傳感器測傳動軸扭矩轉速課程設計

1、<p>　　傳感器測傳動軸扭矩轉速課程設計</p><p><b>　　設計說明書</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　設計題目要求與分析----------------------------------------------1</p><p>　

2、　1.1 設計題目--------------------------------------------1</p><p>　　1.2 設計分析與要求--------------------------------------1</p><p>　　扭矩測量及應變片的原理------------------------------------------2</p><

3、p>　　2.1 應變片式傳感器的原理及結構--------------------------2</p><p>　　2.2 扭矩測量的基本原理----------------------------------3</p><p>　　3.總體方案的確定--------------------------------------------------5</p><

4、;p>　　3.1 檢測裝置整體系統(tǒng)框圖-------------------------------5</p><p>　　3.2 各部分功能的介紹-----------------------------------5 </p><p>　　3.3 方案論證-------------------------------------------6</p><p&g

5、t;　　4傳感器的設計----------------------------------------------------7</p><p>　　4.1 傳感器類型的選擇-----------------------------------7</p><p>　　4.2 傳感器結構設計及結構圖-----------------------------7</p><p

6、>　　4.3 靜動態(tài)扭矩傳感器設計計算原理-----------------------8 4.4 圓管形扭矩傳感器的靜校方法-------------------------8</p><p>　　5 扭矩檢測系統(tǒng)各部分電路的設計-----------------------------------10 　</p><p>　　5.1 引言----------------

7、-------------------------------10</p><p>　　5.2 電橋電路-------------------------------------------10</p><p>　　5.2.1電橋電路的選用-------------------------------10</p><p>　　5.2.2電橋電路的精度誤差分析----

8、-------------------10</p><p>　　5.3放大電路的設計及硬件的選用-------------------------11 </p><p>　　5.3.1放大電路的設計-------------------------------11</p><p>　　5.3.2放大電路的誤差分析---------------------------

9、13</p><p>　　5.4低通濾波電路的設計---------------------------------14</p><p>　　5.5 A\D轉換電路的設計---------------------------------15</p><p>　　5.6單片機電路及硬件選取-------------------------------19</p&

10、gt;<p>　　5.7 LCD顯示電路及硬件選取-----------------------------20</p><p>　　5.8硬件的抗干擾措施-----------------------------------24</p><p>　　6 軟件部分簡介--------------------------------------------------25<

11、;/p><p>　　6.1引言----------------------------------------------25</p><p>　　6.2數(shù)據(jù)處理子程序------------------------------------27</p><p>　　6.3 LCD顯示部分--------------------------------------27&l

12、t;/p><p>　　7 精度誤差分析--------------------------------------------------29</p><p>　　8 結束語--------------------------------------------------------30</p><p>　　9 參考文獻------------------------

13、------------------------------31</p><p>　　附錄一 系統(tǒng)電路總圖---------------------------------------------32</p><p>　　1 設計題目要求與分析</p><p>　　1.1 設計題目：設計一個可測靜動態(tài)扭矩的傳感器及扭矩儀。</p><p>　

14、　1.2 設計分析與要求</p><p>　　(1)、既可以測量靜止扭矩，也可以測量旋轉轉矩； (2)、既可以測量靜態(tài)扭矩，也可以測量動態(tài)扭矩； (3)、檢測精度高，穩(wěn)定性好；抗干擾性強； (4)、體積小，重量輕，多種安裝結構，易于安裝使用； (5)、不需反復調零即可連續(xù)測量正反轉扭矩；</p><p>　?。?）、使用條件：轉矩測量儀一般用在機器之間的傳動軸上，所

15、以振動大，灰塵、油霧、水污比較多，故要求傳感器封裝在一起，只留下兩個軸端在外面；工作溫度在-20~150。</p><p>　　2 扭矩測量及應變片的基本原理</p><p>　　2.1 應變片式傳感器的原理及結構</p><p>　　應變計的轉換原理基于應變效應。所謂應變效應是指</p><p>　　屬絲的電阻值隨其變形而發(fā)生改變的一種物理

16、現(xiàn)象。由物理</p><p>　　學可知，金屬絲酌電阻值R與其長度L和電阻率ρ成正比，</p><p><b>　　R=ρL/A</b></p><p>　　從而當金屬絲受力變形改變其長度與橫截面積而改變電阻值，而引起電壓值變化。</p><p>　　電阻應變計簡稱應變計，它主要由電阻敏感柵、基底和面膠(或覆蓋層)、粘結

17、劑、引出線五部分組成。基底是將傳感器彈性體表面的應變傳遞到電阻敏感柵上的中間介質，并起到敏感棚和彈性體之間的絕緣作用，面膠起著保護敏感柵的作用，粘結劑是將敏感柵和基底粘接在一起，引出線是作為聯(lián)接測量導線之用。電阻敏感柵可以將應變量轉換成電阻變化。應變計的結構如下：</p><p>　　多數(shù)應變式傳感器都是將應變計粘貼于彈性元件表面彈性元件表面的變形通過基底和粘結列傳遞給應變計的敏感。由于基底和粘貼劑的彈性模量與敏

