实验开发板

实验开发板（精选9篇）

实验开发板 篇1

单片机原理与应用技术课程是高等职业院校电气自动化技术等电类相关专业的核心课程之一, 在工业机电设备、家用电器等领域应用广泛。自单片机芯片出现以来, 功能日渐丰富, 内部集成的资源越来越多, 在无需扩展额外资源的情况下, 就可以完成很多实用项目的开发。此外, 现在的单片机芯片都加入了Flash技术, 可以进行在线编程。常见的单片机都是把中央处理器 (CPU) 、数据存储器和程序存储器、多种输入/输出接口等集成在一块芯片上, 还有一些增强型芯片加入了数/模、模/数转换电路等, 使单片机芯片的功能变得更加强大, 所以, 单片机原理及应用课程在高职自动化类相关专业的教学中具有较高的地位。该课程格外注重实训教学, 学生只有通过硬件电路设计、程序编写、仿真调试等能力的训练, 才能更好的掌握单片机的理论知识, 提高实操能力。

1 概述

长期以来, 我校单片机课程的实训设备采用的是启东计算机厂生产的DVCC-51Net+单片机综合实验箱, 该实验箱功能丰富, 但价格较高, 体积庞大, 而且很多功能在实际教学中用不上, 开发环境存在一定的局限性, 能用的上的功能也只能做一些验证性实验, 使用灵活性较差, 无法满足课程创新的需求。针对上述情况, 并结合学生学习的特点, 设计了一种便于学生学习单片机课程的综合实验开发板, 该开发板的特点主要有:①体积小, 采用USB供电和下载程序, 便于携带和课后随时随地学习使用;②涵盖了单片机原理课程的典型应用项目;③扩展功能强, 可以将其作为母版, 利用I/O接口扩展其他电路等。

2 单片机综合实验板硬件电路设计

2.1 整体设计思路

本实验板主要包括单片机最小系统、LED跑马灯模块、键盘模块、LED和液晶显示模块、测温模块和存储器模块等, 同时考虑电路板尺寸和成本等因素又预留了点阵显示、继电器控制、传感器信号采集、A/D转换和串行通信等功能扩展接口, 以满足学生在课余时间自行开发其他功能的需求。单片机综合实验板系统框图如图1所示。

2.2 单片机芯片的选择

本实验板的单片机芯片选择的是宏晶公司的STC89S52, 封装形式为DIP40, 其接口资源丰富、电气特性优良, 完全可以满足设计要求。

2.3 电源模块

本实验板的电源模块采用USB供电或外接4个1.5 V电池的电池盒供电。此外, 还在电源部分增加了LED供电指示, 便于观察。由于采用电池盒供电方式时, 4节电池共6 V, 而单片机芯片需要5 V电压, 所以通过串联IN4007芯片进行降压。

2.4 键盘模块

本实验板的键盘模块包括独立式按键和矩阵式键盘两部分。其中, 独立式按键利用单片机的4个I/O口线连接4个独立式按键;矩阵式键盘利用单片机的8个I/O口线连成4*4的矩阵式键盘。

2.5 LED跑马灯模块

本实验板设计了8个LED跑马灯, 均采用共阳极方式连接, 阴极连接至单片机芯片的8个I/O接口, 实现亮、灭控制。本模块可以满足单片机课程中跑马灯、交通灯等实训项目的要求。

2.6 数码管显示模块

本实验板设计了8个共阳极LED数码管, 其中, 8位数码管的段选信号用单片机的8个I/O口经74H573驱动后提供;位选信号由74LS138译码器的8个输出端提供, 74LS138的地址输入由单片机的P2.4~P2.6引脚提供。

2.7 测温模块

本实验板的测温模块选择DALAS公司的DS18B20芯片, 该芯片与单片机的连接仅由P1.2一条I/O口线提供, 不需要外围器件, 测温范围为-55~125℃, 电路如图2所示。

2.8 时钟模块

时钟模块电路如图3所示。

本实验板的时钟模块选择DALAS公司的涓流充电时钟芯片DS1302, 它的特点是功耗低, 芯片内部包含充电电路, 可以使数据在芯片断电后仍可长时间保持。时钟芯片与单片机的通信线由P2.1~P2.3三条I/O口线提供。本模块的实时时钟可以提供时分秒、日月年及星期信息。

2.9 存储器模块

为了增强实验板的功能和存储器扩展, 本实验板增加了E2PROM存储器芯片AT24C64, 该芯片被用作从芯片, I2C总线由单片机的P1.0、P1.1引脚提供, 如图4所示, 实现数据存储。

2.1 0 液晶显示接口

本实验板还设计了LCD1602字符液晶与LCD12864普通液晶显示接口, 为学生课外兴趣设计及学习提供支持。

3 结束语

本实验的硬件设计可满足单片机理实一体课程中的各种基本实训项目, 如跑马灯、数字钟、温度控制器、频率计等。在进行单片机课程的实践教学时, 可以要求学生利用实验板完成实际项目的焊件、硬件调试和程序编写等, 从而调动其学习积极性和开发热情, 为单片机理实一体化教学改革和课程建设取得良好效果提供保障。

参考文献

[1]韩铮.单片机实验板的开发与教学改革[J].赤峰学院学报 (自然科学版) , 2012, 28 (7) :31-32.

[2]王虹, 常铁原, 庞娇, 等.单片机实习实验板设计及教学模式[J].中国现代教育装备, 2013 (7) :57-59.

[3]陈丽霞.基于51单片机的综合开发板设计[J].科技经济市场, 2011 (8) :3-6.

实验开发板 篇2

商学院旅游管理083班刘勇08313348

【摘要】

南通是中国传统风筝“南鹞”的主要生产基地，其板鹞风筝与北京沙燕风筝、天津软翅风筝、山东长串风筝、广东灵芝风筝齐名，曾多次在国际、国内风筝大赛中摘金夺银，并且成为首批入选国家级非物质文化遗产的项目。尽管如此，板鹞风筝却依然面临失传的危险。本文在分析板鹞风筝现状的基础上，针对南通板鹞风筝的开发提出了一些建设性的对策。

【关键词】

风筝 传统 特色 创新 品牌

制作、制作工序繁多，南通板鹞风筝制作成本比较高。一个1.2米长的风筝，上面带有近100个哨口，哨口都是用风干后的葫芦制成的，每个哨口的制作成本为5元钱。风筝上的画完全是手工绘制，每张绘画需成本800元。于是一个板鹞风筝的制作成本就要上千元。即便作为工艺品，这样的价格对一般人而言也难以接受。由于哨口多，导致板鹞风筝身形重，没有一定技巧，一般人放不起来。

（二）板鹞风筝工艺缺乏创新，传承乏人

南通的风筝艺人很多都是靠祖传的手艺，很少有人经过专门的技术培训，风筝制作工艺缺乏创新。更令人担忧的是，南通板鹞风筝面临着传承人年迈、制作工艺濒临失传的情况。在“金钱至上”思想横行的今天，人人都朝“钱＂看，利润成了生产商品的最大动力，而南通板鹞制作难度大，成本相当高，利润空间小，费人力物力财力，买的人却十分之少，自然就无人问津。另外传统思想也起着很大的消极影响，在本地人观念当中，风筝终究只是个“玩物”，不是“正经事”，于是愿意从事这一行业的人就更少了。

