 本实验设计的功用 195.3 本实验设计的不足 1924 / 25附件20参考文献27致谢28 . 中文摘要弹性体的打击（碰撞）是一种常见的物理现象，力学界对这一课题已经作出了重要的理论研究。由于打击过程进行很快，而且打击力变化比较复杂，因此，打击时间的正确测定显得有所困难，然而精密测定打击时间是研究打击现象的重要工作，对材料物性及材料结构的研究，有着十分重要的应用价值。本文从弹性力学理论出发，设计弹性体打击的模型，提出了运用MCS-51微处理器精密测量弹性体打击时间的方法。该测量方法不需对被测材料进行采样切片，属于无损测量。关 键 词： 弹性体 打击时间 无损测量AbstractThe stroke of elastomer (collision) is a kind of familiar physical phenomenon. And the mechanics field has already done an important theories research to this topic. The stroke process carries on very quickly, and the variety of the stroke force, so it seems like having more difficulty to detect the stroke time accurately. However, the precise measurement of the stroke time, which has very important applied value to the research of the material is matter and structure, is the key job of studying the stroke phenomenon.This test sets out from the flexible mechanics theory, and it designs a stroke former of elastic body, and puts forward a usage to measure the stroke time precisely by microprocessor MCS-51. This is a kind of no waste measure.Keywords: Elastomer Stroke Time No Waste Measure第一章 概述1.1 弹性体碰撞的定义弹性力学是固体力学的重要分支，它研究弹性物体在外力和其它外界因素作用下产生的变形和内力，也称为弹性理论。弹性体是变形体的一种，它的特征为：在外力作用下物体变形，当外力不超过某一限度时，除去外力后物体即恢复原状。绝对弹性体是不存在的。物体在外力除去后的残余变形很小时，一般就把它当作弹性体处理。碰撞是一种瞬间物理过程, 碰撞时间极短, 它携带碰撞体的很多信息。精确测定碰撞时间不仅可加深对碰撞过程的认识, 而且可获得材料的一些力学性质, 对材料物性及材料表面缺陷的研究, 也有着很高的应用价值。弹性体的打击(又称为碰撞) 是一种常见的物理现象,力学界对这一课题已作了重要的理论研究【1】【1】弹性力学简明教程，徐芝纶，高等教育出版社，2002年8月第3版1】。由于弹性体打击时间的不同能反映材料物性及材料结构的特征,因此精密、准确地测量打击时间是研究材料物性及材料结构的重要手段之一。1.2 弹性体碰撞模型1.2.1接触压力由弹性接触理论可知,两球体接触压力P 与球心压缩距离之间的关系为【2】【2】弹性及弹性塑性介质中的冲击波，K.B 布洛贝，科学出版社,1981年4月2】： （1-1）式中:;( R1、R2 为两球半径, 1、2 和E1、E2 分别为两球材料的泊松比和杨氏模量) 。由式(1-1) 得接触压力为 （1-2）式中: 1.2.2两球体弹性碰撞时间两球体作对心弹性正碰撞,接触压力P 使两球减速运动,压缩到终了时刻,相对速度减小到零,这个过程叫压缩阶段; 随后两球开始恢复变形, 相对速度增大, 直至达到最大值, 此时两球分离, 这个过程叫恢复阶段。