18、感柵材料的彈性模量之間有差別等原因．彈性元件表面的應變不可能全部均勻地傳遞到敏感柵。</p><p>　　2.2扭矩測量的基本原理</p><p>　　一根實心的圓軸在扭矩的作用下，其表面的剪應力的大小為 </p><p>　　式中G為剪切彈性模量，</p><p>　　同時，相距為L的兩個斷面的相

19、對扭轉角，其值的可有下式決定：</p><p>　　式中為斷面的極慣性矩，又</p><p>　　對于實心圓軸：=/32；</p><p>　　對于空心圓軸：/32（）；</p><p>　　由上述各式可見，只要軸的尺寸D或，及L確定，材料的剪切彈性模量就一定，轉軸的剪應變和相距L的兩斷面的相對轉角就只與扭矩有關，且成比例，即</p&g

20、t;<p><b>　　為常數(shù)，所以</b></p><p>　　因此，只要測量即可確定。</p><p>　　如圖2-2所示，當彈性軸受到扭轉時，傳遞的扭矩是剪應力對橫截面扭心的合成力矩。</p><p>　　圖2-2扭軸橫截面上的剪應力分布</p><p>　　轉軸扭轉時切應力處在縱向軸的徑向平面上，在

21、軸表面用兩個橫截面，兩個徑向縱截面及兩個軸向縱截面截取出一個單元平行六面體來研究，因邊長均為微量，故此六面體非常接近于正六面體。由圓軸扭轉時應力分析可知，此單元體處于純剪切應力狀態(tài)。所以軸表面任何單元平面的法向應力值都符合平面應力狀態(tài)理論?？蓪兤剞D軸軸線45和-45方向粘貼在轉軸表面，就會受到相應的最大拉應力和壓應力的作用，將應變片組成全橋電路。如圖2-3所示，初始條件應變片電阻R1=R2=R3=R4=R0，當彈性軸受力矩M作用時

22、，工作應變片R1、R2、R3、R4分別產生最大正負應變。</p><p>　　圖2-3電阻應變片全橋電路</p><p><b>　　3 總體方案的確定</b></p><p>　　3.1 檢測裝置整體系統(tǒng)框圖</p><p>　　檢測裝置整體系統(tǒng)框圖如圖3-1所示</p><p>　　圖3-1監(jiān)

23、測裝置整體系統(tǒng)圖</p><p>　　3.2各部分功能介紹</p><p>　　圖3-2系統(tǒng)總體框圖</p><p><b>　　（1）測量電橋</b></p><p>　　實現(xiàn)扭矩信號到與之呈線性關系的電信號的轉換，電橋電路采用LM型硅擴散力敏全橋應變片搭成，具有良好的一致性和對稱性，很小的非線性和較高的靈敏度。<

24、;/p><p><b>　　(2)信號放大</b></p><p>　　由于應變電橋輸出的電壓只有mV級，所以必須對其放大，放大電路由高性能運算放大器搭成差動放大電路，其放大倍數(shù)在80～120之間可調。</p><p>　　（3）低通濾波電路：本系統(tǒng)選用的ADC0809的轉換測量精度及穩(wěn)定度的影響，本系統(tǒng)在電路，以濾去高頻噪聲。</p>

25、<p>　?。?）A/D轉換：將模擬信號轉化為數(shù)字信號。</p><p>　?。?）單片機：單片機系統(tǒng)扭矩傳感器與單片機系統(tǒng)組合在一起就構成了扭矩測量儀，這部分電路主要完成的功能是：將扭矩傳感器的輸出信號進行整形后用計數(shù)器對高頻脈沖計數(shù)，計算出相應的被測扭矩值，將數(shù)據(jù)直接傳送給驅動顯示器顯示。</p><p>　?。?）液晶顯示：液晶顯示部分直觀地顯示出所測彈性軸的扭矩，是整

26、個系統(tǒng)的作用完整顯現(xiàn)。</p><p>　?。?）電源電路為應變電橋、運算放大器、A/D轉換器、單片機提供穩(wěn)定的直流電源電壓。這里采用變壓器傳輸方式完成電源的傳輸。</p><p><b>　　3.3 方案論證</b></p><p>　　本設計的扭矩傳感器采用應變型扭矩測量原理來實現(xiàn)扭矩信號的測量，從而克服了磁彈性型傳感器和相位差型傳感器可靠

27、性低、結構復雜、安裝調試困難、準確度低等諸多缺點。在動態(tài)扭矩測量中,其主要問題是旋轉工況下，電源如何可靠地輸入到應變橋路及信號如何可靠地輸出到顯示儀表，本設計采用滑環(huán)以及滑臂之間的電刷達到電源的輸入及輸出。</p><p>　　從而實現(xiàn)了電信號在轉子和定子之間的傳輸，解決了動態(tài)扭矩測量中存在的信號傳輸問題，使得扭矩測量儀的準確度和可靠性大大的提高。綜上所述，本文所設計的方案是完全可行的。</p>&