（三）板鹞风筝产业化程度低，市场狭小

目前南通风筝走的是以收藏为主的民俗工艺精品路线，还停留在传统的艺术领域，固守南派风筝基地名号，缺乏市场竞争意识，更没有走产业化道路。在与国内其他风筝竞争中，南通板鹞风筝节节败退，最终造成国外市场狭小，国内市场更是一片空白。每到放风筝的季节，濠东绿地休闲广场总是人满为患，到处是放风筝的人，但是这些风筝绝大多数是潍坊风筝。要想在市场上找到南通本地的风筝可不是一件容易的事。据统计现在南通市民放的风筝96％是潍坊风筝。在南通市一些小商品批发市场，几乎所有经营户销售的风筝都打着潍坊的旗号，少数风筝上标明的产地是北京、天津等地，南通地产风筝则不见踪迹。

三、南通板鹞风筝的开发策略

（一）重视传承人材的培养

目前南通板鹞风筝的当务之急是培养工艺的接班人，做到后继有人。试想如果风筝制作人都不存在，制作工艺都失传了，那何谈发扬光大？那么如何培养这方面的技术人材呢？首先要解决其生计问题，在经济上给予必要的支持，提高他们的福利待遇，使其无后顾之忧。衣食乃生存之本，只有考虑到他们的切身利益，在物质上满足他们的需求，才能使他们更全心的投入创造。其次加强传统文化教育，激发青少年对传统文化的兴趣，积极鼓励他们去从事这项职业，在精神上鼓舞他们，这样才能做到后继有人。可以在中小学、幼儿园开设关于本土文化课程，向他们传授南通板鹞风筝这一民间工艺，让孩子们从小就了解这一传统文化艺术的魅力，使他

一、南通板鹞风筝的现状

从休闲娱乐方面认识板鹞风筝，喜爱放飞风筝的人很多；从文化艺术角度欣赏板鹞风筝，作为学术课题来研究的人少。

当然在过去几年里，南通板鹞风筝在国内外取得了骄人的成绩，在世界博览会上，板鹞风筝被陈列在中国美术馆。风筝艺人在风筝的扎、雕、绷、画技艺手法上也有了创新，当地人还研制出了折叠风筝，集装饰、放飞、观赏功能于一体，取代了过去重高大，方便携带从而有利于野外放飞。板子式的六角鹞画题材也与时俱进，内容越来越丰富。在民间还出现了一批专门从事风筝制作的专业户。另外在全国各地风筝赛场上，南通参赛选手也越来越多，并且都连连获奖。

与此同时南通板鹞风筝还走进了学生课堂。２００２年１０月至１１月，南通师范学院学生会，举办主题为“放飞梦想”的风筝文化节，通过风筝知识专题讲座、风筝展，风筝制作大赛、集体放飞风筝等活动，对学生进行了民俗文化教育，传播风筝文化，使学生对南通板鹞风筝有了深入的认识，有利于板鹞风筝的保护与传承。

在学术方面，关于南通板鹞风筝的研究也有了初步的进展。由南京艺术学院徐艺乙教授写的了《风筝史话》一书，系统的介绍了南通风筝的发展历史、制作技艺等。另外一本名为《南通风筝》的书籍也已出版。

近几年，南通板鹞风筝得到了一些保护，受到了一定的关注，但与作为中国传统的民间工艺，国家级非物质文化遗产的价值相比，仅仅做到这些还远远不够的„„

二、南通板鹞风筝发展的制约因素

（一）板鹞风筝制作成本较高，放飞困难

价格过高、放飞难度大，长久以来就一直制约了南通板鹞风筝的推广。由于全部采用手工

们对中国传统文化，传统民间艺术产生浓厚兴趣。同时也可以在美术课程中教授南通板鹞风筝一些简单的制作方法，既增加了课堂的趣味性，又能让学生更深入的接触南通板鹞风筝。

（二）争取政府政策支持与投资

民间艺术是弱势文化，需要政府扶持，政府应该重视民间艺术的保护和发展，同时可以依靠民间艺术发展经济，互利互赢。近年来，随着旅游业的快速发展，越来越多的人看到了民间艺术中包含的巨大商机，纷纷以民间艺术为旗号吸引外资、发展旅游，带动当地经济快速发展。其中最成功的首推山东潍坊，潍坊风筝现在可谓家喻户晓，一年一度的潍坊国际风筝节更是游人如织。潍坊政府多次直接参与组织了风筝大赛，努力提升潍坊的知名度，扩大其在国内外的影响力。在潍坊，村村都有风筝加工厂，户户都有风筝制作能手，收购与销售则由潍坊政府负责，当地每年仅由风筝交易带来的价值就在亿元以上。南通可以借鉴潍坊风筝发展的经验，加大对板鹞风筝投入，将其发展纳入旅游发展的一部分，打响南通板鹞风筝“空中交响乐”的品牌。

（三）发挥本土文化，进行传统艺术创新

民族的才是世界的。艺术创作只有发扬地方特色，才具有吸引力，才能走向世界。传统的本土文化凝结了一个地区世世代代的创造和智慧。南通风筝之所以能历尽风雨而不消亡，传承至今，并且享誉海内外，如果没有独特的美学价值和深厚的文化底蕴是无法实现的。南通地区朴实的民风给板鹞风筝以滋养，使之带有鲜明的地方特色和浓郁的乡土气息。无论是在造型上还是在色彩上都呈现出孩童般的坦诚，完全摒弃了虚伪的做作。这种美学价值不就是传统赋予的吗？发挥本土文化并不是要求一成不变，而是要在传统和现代之间寻找一个完美的结合点。对于南通板鹞风筝的创新，可以通过借鉴国内其他风筝的制作工艺，采用了新技术、新材料，减轻哨口的重量，降低成本，争取实现产业化生产。另外还可以组建专门的研发机构，将南通板鹞风筝手工艺者聚在一起，集思广益，开发新品种，创造出更新更符合时代需求的风筝。

（四）举办风筝活动，塑造风筝品牌形象

为了让南通板鹞风筝永远流传下去，必须要使板鹞风筝的艺术种子得到广泛传播。目前南通市已成立了风筝协会，我们可以将这种形式继续向县级甚至镇级，村一级发展。这样就可以围绕市级风筝协会，带动县镇各级展开各种活动项目，有效地带动各地方群众参与它，使南通板鹞风筝得到广泛传播。长此以往，南通板鹞风筝一定能生生不息，永久的传承下去，不至于消失在历史长河之中。南通地理位置优越，文化多元，发展风筝产业心须充分利用这些丰富而独特的资源，努力塑造地方文化品牌，重点抓住板鹞风筝“空中交响乐”品牌资源的开发利用，2 实施精品牌战略。建立、建全风筝企业的管理，针对南通板鹞风筝的艺术特点建立合适的管理形式，大力弘扬板鹞文化。

实验开发板 篇3

关键词：单片机；开发板；ISP

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 08-0000-02

MCU Development Borad Design of Multi-function MCS-51

Zhang Daode

(Hubei University of Technology Mechanical Engineering,Wuhan430068,China)

Abstract:The develop boarddesigned here is of common functions,

such as water lamp,timer,interrupt,singing by buzzer,X5045 watch dog,Real time clock DS1302,digital temperature sensor DS18B20,parallel D/A converter DAC0832,serial A/D converter TLC0832,RS-232 interface,

dynamic display of digital tub,ISP download online,SRAM6264 etc.It is meaningful for single chip machine study and development.

