基于单片机的扭矩测量技术研究.pdf

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1、基于单片机的扭矩测量技术研究*朱春梅1，王朝霞2(1．北京信息科技大学，北京100192；2．北京迪威尔石油天然气技术开发有限公司。北京100085)摘要：阐述了一种基于单片机的扭矩测量系统。该系统利用应变式扭矩传感器实现了扭矩及轴向力的监测，并详细介绍了用AD7705芯片采集传感器的输出电压进行模数转换，通过无线收发芯片nRF2401实现数据的无线传送，实现了扭矩的实时监测。关键词：扭矩传感器；数据采集；单片机；无线发射和接收中图分类号：TH823．4；TP273文献标志码：A扭矩测量在各种机械产品的开发研究、质量检验、安

2、全和优化控制等工作中是必不可少的内容。它不仅包括对扭力轴扭矩的测试，也包括对多种传动装置中旋转轴的扭矩测试。扭矩测试的方法多种多样。有传统的贴应变片的方法，有各种光学、光电子学、磁学、电磁学等测试方法，以及各种相位和数字测试方法等。而扭矩传感器是一种重要的传感器，广泛应用于轧钢、汽车以及其它机械产品中，以优化动力驱动传动系统和实现智能控制。随着各种系统的tl动化程度和复杂性的提高，需要获取的信息越来越多，对传感器的精度、可靠性和响应速度提出了越来越高的要求。在旋转动力传递系统中，最棘手的问题是旋转体上的应变桥的电压输入及检测

3、到的应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递。用普通的有线电缆引出信号就可能无法满足要求或者根本无法实现，而通常的做法是用导电滑环来完成，但是使用导电滑环限制了旋转轴的转速，导电滑环的使用寿命也较短。同时，由于接触不可靠引起信号波动，因而造成测量误差增大甚至测量不成功¨引。为了克服导电滑环的缺陷，所研制的传感器扭矩测量系统采用了无线遥测的方法，设计完成了扭矩传感器的无线数据采集系统，可以对扭矩传感器采集的数据进行无线传输，并做到了扭矩信号的传递与旋转与否无关，与转速大小无关，与旋转方向无关。1扭矩测量系统的工作原理

4、及性能设计考虑到许多扭矩测量的工作环境恶劣，测量系统的外壳需要防爆设计，安装在旋转轴上的无线发射信号将会被壳体完全屏蔽，外部无法接收，所以研制的扭矩测量系统运用了局部的无线传输，其组成包括4部分：1)安装于旋转轴上的扭矩测量、无线数据发射电路，如图1；2)固定于壳体上的转速测图1数据采集发送端的系统框图爵聃图3上位机数据接收图4无线电磁感应式处理的系统框图供电的原理框图系统的工作原理：扭矩传感器将扭矩信号转化成电信号，经放大器放大后送入A／D转换器，单片机控制A／D转换器将采集的模拟信号转换成数字信号，通过发射模块发送出去。

5、接收端接收到信号后进行分析处理，得到正确的扭矩数据，把数据送到上位机监测软件显示数据。2系统硬件电路设计系统采取模块化的电路设计思想，包括电源电路、放大电路、A／D转换电路、单片机主体电路、无线发射电路、无线接收电路、RS232串口通讯电路。这套测试系统在满足测试要求的同时兼顾了系统的成本，做了如下器件的选型：单片机，选用了ATMEL公司的AT89S52单片机；A／D转换，采用16位乏一△(电荷平衡式)A／D转换器AD7705；无线收发模块，采用了NORDIC公司的nRF2401单片射频收发芯片；直流／交流模块，采用NE55

6、5芯片产生方波，用于无线感应供电。2．1AD7705接口电路AD7705与单片机的接口电路如图5所示。扭矩测量系统由应变测量桥路测得与扭矩成正《新技术新工艺》·数字技术与机械加工工艺装备2008年第9期·47·ⅥMVE+5蝴电压U2A∥刀∞AOC巧V叫sQxfiND凼纠删VDD悼三副麟仪耳D酣阻金一d穗L三到丽DOUr也麟也删An蚴攀^：I嬲2ALE雎l∞的取T’卿P20一U1A嗍VoL+N吲怒茹鞋t刹釜盖静图5AD7705与8051单片机的接口电路比的电压信号，将AD7705的CS直接连接到低电平，与AT89S52单片机采

7、用4线连接。单片机的ALE端输出的是时钟信号6分频的脉冲序列，提供给AD7705的时钟输入端，省去了晶振电路。为了简化程序，将AD7705的SCLK和单片机的P3．1连接，P3．1用来输出串行时钟信号。DOUT和DIN线接在一起并与P3．0相连，片选端可直接接地，如果接口电路要控制CS信号，也町以接到单片机的输出端口。2．2无线收发电路设计nRF2401数字无线收发芯片与AT89S52单片机的接口电路如图6所示。单片机的P2．1管脚连接到nRF2401的数据时钟端，模拟SPI的串行时钟序列。P2．2连接DRl端，检测接收数据

8、是否准备好。P2．7，P2．6，P2．3分别连接到PWR—UP，CE，和CS端，用来控制nRF2401的工作模式，具体控制方式见表1。表1nRF2401的丁作模式工作模式PWR—UPCECS收发模式10配置模式101空闲模式10关机模式o×x2．3串口通讯电路设计无线接收模块接收到采集的数