28、lt;p><b>　　4 傳感器的設計</b></p><p><b>　　4.1傳感器的選擇</b></p><p>　　一般的應變式動態(tài)扭矩傳感器主要是集流環(huán)式, 它的主要結構是傳感器中間有一根回轉.運動的扭力軸,并且在扭力軸上貼有應變片。為了將應變信號輸出,碳刷集流環(huán)方式信號輸出的動態(tài)扭矩傳感器往往采用碳刷與集流環(huán)形式, 將應變信號從

29、運動的扭力軸傳送到固定的外殼上的碳刷集環(huán)方式信號輸出的動態(tài)傳感器。由于集流環(huán)和電刷之間是相互運動, 因而有可能產生跳動和共振現(xiàn)象, 使電刷和集流環(huán)產生急速磨損,縮短了電刷與集流環(huán)的使用壽命, 并且增加了電刷與集流環(huán)之間的接觸電阻, 影響了信號的輸出質量。</p><p>　　根據(jù)有關資料介紹, 銀鎳合金集流環(huán)和銀石墨電刷的使用壽命一般在3 ×108 —6 ×108 轉之間。根據(jù)使用轉速情況不同

30、, 動態(tài)扭矩傳感器的使用壽命一般在半年至一年半之間。以上講的是實驗室壽命, 實際上使用壽命有可能更短些。為了解決這個問題,提出采用靜動態(tài)圓管形扭矩傳感器的設計方案。</p><p>　　4.2 傳感器結構設計及結構圖</p><p>　　如圖2 這種靜動態(tài)扭矩傳感器的主要結構原理是:在固定不動的套管式傳感器2 ( 外殼) 上貼有應變片,而旋轉的傳動軸1 通過固定不動的套管式傳感器2 ,傳動

31、軸1 的一端與變速箱6 內的行星齒輪系或步進電機7 的轉子連成一體, 另一端與扭矩負載相連; 套管式傳感器2 的一端與變速箱6 、步進電機7 的外殼(定子) 連成一體,另一端由套管式傳感器2 的端部與機架固定。當套管式扭矩傳感器2 內的傳動軸1 ,在步進電機7 的帶動下產生旋轉運動時, 此時, 當傳動軸1 的另一端受到扭矩負載時, 而步進電機7 的轉子必然產生一個大小相等, 方向相反的作用力傳遞給步進電機7 的定子(外殼) 上, 步進電

32、機7 的外殼再將這個力傳遞給變速箱6 的外殼, 變速箱6 外殼再將這個力傳遞給套管式扭矩傳感器2 ,使套管式扭矩傳感器2 的應變片產生應變信號, 然后直接將這個信號從接線盒8 上輸出,達到利用靜態(tài)的、不運動的套管式扭矩傳感器, 測出運動中或運動后的扭矩大小的目的。</p><p>　　在這里必須指出的是, 在套管式扭矩傳感器2 的外殼與變速箱6 及步進電機7 的外殼(定子) 相連的方,必須采用圓周端面齒相連的方式

33、。外面用細牙螺紋將兩個機件緊緊相連, 以消除機件在運動時產生的微量角度位移, 以防止套管式扭矩傳感器的上應變片信號測量不準?？梢钥闯?利用本方案設計的靜動態(tài)扭矩傳感器, 無接觸式電刷2集流環(huán)的影響, 從而可以達到提高扭矩傳感器的使用壽命,并且簡化制造過程, 不但能解決旋轉軸的扭矩測量問題, 而且可以方便的解決各種動態(tài)扭矩螺栓裝配機的扭矩控制和測量問題。</p><p>　　4.3 靜動態(tài)扭矩傳感器設計計算原理&l

34、t;/p><p>　　對圓管形扭力軸的應變:</p><p>　　ξ45°= -ξ135°=8 M/［（π/ d3）G］［1/（1 – d４0/ d４）］</p><p>　　對圓柱管形扭力軸的外徑d:</p><p>　　式中:α為圓管形扭力軸的內、外徑之比α = d0/ d; M 為額定的工作扭矩, N·m ;

35、G 為材料的彈性模量, Pa ;d 為扭力軸的外徑, m ;[τ]為扭力軸的材料的許可應為力, Pa (N/ m2) 。扭力軸材料的許可應力[τ]一般可取材料抗拉強度σb 的10 %～20 % 。扭力軸的直徑確定以后, 可按扭力軸變形角φ 的要求,計算扭力軸的工作長度。扭力軸的變形角一般取φ≈ 015°～ 1°之間, 約0101rad～0104rad 之間。</p><p>　　對圓管形扭力軸

