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基于单片机的扭矩测量
摘要
扭矩是电机最重要的一个参数之一，要合理地使用电机，必须要准确地对扭矩进行测量。
而且扭矩的测量是机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全或优化控制等工作中必不可少的容。
扭矩测量仪是科研部门和工业生产过程中必备的测试工具。
因而研制出一种数字式、高精度的扭矩测量仪具有非常现实的意义。
以往的扭矩测量中，将电机与传感器和负载直接连接起来，这种方法构成的电机扭矩测量仪具有结构简单，测量平稳等优点。
但是其结构庞大、能耗大、价格昂贵且测量误差大，如果测量各种大扭矩电机，需要加大负载，将导致测量仪体积和重量增加，且受旋转轴固有频率的影响，不适于测量高速电机。
因此，本次设计以ZJ型传感器为基础，以单片机为核心设计了一款数字化高精度扭矩测量仪。
本次设计的扭矩测量仪可以对各种电机进行测量，扭矩的测量围预计可达到0~500.0Nm，而且还可以对扭矩超标进行报警提示。
本系统设计的测量仪具有测量围广、精度高等特点。
而现在的测量仪正在朝着高精度、宽测量围、小体积、低价格等方向发展。
在这样的情况下，可以说本测量仪在扭矩测量领域里具有很强的实用性和广阔的发展前景。
关键字：
扭矩测量，数字式，单片机控制
Abstract
Torqueisoneofthemostimportantparametersmotorone,toreasonablyusethemotor,mustbeaccuratelymeasuredforthetorque.Andtorquemeasurementisthemechanicalproductdevelopmentresearch,testingandanalysis,qualityinspection,typeidentificationandenergy-saving,safetyoroptimizationcontrolinthejobsuchasindispensablecontent.Torquemeasuringinstrumentisscientificresearchdepartmentsandindustrialproductionprocessnecessarytestingtools.Thusdevelopedadigital,high-precisiontorquemeterisveryrealisticsignificance.
Previoustorquemeasurement,motorandsensorandloadwillbeconnecteddirectly,thismethodconstitutemotortorquemetermeasuringhassimplestructure,stable,etc.Butitsstructureishuge,energyconsumptionisbig,expensiveandmeasurementerrorisbig,iftorquemotormeasuringvarious,needtoincreasetheloadwillresultinmeasuringinstrumentbulkandweightincreased,andtheinfluenceofbytheaxisoftheinherentfrequency,notsuitableformeasuringhigh-speedmotor.Therefore,thisdesignbasedonZJtypesensor,basedonsinglechipdesignanewdigitalprecisiontorquemeasuringinstrument.
Thedesignoftorquemeasurementinstrumentmeasuredforvariousmotorcanbethemeasuringrange,torquecanbeexpectedtoreach0~500.0Nm,andstillcanexceedoftorqueforalarmprompt.Thissystemdesignofmeasuringinstrumenthaswidemeasuringrange,highprecisionand.Butnowthemeasuringinstrumentisgoinginthehighprecision,widemeasuringrange,smallvolume,lowpricedirection.Insuchsituations,cansaythismeasurementinstrumentinthefieldintorquemeasurementwithstrongpracticabilityandbroaddevelopmentprospects.
