基于单片机的扭矩测量系统的设计_廖丽媛

M = CC10R△R = C2 △R
（ 5）
由式（ 5） 可知，圆轴的扭矩大小与应变片的变量
△R 是呈正比的。当圆轴受到扭矩作用时，应变片发
生形变，产生的△R 信号通过惠斯登电桥转换为可测
量的电压信号传递出来。
另外为了实现传感器的动态测量，本文仍采用传统
的电滑环作为信号传输方式。虽然无线遥测技术能解
由于单片机串行口的输入输出是 TTL 电平，这与 PC 机上 RS － 232 接口的电平不匹配，因此两者接口时 必须经过电平转换。使用 MAX232 芯片可完成两种电 平之间的转换，采用 RS － 232 的 9 针 D 型连接器中的
2013 年第 3 期
决摩擦磨损等问题，但是也存在以下不足： （ 1） 易受使用
现场电磁波的干扰； （ 2） 由于是电池供电，所以只能短期
使用； （ 3） 由于在旋转轴上附加了结构，易引起高转速时
的动平衡问题，在小量程及小直径轴时更突出。
2 扭矩测量仪的硬件电路设计
扭矩测量系统的电路硬件框图如图 3 所示。当弹 性轴受到扭矩作用时，黏贴在弹性轴上的应变片形变阻
图 1 应变片贴片图
在实际应用中，由于输入弹性轴的不可能是纯粹
的扭矩，它还可能受到弯矩和轴向力，若把应变片 R1 、 R2 、R3 、R4 接成全桥，则可以消除轴向力和弯矩的影 响。在测量应变片时通常采用惠斯登电桥作为测量电
路，如图 2 所示。
根据材料力学知，圆轴表面受到最大拉应力 σ1 和 压应力 σ2 ，且知 σ1 和 σ2 数值大小与横截面的剪应力 τ 大小相等。
LIAO Li-yuan，LU Wen-ke
（ School of Information Science and Technology，Donghua University，Shanghai 201620，China）
Abstract： This paper introduces a torque measuring system based on SCM． We make a torque sensor by passing re-
Key words： resistance strain gauge； torque measurement； SCM
0 引言
扭矩是旋转动力机械的重要工作参数，而扭矩测 量已经成为机械测量中一个重要组成部分被广泛的应 用于机械工业领域。目前，国内外研制和开发的扭矩 传感器种类很多，从测量原理上讲，主要分为声表面波 （ SAW） 型、磁致伸缩效应型、转角型和应变型等四种。
1 应变式扭矩传感器测量原理
测量旋转轴扭矩的方法很多，用应变电测法测量扭 矩时，往往将应变片直接贴在机器的轴上或者设计出专 用的扭矩传感器，将它的弹性元件装载到机器上后，成为 扭矩传递系统的一个环节。本文采用无缝不锈钢管以及 日本 KYOWA 公司生产的型号为 KFG － 5 － 350 － C1 － 11L2M3R 的电阻应变片来制作扭矩传感器。根据材料力 学，当弹性轴受到扭矩作用时将会发生形变，轴上会有应 力和应变产生，其横截面会受到一个剪应力，该剪应力在 轴的中心处为零，轴表面最大。在轴表面与杆轴成 45°和 135°的斜面上，受到法向应力，此法向应力为主应力其数 值等于横截面上的最大剪应力。因此在与轴线呈 45°和 135°的两个方向贴应变片如图 1 所示，四片应变片 R1、 R2、R3、R4 在圆周上每隔 90°作均匀分布。
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2013 年第 3 期
基于单片机的扭矩测量系统的设计
廖丽媛，卢文科 ( 东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620)
摘要： 介绍一种基于单片机的扭矩测量系统。通过在弹性轴上黏贴电阻式应变片的方式制作出一个扭矩传感器，使用单片机
AT89C51 对采集的扭矩信号进行处理并通过 LED 数码管显示出来，从而实现在线测量扭矩的目的。文中详细介绍了模数转换器
sistance strain gauges on the elastic element． To realize on － line measurement of torque，the single chip AT89C51 is