36、的長度: </p><p>　　式中:φ為扭力軸的扭轉變形角。然后再根據(jù)以下公式求出圓管形扭矩傳感器的內徑d0= ad 最后根據(jù)以上公式求出圓管形扭矩傳感器扭力軸的工作長度L 。經過反復的校對和計算, 畫出草圖, ,經過靜校及使用, 最后才能確定圓管形扭矩傳感器的扭力軸的各部分尺寸套管式扭矩傳感器的材料一般可以選用Cr12MoV 或0Cr17Ni4Cu4Nb 。</p><p>　　4.4

37、 圓管形扭矩傳感器的靜校方法</p><p>　　(1)只要在圓管形扭矩傳感器的兩端安裝上輸入輸出部分的連接裝置, 在輸入輸出部分的連接裝置上可以施加砝碼或使用標準扭矩傳感器施加標準扭矩, 就可以對圓管形扭矩傳感器進行校正。一般按國家檢定規(guī)程對圓管形扭矩傳感器進行檢定。</p><p>　　(2)靜動態(tài)扭矩傳感器取消了電刷和集流環(huán), 因此粘貼在試件表面上的應變片的使用壽命就是傳感器的使用壽

38、命。在恒定幅值的應變力作用下可以連續(xù)不斷的工作,而不產生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù), 就是應變片的使用壽命。據(jù)有關資料介紹應變片在500Hz 的動載荷作用下,循環(huán)次數(shù)可以達到106 ～107 之間。在扭矩傳感器使用過程中,一般交變載荷使用的非常少。與電刷2集流環(huán)式扭矩傳感器相比, 如果按時間計算無電刷2集流環(huán)式傳感器使用壽命可達2～3 年以上, 與電刷集流環(huán)式扭矩傳感器相比可以提高使用壽命2～3 倍以上。</p><p&g

39、t;　　5 扭矩檢測系統(tǒng)各部分電路的設計</p><p><b>　　5.1引言</b></p><p>　　基于應變式傳感器的扭矩檢測系統(tǒng)的硬件電路按功能可分為：電橋電路，測量放大電路，低通濾波電路，A/D轉換電路，單片機電路，以及電源電路。本章分別介紹這幾種電路。</p><p><b>　　5.2電橋電路</b>&l

40、t;/p><p>　　5.2.1電橋電路的選用</p><p>　　應變片將被測件的應變轉換成電阻相對變化，還需進一步轉換成電壓或電流信號才能用電測儀表進行測量。通常采用電橋電路實現(xiàn)這種轉換。根據(jù)電源的不同，電橋分為直流電橋和交流電橋。本設計采用直流電橋，直流電橋具有高穩(wěn)定性，電橋平衡電路簡單等優(yōu)點。</p><p><b>　　圖5-1 直流電橋</b

41、></p><p>　　如圖5-1所示，U為電源電壓，R1、R2、R3、R4為橋臂，V0為輸出電壓，</p><p>　　電橋開路。 </p><p>　　5.2.2 電橋電路的精度誤差分析</p><p>　　由于溫度變化造成的誤差來源很多，所以會有不同現(xiàn)象的誤差出現(xiàn)，如溫度變化時，零點會有變化，其次在被應力不變

42、的情況下，不同溫度條件將可能有不同的輸出。前者稱為溫度引起的零點漂移，而后者稱為靈敏度漂移。</p><p>　　引起零點漂移的原因主要有應變片粘貼的好壞，應變片材料的不均勻，所選應變片的電阻溫度特性不一致等。由上述原因造成的零點漂移，在測量橋配好以后，往往具有固定的方向性，可采用簡單的方法，在相應的橋臂中串入一個由較大溫度系數(shù)材料制成的電阻來進行補償。</p><p>　　引起靈敏度漂移

43、的主要原因是彈性體材料的彈性模數(shù)隨溫度的變化，應變片靈敏系數(shù)隨溫度的變化、彈性元件熱膨脹系數(shù)變化及熱膨脹各向異性等因素。而以彈性模數(shù)隨溫度變化為主，且大多是隨溫度提高而靈敏度也相應提高。對靈敏度漂移補償最簡單的方法是隨溫度的變化自動調整供橋電壓，當供橋電壓降低時，電橋的不平衡輸出減小，即降低了電橋的靈敏度。正確的補償為在橋路進行實際靈敏度漂移的測量，然后根據(jù)漂移的正或負方向、大小來確定補償方法及補償量。常用的方法有改變供橋穩(wěn)壓電源輸出值

44、或在電路中串、并聯(lián)電阻等。一般當靈敏度隨溫度升高而提高時，可在電源回路中串入一個正溫度系數(shù)的電阻加以補償</p><p>　　5.3放大電路的設計及硬件選用</p><p>　　5.3.1放大電路的設計</p><p>　　由于應變電橋輸出的電壓為mV級，不能滿足后續(xù)電路要求，所以必須經過放大電路進行信號放大。根據(jù)儀器工作環(huán)境、精度要求確定放大電路必須滿足下列條件：