Keyword:
torquemeasurement,digital,SCMcontrol
第1章绪论
1.1课题背景与理论与实际意义
随着生产和科学技术的迅速发展，测量和试验技术作为涉与多种学科的综合科学技术，正在形成独立的学科体系。
扭矩是工业生产过程中的重要参数，为了保证生产正常进行，必须对扭矩进行检测和控制。
扭矩的测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全或优化控制等工作中所必不可少的容。
例如在各种发动机的研制和调试过程中，需要知道发动机的性能是否满足要求以与是否正常运行，这就需要对扭矩进行测量。
其次，在各种电机的运行过程中往往需要设置一个扭矩的上限值，以确保电机的安全运行，通过对扭矩和的测量，当超过上限值时发出报警信号。
以提醒用户进行相应的操作。
测量扭矩的传感器、仪器和装置已成为科研单位、院校、工厂实验室或检验部门的必备测试工具；也是电子计算机控制的生产或试验系统中提供扭矩信息所必需的组成部分。
在现代化测量仪中，数字显示仪表得到了迅速发展。
这种仪表有读数直观，信号可以原传或遥传，不容易受到干扰；测量准确度高；测量结果便于自动纪录，或输入到电子计算机中进行数据处理等等优点。
数字扭矩测量仪表在现代科学试验工作中的应用日益广泛。
随着数字时代的到来，以单片机为核心的微型测控系统获得了飞速发展，现已应用于生产生活的各个方面，并且快速取代了传统的同类产品。
对于大多数扭矩测量系统而言，运行稳定可靠、操作灵活简便、节省时间、性能价格比高、扩展兼容性强和易于维护是基本的要求，然而对于大多数企业用户来说，精度和实时性并不像实验室要求那么高，中等精度的扭矩测量系统已基本能满足使用上的要求。
1.2课题的发展状况
在人们的日常生产和生活中，扭矩的测量是随处可见的，小到微型轴承、录音机、缝纫机、洗衣机，大到汽车发动机、机床主轴、舰船推进器、飞机发动机等等，都需要测量扭矩值。
随着生产生活要求的提高，传统的低精度测量仪器已不能满足人们的需要，现在的测量仪正在朝着高精度、宽测量围、小体积、低价格等方向发展。
单片机的出现使科技发展跃进了一大步，它在家用电器与工业上的用途更为广泛，采用单片机进行控制，可以使扭矩测量仪的控制更准确、灵活、直观，它使扭矩测量仪电路设计更为简易，而且实现了非人工调节性能。
数字时代的到来更为这些科技产品带来了更为有效、准确的数字信息。
总之，现代的扭矩测量仪是结合了前沿科技于一体的产物。
在现代社会的生产和生活中，
对扭矩和测量的精度提出越来越高的要求，传统的测量仪表，由于自身的诸多缺陷，逐渐被高精度的数字式测量仪所取代，而由单片机系统组成的高精度数字式测量仪的核心部件之一——传感器又显得特别重要。
人们已经相继研制出了多种类型的扭矩传感器，如ZJ型传感器、WS-1型智能传感器和CZ型传感器等，本系统就采用ZJ型扭矩传感器。
1.3本课题的来源与设计要求和主要容
目前市场上的扭矩测量仪器很多，既有传统的机械类产品，也有现代的高精度多功能产品，后者主要是基于现代单片机系统而设计的，本次设计的扭矩测量仪就是基于AT89C52单片机系统研制而成的。
其中涉与了传感器技术，看门狗X5045保护电路，AT89C52单片机应用系统，液晶显示系统，和报警系统。
本次设计要求与主要容有：
●扭矩的测量围是0-500.0Nm
●以ZJ型传感器为对象，配合信号调理电路的研究与设计。
●单片机存储和测控电路的设计。
●看门狗电路的设计。
●键盘输入和液晶显示电路。
●485通讯电路的设计
第2章总体方案论证
近年来，随着电子测量技术的迅速发展，信号的相位测量方法也日趋完善。
利用相位测量原理制成的相位扭矩测量仪，也得到了很广泛的应用。
本次设计采用的ZJ传感器就是采用磁电转换原理制成的。
为了把扭矩和信息能够准确地从电机中提取出来，通常是由传感器将被测信息转换为电信号，并对电信号存储、传输、分析计算，最终显示测量结果。
传感器是整个测量仪器的核心，对传感器的选择必须合理，并保证能够在一定的工作环境下正常地工作。
电机扭矩的测量方法可分为传递法、平衡力法与能量转化法。
平衡力法是通过外加已知的与被测扭矩方向相反的扭矩，当传动轴静止或匀速转动时，外加扭矩与被测扭矩相等。
这种方法简单，但必须通过另外一种方法测量外加的扭矩或力与力臂，这样会对测量引入一定的累计误差。
能量转化法是通过利用能量守恒的原理间接测量扭矩，不易实现。