两球完全弹性正碰,碰撞时间为: （1-3）式中: Vr0 两球碰撞接近速度;M 两球的折合质量, , m1、m2 分别为两球的质量;n 。.1.2.3两球体非弹性碰撞时间实际上完全弹性碰撞是不存在的, 两球碰撞后球体的接触部分会留下一定的压痕, 即塑性变形, 因此,系统的机械能是不守恒的。试验表明: 若材料硬度高(即恢复系数K大) , 碰撞时间较短; 反之, 则结果相反。我们知道两球正碰除开始时刻为点接触,以后整个过程其接触面的周界近似为圆,显然在碰撞压缩过程中,接触点附近的材料受到的压应力较大,且愈靠近压痕中心的材料压应力愈大,愈早到达屈服极限。在恢复阶段,该区域材料仍按弹性规律恢复,因而留下塑性变形。在恢复阶段,两球相对速度从零变到Vr = KVr0 ,K为恢复系数,按照压缩阶段类似计算,恢复阶段所需时间为: （1-4）整个碰撞时间为: （1-5）由式（1-5）可知当完全弹性碰撞时，K=1，结果与式（1-4）相同。对于完全非弹性碰撞，K=0，则t=，这意味着两球粘在一起不分离。由式（1-5）可知，对于非弹性碰撞，其碰撞时间不但与两球的质量，半径，碰撞前相对速度有关外，还与材料的恢复系数有关【3】碰撞时间的定量计算，蔡振岩，大学物理，1982年第4期3】【4】弹性体打击时间的测定，邹丽新, 蔡振岩，杨诚成,苏州大学学报，1995年7月【5】非弹性碰撞法研究材料高温力学性能，杨诚成,杨勇,陶智. 苏州大学学报（自然科学版）, 1998年1月【3】-【5】。1.2.4球与平板的碰撞时间式（1-5）同样适用于球与平板的非弹性碰撞，只要将，为球与平板碰撞前的速度，其碰撞时间为： （1-6）式中: m 为球的重量; K为恢复系数; V0 为球与平板碰撞前的速度;且;.式中: R 为球的半径; 、 和、1 、2 与E1 、E2 分别为球与平板的泊松系数与杨氏模量。由式(1) 可直接得出:(1)球与平板打击时间的长短与球与平板的材质有着十分密切的关系;(2)同一个球与有缺陷的平板进行碰撞,由于弹性常数不同,如疏松夹杂或内部存在裂纹等,因此在碰撞中引起变形不同,对打击过程的影响将引起打击时间的差异。因此通过对打击时间的测量可以检测物体内部是否存在缺陷。1.3 弹性体打击的测量方法的现状弹性体的打击（碰撞）是一种常见的物理现象，力学界对这一课题已经作出了重要的理论研究。目前，国内外对金属材料的弹性碰撞的测定普遍采用动力学法【6】【6】大学物理实验，张立，上海交通大学出版社，1988年2月第1版，并且在此基础上加入了一些其他的辅助方法，如电测法【7】【7】材料力学，刘鸿文，高等教育出版社，1993年9月第3版，光测法【8】【8】无损检测，李喜孟，机械工业出版社，2004年7月 ，以及声测法【9】【9】超声检测，郑晖，中国劳动社会保障出版社，2008年5月等等，但上述的这些辅助方法均要对材料进行采样切片，对被测材料有一定破坏性，所以属于有损测量。1.4 本章小结金属材料内部的缺陷一般不易在其表面表现出来，通过一形变可以忽略不计的弹性体打击金属表面，并且通过测量其打击时间，间接反映金属材料内部的物性，从而检测出金属材料内部是否存在缺陷。本设计旨在研究一种可以利用测量弹性体碰撞时间，来反映金属材料内部物性状态的方法。属材料内部物性状态的方法。第二章 总体设计第二章 总体设计2.1 钢球与平板的碰撞装置钢球与平板的碰撞装置设计如图所示：图2-1 弹性体碰撞装置总体设计示意图由电磁铁来控制对小刚球的吸放，电磁铁工作电压为+24V，小刚球与金属板碰撞时间的测量过程如下：开始时钢球被电磁铁吸住，当硬件系统切断电磁铁的电源后，钢球从确定的高度自由下落至平板，小刚球与金属板之间的距离可以直接测出。控制系统对小刚球与金属板碰撞时间的测量精度为0.1s，在小刚球上焊接一段细铜丝，铜丝一端与硬件系统连接。金属板上也焊接一根导线与+5V电源连接，这样就能通过硬件系统测量出小刚球与金属板的碰撞时间。2.2测量系统设计测量系统由微处理器、计数器、键盘、显示器、打印接口和通信接口等组成,如图3所示,其中微处理器采用Atmel公司的AT89C512。