45、首先放大電路有要有較高的共模抑制比，具有高穩(wěn)定性，低零漂、高精度，并且放大倍數(shù)100左右并且可調。經過實驗比較，由上節(jié)敘述可知溫度傳感器輸出電壓范圍為2.428V～0.133V，而在本系統(tǒng)中A/D的輸入電壓范圍為0V～5V時才能使精度達到最高，因此需把2.428V～0.133V電壓放大到0V～5V的范圍，此即為設計該測量放大器的目的。</p><p>　　本設計采用一種雙運放放大電路。雙運放差動輸入放大電路的使用

46、效果，結構、性能等都優(yōu)越于單運放前置放大電路。并且通過對反饋電阻的擴展，減小了電阻所帶來的熱噪聲電流。輸入端采用的雙通道差分式輸入，使得輸入信號中的不穩(wěn)定誤差信號通過差值抵消掉，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所用的放大器為TCL2252。如圖5-2所示</p><p>　　圖-2　　　放大電路</p><p>　　TLC2252呈現(xiàn)高輸入阻抗和低噪聲，能很好的用于高阻抗源，例如電壓傳感器的小信號狀況

47、。由于這些器件功耗低，所以他們在手持監(jiān)視和遙感遠視傳感器應用中工作良好，此外，滿電源電壓幅度（ｒａｉｌ－ｔｏ－ｒａｉｌ）輸出特性以單獨成分或分離電源工作使得這些器件在直線與模擬數(shù)字轉換器接口時成為主要選擇對象。所有這些特性，再結合它的溫度性能，使得TLC2252能夠理想的利用于聲納，遠程壓力傳感器，溫度控制，有源壓阻傳感器，加速計，手持儀表以及其他應用。圖4-3為TLC2252的引腳排列。</p><p>　　圖

48、5-3 TLC2252的引腳排列。</p><p>　　表5-1為TLC2252的工作條件。</p><p>　　表5-1 TLC2252的工作條件</p><p>　　5.3.2 放大電路的誤差分析</p><p>　?。?）電路可獲得較高的增益，卻不會使電阻熱噪聲有所增加，減少了運放對偏置電流的影響。</p><p

49、>　?。?）電阻不匹配產生的誤差V-只與Vr有關,而與V(+)無關，而且對動態(tài)誤差的影響并不十分大。</p><p>　　（3）運放的輸入失調電壓也會導致誤差，并且它是與放大倍數(shù)有關的，這種誤差仍然屬于靜態(tài)誤差，通過調節(jié)Vr就可以抵消掉。</p><p>　?。?）電路只需使用兩個運放單元，而且電路十分簡單，但它卻可以實現(xiàn)V+和V-高阻差動輸入、可調放大倍數(shù)，還附帶一個基準電壓或偏置

50、輸入Vr，這些為電路的構成、調節(jié)以及輸出偏置、靜態(tài)誤差補償?shù)忍峁┝藰O大的方便。</p><p>　　5.4低通濾波電路的設計</p><p>　　為了抑制高頻干擾，在放大電路輸出端設計了二階有源低通濾波器，讓指定頻段的信號通過，而讓其余頻段的信號加以抑制或使其急劇衰減。運算放大器和RC網(wǎng)絡組成的有源濾波器與無源濾波器相比，具有一系列優(yōu)點。首先，它不用電感元件，免除了電感所固有的非線性特性、

51、磁場屏蔽、耗損、體積、和重量過大、以及不經濟等缺點。其次，由于運算放大器的增益和輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，所以有源濾波器還能提供一定的信號增益和緩沖作用。</p><p>　　本系統(tǒng)選用的ADC0809的轉換速率為680kHz，為了避免高頻噪聲對測量精度及穩(wěn)定度的影響，本系統(tǒng)在放大器和A/D間加了一個低通濾波電路，以濾去高頻噪聲。由于要求輸出電壓范圍為0V～5V因此選擇TLC2252作為該濾波器的運放。<

52、/p><p>　　圖5-4 低通濾波器</p><p>　　5.5 A/D轉換電路的設計</p><p>　　A/D轉換器的類型較多，常用的有逐次逼近型和積分型。單片機應用系統(tǒng)中最常用的A/D轉換器是可編程的ADC0809。ADC0809是典型的8位8通道逐次型A/D轉換器，CMOS工藝，ADC0809的內部邏輯結構如圖2.4所示。圖中8路模擬量開關可選通8個模擬通道

53、，8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉換器進行轉換。地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C三個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道的選擇。8位A/D轉換器是逐次逼近式，由控制與時序電路、逐次逼近寄存器、樹狀開關及256電阻階梯網(wǎng)C0809芯片為28引腳雙列直插式封裝，圖5-5為ADC0809內部結構</p><p>　　其主要引腳的功能說明如下：</p><p>　?。?）IN7～IN0：

54、模擬量輸入通道。ADC0809對輸入模擬量的要求主要有信號是單極性，電壓范圍0～5V，若信號過小還需進行放大。另外，模擬量輸入在A/D轉換過程中其值不應變化，因此對變化速度快的模擬量，在輸入前應增加采樣保持電路。</p><p>　?。?）ADDA、ADDB、ADDC：地址線。ADDA為低位地址，ADDC為高位地址，用于對模擬通道進行選擇。</p><p>　　（3）ALE：地址鎖存允許信

