發布日期：2022-10-09 點擊率：118
摘要：闡述了一種基于單片機的扭矩測量系統。該系統利用應變式扭矩傳感器實現了扭矩及軸向力的監測，并詳細介紹了用AD7705芯片采集傳感器的輸出電壓進行模數轉換，通過無線收發芯片 nRF2401實現數據的無線傳送，實現了扭矩的實時監測。
關鍵詞：扭矩傳感器；數據采集；單片機；無線發射和接收
扭矩測量在各種機械產品的開發研究、質量檢 驗、安全和優化控制等工作中是必不可少的內容。 它不僅包括對扭力軸扭矩的測試，也包括對多種傳 動裝置中旋轉軸的扭矩測試。
扭矩測試的方法多種多樣，有傳統的貼應變片 的方法，有各種光學、光電子學、磁學、電磁學等測試 方法，以及各種相位和數字測試方法等。而扭矩傳 感器是一種重要的傳感器，廣泛應用于軋鋼、汽車以 及其它機械產品中，以優化動力驅動傳動系統和實 現智能控制。
隨著各種系統的自動化程度和復雜性的提高， 需要獲取的信息越來越多，對傳感器的精度、可靠性 和響應速度提出了越來越高的要求。在旋轉動力傳 遞系統中，最棘手的問題是旋轉體上的應變橋的電 壓輸入及檢測到的應變信號輸出如何可靠地在旋轉 部分與靜止部分之間傳遞。用普通的有線電纜引出 信號就可能無法滿足要求或者根本無法實現，而通 常的做法是用導電滑環來完成，但是使用導電滑環 限制了旋轉軸的轉速，導電滑環的使用壽命也較短。 同時，由于接觸不可靠引起信號波動，因而造成測量 誤差增大甚至測量不成功D 23。
為了克服導電滑環的缺陷，所研制的傳感器扭矩測量系統采用了無線遙測的方法，設計完成了扭 矩傳感器的無線數據采集系統，可以對扭矩傳感器 采集的數據進行無線傳輸，并做到了扭矩信號的傳 遞與旋轉與否無關，與轉速大小無關，與旋轉方向無關。
1 扭矩測量系統的工作原理及性能設計
考慮到許多扭矩測量的工作環境惡劣，測量系 統的外殼需要防爆設計，安裝在旋轉軸上的無線發 射信號將會被殼體完全屏蔽，外部無法接收，所以研 制的扭矩測量系統運用了局部的無線傳輸，其組成 包括4部分：1)安裝于旋轉軸上的扭矩測量、無線 數據發射電路，如圖1.2)固定于殼體上的轉速測量、無線數據接收、串口通訊電路，如圖2;3)固定于 地面的數據接收、處理、顯示裝置，如圖3;4)旋轉軸 上測量電路的感應供電裝置，如圖4[3]。
系統的工作原理：扭矩傳感器將扭矩信號轉化成電信號，經放大器放大后送入A/D轉換器，單片 機控制A/D轉換器將采集的模擬信號轉換成數字 信號，通過發射模塊發送出去。接收端接收到信號 后進行分析處理，得到正確的扭矩數據，把數據送到 上位機監測軟件顯示數據。
2 系統硬件電路設計
系統采取模塊化的電路設計思想，包括電源電 路、放大電路、A/D轉換電路、單片機
主體電路、無線發射電路、無線接收電路、RS232串口通訊電路。
這套測試系統在滿足測試要求的同時兼顧了系 統的成本，做了如下器件的選型：單片機，選用了ATMEL公司的AT89S52單片機；A/D轉換，采用16位S — A(電荷平衡式）A/D轉換器AD7705;無 線收發模塊，采用了NORDIC公司的nRF240l單 片射頻收發芯片；直流/交流模塊，采用NE555芯片 產生方波，用于無線感應供電。
2.1 AD7705 接 口電路
AD7705與單片機的接口電路如圖5所示。 扭矩測量系統由應變測量橋路測得與扭矩成正比的電壓信號，將AD7705的CS直接連到低電平，于ST89S52單片機采用4線連接。單片機的ALE端輸出的是時鐘信號6分頻的脈沖序列，提供 給AD7705的時鐘輸人端，省去了晶振電路。為了 簡化程序，將AD7705的SCLK和單片機的P3. 1 連接，P3. 1用來輸出串行時鐘信號。DOUT和 DIN線接在一起并與P3. 0相連，片選端可直接接地，如果接口電路要控制CS信號，也可以接到單片機的輸出端口。