系统框图如图所示：振荡器小球P1.X逻辑与门计数器单片机 AT89C51译码器时钟电路显示打印键盘振荡器小球P1.X逻辑与门计数器单片机 AT89C51译码器时钟电路显示打印键盘图2-2 碰撞时间测量系统的系统框图其测量过程如下:钢球受到电磁铁的吸引处于一定高度,由于下拉电阻R 的作用,钢球处于低电，禁止了10MHz振荡器信号进入计数器。当开始测量时,由P1.15送出信号切断电磁铁的电源,导致钢球自由下落至被测量的平板。由于平板与支点处于一个平面,所以可以认为钢球是正面打击平板。钢球与平板接触的瞬间,由于被测金属平板接上了系统的+ 5 V电源。因此,与门电路开锁,允许10MHz振荡器的信号进入计数器,并开始计数。钢球弹起时,钢球又处于低电平,计数器停止计数, CPU通过读取计数器的数据,就可得到打击时间。测量系统采用的振荡频率10MHz,其振荡周期为0.11s。因此,测量精度为0.11s。由于振荡器采用石英晶振，对测量精度的影响可以忽略不计,这样的设计确保了测量的准确性。2.3 本章小结本章主要介绍了小球与平板碰撞时间测量装置的总体设计和硬件组成，为测量弹性体碰撞时间实验做好基础。第三章 硬件设计3.1 测量系统的电路设计组成整个系统主要由三部分组成： 1. 电源和电磁铁 2. 系统部分：外部脉冲电路（石英晶振），计数器，AT89C51单片机,时钟电路，译码器，键盘 3. 显示和打印3.2 测量系统各部分设计3.2.1 电源和电磁铁的设计本部分使用两种电源：+5V和+24V，电磁铁的供电由+24V电源完成，其他部分均连接+5V电源。电源部分的电路设计如图3-1所示：A） +24V电源电路B) +5V电源电路图3-1 电源电路图电磁铁用于对小刚球的吸放，其控制部分的电路如图3-2所示：图3-2 电磁铁控制电路图其中4N25是光耦开关，光耦开关正常工作时5号引脚输出高电平。内部构成如图3-3所示：图3-3 光耦开关内部结构电源打开后，P1.7处于低电平，三极管Q1不导通，光耦开关不工作且输出低电平，三极管Q2也不导通，因此电磁铁处于工作状态，电磁力将小刚球吸住；当按下按钮S1时，CPU给P1.7高电平，三极管Q1导通，光耦开关打开输出高电平。则三极管Q2也导通，电磁铁处于失电状态，小球掉落做自由落体运动，碰撞金属板。3.2.2 脉冲发生电路的设计本设计脉冲发生电路采用TTL电路组成的反相振荡器【10】【10】电子技术基础（数字部分），康光华，邹寿彬，高等教育出版社，2002年7月第4版10】。本系统的测量精度为0.1s，因此本设计选用了10MHZ的晶振，即振荡频率f=10MHZ，每个计数脉冲的周期T=1/f=0.1s。振荡器采用的是石英晶体，可提高测量时间的精度，确保测量的精确性。电路结构如图3-4所示：图3-4 脉冲发生电路图3.2.3 计数器74LS393和CPU的接口电路74LS393是由4片D触发器组成的双四位二进制的计数器【11】【11】数字电子技术基础，阎石，高等教育出版社，2006年5月第5版11】，其与CPU的接口电路如图3-5所示：图3-5 74LS393和CPU接口电路当小球接触金属板时，使之变为高电平，给P10一个高电平，三输入与门打开（74HC11），计数器启动计数。当小球离开金属板时，由于下拉电阻的存在，小球变为低电平，与门关闭，计数器停止计数。单片机采用AT89C51，在系统中用到了计数器TO，当CPU检测到外部T0（P3.4）引脚出现“1”到“0”的下降沿时，作为一个计数信号，使内部计数器加1。本装置T0工作在工作方式1，即16位二进制加法计数器，计数范围为065536，如果仅仅使用16位二进制加法计数器T0来实现计数是达不到测量精度要求的，故选用双四位二进制的计数器74LS393。计数器T0与第二片74LS393计数器的Q3连接，这样就构成了24位计数器。P1.2与74LS393的MR相连接，给P1.4低电平，可以清除计数器。INT0通过反相器与小刚球连接，当小刚球与金属板接触，INT0为低电平“0”，触发中断。3.2.4 键盘接口电路P1.6口为输入端口，接键盘的列线；P0口经74LS273接键盘行线。