55、號。在ALE上升沿時，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。</p><p>　?。?）START：轉換啟動信號。在START上升沿時，所有內部寄存器清零；START下降沿時，開始進行A/D轉換；在A/D轉換期間，START應保持低電平。</p><p>　?。?）D7～D0：數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的數(shù)據(jù)線直接相連。</p><p>　　（6）O

56、E：輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數(shù)據(jù)，當OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；當OE=1輸出轉換。后的數(shù)據(jù)。</p><p>　?。?）CLK：時鐘信號。ADC0809的內部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外部提供，因此有時鐘信號引腳，通常使用頻率為500kHz的時鐘信號。</p><p>　?。?）EOC：轉換結束狀態(tài)信號。當EOC=0時，正在進行轉換；當EOC=1，轉換

57、結束。在實際應用中該狀態(tài)信號既可作為查詢狀態(tài)的標志，又可作為中斷請求信號使用。</p><p>　　(9)Vref：參考電壓。參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準，其典型值為＋5V（Vref(+)=+5V，Vref(-)=0V）。</p><p>　　ADC0809與MCS-51系列單片機的硬件接口有三種方式：中斷方式、查詢方式和等待延時方式。在本系統(tǒng)中采用查詢方式，因

58、此ADC0809與AT89C51的接口電路如圖3.4所示</p><p>　　ADC0809應用說明 </p><p>　?。?） ADC0809內部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機直接相連。 </p><p>　　（2） 初始化時，使ST和OE信號全為低電平。 </p><p>　　（3） 送要轉換的哪一通道的地址到A，B，C端口

59、上。 </p><p>　　（4） 在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。 </p><p>　?。?） 是否轉換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。 </p><p>　　圖5-6 是ADC0809與51單片機接線方法</p><p>　　圖5-5 ADC0809內部結構</p><p>　　圖5-6 AD

60、C0809與51單片機接線</p><p>　　ADC0809的OUT1~OUT8口接單片機的P0.0~P0.7口，負責將轉換完畢的8位數(shù)字信號傳輸給單片機。ADDA、ADDB、ADDC分別接在P3.4、P3.5、P3.6口，以選通IN0~IN7中的一個通道。ALE接P3.7，給高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經譯碼后被選中的通道的模擬量進轉換器進行轉換。START接P2.6，

61、START為轉換啟動信號。當單片機給START一個上跳沿信號時，所有內部寄存器清零；給一個下跳沿信號時，開始進行A/D轉換；在轉換期間，ST應保持低電平。EOC接P3.2,。EOC為轉換結束信號。當EOC為高電平時，表明轉換結束，單片機可以接受數(shù)據(jù)；否則，表明正在進行A/D轉換。OE接P2.6，OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。</p

62、><p>　　當轉換開始時，單片機給START一個脈沖信號，ADC0809開始將模擬信號轉換為數(shù)字信號。當轉換完成后，EOC發(fā)出一個高電平給單片機。單片機將OE改為高電平，并從OUT1~OUT8讀取數(shù)字信號。</p><p>　　5.6單片機電路及硬件選取</p><p>　　單片機共有十幾種芯片，表5.2列出了比較典型的幾種芯片的型號及它們的主要性能指標。子片內ROM

63、形式片內存儲容量片外尋址范圍I/O特性：</p><p>　　表5.2MCS-51系列單片機部分芯片型號對照表</p><p>　　MCS－51單片機可分為51和52兩個子系列，并以芯片型號的最末位數(shù)字作為標志。其中8x51是基本型，8x52是增強型。</p><p>　　采用HMOS工藝的基本型8x51，片內集成有8位CPU，4KB ROM（8031片內無ROM）

64、，128B RAM，兩個16位定時/計數(shù)器，一個全雙工串行通信接口（UART），擁有乘除運算指令和位處理指令。采用CHMOS工藝的基本型8xC51，有三種功耗控制方式，能有效降低功耗。</p><p>　　增強型8x52，與8x51不同的是片內ROM增加到8KB，RAM增加到256B，定時/計數(shù)器增加到3個，串行接口的通信速率快了6倍。</p><p>　　目前比較常見的ATMEL89C5

65、1系列單片機，也采用CHMOS工藝，其片內含有4KB可編程、擦除只讀存儲器FPEROM（Flash Programmable and Erasable Read Only Memory），使用高密度、非易失存儲技術制造，并且與80C51系列的引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。</p><p>　　芯片上的FPEROM允許在線編程或采用通用的非易失存儲編程器對程序存儲器重復編程因而89C51的性價比遠高于80C51。<

66、/p><p>　　本系統(tǒng)使用的是新型AT89C51系列單片機的D版本芯片，AT89C51系列單片機的特點有：</p><p>　　（1）增強型6時鐘/機器周期，12時鐘/機器周期8051 CPU。</p><p>　　（2）工作電壓：5.5V-3.4V。</p><p>　?。?）通用I/O口（32個），復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口

