摘要利用80C196單片機研制了一種低成本、全自動化橡膠硫化儀。該儀器采用單片機驅(qū)動24針打印機和彩色液晶屏，實現(xiàn)了整機自動控制，大大提高了整機的性能價格比，在橡膠加工工業(yè)中具有較大的實用價值。

關(guān)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(shù)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(guān)鍵設(shè)備。

　　硫化儀主要有兩種形式：往復(fù)測量式和扭轉(zhuǎn)測量式。因為能保證比較完整的試樣，所以后者應(yīng)用較多。國家標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)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(shù)的方法。

　　國內(nèi)外有一些公司生產(chǎn)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(nèi)外有探討和研究，但是在關(guān)鍵的性能價格比上總不能令人滿意。

　　筆者設(shè)計的硫化儀微機系統(tǒng)，主要考慮了如下幾點：
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　　A�北ＷC了測試技術(shù)指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)；��

　　B�弊裱�軟件代替硬件的原則；��

　　C�焙�微機在內(nèi)的全電路系統(tǒng)造價低；��

　　D�睖p少按鍵，實現(xiàn)實驗過程全程自動化；��

　　E�庇貌噬�液晶屏進(jìn)行顯示，實現(xiàn)了曲線與測試結(jié)果圖文并茂的效果；��

　　F�庇脝纹瑱C驅(qū)動24針打印機輸出數(shù)據(jù)、曲線及測試結(jié)果；
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　　G�鼻�線存儲于RAM中，且掉電不丟失，允許在液晶屏上重新恢復(fù)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(zhuǎn)子放到恒溫狀態(tài)下的模腔內(nèi)，通過安裝在電機出軸上的偏心輪、連桿及傳感梁使轉(zhuǎn)子擺動，擺動角度為±1.5°。利用應(yīng)變橋測出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩，可以獲得轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)示意圖見圖2—1。

　　在電路方面，考慮到硫化儀功能復(fù)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(jié)果的打印。微機電路框圖見圖2—2。

3 儀器的軟件方案

　　傳統(tǒng)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(tǒng)間實現(xiàn)通訊，從而使硬件設(shè)計復(fù)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(fù)用的方法即可克服上述缺點，能夠?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)，控制算法為經(jīng)過優(yōu)化的數(shù)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(xiàn)控制溫度。

4.1 溫度控制算法��

　　其中需要整定4個常數(shù)：采樣周期T、比例常數(shù)Kp、積分常數(shù)KI和微分常數(shù)KD。式中e0、e1和e2分別為溫度設(shè)定值與3個連續(xù)溫度采樣值之差�？衫�用飛升曲線對控制周期T、Kp、KI和KD進(jìn)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(nèi)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(nèi)，微機共進(jìn)行5次A／D轉(zhuǎn)換，進(jìn)行數(shù)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(nèi)，一方面進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)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(guān)閉電爐。實踐證明，這種溫度控制方法恒溫精度高(150℃±0.3℃)，進(jìn)入恒溫之前的時間較短，而且容易實現(xiàn)單片機編程。

5 曲線的自動打印輸出

　　當(dāng)前大多數(shù)硫化儀都是采用繪圖儀或微型打印機輸出曲線及數(shù)據(jù)，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(shè)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。

　　系統(tǒng)采用“擴充相應(yīng)曲線法(飛升曲線法)＋歸一參數(shù)整定法+超限全控制”來控制升溫和恒溫。設(shè)n0為上個控制周期的控制常數(shù)，n1為本次控制周期的控制常數(shù)。

5.2 單片機與打印機的通訊

　　EPSON公司的LQ－300K型打印機配備了一個EA－232串行接口和一個Centroics兼容的并行接口。為提高傳輸速度，選用并行接口。單片機與打印機的通訊子程序框圖見圖5—2。

5.3 曲線打印的實現(xiàn)

　　曲線打印子程序流程圖見圖5—3。打印顯示不同于液晶顯示，打印紙走動一行之后就不能再退回。所以打印曲線時不可能先打印出背景表格再打印曲線，只能在打印之前將打印緩沖區(qū)賦完表格數(shù)據(jù)，再進(jìn)行曲線數(shù)據(jù)處理，最后充入曲線數(shù)據(jù)，即把曲線點的打印值與表格點的值進(jìn)行求或運算，再一同打印出來。