传递法是将被测扭矩传递到弹性元件上，根据弹性元件物理参数的变化来测量扭矩的方法。
变化的参数可以是变形、应力、或应变等，使用的弹性元件是扭轴。
电机主轴旋转时，将扭矩传递到扭轴上，扭轴上所产生的应变，通过扭矩传感器的电阻应变片转换成相应的电信号，该信号通过处理后送显示器显示扭矩数值。
本次设计采用的ZJ传感器是采用磁电转换原理，将扭矩信号转换为两路有一定相位差的电信号。
系统设计框图如图2-1所示。
输入部分由通道1、2与鉴相器构成。
通道1、2分别是由LM258和ADC0832构成的放大转换电路，来自ZJ型传感器的电信号送入仪器的通道1和通道2，经过放大转换为数字信号，并产生一连串宽度与相位差成正比的数字量。
控制部分的核心是微处理器，信号送入单片机进行处理，在单片机中处理运算后得到扭矩测量值，送入液晶进行显示。
此外在电路中还加入了看门狗保护电路。
图2-1系统设计框图
第3章硬件电路设计
3.1硬件电路总体结构与工作原理
3.1.1硬件电路总体结构
本次设计是基于ZJ型传感器的扭矩测量仪，主要由输入、控制、显示输出三部分组成。
输入部分是由LM258构成的放大电路、ADC0832构成的模/数转换电路和采用与门电路的鉴相器三部分组成，另外为了使系统更加稳定加入了简单的RC滤波电路和二极管保护电路。
控制部分是以AT89C52单片机为核心，外加看门狗X5045保护电路构成。
显示输出部分是用液晶1602进行显示。
电路总体结构框图如图3-1所示。
图3-1硬件电路总体结构图
3.1.2硬件电路的工作原理
本次设计的扭矩测量仪是采用相位差原理研制而成。
通过ZJ传感器将电机的扭矩、机械量转换成两路有一定相位差的电压信号，经过LM258放大以后达到易于测量的大小，将经放大的信号送入由ADC0832构成的模/数转换电路，将模拟信号转换成适于单片机处理的数字量。
根据扭矩测量公式，对于扭矩的测量是通过测量两路信号的相位差，按照公式3-1计算出扭矩的值。
（式3-1）
其中R为传感器额定扭矩，F为传感器系数，T1为两信号过零点之间的相位差，
测得的各种信号值完成公式的计算，都是在单片机AT89C52过软件来实现的，最终将计算出的值送入显示部分。
电路中加入的看门狗X5045是起保护和复位的作用，系统电压不稳定时，它会自动的发出复位信号，使整个系统复位。
生产中我们不仅要测量扭矩值，而且要利用这些值对我们的生产过程进行控制，当超过电机能承受的扭矩时，单片机就控制蜂鸣器进行报警。
3.2ZJ传感器的结构与工作原理
3.2.1ZJ型传感器的结构
ZJ型扭矩传感器是根据磁电转换和相位差原理，将扭矩、机械量转换成两路有一定相位差电压讯号的一种精密仪器，图3-2为传感器的结构示意图，它由机座、端盖、扭力轴、齿轮、外齿轮、磁钢、线圈轴承等组成。
齿轮、磁钢固定在套筒上，线圈固定在端盖上，外齿轮固定在扭力轴上。
图3-2ZJ型传感器的结构示意图
3.2.2ZJ型传感器的工作原理
、外信号齿轮由铁磁材料制成，而磁钢是永久磁体制造的。
从永久磁钢经气隙、信号齿轮再到永久磁钢，形成了闭合回路。
当、外齿轮旋转时，磁钢与齿顶、齿谷间的气隙发生改变，即磁路中的磁阻发生改变，而永磁体的磁动势一定，据磁路的欧姆定律知线圈中的磁通必然发生变化。
据电磁感应定律可知，线圈中也要相应的产生近似正弦波的感应电动势e1，e2.两感应电动势的初始相位差Φ是恒定的，考虑到正、反加载，一般设计在180度位置上，当加上扭力时，扭力轴发生扭转变形，外齿轮和齿轮间产生相对转角θ，从而两感应电动势e1，e2的相位关系发生了变化，相位差为Φ=Φ0+△Φ。
相位差的变化量△Φ与相对转角θ的关系为△Φ=Z×θ，Z为、外齿轮的齿数。
由于在扭力轴的弹性围外加扭矩和机械扭转角成正比，因此，测量出Φ就等于间接测量出轴上的外加扭矩，这样就实现了将机械量转化成电子量的过程。
图3-3为信号发生原理与时序波形图。
图3-3信号发生原理与时序波形图
3.3信号的放大与比较电路设计
3.3.1调理电路的设计
在本次基于ZJ型传感器的扭矩测量仪研制的设计中由传感器采集来的扭矩模拟信号需要经过一系列的处理才能为单片机所用。
为此设计了以LM258和AD为基础的信号放大和转换电路，将模拟信号转换为可以为单片机运算处理用的数字信号。
如图3-4所示。
由传感器采集来的两路信号比较小，不容易处理，需首先经无源RC滤波器处理后送LM258双运算放大器放大，得到方便处理的电压信号。
为了防止电压过大，电路中还加入了二极管保护电路。
