扭矩测量仪毕业设计说明书Word文档格式.docx
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在一个应用系统中，只使用一片单片机，这是目前应用最多的方式，单片机应用的主要领域有：
（1）测控系统
用单片机可构成各种工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等。
达到测量与控制的目的。
例如：
温室人工气候控制、水闸自动控制、电镀生产自动控制、汽轮机电液调节系统、车辆检测系统等。
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
（2）智能仪表
用单片机改造原有的测量、控制仪表，能推动仪表向数字化、智能化、多功能化、综合发展化。
如温度、压力、流量、浓度显示、控制仪表等。
通过采用单片机软件编程技术，使长期以来测量仪表中的误差修正、线性化处理等用硬件电路难以实现的难题迎刃而解。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
（3）机电一体化产品
单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化，构成新一代的机、电一体化产品。
例如在电传打字机的设计中由于采用了单片机可提高可靠性及增强功能，降低控制成本。
懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
（4）智能接口
在计算机系统，特别是较大型的工业测、控系统中，如果用单片机进行接口的控制与管理、单片机与主机可并行工作，大大提高系统的运行速度。
例如，在大型数据采集系统中，用单片机对模/数转换接口进行控制不仅可提高采集速度，还可对数据进行预处理，如数字滤波、线行化处理、误差修正等。
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
2．多机应用
单片机的多机应用系统可分为功能集散系统，并行多机处理及局部网络系统。
1）多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能要求而设置的多机系统。
例如一个加工中心的计算机系统由多片单片机构成，每个单片机完成某个独立功能，如机床加工运行控制，控制对刀系统、坐标系统、刀库管理、状态监视、伺服驱动等。
呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
2）并行多机控制系统。
并行多机控制系统主要解决工程应用系统的快速问题，以便构成大型实时工程应用系统。
3）局部网络系统
单片机网络系统的出现使单片机应用进入了一个新的水平。
目前单片机构成的网络系统主要是分布式的测、控系统。
单片机主要用于系统中的通信控制，以及构成各种测、控用的子级系统。
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
1.1.3单片机的发展趋势
现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
1.2扭矩测量仪的应用和发展
扭矩测量技术是综合应用机械、电子、物理、计算机等多方面知识的一门学科。
随着工业生产自动化和智能程度的提高，在大型复杂机械系统中各种扭矩的准确测量和监控成为急需解决的问题。
只有研制性能良好的扭矩测试仪，才能对大型机械系统的扭矩进行准确测量和监控，并反映动态扭矩的时基幅值和响应速度。
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
扭矩测量仪应用范围很广泛，它渗透到工业、农业、交通运输、航天航空、国防、能源等各个领域。
1.2.1扭矩测量的基本原理和方法
测量扭矩的方法，按照它的基本原理可以分为：
传递法（扭轴法）、平衡力法（反力法）及能量转换法等三。
1.传递法
传递法是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化而测量扭矩的方法。
这里所根据的物理参数可以是弹性元件的变形、应力或应变。
最常用于测量扭矩的弹性元件是扭轴。
風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
2.平衡力法
对于任何一种匀速工作的动力机械或制动机械，当它的主轴受扭矩作用时，在它的机体上必定同时作用着方向相反的平衡力矩（或称为支座反力矩）。
测量机体上的平衡力矩以确定机器主轴上作用扭矩大小的方法，就是平衡力法，亦称反力法。
灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。
3.能量转换法