Keywords:MCU;Development board;ISP

一、前言

MCS-51系列单片机是目前主流的8位单片机之一[1]，但由于它的硬件能力有限，本文设计了一种单片机开发板，综合了当下流行的单片机接口电路，很好地扩充了MCS－51单片机的功能。

二、系统主要组成及开发平台

该系统的组成部分的核心是AT89S52单片机芯片，同时扩展了一块RAM6264，并口8155，同时扩充了DAC0832和TLC0832作为AD/DA转换电路，在此基础上还扩充有FM12864中文液晶图形模块接口电路、DS18B20温度传感检测电路，DS1302时钟显示芯片接口，X5045看门狗接口电路，另外将键盘和数码管显示作为独立的模块，方便了使用也使I/O资源空闲，RS-232串口通信电路可实现开发楹和电脑的双机通信。电源方面设置了USB供电和外接电源供电两种方式。

AT89S52单片机口具有8KB的FLASH[2]，通过提供的ISP在线下载线可以现场仿真而无须专门的烧写器即可以将目标程序下载到CPU中，在51 MCU_SYSTEM中就可以观察到程序的运行情况。本文所使用的开发工具为µVision2集成开发平台[3]，包含一个高效的编辑器、一个项目管理器和一个MAKE工具。并且支持所有Keil C51工具，包括C编译器、宏汇编器连接/定位器、目标代码到HEX转换器。

三、系统主要硬件设计

（一）单片机部分

CPU采用的是AT89S5X系列的单片机，同时兼容飞利浦P89系列的单片机，在本系统是单片机上的EA接的是高电平，表示对ROM的读写从内部程序存储器开始，并且可以延至外部存储器。在P0口接有470欧的排组上拉数据口，系统主频率12MHz。

图1.单片机部分电路设计

（二）8155部分

在本系统中采用8155实现I/O扩展。8155不仅具有两个8位的I/O端口A、B口和一个6位的I/O端口C口，而且还可以提供256个字节的静态RAM存储器和一个14位的定时/计数器。8155和单片机的接口非常简单，目前被广泛应用。系统用一片73LS138实现8155、6264等芯片的片选。

图2.8155接口电路设计

（三）DAC0832部分

DAC0832是8位D/A转换器，，转换结果为一对差动电流输出，转换时间大约为1us。使用单电源+5V―+15V供电[1]。参考电压为-10V－+10V。在此我们直接选择+5V作为参考电压。DAC0832有三种工作方式：直通方式，单缓冲方式，双缓冲方式；在此我们选择直通的工作方式，将XFER、WR2、CS管脚全部接数字地。管脚8接参考电压，在此我们接的参考电压是+5V，如图3所示，可以产生三角波，锯齿波，梯型波等波形。CE2接在74LS138上，通过分配地址完成片选。

图3.DAC0832接口电路

（四）TLC0832

TLC0832是八位串行逐次逼近模数转换器[4]，它有两个可选择的输入通道。其接口电路如图所示。TLC0832的通道0外接了电位器，可以模拟不同的电压输入。对TLC0832的控制需要3根I/O口线，可以从单片机及8155接入。

图4.TLC0832接口电路

（五）X5045接口电路

复位电路采用了带I2C的监控芯片X5045，上电即可复位[5]，电路如图5所示。另外8155设置了独立的复位方式以弥补和51单片机的复位不同步缺点。

图5.看门狗接口电路

（六）键盘接口电路

在单片机应用系统中通常应具有人机对话功能能随时发出各种控制指令和数据输入以及报告应用系统的运行状态与运行结果。本文所采用的是独立式键盘，其中key代表阻值为1kΩ的排阻。

（七）数码管显示接口电路

系统数码管显示及键盘显示均比较灵活，提供了专门的I/O接口，可以用8155来控制，也可以用单片机来控制。开发板支持4位七段示LED数码显示器。

四、结束语

限于篇幅，本文关于DS1302、LCD显示接口以及系统软件设计等方面未能介绍。本文设计的单片机开发板在实际中发挥了重要作用，适合于单片机学习者及简单的工程应用。

参考文献：

[1]杨光友.单片微型计算机原理及接口技术[M].水利水电出版社,2002

[2]AT89S51 Datasheet.Atmel Inc.2006

[3]赵亮.单片机C语言编程与实例[M].人民邮电出版社,2003

[4]张道德.单片机接口技术(C51版).中国水利水电出版社,2007

[5]X5045 Datasheet.Intersil inc.2006

[作者简介]张道德（1973-），男，博士，研究方向：从事嵌入式系统、智能控制等领域的研究。

实验开发板 篇4

许多行业都运用了射频识别技术。如:生产线上的产品的加工进度的追踪;仓库中追踪药品的所在;也可以将标签附于牲畜与宠物上, 方便对牲畜与宠物的积极识别;公交“一卡通”的电子钱包等。

1 RFID工作原理

完整的RFID阅读系统是由读写器 (Reader) 、应答器 (Transponder) 、天线 (Antenna) 三部分组成, 其工作原理为Reader通过Antenna发射特定频率的无线电波能量给Transponder, 用以驱动Transponder电路将内部ID Code送出, 此时Reader便接收此IDCode。由于此ID Code的唯一性, 所以RFID读写器可以实现对物体或商品的自动识别。

对于典型的RFID系统, 工作过程如下:阅读器与标签间之间进行双向数据交换, 如:在向应答器写入数据等。但在只读的RFID系统中, 数据交换时单向的, 即标签发送数据, 阅读器接收数据。

对于复杂的应用系统, 通常需要将识别目标的数据上传到应用软件或后台服务器进行处理, 因此, 读写器通常具有通信接口, 并通过该接口, 后台将处理的结果返回给读写器, 完成相关的功能, 如:开关控制、信息提示等。

2 总体方案设计

本设计以满足实践教学为出发点, 围绕支持多协议的射频读写器展开, 旨在实现对多协议射频标签的识读, 但由于RFID具有多个频段, 各频段的协议复杂性和难度各不相同, 因此, 很难通过一块电路板实现该功能, 为此, 基于模块化设计的思路, 设计了支持不同RFID协议读头的硬件接口, 通过对各个接口的控制, 建立与不同协议的读写模块的数据通信, 达到对各协议的RFID应答器的识读, 从而实现支持多协议的功能。

此外, 由于本设计将应用到射频识别课程的实验教学环节, 因此, 要求具有操作简单、效果直观的特点。基于这个目标, 本系统以51单片机为核心, 包括电源电源、串口扩展单元、声光提示单元、SPI协议读头接口单元。

2.1 硬件设计。

本设计以MCU微处理器为核心, 通过USB为系统供电, 通过与计算机的串行通讯, 接收来自应用软件的指令, 根据不同的指令, 驱动模拟开关的切换, 实现与不同的射频模块进行通信, 完成不同协议的射频卡识读, 并将操作结果通过计算机串口发送给相应的应用软件。