used to deal with the torque signal and the output will be shown on LED display． In the paper，we make a detail intro-
个 SN7406 六路反向驱动器变为低电平。5 个 LED 数 码管的段控线共同连接在一起由 8255A 的端口 B 通 过 2 片 SN7407 六路驱动器控制。由于共阴数码管的 段控是用高电平点亮的，要求驱动功率较大，因此每个 段码 要 串 连 一 个 数 百 欧 姆 （ 390 Ω ） 的 限 流 电 阻。 AT89C51 与 LED 显示接口电路如图 5 所示。 2． 3 RS － 232 串口通信电路设计
AD574 芯片与单片机构成的模数转换电路，LED 数码管的显示接口电路以及使用 MAX232 芯片实现与 PC 机连接的串口通信电路。
关键词： 应变片; 扭矩测量; 单片机
中图分类号： TP274
文献标识码： A
文章编号： 1006 － 2394（ 2013） 03 － 0012 － 04
Design of Torque Measuring System Based on SCM
+
μ
σ1 E
=1
+ E
μ· M WP
整理该式得：
M = 1W+PEμε = C0 ε
（ 3）
式中：
C0
是一个常数，其数值为
C0
=
WP E 。 1 +μ
由应变片的工作原理，可知：
△R R
=
C1
ε
（ 4）
式中： △R 表示应变片的阻值改变量，R 表示应变片阻
值的大小。
将式（ 4） 代入式（ 3） ，得：
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·ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ3·
态测量，测量范围大能适应各种环境便于多点测量，便 于记录和处理测量数据以及远距离传输。在本设计中 将用应变式扭矩传感器来测量扭矩，并且建立扭矩与 应变的函数关系式，将该关系式储存入单片机中。设 计单片机外围电路，使测量计算的结果在 LED 屏上显 示，实现应变式扭矩传感器的在线测量。
声表面波（ SAW） 型传感器是近年发展起来的一 种新型传感器。将无源 SAW 传感器放在移动或旋转 的部件上进行测量，当旋转轴旋转时受到扭矩的作用， SAW 型传感器将这种扭矩直接转化为频率信号以达 到测量目的。这种类型的传感器充分利用了 SAW 振 荡器的优点，即体型小、高可靠性、高稳定性、高精度、 反应快。但是 SAW 型传感器成本较高，且极易损坏。
应变型扭矩传感器是目前国内外使用最多的一种 传感器。应变片受到扭矩作用产生应变，应变与扭矩 是成正比的，并且应变片的电阻值变化也与扭矩成正 比关系，因此通过测量应变片阻值变化即可测得扭矩 大小。应变型扭矩传感器具有很多优良的特性： 具有 高灵敏度和高精度，尺寸小、质量轻，适合于静态和动
收稿日期： 2012 － 10 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 60976058） 。 作者简介： 廖丽媛（ 1987—） ，女，硕士在读，研究方向为传感器技术。
σ1
=
－ σ2
=τ
=M WP
（ 1）
式中： WP 表示轴截面的抗扭模数，M 表示弹性轴扭矩。
由弹性力学虎克定律知，当弹性轴扭转时，所黏帖
的应变片 R 所受到的应变为：
ε
=
σ1 E
－
μ
σ2 E
（ 2）
图 2 惠斯登电桥
式中： E 为弹性模量，μ 为泊松比。
将式（ 1） 代入式（ 2） 得：
ε
=
σ1 E
duction of A / D conversion circuit by chip AD574，LED display interface circuit and the serial communication circuit by
which the single chip can connect to PC．