67、/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）P0口是開漏輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻。</p><p>　　（4）ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器/仿真器，可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序。</p><p>　?。?）內部帶有E^2PROM可用來存儲數(shù)據(jù)。</p><p>　　（6）內部

68、集成MAX810專用復位電路，可省去外部復位電路。</p><p>　　（7）共3個16位定時器/計數(shù)器，其中定時器0還可以當成2個8位定時器使用。</p><p>　?。?）.外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒。</p><p>　?。?）通用異步串行口（URAT），還可以用定時器軟件實現(xiàn)多個UAR

69、T。</p><p>　　最主要的是此芯片的功耗非常低，掉電模式下工作電流小于0.1uA，空閑模式下為2mA，正常工作狀態(tài)下為4mA－7mA，另外掉電模式可由外部中斷喚醒。</p><p>　　AT89C51通過禁止ALE時鐘信號輸出、外部時鐘頻率降一半以及單片機內部時鐘振蕩器增益降低一半等措施，使其具有了良好的抗電磁輻射（EMI）能力。</p><p>　　本設計

70、采用ATMEL89C51系列的AT89C51單片機。</p><p>　　5.7 LCD顯示電路及硬件選取</p><p>　　本設計采用LCD1602</p><p>　　1602采用標準的16腳接口，其中: </p><p>　　第1腳：VSS為地電源第2腳：VDD接5V正電源第3腳：V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱

71、，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產生“陰影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行

72、命令。 </p><p>　　第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 </p><p>　　第15～16腳：空腳</p><p>　　圖5-7 1602外形尺寸</p><p><b>　　圖5-8讀操作時序</b></p><p><b>　　圖5-9寫操作時序</b>

73、</p><p>　　表5-3 1602的時序參數(shù)</p><p>　　圖5-10 1602與單片機的連接</p><p>　　LCD的D0~D7口分別于P0口連接，用于接收單片機傳輸?shù)男盘枴S連接P2.0口，RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。RW為P2.1口，RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW

74、共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 E連接P2.2口，E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 VSS為地電源。VDD接5V正電源。V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度</p><p>　　5.8

75、 硬件的抗干擾措施</p><p>　　抗干擾設計是單片機系統(tǒng)應用的關鍵問題。在設計系統(tǒng)硬件電路時，要充分考慮可能出現(xiàn)的各種干擾源產生的影響，并采取相應屏蔽、隔離、接地等措施，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。</p><p>　　（1）考慮到工作現(xiàn)場可能存在的空間磁場的干擾，系統(tǒng)設計中將傳感器信號入線和控制輸出線采用屏蔽雙絞線。</p><p>　?。?）系統(tǒng)中地線結構大致

76、有模擬地、數(shù)字地和系統(tǒng)地等，將這些地線進行合理的布局是提高系統(tǒng)抗干擾能力的重要措施。接地線應盡量加粗，使其電阻接近于零，防止由線條較細引起的接地電位隨電流的變化而變化的情況，從而減小測量誤差，數(shù)字電路的地線呈閉環(huán)路，可減小地線間的電位差，提高抗干擾能力。</p><p>　　（3）印刷電路板是檢測系統(tǒng)中元器件、信號線、電源線的高密度集合體，它的合理布線設計對提高系統(tǒng)的抗干擾能力有很大幫助。所以，對印刷電路板的設計

77、應在布局簡單的前提下，使其符合抗干擾的設計原則；電路板元器件和焊接面的印制引線相互垂直，以減小寄生電容：PCB電源線和地線應根據(jù)電流的大小，盡量加粗，盡量靠近，而且使其走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致。印刷電路板上的每個集成電路芯片接入一個瓷片去偶電容。</p><p>　?。?）選擇優(yōu)質的電子元器件，同樣會地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。</p><p><b>　　6 軟件部分簡介</

78、b></p><p><b>　　6.1引言 </b></p><p>　　本章主要簡單介紹本設計的軟件部分，軟件設計的主要任務是定時對扭矩測量信號進行采樣,對采樣數(shù)據(jù)進行相應的處理,然后顯示。軟件設計流程圖如圖5-1所示。</p><p>　　圖6-1 軟件設計流程圖</p><p>　　圖6-2 系統(tǒng)主處

79、理程序</p><p>　　主處理程序首先完成初始化工作，初始化后進入循環(huán)處理，在循環(huán)過程中，主要處理獲得采集的模擬數(shù)據(jù)，并將得到的數(shù)據(jù)送到計算機。整個程序基于中斷服務結構，為了實現(xiàn)中斷程序和主程序的數(shù)據(jù)交互，可以通過一些全局變量和全局的緩沖區(qū)來實現(xiàn)。主處理程序如圖5-2所示。通過流程圖可以看出，主處理程J手只負責簡單的標志判斷和設置標志，然后從制定的緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)或將數(shù)據(jù)放到相應的緩沖區(qū)，其它的處理由中斷來處理