2.1.1在电源方面。由于读写器功率较低, 而且通常在实验室中使用, 因此采用标准USB接口作为系统的电源, 这样具有低成本、使用方便、即插即用, 并且电源供电稳定的特点。2.1.2 MCU控制单元。本设计中以STC12C5052AD[3]的单片机作为微处理器, 晶振为频率为11.0592Mhz, 具有SPI接口和UART接口。2.1.3声光提示单元。为了便于观测实验效果及其验证, 开发板设计了声光提示, 通过程序控制相关的I/O口, 从而点亮或熄灭不同颜色的发光二极管, 并伴有不同节奏的蜂鸣音, 表示不同的状态, 如:读卡成功、读卡失败、无卡等, 本设计中, 共有3个发光二级管和一个蜂鸣器, 各自功能如下:a.红色:用于供电指示;b.绿色:用于系统状态提示, 受控于P1.5端口;c.黄色:与绿色组合使用, 用于系统状态提示, 受控于P1.6端口;d.蜂鸣器:受控于P1.7端口, 通过开启和关闭的时间的长短, 发出不同的长音和短音, 实现不同节奏的蜂鸣音, 提示不同的工作状态。2.1.4外设接口单元。本单元的主要功能为通信, 包括与以计算机为核心的后台系统的数据通信以及各RFID协议读头的通信。在数据通信方面, 最简单、实用的方式为串行通信, 为此设计了基于芯片CD4052[4]的串口扩展电路, 通过对多个串口进行分时使用, 实现了多协议的RFID数据的识读。并通过设计与PC机的通讯数据协议, 使开发板具有与后台软件的通讯能力, 从而满足教学要求。CD4052是一个双通道, 4选1的多路模拟选择开关, 本设计中VEE接地, 为低电平, 此时CD4052处于模拟开关开启的工作模式。端口的状态受控于端口A和B的输入状态, 实现通路0-3的选择, 从而实现串口扩展的功能。

此外, 为了实现物尽其用的目标, 在开发板上保留了SPI接口, 一方面可以为学有余力的同学的提供一个开发平台, 另一方面可以满足更深层级的教学需求, 如:课程设计、实训环节的使用等。

2.2 软件程序设计。

本设计的主要功能如下:a.与不同通信接口、不同RFID通信协议的读头的数据通信;b.串口扩展的驱动;c.相关的声光提示;d.与PC机的通讯。

3 结论

此外, 为了便于在实验教学环节中对参数的测量和观察, 在开发板上, 预留了调试接口、用于数据采集和测试的测试点。

与当前市场销售的产品相比较, 本设计充分考虑到教学环节的应用, 具有如下特点:

3.1 操作简单, 效果直观。

通过MCU的I/O口控制, 实现声光提示设计, 该部分工作原理简单、易懂, 程序编写简单、易学, 作用效果直观, 有利于激发学生的学习兴趣, 从而提高学生的动手能力。

3.2 便于调试和测量, 更适合实验教学环节的应用。

目前, 市场销售的产品, 由于成本等原因, 通常是高度集成的, 有些甚至是完全密封的, 很难实现对中间环节的数据监测和测量。在开发板上, 预留了调试接口和多个测试点, 有利于学生对中间环节数据的监测, 从而加深对于专业理论知识的理解。

3.3 模块化设计, 成本低, 支持多协议。

本实验开发板以模块化设计为理念, 一个主板, 多个接口, 通过外接不同协议的读头, 通过修改主板的程序, 实现不同协议的支持, 因此硬件成本远低于同类产品。

3.4 多接口, 利于进一步扩展。

本设计中, 处与PC机的通讯接口外, 还设计了2个UART接口, 一个SPI节接口, 不同的接口, 在驱动方面难度不同。这样, 既可以实现不同接口、不同协议的读头的连接和驱动;也可以为学有余力的同学的提供一个开发平台, 根据个人的兴趣和爱好, 完成其他应用设计;同时, 还可以满足更深层级的教学需求, 如:课程设计、实训环节的使用等。

摘要：本文提出了一个支持多协议的RFID实验教学开发板的设计。该设计以51单片机为微处理器, 支持SPI接口和串行接口, 并设计了扩展串口的电路, 通过程序控制, 实现多个RFID读头的选择, 从而实现在一块开发板上对多协议的支持。该开发板用于射频识别课程的实验教学环节, 注重理论与实践相结合, 具有操作简单、效果直观的特点。

关键词：单片机,多协议,射频识别,教学

参考文献

[1]单承赣, 单玉峰, 姚磊.射频识别 (RFID) 原理与应用[M].北京:电子工业出版社, 2008:2.

[2]黄友森.射频识别 (RFID) 技术与应用[M].北京:电子工业出版社, 2011:4.

[3]STC12C5052AD数据手册[EB/OL].http://stcmcu.cn.china.cn.

XPS挤塑板燃烧特性实验研究 篇5

关键词：XPS,燃烧特性,引燃温度,质量损失速率

随着我国建筑节能强制措施的逐步推进,建筑外墙保温技术在建筑中被大量采用,但其应用的重要条件是系统的防火安全性,即外墙保温材料的防火安全性。因此,外墙保温材料的燃烧特性成为国内外学者一致关心的问题。笔者进行了XPS挤塑板的燃点温度测点实验和辐射引燃实验,以研究XPS挤塑板的燃烧特性,其中重点研究线性热流下挤塑板的辐射引燃特性。

1 XPS挤塑板燃点温度测点实验

1.1 实验设计

XPS保温材料点燃温度的测定选用DW-02型点着温度测定仪。实验装置包括DW-02型点着温度测定仪、秒表、点火器、不锈钢镊子等。

1.2 实验结果与分析

将待测保温材料磨成细粉颗粒,并用天平称重,将固定质量的试样装入容器,3个容器为1组,如图1所示。

将1组容器逐一放入铜锭炉中,盖上盖子(盖子预先放在铜锭炉上加热),并启动秒表。将点火火焰置于盖的喷嘴上方2 mm处晃动。火焰长度10～15 mm。如果在开始的5 min之内,喷嘴上没有(或有)连续5 s的火焰,则每次将炉温升高(或降低)10 ℃,用新的试样重新试验,直到测得喷嘴上出现连续5 s以上火焰时的最低温度为止,并记录此温度。每个预定的温度做3个试样,若有2个没有5 s以上的火焰,则将炉温升高10 ℃,再做3个试样,如有2个出现5 s以上火焰的最低温度,即为材料的点燃温度。

实验发现,当固定容器中保温材料试样质量为1.0、0.9、0.8 g时,在试样加热过程中,保温材料受热发生满溢现象,实验失败。

当固定容器中保温材料试样质量为0.7 g,炉温稳定在355 ℃时,3个试样中有1个试样出现了持续5 s的连续火焰;当炉温稳定在360 ℃时,3个试样中有2个试样出现了持续5 s的连续火焰;当炉温稳定在365 ℃时,3个试样均出现了持续5 s的连续火焰。因此,保温材料试样的点燃温度为355 ℃。

2 XPS挤塑板辐射引燃实验

2.1 实验装置

外墙保温材料在变热流条件下实验系统由实验平台、热辐射通量测量模块、失重测量模块、温度测量模块和图像采集模块组成,如图2所示。

火灾早期特性实验台由不锈钢型材和板材焊接构成,采用对开式发热炉体,通过调节输出功率以研究材料在不同热流环境作用下燃烧特性。实验台采用开放式炉体,实验时,炉体加热产生的热辐射直接作用于试样,模拟试样在火灾环境中的受辐射引燃现象。

2.2 实验样品及热辐射确定

实验时,将实验样品放在实验样品台上,所有的实验样品都是在同一块外墙保温材料上裁剪下来。相同尺寸的样品进行不同热辐射条件下的引燃实验,研究点燃性能。试样大小为10 cm×10 cm×2.2 cm。实验中保温材料的侧面包裹一层玻璃纤维布,玻璃纤维布外再贴上一层铝箔从而可以减少侧面受到的热辐射,因此保温材料基本上只有上表面受到热辐射,4个侧面几乎处于绝热状态。

