摘要：闡述了一種基于單片機(jī)的扭矩測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用應(yīng)變式扭矩傳感器實(shí)現(xiàn)了扭矩及軸向力的監(jiān)測(cè)，并詳細(xì)介紹了用AD7705芯片采集傳感器的輸出電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過無線收發(fā)芯片 nRF2401實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳送，實(shí)現(xiàn)了扭矩的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
關(guān)鍵詞：扭矩傳感器；數(shù)據(jù)采集；單片機(jī)；無線發(fā)射和接收
扭矩測(cè)量在各種機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)研究、質(zhì)量檢 驗(yàn)、安全和優(yōu)化控制等工作中是必不可少的內(nèi)容。 它不僅包括對(duì)扭力軸扭矩的測(cè)試，也包括對(duì)多種傳 動(dòng)裝置中旋轉(zhuǎn)軸的扭矩測(cè)試。
扭矩測(cè)試的方法多種多樣，有傳統(tǒng)的貼應(yīng)變片 的方法，有各種光學(xué)、光電子學(xué)、磁學(xué)、電磁學(xué)等測(cè)試 方法，以及各種相位和數(shù)字測(cè)試方法等。而扭矩傳 感器是一種重要的傳感器，廣泛應(yīng)用于軋鋼、汽車以 及其它機(jī)械產(chǎn)品中，以優(yōu)化動(dòng)力驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)和實(shí) 現(xiàn)智能控制。
隨著各種系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和復(fù)雜性的提高， 需要獲取的信息越來越多，對(duì)傳感器的精度、可靠性 和響應(yīng)速度提出了越來越高的要求。在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力傳 遞系統(tǒng)中，最棘手的問題是旋轉(zhuǎn)體上的應(yīng)變橋的電 壓輸入及檢測(cè)到的應(yīng)變信號(hào)輸出如何可靠地在旋轉(zhuǎn) 部分與靜止部分之間傳遞。用普通的有線電纜引出 信號(hào)就可能無法滿足要求或者根本無法實(shí)現(xiàn)，而通 常的做法是用導(dǎo)電滑環(huán)來完成，但是使用導(dǎo)電滑環(huán) 限制了旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命也較短。 同時(shí)，由于接觸不可靠引起信號(hào)波動(dòng)，因而造成測(cè)量 誤差增大甚至測(cè)量不成功D 23。
為了克服導(dǎo)電滑環(huán)的缺陷，所研制的傳感器扭矩測(cè)量系統(tǒng)采用了無線遙測(cè)的方法，設(shè)計(jì)完成了扭 矩傳感器的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以對(duì)扭矩傳感器 采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸，并做到了扭矩信號(hào)的傳 遞與旋轉(zhuǎn)與否無關(guān)，與轉(zhuǎn)速大小無關(guān)，與旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)。
1 扭矩測(cè)量系統(tǒng)的工作原理及性能設(shè)計(jì)
考慮到許多扭矩測(cè)量的工作環(huán)境惡劣，測(cè)量系 統(tǒng)的外殼需要防爆設(shè)計(jì)，安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的無線發(fā) 射信號(hào)將會(huì)被殼體完全屏蔽，外部無法接收，所以研 制的扭矩測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)用了局部的無線傳輸，其組成 包括4部分：1)安裝于旋轉(zhuǎn)軸上的扭矩測(cè)量、無線 數(shù)據(jù)發(fā)射電路，如圖1.2)固定于殼體上的轉(zhuǎn)速測(cè)量、無線數(shù)據(jù)接收、串口通訊電路，如圖2;3)固定于 地面的數(shù)據(jù)接收、處理、顯示裝置，如圖3;4)旋轉(zhuǎn)軸 上測(cè)量電路的感應(yīng)供電裝置，如圖4[3]。
系統(tǒng)的工作原理：扭矩傳感器將扭矩信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)放大器放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器，單片 機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換器將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字 信號(hào)，通過發(fā)射模塊發(fā)送出去。接收端接收到信號(hào) 后進(jìn)行分析處理，得到正確的扭矩?cái)?shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)送到 上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件顯示數(shù)據(jù)。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采取模塊化的電路設(shè)計(jì)思想，包括電源電 路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)
主體電路、無線發(fā)射電路、無線接收電路、RS232串口通訊電路。
這套測(cè)試系統(tǒng)在滿足測(cè)試要求的同時(shí)兼顧了系 統(tǒng)的成本，做了如下器件的選型：?jiǎn)纹瑱C(jī)，選用了ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)；A/D轉(zhuǎn)換，采用16位S — A(電荷平衡式）A/D轉(zhuǎn)換器AD7705;無 線收發(fā)模塊，采用了NORDIC公司的nRF240l單 片射頻收發(fā)芯片；直流/交流模塊，采用NE555芯片 產(chǎn)生方波，用于無線感應(yīng)供電。
2.1 AD7705 接 口電路