输出控制信号有74LS138的Y6控制，当Y6为低电平，将P0输出的扫描码锁存到74LS273。P0口读到的是行线的状态，当P1.6读到的值不是“1”时，表示有键按下。键盘中究竟哪一个键被按下，是用键盘扫描法确定。先令Q1输出为低电平，Q2Q8为高电平，检测P1.6的状态，如果读到P1.6为低电平，则可以确定S1键被按下，否则说明测量键没有被按下。如果Q1无键被按下，则令Q2输出为低电平，其他未高电平，再次读取P1.6,，看是否为高电平，以此类推，判断是否有键被按下【12】【12】单片微型计算机接口技术，翁桂荣,邹丽新，苏州大学出版社，2002年4月12】。按键功能有开始测量，清除，打印等功能。3.2.5 时钟芯片电路时钟电路采用DS12C887,DS12C887是内部带有不易失性RAM上的实时时钟电路，能自动记录当前时间，所需工作电流比较小，在外部电源停电情况下，依靠电池，仍然进行计时。数据通过74LS244输送到单片机AT89C51后，单片机将输入的数据送到时钟电路DS12C887的存储器中保存，以免失电时数据丢失，同时在菜单中显示时间和调整后的数据。3.2.5 6 显示功能在单片机系统中，由于单片机本身具有较强的逻辑控制功能，所以采用动态扫描软件译码并不困难。采用动态扫描软件译码的方式也可以大大的简化硬件电路结构。动态扫描接口电路是把所有LED显示器的8个笔画段A-G，DP的同名段连在一起，而每个数码管的公共端COM是吧各自独立受I/O线控制，CPU向字段输出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但用哪个显示器亮，取决于COM端，而这一端是由I/O控制的，可以自行决定何时显示哪一位。在点亮过程中，每个点亮过程是极短的，但由于视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，只要扫描速度足够快，就可以看到一组稳定的显示数据【13】【13】微机系统及其接口技术，郁慧娣，东南大学出版社13】。3.3 本章小结本章主要介绍了球与金属板碰撞时间测量系统的硬件组成，讲述了一些重要的功能部件。第四章 软件设计弹性体碰撞时间测定的整个工作过程是：接通电源，单片微机不断的扫描键盘上有没按键被按下，即不停的查询CPU的P1.6引脚是否为低电平，如果发现P1.6引脚为低电平则触发中断，进入相应的中断处理程序。4.1编程思路 弹性体碰撞时间测定的软件采用模块化，结构化设计，主要的程序包括：主程序模块，中断服务模块。 1. 主程序流程模块2. 键盘扫描，数据处理，时钟模块，打印模块4.2主程序【14】单片机原理与应用及C51程序设计，谢维成，杨加国，清华大学出版社，2006年【15】单片机实用技术问答，谢宜仁，人民邮电出版社，2003年2月开始 始中断初始化单片机复位禁止中断计数器清零禁止计数显示小球打击返 回键扫描 主程序流程如图4-1所示，电源打开后CPU一直处于扫描键盘状态，如果查询到键盘上某键按下，则进入中断服务程序，执行相应的中断操作【14】【15】。开 始 中断初始化单片机复位计数器清零小球打击返 回图4-1 主程序流程图4.3 中断服务程序中断服务程序通常由保护现场，中断处理和恢复现场三个部分组成【16】【16】单片微型计算机原理，邹丽新,翁桂荣，苏州大学出版社，2002年4月。为提高系统工作的实时性，将键盘扫描，数据处理，时钟处理和打印处理都设计成中断服务程序。4.3.1 键盘扫描的程序流程图键盘扫描程序流程如图4-2所示：键盘扫描开始键盘扫描开始 N 有按键闭合有按键闭合？N N Y软件延时10ms有按键闭合？有按键闭合N键盘扫描开始确定按键位置执行相关程序返 回图4-2 键盘扫描程序流程图图4-2 键盘扫描程序流程图4.3.2 数据处理程序流程图小球与金属板接触前，外部中断0()为低电平，小球碰撞金属板的瞬间，变为高电平，当小球弹起后，恢复为低电平，外部中断经历一次下降沿，则跳出中断，CPU开始计算打击时间。数据处理程序流程如图4-3所示【17】【17】流行单片机实用子程序及应用实例，杨振江，杜铁军，李群，西安电子大学出版社，2002年7月：开始外部中断0下降沿进入中断关闭与门计算打击时间存储数据结 束开 始N 外部 N 中断0下降沿？