实验时,通过调节辐射热板的输出功率即锥形加热罩加热效率为20%、40%和90%,可以得到不同的变热流条件下不同的热辐射。利用水冷辐射热流计校准各输出功率下保温材料表面辐射强度,各功率下辐射热流q,如图3所示。

由图3可知,保温材料表面接受到的热辐射呈线性变化,对各功率下保温材料表面接受到的辐射热流曲线拟合,发现辐射热流满足线性方程,如式(1)所示。

q=kt+c (1)

式中:k为热流变化率;c为常数。

各效率下热流拟合结果如表1所示。

2.3 20%加热效率下保温材料辐射引燃实验

实验测得温度曲线及质量损失曲线,如图4所示。

实验过程(2 306 s)中保温材料未被引燃;热电偶测得温度一直平缓上升,1 700 s后温度值保持稳定,温度的最大值为258 ℃;试验中保温材料的质量一直平缓下降,2 000 s后保持相对稳定,剩余质量主要为保温材料的热解灰烬以及实验中包裹保温材料所用的铝箔纸。

2.4 40%加热效率下保温材料辐射引燃实验

实验测得温度曲线及质量损失曲线,如图5所示。

实验过程中,当保温材料表面温度升至80 ℃时,保温材料开始变形,并伴有呛人的灰烟,随着温度的升高,保温材料逐渐缩为不连续的斑状物,并瞬间发生燃烧,伴有耀眼火焰和黑色浓烟。

实验加热后450 s保温材料被引燃,温度由385 ℃瞬间增至512 ℃,475 s时热电偶测得最高温度975 ℃。试样的质量在450 s时骤减,485 s后材料的质量保持相对稳定,保持在1.10 g,剩余质量主要为保温材料的热解灰烬以及实验中包裹保温材料材料所用的铝箔纸。

2.5 90%加热效率下保温材料辐射引燃实验

实验测得温度曲线及质量损失曲线,如图6所示。

实验现象同上,实验加热后149 s保温材料被引燃,温度由362 ℃瞬间增至504 ℃,189 s时热电偶测得最高温度996.0 ℃。试样的质量在149 s时骤减,189 s后材料的质量保持相对稳定,保持在2.16 g,剩余质量主要为保温材料的热解灰烬以及实验中包裹保温材料所用的铝箔纸。

3 结 论

(1)XPS挤塑板燃点温度测点实验测得挤塑板点燃温度约为355℃。XPS挤塑板辐射引燃实验中,当保温材料表面温度升至80 ℃时,保温材料开始热解变形,并挥发出呛人气体,随着保温板表面温度的升高,保温材料逐渐萎缩为不连续的斑状物,当温度到达某一值时,保温板瞬间燃烧,温度陡然升高,伴有耀眼火焰和黑色浓烟。

(2)XPS挤塑板辐射引燃实验中,加热效率为20%时,2 306s内保温材料未被引燃;加热效率为40%时,450 s时XPS挤塑板被引燃;加热效率为90%时,加热后149 s保温材料被引燃。0.019 4 kW/(m2·s)的辐射热流增量不足以引燃挤塑板试样,当辐射热流大于0.060 4 kW/(m2·s)时挤塑板试样能够被引燃。XPS挤塑板辐射引燃实验中辐射引燃温度分别为362 ℃和385 ℃,实验过程中挤塑板表面温度最大值分别为975、996 ℃。

(3)辐射引燃过程中XPS保温板质量损失速率呈现三个阶段:平缓减少阶段、急剧骤减阶段和相对稳定阶段。质量骤减阶段保温板质量呈明显的线性变化。

参考文献

[1]郭国旗,陈少松,朱国庆.建筑外墙保温防火问题探讨[J].消防科学与技术,2009,28(4):170-173.

[2]Beyler,Craig.Toxicity assessment of products of combustion offlexible polyurethane foam[A].//8th International Symposium onFire Safety Science[C].2005.

[3]Peng Lei,Lu Chang.Smoldering combustion of horizontally orien-ted polyurethane foam with controlled air supply[A].//8th Inter-national Symposium on Fire Safety Science[C].2005.

[4]林龙沅,周建军,路长.聚氨酯泡沫材料引燃发展过程的特性分析[J].火灾科学,2007,16(1):43-47.

[5]Stone H,Pcolinsky M.Effect of foam density on combustion char-acteristics of flexible polyurethane foam[A].//Polyurethane worldcongress 1991[C].1991.

[6]Levin Barbra,Paabo Maya.Toxicity of the combustion productsfrom a flexible polyurethane foam and a polyester fabric evaluatedseparately and together by the NBS toxicity test method[A].//Proceedings of the first international symposium[C],1986.

[7]黄新杰.不同外界环境下典型保温材料PS火蔓延特性规律研究[D].合肥:中国科学技术大学,2011.

[8]赵成刚,曾绪斌,邓小兵.阻燃泡沫保温材料燃烧特性研究[J].消防科学与技术,2006,25(3):368-372.

基于51单片机的综合开发板设计 篇6

关键词：MCSC51开发板,EDA,记忆存储,下载,调试

0 引言

51单片机技术自发展以来已走过了近20年的发展路程。单片机技术的发展以微处理器(MPU)技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势，小到电子遥控玩具，大到航空航天技术等电子行业都有单片机应用的影子。针对51单片机技术在电子行业自动化方面的重要应用，为满足广大学生、爱好者、产品开发者迅速学会掌握单片机这门技术，于是产生51单片机开发板。[1]

1 方案设计

1.1 整体设计思路

本开发板在以C51单片机为核心控制器的基础上，对外围电路进行了设计，包括复位电路、时钟电路、显示电路、声光报警电路、记忆存储电路、下载电路等，主要实现了程序下载和调试功能，它可以将汇编语言和C语言程序通过计算机的并口(25针口)直接下载到各个芯片中，也可以用于C51单片机、EDA内部程序和简单的数字电路的调试观察，在调试过程中可以利用发光二极管观察程序输出状态，并且还可以用开关和按钮作为状态输入来调试程序。另外，电路中还具有声光报警、继电器、记忆储存等其他功能，记忆储存可将脚本程序下存放到存储模块里，运用起来就比较简单，并且系统中还提供扩展插槽。系统方框图如图1所示。[5]

1.2 方案论证

1.2.1 下载线接口方式选择

方案一：从ALTERA下载线的接口直接与AT89S52、EPM3064ALC44和EPM7128ALC84的下载引脚上，但考虑的信号可能会干扰。

方案二：采用总线分支用跳线帽或拨段开关来选择，这样可以避免信号干扰和失真。

1.2.2 电源

方案一：变压器变压整流但这不仅体积大而且也很重，也不方便携带。

方案二：采用平常生活中比较经常遇到的电源，如USB电源、电池等。

1.2.3 显示功能方案

方案一：采用74LS138和74LS248分别驱动4个七段码共阴极LED来显示，这样占用的I/O端口少，但显示的字符有限。

方案二：采用分立元件加上拉电阻，不仅可以显示七段译码器的字符，还可以显示h(点)等其他的字符。

1.2.4 电位指示的选择

方案一：电压表精确度比较高显示直观，同时设计也比较复杂。

方案二：逻辑电笔工作原理简单，体积小，并且该系统中大部分都是数字信号状态明显，所以采用逻辑电笔观察各点的电位更为直观。因此该系统采用逻辑电笔。[2]