这是根据其它能量参数（如电机参数）测量机械能参数及扭矩的方法。
综上所述的三种扭矩测量方法，传递法和平衡力法为直接测量扭矩的方法，其测量方便、精确度高，而能量转换法为间接测量扭矩的方法，测量误差比较大，常达±
（10～15）％。
所以只有在无法直接测量的场合下，才采用间接测量法。
铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。
1.2.2扭矩测量技术的发展方向
扭矩测量技术的发展取决于传感器、信号传输和测量仪的研究。
目前，由于微机的应用，扭矩测量仪性能大大提高，而传感器的研究与测量仪相比稍有逊色。
因此必须加强传感器的研究，这就要从传感器种类、精度、规格、安装、信号传递等方面加以研究。
目前传感器主要发展动向为：
攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。
1.传感器从介入式发展成不介入式。
以往扭矩传感器大部分属于介入式，即必须作为传动轴一部分才能使用，这样限制了它的应用范围，一般用于实验室、台架测量。
现在逐渐推广的卡环式应变型扭矩传感器，即为不介入式扭矩传感器，只要将传感器卡在轴上或安装在轴边，无须断开轴系，这样给实际工况测量扭矩带来很大的方便。
再如振弦式传感器、磁弹性传感器都属于不介入式扭矩传感器。
趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。
2.对新型扭矩传感器的研究的同时并对经典扭矩传感器加以改进。
随着新原理、新材料的发现和微细加工、微机械加工技术的发展和应用，正在促进传统传感器的变革，新型磁弹性传感器和光纤扭矩传感器结构简单、使用方便，代表扭矩传感器的新动向。
夹覡闾辁駁档驀迁锬減。
电磁型相位差传感器是一种比较成熟的传感器，现经改型成为不带辅助电机的电磁型传感器，不但减轻了重量、缩小了体积、降低了成本，而且耐振性能好。
视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。
微扭矩测量传感器的研究。
随着家用电器的迅速发展，如电风扇、微电机、缝纫机、剃须刀、电冰箱、洗衣机甚至开关都要测量扭矩，急待解决g·
cm级的扭矩测量，新传感器的研制将成为解决这一问题的关键。
偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。
在信号传输方面，以往采用的是接触式滑环传输，这种传输方式易磨损、需常清洗、安装难，容易引入干扰信号。
近期推出的传感器一般均为无接触式传输。
如感应方式或遥测体制，它克服了接触式传输的缺点。
随着检测变换集成化和多功能化，将过去先检测传输、后对信号进行变换处理的概念演变为先检测变换处理，后再进行传输，这一变更已成为可能。
緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。
扭矩测量仪的智能化、微机化是当今测量仪变革的主流，单片微机和软件的开发应用已使信号的检测、采集、比较、相关、数字滤波、域间变换、逻辑和函数运算、程序给定和反馈控制等功能由仪器本身来实现成为可能。
软件扩展了结构的性能限制，并使仪器具有智能化。
既能适应被测参数的变化来自选量程、自动补偿、自动校正、人机对话、自寻故障，并能方便的与总线接口，进行多台联机通信及控制。
騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。
在扭矩传感器信号传输及测量仪的总成上，工业化扭矩仪研制的呼声愈来愈高，一改以往扭矩测量仪多半应用于实验室台架测量的情景。
工业化扭矩仪的要求是必需满足苛刻的工业应用环境，即可靠性要高，重复性要好，价格要低廉，与机器匹配，安装方便，但精度要求不高，用其作为指导生产、保护机械不受损伤的有效手段。
疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。
1.2.3国内外扭矩测量仪的现况简介
1.国外扭矩测量仪现状
美国阿克来克斯公司（Acurexco.）中的一个分公司WDC（无线数据传输公司），自70年代起，生产“通用海上试验功率测试系统”（UniversalSeaTrialPowerMeasurementSystem），显示板上可显示被测主机的扭矩、转速和功率。
此类仪器的扭矩测量是采用卡环式应变传感器敏感被测轴的扭转变形角，变形量与扭矩成正比。
量程范围为0～2×
106N·
m，测量精度为±
1％F.S.，转速测量是采用红外线测速法，精度为±
0.25％F.S.，平均无故障时间MTBF为4200h。
镞锊过润启婭澗骆讕瀘。
此外，美国的陶太克（TORODUCTOR）公司生产无接触式磁弹性扭矩仪；
美国麻省理工学院研制成抗干扰性强的光纤扭矩传感器。
这些都代表着世界新潮流。
榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。
日本小野测试社擅长制造磁电式相位差扭矩测量仪，首期产品多半用于实验室，适用于精测扭矩。
其量程范围较宽，小量程为0.2～10N·
m，中大量程为10～10×
m，已成系列产品，精度可达0.5％～1％F.S.。
20世纪80年代初，小野测试社和赤版铁工所联合研制出船用主机扭矩测量仪MS25B，可测扭矩（5×
105N·
m，精度±
0.8%F.S.）、转速（214.7r/min，精度±
0.1r/min）和功率（1500ps）。
邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。
德国马霍克（Mc.huk）公司历史悠久，生产的振弦式扭矩测量仪闻名世界。
该仪器是利用轴扭转时致使传感器中的钢弦拉紧或放松，从而使钢弦自身频率变化测得扭矩；
数据传输方式有滑环式和感应式。
其生产的MDS820产品，被测轴颈范围为∅50～∅1000mm，已形成系列产品。
嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。
此外，德国的HBM公司（HoffingerBaldwinMesefechmikGmhm）生产电阻应变式扭矩测量仪，采用弧齿联轴节，以消除不同轴度带来的测量误差，独具风格。
该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。
生产电阻应变式扭矩仪的还有英国霍佛科公司（Hover-Krafe）和荷兰的A.V.D公司，它们在舰船监测上都已亮相。
劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。
2.国内扭矩测量仪的发展
国内扭矩测量技术的研究和扭矩测量仪的生产已初具规模，从扭矩测量仪的类别、数量和质量来看，绝大部分式电阻应变式和磁电式扭矩仪。
臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。
电阻应变式扭矩测量仪是拾取粘贴在受扭轴上的电阻应变片的阻值变化来测量扭矩的，故无须断开轴系，而且测量仪表也可采用通用的电阻应变仪。
电阻应变式传感器的生产单位较多，如北京机床研究所、中国船舶工业总公司701研究所，上海通用机械研究所，成功的应用于机床和各种动力轴的扭矩测量。
在舰船、货船主机扭矩测量上，中国船舶工业总公司上海704研究所生产的卡环型应变式扭矩传感器，测量时只要将卡环卡在轴上就可测量扭矩，测量仪表采用INTELMCS-51单片机作为核心的智能仪器，可同时测量扭矩转速、功率，并具有自诊断、数据处理、温度修正、越限报警等功能，集成度高，可靠性好。
鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。
磁电式扭矩测量仪最早的研制单位是上海电器科学研究所，供应市场的是1000N·
m扭矩转速传感器和数字扭矩转速测盆仪。
随后上海交通大学、中国船舶工业总公司上海704研究所、天津机械工程研究所、上海第二电表厂、湘西仪表元件厂、哈尔滨东安机器厂、沈阳机电学院相继研制成磁电式扭矩测量仪，这种类型的扭矩仪是目前国内应用最多的扭矩仪。
例如中国船舶工业总公司上海704研究所制造的20-20KN·
m扭矩转速传感器和数字扭矩转速测量仪，成功地应用在地质矿产部钻机上。
现场的钻探表演，获得美国、俄罗斯等31国参加联合国亚太地区钻机学术会议专家的好评。
该所生产的磁电式扭矩测量仪也可与上述的智能化测量仪连用，系统精度为0.596F.S.。
穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。
1.3扭矩传感器的种类
为了满足各种不同的测试要求，各种类型的传感器相继出现。
1、磁电型相位差式传感器
这时国内最普遍使用的传感器。
生产厂家也主要生产这种类型的传感器，它已广泛用于手工业、科研各个领域。
随着工业发展要求，已涌现出耐振动、成本低、体积小、不带辅助电极的扭矩传感器。
隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。
2、应变式传感器
这是最早应用的传感器。
随着弹性体和应变片质量的提高，出现了下些新型传感器。
如：
卡环式应变传感器、感应式应变传感器。
它们的信号传输方式为摇测式、感应式，代替了以往经典的滑环传输方式，并提高了测试精度。
但在低速状态下，滑环通输应变传感器还有应用市场。
目前，704所正在研制2000KNM扭矩传感器标定采用模拟方法。
浹繢腻叢着駕骠構砀湊。
3.光电式传感器
这种形式的传感器以往应用较少。
最近有几个单位正在研制，有的单位正在准备研制扭矩传感器。
4.磁弹性传感器