单片机处理的是数字信号，所以需要将模拟电压信号转换为单片机可以处理的二级制数值。
3.3.2LM258简介
LM358系列（包括LM158、LM258、LM358、LM2904）是由两个独立的高增益、部频率补偿运算放大器组成。
通过特殊设计，它可在宽电压围的单电源下工作。
当然它也能在双电源下工作。
低的电源电流与电源数值大小无关。
其应用领域包括转换放大器，直流增益部件和所有常规的运算放大器，这些更易于在单电源系统中实现。
图3-4信号调理电路图
3.4主控模块单片机系统的设计
3.4.1主控芯片AT89C52在设计中的应用
1）AT89C52与外围芯片的连接
根据设计任务书的要求，在基于ZJ传感器扭矩测量仪的研制中，主要就是由ZJ传感器，放大、转换电路，核心芯片AT89C52与看门狗芯片X5045构成的主控系统，键盘与显示电路一起来实现一个完整的扭矩测量仪，它能够测量各种电机的扭矩。
在具体的设计中，通过AT89C52的P0口与1602相连，这样便构成了CPU与液晶的数据/命令传送。
其中P2口的P2.0、P2.1分别与显示液晶的RS和EN相连。
P1口的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4分别与看门狗芯片X5045的SO、/CS、SCK、SI相连构成看门狗电路用来监控系统防止死机，P2.7口和报警电路连接。
其中AT89C52与外围的器件连接结构图如图3-5所示：
图3-5AT89C52与外围器件的连接结构图
2）AT89C52在本设计中所用管脚的介绍
主控部分采用的是ATMEL公司的AT89C52，外接12M的石英晶振，还有复位电路，该系列单片机由先进的CMOS工艺制造并带有非遗失性Flash程序存储器，全部支持12时钟和6时钟操作。
AT89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableAndErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
它包含256字节RAM、32条I/O口线、3个16位定时/计数器、6输入4优先级嵌套中断结构、2个串行I/O口以与片振荡器和时钟电路。
此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率围，可实现两个由软件选择的节电模式——空闲模式和掉电模式，空闲模式冻结CPU，但RAM、定时器、串口和中断系统仍然工作。
掉电模式保存RAM的容，但是冻结振荡器，导致所有其它的片功能停止工作，由于设计是静态的，时钟可停止而不会丢失用户数据，运行可从时钟停止处恢复。
其中在该设计中所用到的一些AT89C52的管脚功能介绍如下：
VCC：
供电电源。
GND：
接地。
P1口：
P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。
在此次设计中，P1口主要是用来与看门狗芯片X5045一起构成系统保护电路，当扭矩的测量值超过规定上限值时，产生复位信号，从而起到保护作用。
P2口：
P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收输出4个TTL门电流，当P2口被写入1时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。
因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。
P2口电路中接收AD0832的CS，DI，DO，CSCK。
P3口：
P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C52的一些特殊功能口，如下所示：
表3-1P3口线的特殊功能
口线
特殊功能
信号名称
P3.0
RXD
串行数据接收
P3.1
TXD
串行数据发送
P3.2
/INT0
外部中断0申请
P3.3
/INT1
外部中断1申请
P3.4
T0
定时器/计数器0记数输入
P3.5
T1
定时器/计数器1记数输入
P3.6
/WR
外部RAM写选通
P3.7
/RD
外部RAM读选通
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