2 硬件设计

2.1 电源模块

电源采用多种输入模式，有USB、排针等，电路中的排针和另一个接口5V和9V都可以使用，是通过J14用跳线帽进行转换，如果输入为5V则跳线帽接1、2两脚，若输入为9V则接2、3两脚，再通过IC11 7805集成稳压芯片进行转变为5V，经过开关后面的J13和J13X是备用电源。L12和C112-C117组成高频滤波提供EPM7128ALC84工作，另一路先经过IC12、RP11、RES2和C14降为3.3V，然后再用L11、C15-C18高频率波后提供给EPM3064ALC44工作。电源电路设计原理图，如图2所示。[6]

2.2 七段码LED模块

电路采用分立元件和上拉电阻作为驱动，方便更多的字符的编辑。比如A、b、C、d、E、F和点的显示。七段码LED显示电路原理图，如图3所示。

2.3 MCS C51、EDA最小系统[5]

MCSC51、EDA最小系统的主要组成部分是复位电路、时钟电路、电源电路和单片机，详细介绍见单片机教科书。电路原理图如图4-6所示：

2.4 输入模块

按钮主要作状态输入、点动信号和BCD码输入等功能。电路原理图，如图7所示。[7]

2.5 逻辑电笔

逻辑电笔主要应用在数字电路里，用来检测某点电压的高低，当电压为高电平时三极管Q71导通，则此时发光二极管LED71亮起，反之，Q72导通LED72亮起。电路原理图如下

2.6 下载模块

下载模块分为两部分，第一部分altera下载线，在市场上都可以买到它，如果想自己做的话可以参考图9。第二部分就是下载线接口(如图10)采用总线分支接法，设计时用两排接口是为了更方便使用，既可以用跳线帽又可以用拨段开关来作芯片下载的选择方式。

2.7 发光二极管模块

发光二极管可以用来做BCD码显示，但它主要的作用就是用来作指示用。

2.8 其他模块

扬声器主要用来做声信号指示和报警作用，但接口J82的2脚有信号是Q82导通则扬声器L81就发声。继电器控制电路主要作用低电压控制高电压或信号隔离，其工作原理与扬声器一样。

2.9 记忆存储模块

如图13所示，电路提供I2C总线E2PROM(AT24C01)和串行EEPROM(AT93C66)模式存储。

3 硬件调试和软件调试

3.1 AT89S 52调试

AT89S52系统调试：首先在HK-51仿真开发系统里编程如图14，然后将它编译成.EXE文件。再运用ISPlay，将事先编译好的.EXE文件打开(要记得编译的途径)，然后点击“写”将.EXE文件下载到AT89S52里,这样就可以编译成功了。但是需注意，第一次下载时要设置下载配置文件，首先点击程序设置，可以看到“下载配置文件”一栏，在浏览选项里找到isplaypin_configAltera_BYTEBLAST.ini文件，如果记不清文件具体文字可以用文件夹里的搜索。

3.2 EP M3064ALC44调试

先打开Quartus II软件，在菜单上选择File/New project...，选择你要保存的路径，继续点击Next直到芯片选择,然后先在Family栏选择“MAX300A”，继续在Available devices里选择EPM3064ALC44-10，最后点击Finish，工程文件夹新建完成。接下来是新建原理图文件或文本文件，点击File/New project wizard...,编辑程序以及原理图，然后将其编译生成.pof和.sof文件。再点击Tools/Progrmmer出现一界面，在此界面菜单上查看Hardware Serup...的选项是否为No Handware，如果是则点击Hardware Serup...添加即可。最后点击Start进行编程下载,下载时会有提示是否有错误(错误为红色字体)，如果出错则双击红色字体，修改错误，直到没有错误为止。

4 结论

51单片机开发板也称51单片机实验板、51单片机学习板,是用于学习51型号的单片机的实验及学习器件，它将51单片机常用的外围(比如流水灯、数码管、EEPROM、时钟、继电器等)集成在一小块电路板上，可以直接插在PC机上面，便于携带和学习，另外一些中小型项目也可以直接在此板上面进行二次开发，开发完成后即可以在此基础上重新画图做板，极大地缩短了公司的开发周期，节省硬件成本。本开发板在以C51单片机为核心控制器的基础上，对外围电路进行了设计，包括复位电路、时钟电路、显示电路、声光报警电路、记忆存储电路、下载电路等，主要实现了程序下载和调试功能，可以用于各类通用实验、软硬件测试和51单片机的学习，具有操作简单、性价比高和可靠性高特点，因此具有一定的实用价值和现实意义。

参考文献

[1]代芬,王卫星.单片机综合实验开发板[J].实验室研究与探索,2010(8).

[2]黄智伟.基于S51单片机开发板设计.西安邮电学院[D],2010(1).

[3]侯振鹏.嵌入式C语言程序设计--使用MCS-51[M].人民邮电出版社,2006(07).

[4]谭浩强.C程序设计[M].清华大学出版社,1799.

[5]张洪润,张亚凡.单片机原理及应用[M].清华大学出版社,2005.

[6]肖洪兵,胡辉,郭速学.跟我学用单片机[M].北京航空航天大学出版社,1994.

浅析单片机开发板的设计与制作 篇7

单片机最早出现于上世纪七十年代,经过多年发展,单片机技术被广泛应用于各个领域,并成为工科学生必须掌握的技能。为学习好单片机相关知识,就要进行实验,设计与制作单片机开发板,通过这样的实验不仅可以提高学生实践能力,还能促进教学改革,因此,有必要对单片机开发板设计与制作进行研究。

1.单片机开发板设计思路

要做好单片机开发板设计,应先了解什么是单片机。单片机也被称为单片微控制器,它并不是单独的逻辑芯片,而是将计算机系统的功能转移到了芯片上,所以可以将单机片看作是微型计算机,但它仅比计算机缺少了IO设备,经过多年发展,单片机在很多领域都有应用,由于它是现代智能技术的集合体,所以,只要安有单片机的设备通常都带有智能意味。

进行单片机开发板实验在增强了学生动手能力的同时,也能让学生更系统的学习单片机设计开发知识,并让学生掌握软件编程技巧,更会让学生学会如何搭建硬件系统。所以,在设计单片机开发板的过程中,应利用系统可编程技术完成软硬件调试,且以此为基础将系统故障排除。对于单片机开发板的设计,应坚持便于上手的原则,为锻炼学生,增强他们的实践能力,在实验中要尽可能扩大试验范围,实现综合设计。

2.单片机开发板设计任务与功能要求

要设计好单片机开发板,不仅要做好LED流水灯、液晶显示等方面的设计,还要创新按键操作、强化串口通信实验等,同时做好USB转串实验,此外,在设计单片机开发板的过程中,应加强与不具备RS232串口的笔记本电脑可以在通信程序的作用下完成下载与调试,进而满足实际教学需求[1]。

从功能角度讲,单片机开发板所需内容较多,在对LED显示电路提出要求以后,还要强化数码管显示电路,且要求具有按键识别电路的功能。要做好相关设计,还要将相关数据手册作为重点,在强化了单片机设计的外接设计的同时,还要绘制好PCB图,最终完成焊接装配及编写测试等,这些都是单片机开发板设计中需要注意的问题[2]。

3.单片机开发板电路设计与制作

■3.1单片机型号选择

为完成单片机开发板电路设计与制作,最好选择现代市场上较为流行的STC89C52型号单片机,这种型号的单片机能够在40脚紧锁座的作用下完成电路接入,且在排阻R4的影响下做好接口的上拉工作。之所以没有选择MCS-51型单片机,主要是由于其端口可输出电流较小,且可以吸入大部分电流,而现阶段较为流行的单片机,在LED流水灯电路的作用下能够实现负逻辑驱动[3]。同时,新型单片机按键少,要按键基本都是依靠独立键盘来完成,这样的软件编程相对来说要简单得多,便于学生学习与掌握。