80、，因此主程序需要和中斷程序進行數(shù)據(jù)交互。</p><p>　　6.2數(shù)據(jù)處理子程序</p><p>　　功能：該部分主要完成數(shù)據(jù)的采集任務，采集的模擬參考電壓采用片內的參考電壓。數(shù)據(jù)測試的間隔時間通過定時器A來完成，就是在每次定時器A中斷到來時讀取A／D轉換采集得到的數(shù)據(jù)，在讀數(shù)據(jù)之前先停止A／D轉換，在讀取數(shù)據(jù)完畢后啟動A／D轉換。如果得到數(shù)據(jù)，則設置一個標志位通知主程序，告訴主程序已經

81、得到新的數(shù)據(jù)，整個模塊采用的是中斷服務程序的結構。該模塊主要涉及～D轉換和定時器A的操作，主要包括部分：A，D轉換和定時器A的初始化；定時器A處理和A／D轉換。該子程序的流程圖如圖5-2所示。</p><p>　　圖6-3數(shù)據(jù)測試子程序流程圖</p><p>　　6.3 LCD顯示部分</p><p>　　如圖6-4為LCD1602的顯示流程。</p>

82、<p>　　功能：顯示轉換后的溫度數(shù)據(jù)。LCD1602液晶模塊內部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，其代碼與標準的ASCII字符代碼一致.</p><p>　　圖6-4 LCD1602顯示流程</p><p><b>　　7 精度誤差分

83、析</b></p><p>　　由于溫度變化造成的誤差來源很多，所以會有不同現(xiàn)象的誤差出現(xiàn)，如溫度變化時，零點會有變化，其次在被應力不變的情況下，不同溫度條件將可能有不同的輸出。前者稱為溫度引起的零點漂移，而后者稱為靈敏度漂移。</p><p>　　引起零點漂移的原因主要有應變片粘貼的好壞，應變片材料的不均勻，所選應變片的電阻溫度特性不一致等。由上述原因造成的零點漂移，在測量橋

84、配好以后，往往具有固定的方向性，可采用簡單的方法，在相應的橋臂中串入一個由較大溫度系數(shù)材料制成的電阻來進行補償。</p><p>　　引起靈敏度漂移的主要原因是彈性體材料的彈性模數(shù)隨溫度的變化，應變片靈敏系數(shù)隨溫度的變化、彈性元件熱膨脹系數(shù)變化及熱膨脹各向異性等因素。而以彈性模數(shù)隨溫度變化為主，且大多是隨溫度提高而靈敏度也相應提高。對靈敏度漂移補償最簡單的方法是隨溫度的變化自動調整供橋電壓，當供橋電壓降低時，電橋

85、的不平衡輸出減小，即降低了電橋的靈敏度。正確的補償為在橋路進行實際靈敏度漂移的測量，然后根據(jù)漂移的正或負方向、大小來確定補償方法及補償量。常用的方法有改變供橋穩(wěn)壓電源輸出值或在電路中串、并聯(lián)電阻等。一般當靈敏度隨溫度升高而提高時，可在電源回路中串入一個正溫度系數(shù)的電阻加以補償。</p><p>　　在傳感器的制作中常用補償塊來實現(xiàn)溫度補償并提高靈敏度。</p><p><b>　

86、　8 結束語</b></p><p>　　經過理論分析證明，本文設計的應變式高精度扭矩測量儀解決了很多其它扭矩測量儀一直存在的問題。其設計原理簡單，對于靜態(tài)以及低轉速的動態(tài)扭矩的測量具備較高的精度。</p><p>　　在扭矩測量上使用簡單的應變片來實現(xiàn)被測扭矩到電信號的轉換，大大簡化了傳感器機械結構設計的復雜程度，提高了扭矩測量儀的精度。</p><p&g

87、t;　　在電源設計采用接觸式滑環(huán)電刷，實現(xiàn)電橋的供電以及電壓信號的傳輸，能夠實時準確的實現(xiàn)信號之間的傳遞。改善了扭矩傳感器的頻率特性。從而更進一步提高了扭矩儀的測量精度。此環(huán)節(jié)還可以進一步改善，比如實現(xiàn)無線傳輸。</p><p>　　目前，市場對此類扭矩儀的需求量非常大，其廣泛應用于扭矩扳手、旋轉力矩（轉動力矩）、攪拌力矩、舵機力矩的精密測量和自動控及科學實驗中，具有較高的實用價值和經濟價值。</p>

88、<p><b>　　9 參考文獻</b></p><p>　　[1] 曾國華.旋轉軸扭矩測量方法研究[J].機械加工與自動化</p><p>　　[2] 汪諍，潘麗華.扭矩測量技術淺談[J].甘肅科技</p><p>　　[3] 梁衛(wèi)華,常漢寶,劉鎮(zhèn).基于多傳感器信息融合的旋轉機械扭矩測量方法的研究</p><