设计中与X5045的复位脚相连，构成CPU的复位电路。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入与部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3）AT89C52的存储器系统介绍
单片机的存储器由三部分组成，即程序存储器（包括片程序存储器，大小与芯片型号有关）、片数据存储器（包括部RAM存储器00H～FFH，共256字节；特殊功能寄存器）、外部数据存储器（0000H～FFFFH，共64KB）。
1、程序存储器
对于带有片ROM的单片机来说，片程序存储器和外部程序存储器地址空间重叠。
如果
/Vpp引脚为高电平，且程序计数器PC小于等于片ROM的地址空间时，将从片程序存储器去指令（在这种情况下，
信号无效）；而当PC超出片ROM地址空间时，自动到外部程序存储器去指令，即在P0口输出低8位地址（A0～A7），在P2口输出高8位地址（A15～A8）。
当
/Vpp引脚为低电平时，一律从外部程序存储器取指令。
2、片数据存储器
片数据存储器由部RAM和特殊功能寄存器组成。
对于89C52芯片来说，部RAM的容量为256字节（00H～FFH）。
1、片RAM
AT89C52芯片部RAM容量为128字节，根据用途可划分为工作寄存器区、位寻址区和用户数据存储器区（可作为用户RAM和堆栈区）。
工作寄存器区有32个字节组成，从00H～1FH的单元，分成四个区，每个区8个字节，分别用R0～R7作为这8个字节的寄存器名。
20H～2FH单元，共16个字节，属于位寻址区。
该区域可以按字节读写，也可以按位读写。
30H单元以后可作为部用户RAM区或堆栈区。
对于AT89C52来说为30H～7FH，尚有80个字节可作用户部RAM或堆栈区。
复位后，堆栈指针SP指向07H单元。
因此，一般需要修改，将SP设在2FH之上。
3、特殊功能寄存器
由于单片机集成了一些常用的I/O端口、串行口、定时器/计数器、中断控制器等，因此这些I/O接口单元电路的寄存器也就位于CPU部，统称为特殊功能寄存器（SFR，即SpecialFunctionRegisters）。
AT89C52CPU除了给I/O接口电路寄存器，如定时/计数器控制寄存器TCON分配字节地址外，CPU的寄存器也有字节地址，如累加器Acc字节为0E0H。
此类单片机共有27个特殊功能寄存器，其地址分散在80H～FFH之间。
3.4.2看门狗电路的设计
1.X5045简介
看门狗（Watchdog）电路是嵌入式系统需要的抗干扰措施之一，工控系统在运行时，通常都会遇到各种各样的现场干扰，抗干扰能力是衡量工控系统性能的一个重要指标。
看门狗（Watchdog）电路是自行监测系统运行的重要保证，几乎所有的工控系统都包含看门狗电路。
看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。
软件看门狗不需外接硬件电路，但系统需要出让一个定时器资源，这在许多系统中很难办到，而且若系统软件运行不正常，可能导致看门狗系统也瘫痪，硬件看门狗是真正意义上的“程序运行监视器”，所以在该设计中，我将用X5045芯片设计一种新的硬件看门狗电路，具有体积小、占用I/O口线少和编程方便的特点。
图3-6X5045引脚图
2.X5045看门狗电路的设计
X5045硬件连接图如图3-7所示。
X5045芯片包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间，在看门狗定时器预置的时间若没有总线活动，则X5045将从RESET输出一个高电平信号，使CPU复位。
图3-7电路中，CPU的复位信号是Watchdog复位。
其中/CS、SI、SO、SCK脚都与AT89C52的P1口相连，/WP为写保护输入端接高电平。
图3-7看门狗电路原理图
3.5显示模块的设计
本系统采用1602字符型液晶显示系统的电压电流，电源的功率以与温湿度信号，达到显示蓄电池状态的目的。
3.5.1液晶介绍
1602是工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符能显示16列2行字符。
1602字符型液晶通常有14条引脚线或16条引脚线，具有显示质量高，液晶显示器画质高且不会闪烁，数字式接口，功耗低等特点，适合显示字母、数字、符号等。
表3-2为液晶引脚接口：
3.5.21602液晶模块部的控制器的11条控制指令
如表3-3所示:
序号
指令
RS
R/W
D7
升级会员 