该型传感器应用较早，但在国内研制起步较迟，其结构简单，成本较低，精度1%-2%左右，最近几年研究此类传感器的单位有四五家，成为一种新动向。
鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。
5、小量程（克、厘米）扭矩传感器
为满足微电机和家用电器的需要，小量程扭矩传感器开始供应
1.4本设计的主要任务
1.根据总体方案的结构形式，进行技术设计，包括硬件设计和软件设计，选择元件，对主要芯片进行反复查证，选择最合理的。
惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。
2.正确的绘制出主要芯片的硬件连接图。
3.完成相关软件程序的编写。
第2章总体方案设计
2.1系统工作原理
本系统由一台8051单片机，I/O接口，步进电动机驱动器，步进电动机，光电耦合电路，脉冲环形分配，传感器，A/D转换器组成。
贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。
2.1.1传感器的测试原理
本系统采用电阻应变传感器，其工作原理，根据测试仪的扭矩测量原理，即以金属材料为敏感元件的应变片原理基于金属的应变效应。
由物理学可知：
金属的电阻R为:
（2-1）
嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。
式中：
ρ—电阻率
L——金属丝长度
A——金属丝截面面积
金属丝受到拉伸和变形后，尺寸变化导致电阻值变化：
dR/R=dL/L-dA/A+dρ/ρ推导整理后得：
ΔR/R=Kε薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。
K-----金属材料灵敏度系数
K=1+2μ+dρ/（ε·
ρ）（2-2）齡践砚语蜗铸转絹攤濼。
μ=金属材料的泊松比
ε=dL/L
大多数金属在弹性变形范围内的K值是常数，其随着材料的不同而不同。
由此可见，应变与电阻变化率成线性关系。
绅薮疮颧訝标販繯轅赛。
基于以上原理，智能化扭矩测试仪采用电阻式传感器，将作用在被测在工件上的扭矩值转换为金属应变电阻改变，通过电桥电路转变为电信号。
饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。
单片机通过I/O口发送脉冲信号给步进电动机驱动器，以控制步进电动机的方向和参数，用半导体应变左为传感器，将作用在被测工件上的扭矩值转换为应变片电阻的变化，通过电桥电路转变为电信号，由A/D卡把模拟信号转化为单片机可以接受的数字信号，由单片机对数字信号进行处理，并把步进电动机产生拟定扭矩值显示出来，通过键盘接口，打印机，将输出的扭矩值打印出来，与BCD拨码盘的初量数据比较，当输出的扭矩值接近最大值时，停止操作结束流程，LED闪烁888，等待手工取下夹具，当需要测量的扭矩大于传感器器的测量范围时强行测量会损坏传感器，因此当需要测量值超过量程时，LED闪烁000，要求用户重新输入。
烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。
驱动电机
鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。
图2-1测试工作原理图
2.1.2单片机的引脚描述及片外结构图
图2-28051芯片引脚分配图
各引脚功能说明如下：
GND:
接地端
Vcc:
电源端
P0.0-P0.7:
通道0，双向I/O口。
第二功能是在访问外部储存器时用低8位地址线和8位数据线，在编程和检验时用于数据的输入和输出。
撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。
P1.0-P1.7:
通道1，双向I/O口。
在编程和检验时，用于接收低位地址字节。
P2.0-P2.7:
通道2，双向I/O口。
第二功能在访问外部存储器时，高八位地址。
在编程和检验时，用作高位地址和控制信号。
踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。
P3.0-P3.7：
双向I/O口。
每条线均有各位的第二功能，功能表如下：
表2-1P3口的第二功能表
通道位
第二功能
说明
P3.0
RTD
串行口输出
P3.1
TXD
串行口的输入
P3.2
外部中断0的中断请求输入
P3.3
外部中断1的请求输入
P3.4
T0
计数器0的计数输入
P3.5
T1
计数器1的计数输入
P3.6
外部数据存储器的写选通信号
P3.7
外部数据存储器的读选通信号
ALE/
:
ALE是地址锁存器允许信号，在访问外部存贮器时，用来锁存P0口送出的低8位地址信号。
在不访问外部存贮器器械时，ALE也以振荡频率的1/6的固定速度输出，此时，它可用作时钟信号。
