张惠荣,石文兰,王国贞
(河北工业职业技术学院信息工程与自动化系,河北石家庄 050091)
摘 要:阐述了一个以AT89C52单片机为核心的智能数字扭矩仪的硬件电路结构及软件设计。该仪器能对被测扭轴的扭矩值进行测量、存储和显示,并可判断扭矩正反方向,能够自动报警。
关键词:AT89C52;智能数字扭矩仪;扭轴
中图分类号:TH823+.4 文献标识码:A
随着计算机及微电子技术等在测试技术中的广泛运用,以单片机为核心部件的智能仪器无论是在测量的准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、应用功能等方面或在解决测试技术问题的深度及广度方面都有了巨大发展。本智能扭矩仪是在原来的数字扭矩仪的基础上结合单片机控制技术改进而来的。它采用了AT89C52单片机作为其核心部件,结合外围相应的必要电路以实现对被测扭轴的扭矩值的自动指示、显示和数据存储,并且可对多种不同材料、不同直径的被测扭轴进行归一化处理,可判别扭矩正反方向,能自动报警,从而使得仪器成本更低廉,测量更准确,使用更方便。
1 设计方案
笔者设计的扭矩仪是多功能、多用途、测量精度子检测及控制理论和技术方面的研究。较高的系统,为满足系统的要求,采用差动测量与比值测量相结合的方式,其作用是提高系统的灵敏度、减小温度误差和非线性误差,还可以对传感元件以及电路元件的漂移有补偿作用,提高系统的抗干扰能力。差动测量原理是指利用适当的传感元件将在力矩M作用下扭轴的物理参数ψ转换为与之对应的2个差动信号A,B,最后在数据处理中实现差动测量(A-B)。比值测量是指设定一常数参量,也同一转换通道转换为与A,B同量纲的比较信号C,最后在数据处理中实现比值测量(A-B)/C。差动、比值测量的结果经标度变换,最后实现对扭矩值M的测量。故整机的数学模型为M=K[(A-B)/C],式中K为以(A-B)/C为自变量的标度变换函数。具体设计方案见图1。
2 硬件电路设计
硬件电路设计可分为模拟输入量的测量转换部分、信号模拟处理、数字处理及AT89C52单片机处理部分、键盘及显示指示部分
信号转换采用脉宽调制方式。即通过RC无稳多谐振荡器将半导体电阻应变片呈差动的电阻R T1,R T2和比较电阻R转换为脉冲宽度信号。信传输方式包括传输信号和信号耦合方式。传输信号选用脉冲位置调制的窄脉冲信号作传输信号。脉冲位置调制是将对应于R T1,R T2和R的脉冲宽度信号的前沿和后沿调制成窄脉冲信号,实质上,相当于信号转换的信息包络线。它能提高系统的抗干扰能力,同时也为下一级非接触信号耦合实现提供了保证。信号耦合装置采用非接触式电感集流环作信号耦合装置。图2为信号转换与信号耦合电路图。
在信号处理之前应选用适当的脉宽解调器,使3个脉冲宽度T RT1,T RT2,T R得以恢复,并以一路传输逐个地分离出来,以便在每个脉冲中插入计数脉冲转换成数字量。由于信号转换的连续性、循环性,因此需要用一个周期实现电路去控制一个门电路,使每次数字量转换只转换一个周期T内的3个脉冲T RT1,T RT2,T R。这样才能实现正确的数字处理。微处理器选用的是ATMEL公司的8位AT89C52,内带8 kB的FLASH存储器,选用AT89C52可简化硬件电路。
3 软件设计
软件采用模块化程序设计方法,分为主程序模块、子程序模块及中断程序模块。主程序流程图见图3。
程序中将(A-B)/C处理程序、报警处理程序、判别扭矩方向处理程序、标度变换处理程序和归一化处理程序做成子程序。归一化处理是指对所测弹性扭轴的不同直径、不同材料而引起系统灵敏度系数改变的处理。归一化处理通过查询事先存储在存储器中的不同扭轴的灵敏度系数,找到对应的灵敏度系数,进行数据处理。
4 系统调试
硬件、软件设计完成后,分3个部分对系统调试。第1部分是对测量电路部分的调试。选2个电阻模拟粘贴在弹性元件上的应变片的阻值,对此转换电路单独上电,用示波器观察脉宽调制、脉位调制等信号波形。
第2部分是对开关电源的输出电压的调试,电路系统中涉及到±15 V和±5 V共4种直流电压,各个芯片对电源电压的要求都不同,电源电压高了就会将片子烧掉。笔者用的是上海沪光仪器厂生产的YJ56型0~30 V/2 A双路直流稳压电源,它有双路电压输出,±15 V电压方便得到。为了得到±5 V电压输出,采用了三端稳压芯片7805和7905,测得7805和7905的输出电压分别是+5 V,-5 V。
第3部分是对主体印刷电路板的调试。在断电情况下插上8255A和74LS47,上电,发现LED点亮,8255A不发热,说明电路基本正确;断电,再插上AT89C52,将测量电路先用2个发光二极管代替,上电复位,相应的发光二极管点亮,单片机各口线逻辑电平也正确,断电后,再插上其他所有芯片。改进前后的一组扭矩测量对照值见表1
5 结 语
此次设计的智能数字扭矩仪较好地实现了200多种不同材料、不同直径被测扭轴的扭矩值的自动显示和数据存储,使仪表测量值更准确。
参考文献:
[1] 赵新民,王 祁.智能仪器设计基础[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1999.
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