AD7705與單片機(jī)的接口電路如圖5所示。 扭矩測(cè)量系統(tǒng)由應(yīng)變測(cè)量橋路測(cè)得與扭矩成正比的電壓信號(hào)，將AD7705的CS直接連到低電平，于ST89S52單片機(jī)采用4線連接。單片機(jī)的ALE端輸出的是時(shí)鐘信號(hào)6分頻的脈沖序列，提供 給AD7705的時(shí)鐘輸人端，省去了晶振電路。為了 簡(jiǎn)化程序，將AD7705的SCLK和單片機(jī)的P3. 1 連接，P3. 1用來輸出串行時(shí)鐘信號(hào)。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(hào)，也可以接到單片機(jī)的輸出端口。
圖5 AD7705與8051單片機(jī)的接口電路
2.2 無線收發(fā)電路設(shè)計(jì)
nRF2401數(shù)字無線收發(fā)芯片與AT89S52單片 機(jī)的接口電路如圖6所示。單片機(jī)的P2. 1管腳連 接到nRF2401的數(shù)據(jù)時(shí)鐘端，模擬SPI的串行時(shí)鐘 序列。P2. 2連接DR1端，檢測(cè)接收數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)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(shè)計(jì)
無線接收模塊接收到采集的數(shù)字信號(hào)后還要通 過R&232串口發(fā)送到上位機(jī)，但是串口電平和 AT89S52單片機(jī)的電平不匹配，因此這里應(yīng)用 MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，連接方式見圖7。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1數(shù)據(jù)采集模塊軟件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集模塊軟件主要解決的問題是正確配置 AD7705的各個(gè)寄存器，進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)或手動(dòng)校準(zhǔn)，使轉(zhuǎn)換結(jié)果與實(shí)際值相對(duì)應(yīng)，讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果。
3. 1.1初始化設(shè)置
為提高A/D轉(zhuǎn)換質(zhì)量和線性調(diào)整質(zhì)量，在軟件 編程時(shí)必須先對(duì)以下幾項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置和初始化》串口 和AD7705初始化設(shè)置流程圖如圖8。
3.1.2讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)
DRDY信號(hào)為數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換完成的指示信號(hào)。 低電平期間表示A/D轉(zhuǎn)換完成，可以讀取數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容。高電平期間表示A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，這 時(shí)不能訪問數(shù)據(jù)寄存器。對(duì)于系統(tǒng)校準(zhǔn)和內(nèi)部校準(zhǔn) 也一樣，低電平期間表示校準(zhǔn)完成，可以讀取校準(zhǔn)寄 存器的內(nèi)容。高電平期間表示校準(zhǔn)正在進(jìn)行，這時(shí) 不能訪問校準(zhǔn)寄存器。
圖6 nRF2401與8051單片機(jī)的接口電路
圖7串口電平轉(zhuǎn)換電路
不管是校準(zhǔn)還是數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波器同步位FSYNC都要置為0,這樣，AD7705的校準(zhǔn)或 者數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換工作才能進(jìn)行，否則，校準(zhǔn)和A/D 轉(zhuǎn)換不會(huì)進(jìn)行，DRDY信號(hào)也不會(huì)變低。當(dāng) FSYNC-0時(shí)，在校準(zhǔn)或A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，DRDY 信號(hào)將變低。此時(shí)，可以讀取校準(zhǔn)系數(shù)或者數(shù)據(jù)寄存器。
數(shù)據(jù)讀取操作一般用來讀取校準(zhǔn)系f和A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果，其具體的流程見圖9所示，
3.2 無線收發(fā)模塊軟件設(shè)計(jì)
ShockBurst?發(fā)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(shù)據(jù)包不能超過32字節(jié)， 所以有效字節(jié)數(shù)= 32 —ADDR_W—CRC，如果需要更寬的地址，可以增加地址寬度，減少數(shù)據(jù)寬度。
4 結(jié)語
本研究完成了基于單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)變式扭矩測(cè) 量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，制作的扭矩傳感器經(jīng)過仔細(xì)調(diào)試，獲得了初步成功。
該扭矩測(cè)量系統(tǒng)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳輸可靠， 應(yīng)用范圍廣，適合于需要進(jìn)行無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集 系統(tǒng)。實(shí)際調(diào)試表明，實(shí)際性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
為了能夠?qū)⑴ぞ販y(cè)量系統(tǒng)投人到實(shí)際應(yīng)用中， 本研究還有部分問題尚待解決和優(yōu)化，如供電部分 的設(shè)計(jì)，需要提高供電效率；A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換需要進(jìn) 一步調(diào)試，以提高A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的精確度；進(jìn)一步 提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性;加人糾錯(cuò)技術(shù)等。(作者：朱春梅、王朝霞)