■3.2单片机开发板设计与制作

在对单片机开发板进行设计与制作的过程中,应强化电源电路设计,如设计好电源开关、电源滤波电容以及指示灯与限流电阻等。并根据实际情况选择合适的电路材质,如在设计时钟电路的过程中,其中的晶体振荡器最好为12MHz晶振,而电容的材质最好设计为30p F瓷片电容,以此增强时钟频率[4]。对于复位电路来说,应以RC上电自动复位电路为主,同时,完成人工复位按钮设计。在设计与制作单片机开发板的过程中,还要重视数码管显示电路的设计,对于数码管来说,最好选用尺寸为0.28英尺、具有四位一体功能的SR410281K数码管,并以此为基础做好数码管静态显示设计,注重数码管动态扫描,且做好电子时钟设计,这些都是单片机开发板设计与制作中需要注意的内容。

在设计单片机开发板的过程中,还要做好双列直插排针设计,并在其顶端安装好跳线帽,如果需要进行数码管实验,就将跳线帽安装好,如果不需要就将跳线帽去除,通过这样的设计可以有效减少不必要的硬件冲突,保证系统始终处于正常运行状态。串口通信电路也是单片机开发板设计中需要重视的组成部分,其主要核心要素为MAX232,它是一种专门用于RS-232串口设计的芯片,但值得注意的是,在应用过程中与加强与RS-232实际情况的联系,由于在两者相连接以后会在瞬间产生大量电流,很可能损坏芯片,为避免这种情况发生,最好防止发生热插拔接口的出现。

此外,由于现代笔记本电脑上缺少RS-232接口,为保证笔记本在USB的作用下完成与单机片开发板的连接,进而实现串行程序下载等工作,这就需要做好单片机开发板设USB转串口电路设计。为做好实验,保证单片机开发板能够发挥应有作用,就要将单片机各个IO引出,同时用杜邦线将其与对应排针联系在一起,这样就可以顺利的完成单片机开发板设计工作。

在单片机开发板设计与制作完成的最后阶段,还要做好加密设计,之所以采取这种措施主要是为了防止研究成果被他人窃取。如在硬件加密的过程中,可以将激光烧断引脚应用进来,经过这样的设计,未经允许的人无法获得内部程序。为混淆视听,给窃取研究成果的人造成迷惑,可以将制作好的单片机标识去除,并换上其他标识,如制作好的单片机开发板真正的标识为8X52,在标注的时候可以标为8X51,如果窃取人按照8X52的方法破解就会受到阻碍,无法顺利完成,这样就可以防止研究成果被盗用。

4.结束语

随着科学技术的发展对于单片机的研究逐渐增多,要做好单片机设计与制作,就要从其开发板入手。为增强学生的实践能力,促进学生全面发展,就需要教师加强引导,为学生做好试验选择合适材质的开发板,并指出设计中需要注意的内容。本文联系实际情况研究了单片机含义,研究了单片机开发板设计任务与功能要求,进而完成了单机片开发板设计与制作,希望能为相关人士带来有效参考。

参考文献

[1]徐伟杰.浅谈高职单片机项目教学综合实验开发板的设计[J].科技视界,2014,36:245.

[2]陈永洪.“学、做”一体单片机实验系统的设计[J].科技视界,2015,12:176-178.

[3]杨万鸿.自制AVR单片机开发板[J].硅谷,2013,02:98-99+92.

四辊平整机组板形控制技术的开发 篇8

本文以某四辊平整机组的某种轧制规格为例,对轧制过程中复杂浪控制的技术进行叙述。

1.1中浪的表现形式、成因与控制

中浪的表现形式为:带钢的中部起浪,即中间带钢延伸量大;应力表现为中部受压,边部受拉。产生的原因主要是平整辊凸度大、平整压力小、弯辊大、张力大等,造成平整时产生新的中间浪板形,或者是来料原有的中浪缺陷由于压下小而没有得到改善。可以通过调节弯辊力的大小使其取得明显的效果,如图1所示。 图1中,带宽进行归一化处理,无量纲;板形值表示带钢宽度方向某点对应的残余应力,或表示带钢内部最大拉应力与与最最小小压压应应力力的的差差值值。以以下下图图中中的的表表示示如如图1 。

1.2单边浪的表现形式、成因与控制

单边浪的表现形式为:带钢的单个边部起浪,即某一边的带钢变形大,延伸量大;应力表现为该边部受压,其他地方受拉。产生的原因主要是平整辊凸度小、 平整压力大、弯辊小、倾斜调节、张力小或者是来料左右不对称等,造成平整时产生新的单边浪。对于单边浪可以通过调节倾辊量的大小使其得到合理的改善, 如图2所所示示。

1.3 双边浪的表现形式、成因与控制

双边浪的表现形式为:带钢的两边部起浪,即两边的带钢变形大,延伸量大;应力表现为边部受压,其他地方受拉。产生的原因主要是平整辊凸度小、平整压力大、弯辊小、张力小等造成平整时产生新的双边浪板形,或者是由于平整辊凸度小、平整压力小等,造成平整时的延伸率太小,不足以改善来料本身双边浪的板形。对于双边浪可以通过调节弯辊力的大小使其得到合理的改善,如图3所示。

2平整轧制过程复合浪形的表现形式、成因与控制

2.1中浪和单边浪组合的中、单边复合浪

中、单边复合浪的表现形式为:带钢的中部和单个边部起浪,即中间和某一边的带钢变形大,延伸量大; 应力表现为该边部受压,其他地方受拉。板形值表现为复合浪部的数值较小。产生的原因主要是平整辊不对称、局部变形膨胀过大、平整压力不适当、弯辊小、倾斜调节、张力小或者是来料左右不对称等,造成平整时产生新的中浪和单边浪。对于中、单边复合浪可以通过调节倾辊量和弯辊力的大小使其得到合理的改善, 如图4所示。

2.2单边浪和双边浪组合的单、双边复合浪

单、双边复合浪的表现形式为:带钢的两个边部起浪,但是一边的浪形明显比另一边的大,即非对称的双边浪,此时边部的带钢变形大,延伸量大;应力表现为边部受压,其他地方受拉。板形值表现为复合浪部的数值较小。产生的原因主要是平整辊不对称、平整压力不适当、弯辊小、倾斜调节、张力小或者是来料左右不对称等因素,造成平整时产生新的单、双边浪。对于单、双边复合浪可以通过调节倾辊量和弯辊力的大小, 必要时可以同时窜辊使其得到合理的改善,如图5所示。

2.3中浪和双边浪组合的中、双复合浪

中、双边复合浪的表现形式为:带钢的两边部和中部处起浪,即边部和中间的带钢变形大,延伸量大;应力表现为边部受压,其他地方受拉。板形值表现为复合浪部的数值较小。产生的原因主要是平整辊不对称,局部变形膨胀过大、平整压力不适当、弯辊小、倾斜调节、张力小或者是来料左右不对称等因素,造成平整时产生新的中浪和双边浪。对于中、双边复合浪可以通过调节倾辊量和弯辊力及窜辊量的大小使其得到合理的改善,如图6所示。

