盧帥帥，王　飛，齊　鵬（.山東省社會(huì)公正計(jì)量行；.山東省計(jì)量檢測(cè)中心，濟(jì)南　5004）

?

對(duì)扭矩實(shí)時(shí)檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的研究

盧帥帥1，王飛2，齊鵬1
（1.山東省社會(huì)公正計(jì)量行；2.山東省計(jì)量檢測(cè)中心，濟(jì)南250014）

摘要：在機(jī)械設(shè)備中，扭矩是確保設(shè)備安全、高效、穩(wěn)定工作的重要參數(shù)。因此，在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，對(duì)扭矩的檢測(cè)具有非常重要的作用，本文主要研究以單片機(jī)為核心的扭矩檢測(cè)與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)設(shè)備的有效保護(hù)，提高工廠生產(chǎn)效率的同時(shí)還有效的降低了工廠設(shè)備的檢修率。

關(guān)鍵詞：扭矩；實(shí)時(shí)檢測(cè)；數(shù)據(jù)分析；系統(tǒng)

0　引言

扭矩是使物體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的一種特殊的力矩。發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩就是指發(fā)動(dòng)機(jī)從曲軸端輸出的力矩。在功率固定的條件下它與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系，轉(zhuǎn)速越快扭矩越小，反之越大，它反映了在一定范圍內(nèi)的負(fù)載能力。外部的扭矩叫轉(zhuǎn)矩或者叫外力偶矩，內(nèi)部的叫內(nèi)力偶矩或者叫扭矩?？梢哉f扭矩是機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中的一項(xiàng)重要參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行有效測(cè)量可以提升設(shè)備使用效率和安全性，因此，有必要對(duì)扭矩檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入研究。

1　扭矩實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，扭矩檢測(cè)技術(shù)具有重要作用，它能有效檢測(cè)出轉(zhuǎn)動(dòng)軸的扭矩值，從而推斷出主軸以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)扭矩值過大，便于及時(shí)的采取保護(hù)措施，對(duì)于設(shè)備的使用壽命和維護(hù)保養(yǎng)有著非常重要的意義。近年來，隨著電子技術(shù)以及無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，扭矩檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展向精細(xì)化和智能化的方向不斷邁進(jìn)。鑒于此以單片機(jī)技術(shù)為核心，對(duì)扭矩實(shí)時(shí)檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。

1.1整體設(shè)計(jì)

扭矩實(shí)時(shí)檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)以集成電路芯片單片機(jī)（Microcontrollers）為核心的智能檢測(cè)系統(tǒng)，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)以及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能，集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這種高度智能化的集成電路芯片在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本次研究的扭矩實(shí)時(shí)檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)同樣應(yīng)用了這項(xiàng)技術(shù)，其整體上可以分為兩大模塊，即扭矩檢測(cè)發(fā)射模塊和數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊。其中扭矩檢測(cè)發(fā)射模塊主要包括扭矩?cái)?shù)據(jù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)信息的傳輸?shù)?；?shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊包括扭矩檢測(cè)數(shù)據(jù)的顯示、數(shù)據(jù)信息接收電路、串行數(shù)據(jù)通信電路以及報(bào)警電路設(shè)計(jì)。扭矩實(shí)時(shí)檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

1.2扭矩檢測(cè)發(fā)射模塊設(shè)計(jì)

扭矩檢測(cè)發(fā)射模塊主要針對(duì)的是工業(yè)設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的扭矩，結(jié)構(gòu)組成保留單片機(jī)及控制電路、ADC電路、無線通信電路。檢測(cè)過程主要由單片機(jī)進(jìn)行控制，為了加強(qiáng)檢測(cè)模塊的緊湊性，檢測(cè)電路元件，由貼片應(yīng)變片組成全橋電路，從而確保扭矩檢測(cè)發(fā)射模塊更加小巧，安裝在傳動(dòng)軸上不會(huì)影響主軸自身的運(yùn)動(dòng)特性。