YY 进入中断图4-3 数据处理流程4.3.3 打印处理程序流程图打印处理程序流程如图4-4所示：开始打印打印机忙？传输数据并选通打印机打印结束？禁止打印中断返回 开始打印Y Y N打印机工作中？ N 传送数据并 选通打印机NY 打印结束？ N Y图4-4 打印流程图4.3.4 时钟芯片程序流程图时钟芯片程序流程如图4-5所示：时钟中断处理保护现场时钟允读？读入时标置时钟显示修改标志恢复现场中断返回 NN Y Y图4-5 时钟芯片流程图4.4 清零和程序出错处理4.4.1 清零键盘上设置了清零键，按下后LED显示则清除数据，显示为零。4.4.2 程序出错如果小球与金属板碰撞后没弹起，则LED显示 ERRO 表示程序出错。4.5 本章小结 本章主要介绍本设计系统的软件设计，其中主要的为中断程序的处理，其中最重要的是小球打击金属板的中断与CPU对打击时间的计算处理。第五章 结论5.1 本实验设计的基础目前，国内外对弹性体碰撞的测量主要由动力学法等，并在此基础上延伸了很多测量方法，如电测法，光测法，振动测量法等等。但这些方法在操作步骤，测量成本以及实验结果可靠性方面存在一定的缺陷，并且大多数属于有损测量，对材料有一定的破坏性。因此本设计在弹性力学和单片机的基础上提出了运用MCS-51微处理器来精密测量弹性体的打击时间，可以做到无损检测。5.2 本实验设计的功用单片机系统结构简单，价格低廉，操作方便，并且属于无损检测，不需要对金属板进行处理就可直接测量。本设计可对极小样品和大型铸件及组装构件的材质进行检测。5.3 本实验设计的不足 如果被测材料为不规则形状，不适合用这种方法测量。而且本设计虽然能够检测出材料是否有缺陷，但无法分辨出材料具体存在哪方面的缺陷。而且由于时间的局限性，本设计并没有真正的进行实际实验论证，仅限于理论讨论。附件：START: MOV SP, #40H MOV IE, #85H ;允许中断（中断0，1） MOV IP, #01H ;中断优先级（中断0优先） MOV 23H, #0 MOV 24H, #0 MOV 25H, #0 MOV 26H, #0 LCALL INI_IE0 LCALL INT_TF0 LCALL INI_IE1 SETB EA MOV 80H, #0 LJMP MAIN;主程序MAIN: CLR P1.7 LCALL KEY_S LCALL DISP LJMP MAIN;键盘扫描KEY_S: LCALL KEY_ON JZ KEY_S LCALL DL2MS LCALL KEY_ON JZ KEY_S PUSH ACCKEY_OFF: LCALL KEY_ON JZ KEY_OFF POP ACC RETKEY_ON: MOV A, #0FEH MOV B, A SETB C LCALL LOOP JNB P1.6, KEY_1 LCALL LOOP0 LCALL LOOP JNB P1.6, KEY_2LCALL LOOP0 LCALL LOOP JNB P1.6, KEY_3LCALL LOOP0 LCALL LOOP JNB P1.6, KEY_4LCALL LOOP0 LCALL LOOP JNB P1.6, KEY_5LCALL LOOP0 LCALL LOOP JNB P1.6, KEY_6 RETLOOP: MOV DPTR, #0600H MOVX DPTR, A RETLOOP0: MOV A, B RLC A MOV B, A RET;延时DL2MS: MOV R4, #2LOOP1: MOV R3, #248LOOP2: NOP NOP DJNZ R3, LOOP2 DJNZ R4, LOOP1 RET ;清除KEY_2: MOV 10H, #00H MOV A, LOOP1 MOV DPTR, #TAB MOVC A, A+DPTR MOV DPTR, #0400H MOVX DPTR, A MOV A, #010H MOV 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