3结论

(1)经过大量现场试验与理论研究,基于板形机理模型与轧机的基本数据采集系统开发出一种四辊平整机组复杂浪形控制技术,在不增加硬件投资、不配置冷却装置的前提下实现了复合板形非对称缺陷的控制, 并且效果明显。

实验开发板 篇9

C/C复合材料的历史较短,诞生于1958年,是在美国一次实验失误中意外产生的。前期发展缓慢,到20世纪60年代投入工程使用,再到20世纪七八十年代的应用和开发,目前已经进入C/C复合材料的新工艺开发和民用应用阶段。短短的几十年,C/C复合材料的发展突飞猛进。由于其具有质轻(约1.7 g/cm3)、高强、耐腐、耐磨、耐高温等优良性能,并且性能稳定,因而在航空航天、航海、汽车、IT等各大领域有着广泛应用[1,2],使其成为目前最受关注的一种新型材料。

现如今,学者们都采用实验方法来研究复合材料的断裂韧性[3]。在计算机模拟方面,多数学者采用有限元法(FEM)对复合材料性能和工程实况进行模拟研究[4]。有限元法在工程应用上用得较多,但在复合材料上很难考虑到界面性能及微裂纹对界面的影响。杨东民等[5]通过离散元法,用颗粒流(Particle flow code, PFC)软件对复合材料界面强度进行研究,用位移软化模型来表征纤维树脂复合材料的界面属性,对单向纤维增韧复合材料的拉伸断裂进行模拟,并对裂纹的走势进行分析,从而进一步阐述了复合材料的特性。基于DEM这些优势和特点,本研究采用离散元法,用PFC软件建立纤维增韧多层C/C复合材料离散元模型,每层纤维呈0°、90°交错排布;通过对DEM微观参数的设置和调试对C/C宏观性能进行校核,并对比单边切口梁实验DEM模拟及其实验,发现实验结果和现象都能够较好地吻合,从而验证了该模型的有效性,同时再现了单边切口梁实验中微裂纹的扩展过程。

1 离散元法简介

离散元法起源于1971年,由分子动力学发展而来,简称DEM(Discrete element method)。DEM首先由Cundall提出,用于研究岩石力学;1979年,Cundall和Strack又提出了适用于土力学的离散元法。DEM发展至今已经在陶瓷[6,7]、岩石[8,9]和混凝土[10,11]等脆性材料的大变形和断裂失效过程上成熟应用,并且在粉体压实与烧结[12,13]、爆炸与冲击[14,15]、两相流[16,17]等问题上也得到了广泛的应用。

在块体离散元法中,由一系列的刚性颗粒通过键相互连接起来的颗粒集合体可以模拟块体材料的力学属性。颗粒的形态有圆盘(2D)和球(3D)之分。连接键主要有两种形式:一种是接触键,只能传递力的信息;另一种是平行键,能同时传递力和力矩信息。学者通常形象地把连接键比喻成弹簧,键的断裂便形成了裂纹。在离散元中,颗粒在任意时步内的运动都满足牛顿第二定律,且任意相连接的两颗粒间的接触都符合力与位移法则[18]。

2 C/C层合板DEM结构模型的建立

PFC中的平行键连接模型适于模拟脆性块体材料,研究采用该连接模型对C纤维和基体进行建模,并对其基本的力学性能进行校准。为了简化模型,把C基体和C纤维的属性近似看成是一样的,并在界面引入位移软化接触模型来表征其界面属性,最后通过单轴压缩实验DEM模型对其弹性模量和压缩强度进行校准,结果如表1所示。从表1分析可知校准误差较小,可以用来表征C纤维和基体的基本属性。

按照C/C层合板的结构模型进行DEM三维(3D)建模,材料共6层,每层碳纤维按照0°、90°排列。层基体用黑色或灰色颗粒集合表示,纤维用灰色颗粒集合表示,界面处用黑色线段表示,如图1所示。然而其二维(2D)模型可能出现两种结构,分别如图2(a)和(b)所示,两种结构都能近似体现出C/C层合板的结构。

通过3D模型与2D模型的对比,从材料结构上讲,2D模型只是多层C/C的一种近似模型,没有3D模型逼真,但是2D模型所需颗粒数与3D模型相比则大大减少了,可以节约程序运行时间。经过综合考虑, 采用C/C层合板2D模型进行模拟研究,并选取较为简便的第二种结构进行模拟,以提高模拟效率。

3 C/C力学实验及DEM模拟

3.1 C/C力学实验

纤维增韧多层C/C复合材料板材由湘潭碳素高科有限公司提供,其纤维为C_t300,板材共6层,板材厚度为6～7 mm,每层的碳纤维以0°、90°排列,材料密度为1.34 g/cm3。通过线切割,按照国标从一整块C/C板材连续加工出3个单边切口梁试样,试样尺寸为35 mm×7 mm×3 mm(长×宽×厚),切口尺寸为2 mm×3.5 mm(宽×深)。在100 kN微机控制电子万能材料试验机上完成单边切口梁实验,其加载速度为v=5×10-5 m/s (3 mm/min),如图3(a)所示。把实验后失效C/C试样放在电镜(SEM)下观察,发现C/C试样的裂纹在切口处沿着界面呈S形扩展,如图3(b)所示。

3.2 C/C力学实验DEM模型

在PFC2D中,采用BPM模型(平行键连接模型,适于模拟脆性块体材料)建立相互连接的颗粒集合,通过改变颗粒颜色来区分基体和纤维(纤维为灰色,基体为浅黑色),并且在不同颜色颗粒接触间引入位移软化接触模型,最后得到离散元纤维增韧多层C/C复合材料结构模型(C/C复合板材一共有6层,每层的碳纤维以0°、90°交错排列)。为了得到C/C复合材料力学模型,需要建立实验模型(单边切口梁实验)对C/C复合材料进行力学性能校准。离散元模型的二维尺寸与实验试样一致,如图4(a)所示。建模所用颗粒数选在6000～10000之间[20],既可以使计算快捷,又减少了离散元尺寸效应造成的误差。通过反复设置和调试离散元模型的微观参数来校准C/C复合材料的力学性能,最后得到与C/C复合材料力学性能相符的离散元模型。

而在实验模拟中,黑色线段代表微裂纹,单边切口梁试样失效图中的微裂纹(黑色线段)显示不清楚,只在压头处有点黑色裂纹。为了让黑色的裂纹显示清楚,在PFC2D中另外做一些处理。把颗粒的颜色改为浅色(层基体为浅黑色时,灰色代表纤维),并且去除颗粒的黑色边框,可以清楚地看到裂纹在试样切口处沿着界面呈S形走向,如图4(b)所示,与单边切口梁实验失效图(图3)的裂纹现象吻合较好。

把得到的DEM模拟结果与实验数据进行对比,如表2所示。模拟得到的C/C多层复合板材的力学性能参数与实验数据比较吻合,误差都较小。由此可以表明:通过DEM建立的此模型能够较好地表征C/C复合板材的力学性能,模拟的现象和结果都能很好表征C/C层合板的属性。

4 结论

(1)采用BPM模型可以较好地模拟C基体和纤维的属性,并且DEM可以对结构更为复杂的复合材料进行模拟研究。

(2)通过单边切口梁实验DEM模拟与实验的对比,发现结果与现象吻合较好,验证了该DEM模型的有效性,断裂裂纹在试样切口处沿着界面呈S形状。

(3)随着DEM的发展,可以用它来研究复合材料的工艺加工过程和其使用过程中损伤等情况,并对其进行预测。