是对8751的EPROM编程时的编程脉冲输入端。
婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。
：
外部程序存贮器ROM的读选信号。
在执行访问外部ROM的时候，
信号会自动产生，访问外部数据RAM或内部数据ROM时，不会产生有效的低电平
信号。
/VPP：
访问外部存贮器控制信号。
无效（高电平）时，访问内部ROM,
有效（低电平）时，访问外部ROM。
第二功能Vpp为对8751的EPROM的21V编程电源输入。
譽諶掺铒锭试监鄺儕泻。
RST/VPD：
RST是复位信号输入端。
当由此输入端保持两个机器周期（24个振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。
第二功能时VPD，即备用电源输入端。
当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，VPD将为RAN提供设备用电源，以保证存贮在RAM中的信息不丢失。
俦聹执償閏号燴鈿膽賾。
XTAL1和XTAL2：
在使用单片机内部振荡电路时，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容。
在使用外部时钟时，则用来输入时钟脉冲，但对NMOS和COMS芯片的接法不同。
对8051系列芯片，由于内部多一个定时器还需要附加别的输入端，为此，又借用P1.0和P1.1作为定时器2的输入T1和T2。
缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜。
2.2测试系统的组成以及机械结构
测试仪由4大部分组成，分别是：
设置部分，控制部分，执行部分和打印部分。
（1）、设置部分主要采用BCD拨码盘，可以方便直观地完成力矩极限值的初始化设置，用以实现测试过程中的过载保护。
骥擯帜褸饜兗椏長绛粤。
（2）、控制部分主要通过单片机的键盘接口，实现人机交换，通过单片机的多个端口进行接受发送信号，从而实现对力矩传感器信号的调整、采样、数据和数据显示。
癱噴导閽骋艳捣靨骢鍵。
（3）、打印部分将测试结束后保存的测试数据由微型打印机输出。
（4）、将测试结束后保存的测试数据由微型打印和输出。
机械部分示意图2-3：
图2-3机械部分示意图
如图所示，测试仪可以通过更换不同规格的夹具对各种工件进行测量。
汽缸用来将夹具与待测工件夹紧，单片机控制系统通过步进电动机将扭矩施加到工件上。
测试的对象是通过别克变形车后桥加强螺帽，该加强零件的外形是平板上焊接着一一个螺帽，需要检测螺帽和平板之间焊接处所承受扭矩是否满足标准，以保证汽车的安全行驶。
鑣鸽夺圆鯢齙慫餞離龐。
2.3系统中单片机的选用及设计
2.3.1单片机应用系统的概述
由于单片机应用系统多种多样，技术要求各不相同，因此，设计方法和研制步骤也不完全相同单片机应用系统的研制过程包括总体设计，硬件设计，软件设计，在先调试产品化等几个阶段。
它们不是绝对分开的，而是交叉进行的。
榄阈团皱鹏緦寿驏頦蕴。
（1）、总体设计
首先如同任何产品的设计一样，单片机应用系统的研制时从确定目标任务开始的。
在着手进行系统设计之前，必须根据系统的应用场合，工作环境具体用途提出合理的详尽的功能技术指标。
不管是老产品的改造还是新产品的设计应对产品可靠性、通用性、可维护性、先进性以及成本等进行综合考虑，应该注意技术指标在研制的过程中还需要作适当的调整。
逊输吴贝义鲽國鳩犹騸。
随着电力系统的快速发展，电网的容量的扩大使其结构更加复杂，实时监控、调度的自动化显的尤为重要;
而在电力调读自动化系统中，电力参数的测量是最基本的功能。
如何快速、准确、精确的采集各种电力参数显的尤为重要。
幘觇匮骇儺红卤齡镰瀉。
在实现自动化化的过程中，最关键的环节是数据采集。
根据采集信号的不同，可分为直流采样和交流采样两种。
直流采样，顾名思义，采样对象是直流信号。
它是把交流电压、电流信号经过各种变送器转化为0-5V的直流电压，再由各种装置和仪表采样。
此种方法软件设计简单，对采样值只需做一次比例变换即可的到被测量的数值。
但直流采样仍有很大的局限性：
无法实现实时信号采样：
变送器的精度和稳定性对测量精度有很大影响：
设备复杂，维护难等。
交流采样是将二次测得的电压、电流经高精度的CT、PT变成计算机可测量的交流小信号，然后再送人计算机进行处理。
由于这种方法能够对被测量的值进行采样，因而实时性好，相位失真小。
它用软件代替硬件的功能又使硬件的投入大大减小。
随着微机技术的不断发展，交流采样必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的直流采样方法。
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