圖5 AD7705與8051單片機的接口電路
2.2 無線收發電路設計
nRF2401數字無線收發芯片與AT89S52單片 機的接口電路如圖6所示。單片機的P2. 1管腳連 接到nRF2401的數據時鐘端，模擬SPI的串行時鐘 序列。P2. 2連接DR1端，檢測接收數據是否準備 好。P2.7，P2. 6，P2. 3 分別連接到 PWR_UP,CE， 和CS端，用來控制nRF2401的工作模式，具體控制方式見表1。
2.3串口通訊電路設計
無線接收模塊接收到采集的數字信號后還要通 過R&232串口發送到上位機，但是串口電平和 AT89S52單片機的電平不匹配，因此這里應用 MAX232芯片進行電平轉換，連接方式見圖7。
3 系統軟件設計
3.1數據采集模塊軟件設計
數據采集模塊軟件主要解決的問題是正確配置 AD7705的各個寄存器，進行系統校準或手動校準，使轉換結果與實際值相對應，讀出轉換結果。
3. 1.1初始化設置
為提高A/D轉換質量和線性調整質量，在軟件 編程時必須先對以下幾項進行設置和初始化》串口 和AD7705初始化設置流程圖如圖8。
3.1.2讀取轉換數據
DRDY信號為數據A/D轉換完成的指示信號。 低電平期間表示A/D轉換完成，可以讀取數據寄存器的內容。高電平期間表示A/D轉換正在進行，這 時不能訪問數據寄存器。對于系統校準和內部校準 也一樣，低電平期間表示校準完成，可以讀取校準寄 存器的內容。高電平期間表示校準正在進行，這時 不能訪問校準寄存器。
圖6 nRF2401與8051單片機的接口電路
圖7串口電平轉換電路
不管是校準還是數據A/D轉換，數字濾波器同步位FSYNC都要置為0,這樣，AD7705的校準或 者數據A/D轉換工作才能進行，否則，校準和A/D 轉換不會進行，DRDY信號也不會變低。當 FSYNC-0時，在校準或A/D轉換結束后，DRDY 信號將變低。此時，可以讀取校準系數或者數據寄存器。
數據讀取操作一般用來讀取校準系f和A/D 轉換的結果，其具體的流程見圖9所示，
3.2 無線收發模塊軟件設計
ShockBurst?發射需要用到的接口引腳為CE，CLK1，DATA。其軟件流程如圖10所示。
ShockBurst?接收需用到的接口引腳CE、 DR1、CLK1和DATA(接收通道1)。其軟件流程 如圖11所示。
ShockBurst?模式的數據包不能超過32字節， 所以有效字節數= 32 —ADDR_W—CRC，如果需要更寬的地址，可以增加地址寬度，減少數據寬度。
4 結語
本研究完成了基于單片機技術的應變式扭矩測 量系統的設計，制作的扭矩傳感器經過仔細調試，獲得了初步成功。
該扭矩測量系統成本低，結構簡單，傳輸可靠， 應用范圍廣，適合于需要進行無線傳輸的數據采集 系統。實際調試表明，實際性能達到了設計要求。
為了能夠將扭矩測量系統投人到實際應用中， 本研究還有部分問題尚待解決和優化，如供電部分 的設計，需要提高供電效率；A/D模數轉換需要進 一步調試，以提高A/D轉換數據的精確度；進一步 提高數據傳輸可靠性;加人糾錯技術等。(作者：朱春梅、王朝霞)
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