1.3數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊主要是將檢測(cè)模塊收集到的扭矩?cái)?shù)據(jù)信息傳輸給上位機(jī)，可以說該模塊有信息中轉(zhuǎn)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。因此，在數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)過程中，同樣以集成電路芯片單片機(jī)為核心控制器，并配有液晶顯示屏、無線電通信系統(tǒng)、輸入鍵盤、報(bào)警電路以及RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口通信電路，整個(gè)數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊由電源適配器進(jìn)行供電。

2　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)扭矩實(shí)時(shí)檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，軟件設(shè)計(jì)同樣分為扭矩檢測(cè)發(fā)射和數(shù)據(jù)接收監(jiān)控兩部分。其中扭矩檢測(cè)發(fā)射模塊的軟件設(shè)計(jì)主要包括AD7705驅(qū)動(dòng)程序、通信芯片驅(qū)動(dòng)程序、STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部邏輯以及實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)射程序。AD7705驅(qū)動(dòng)程序主要是將貼片應(yīng)變片采集到的轉(zhuǎn)動(dòng)軸扭矩信號(hào)經(jīng)過應(yīng)變橋輸出電壓信號(hào)的模擬放大然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后串行輸出；通信芯片驅(qū)動(dòng)程序完成數(shù)據(jù)信息的發(fā)送；STC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行核心控制，通過I/O串口控制芯片功能進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入輸出、信號(hào)中斷以及實(shí)時(shí)監(jiān)控等操作。

數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊的軟件設(shè)計(jì)主要包括液晶驅(qū)動(dòng)程序、通信芯片驅(qū)動(dòng)程序、矩陣鍵盤掃描驅(qū)動(dòng)程序、串行數(shù)據(jù)通信程序。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互操作、轉(zhuǎn)動(dòng)軸扭矩信息管理、刷新以及和上位機(jī)進(jìn)行的實(shí)時(shí)通訊。數(shù)據(jù)接收監(jiān)控模塊還具有轉(zhuǎn)動(dòng)軸扭矩報(bào)警功能，一旦檢測(cè)到的扭矩信息超過了預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值，該模塊就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒現(xiàn)場(chǎng)工作人員及時(shí)進(jìn)行維護(hù)操作。此外，在扭矩實(shí)時(shí)檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的顯示模塊上不僅可以接收轉(zhuǎn)動(dòng)軸的數(shù)據(jù)信息和電池電壓值，還可以隨時(shí)刷新顯示鍵盤鍵碼值。芯片內(nèi)部的顯示數(shù)據(jù)RAM提供642個(gè)位元組的空間，最多可以實(shí)現(xiàn)4行16字的中文字形顯示。

3　結(jié)束語

綜上所述，本文研究的扭矩實(shí)時(shí)檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以很好的完成各項(xiàng)子系統(tǒng)的功能，可以準(zhǔn)確有效的將扭矩信號(hào)進(jìn)行放大，然后通過A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)換并利用無線電系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)傳輸。通過實(shí)際運(yùn)行可以得出以下結(jié)論：該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確有效的檢測(cè)出超大量程的扭矩值，并且具有很好的抗干擾性，能夠適應(yīng)各種工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，具有非常可觀的推廣和發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

［1］孔祥濤.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的扭矩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究［D］.山東大學(xué)，2014.

［2］王登泉，楊明.非接觸式旋轉(zhuǎn)軸扭矩測(cè)量現(xiàn)狀［J］.電子測(cè)量技術(shù). 2010（06）

［3］王小龍，李代生.基于LabVIEW的高精度扭矩測(cè)試系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2007（11）.

［4］王丹，林中.扭矩傳感器測(cè)量結(jié)果不確定度的評(píng)定［J］.中國(guó)計(jì)量，2006（12）.

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.246

作者簡(jiǎn)介：盧帥帥（1988-），男，山東平度人，本科，助理工程師，主要從事力學(xué)計(jì)量方向的研究。