转角型扭矩传感器是利用扭转角度来测量扭矩大 小的传 感 器。它 主 要 分 为 三 种 类 型： 电 位 计 式 （ 如 P2200 系列低扭矩，高精度电位计） 、磁电式、光电式。 电位计式扭矩传感器结构简单，但是它在测量扭转角 度时仍然 是 接 触 式 的，因 此 很 难 得 到 较 高 的 可 靠 性。 磁电感应式扭矩传感器和光电式扭矩传感器虽然都能 实现转矩信号的非接触传递，但是磁电感应式扭矩传 感器体积较大，不易安装，低速性能不理想； 而光电式 扭矩传感器对测量环境要求很高，在多尘的环境中会 影响到光的传播从而影响测量精度。
磁致伸缩型传感器是基于磁致伸缩效应设计制造 的，即导磁性材料受到机械扭矩（ 转矩） 作用时，导磁 性材料的导磁性发生改变，导磁率也发生变化。为加 强磁弹性效应，在弹性轴表面采用特殊工艺黏贴一层 具有高磁效伸缩系数的非晶态合金带，从而使该传感 器比其他形式的磁弹性扭矩传感器具有线性度好、灵
敏度高的优点； 同时磁弹性扭矩传感器是非接触式传 感器，安装使用方便，且不需要占用较大的空间。但是 缺点是受外界电磁干扰影响特别大，不适合恶劣环境 下长期工作，测量精度一般，频响较低。
图 4 AD574 与 AT89C51 单片机的接口电路
2． 2 LED 显示接口电路设计 由于单片机的接口有限，因此需要用 8255A 来扩
展单片机的并行 I / O 端口。8255A 的 R——D— ，W———R 和 RESET 分 别 和 单 片 机 的 R——D— ，W———R，RESET 端 口 相 连。 8255A 的片选信号 —C——S 由单片机的 P2． 7 端口提供，即 8255A 工作时设 P2． 7 = 0。8255A 有 3 个输入输出端 口，由 A0 和 A1 选择，可以通过改变地址总线最后两 位 Q0 和 Q1 来实现控制。显示器采用 5 个 8 段共阴 极的 LED 显示数码管组成，显示方式采用动态显示， 由 8255A 的 PA4 ～ PA0 来实现 LED 的位选。由于是 共阴极 LED，因此 PA4 ～ PA0 输出的高电平需经过一
图 3 硬件框图
2． 1 模数转换电路设计 设计中 选 用 美 国 AD 公 司 研 制 的 模 数 转 换 器
AD574，它是 12 位逐次逼近型的，适合在高精度快速 采样系统中应用。它带有可以直接与 8 位或 16 位总
线接口的三态缓冲器，因而不需要再加锁存器。由于 AD574 片内自带高精度参考电压和时钟，因此不需要 外部电路和时钟就可以全速工作。图 4 是 AD574 与 AT89C51 单 片 机 的 接 口 电 路，采 用 双 极 性 输 入 的 方 式，可对 － 5 ～ + 5 V 或 － 10 ～ + 10 V 模拟信号进行转 换。转换的结果高 8 位从 DB11 ～ DB4 输出，低 4 位从 DB3 ～ DB0 输出，并直接和单片机的数据总线相连。 遵循左对齐原则，因此 DB3 ～ DB0 连接在单片机数据 总线的高 半 字 节。AD574 的 片 选 信 号 —C——S 低 电 平 有 效，由地址总线最高位 Q7 提供。AD574 的使能信号 CE 由单片机的 R——D— 和 W———R 经过与非门产生。输出状 态信号 STATUS 接单片机 P3． 2 端即 INT0，单片机通 过查询端口信号判断 A / D 转换是否结束。12 /8－ 端口 接地，AD574 启动时要先使 R / C－ = 0 芯片开始工作，读 数据时要使 R / C－ = 1，因此用地址总线最低位 Q0 来控 制。A0 由地址总线次低位 Q1 控制，以实现 A / D 的 12 位转换，并将 12 位数据分两次送到数据总线上。
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2013 年第 3 期
值发生改变，△R 信号通过惠斯登电桥转化为电压信 号。将该信号放大后，经过低通滤波器对信号进行处 理，滤去噪声。利用模数转换器将模拟信号转化为数字 信号输入给单片机，单片机进行处理后可通过 8 段 LED 显示器将测量结果动态显示出来。同时为了使单片机 可以和 PC 进行通信，设计了 RS － 232 串口通信电路。