智能电动扳手控制系统设计
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智能电动扳手控制系统设计
摘要:本设计是基于单片机(STC12C5A32S2)和模拟电路部分相结合的技术,用于对电动扳手的扭矩进行控制,从而达到拧紧螺丝的目的。通过一次测量电机正常工作时的电压、电流和转速值,将所测得的电压、电流送入自带AD的单片机(STC12C5A32S2),进行AD 转换,利用测频法测出电机的转速,再将这三个值送入单片机内部处理,将所得的扭矩通过五位八段数码管显示出来。同时,还能控制扭矩的大小,以免将螺丝拧断;拧紧螺丝后,本系统还能让电机回转从螺丝上面取下来;另外,为防止电机的启动电流太大,容易损害电机,本系统还设置了软启动的功能,能够延长电机的使用寿命。本系统不仅仅是理论的设计,并且运用到了实际的生活当中,还进行了现场的测试。
一..基本原理
本系统实现的功能是控制电动扳手的扭矩的大小,从而拧紧螺丝。因为扭矩的计算公式M=9550*P/n,其中,M代表扭矩,P代表电动扳手的有功功率,n代表电动扳手正常工作时的转速,再送入单片机内进行数据处理,就能计算出扭矩的真实值。
根据上面的原理,只要测量出P和n,就可以计算出扭矩的大小,从而进行控制。但是对于电动扳手实际的功率虽然可以通过一些专门功率器件进行测量,但是价格比较高,为了减少成本,根据P=U*I*cost,通过测量电动扳手的工作电压和工作电流来计算有功,相对于专门的功率器件而言,不仅价格低廉,而且实现电路简单,适合实时系统,能够达到题目要求的指标。故选用测量工作电压和工作电流的方法来求得电动扳手的有功功率。
对于电动扳手的转速不宜直接测量,但是根据计算公式n=60*f,其中,f是电动扳手运转时输出波形的频率,电动扳手运转时输出波形频率测量较测量转速简单,故选用测量运转频率的方法,将所测得值送入单片机进行处理,得出电动扳手的正常转速。
综上所述,本系统采用的方案是通过测量电动扳手的工作电压、工作电流和正常工作时输出波形的频率,将所测得的值送给单片机进行数据处理即可得到扭矩的值。
由于不同的螺丝具有不同的扭矩值,故此系统还设置了扭矩调整功能以实现不同的需求。具体的实现方案通过单片机来控制四个按键来设置扭矩值得大小。
本系统还采用了功率元件可控硅来控制电机的启动,为了防止可控硅被击穿而影响到电机的工作,还增增加了继电器来保护电机,当可控硅失去控制时,电机还能正常工作。
因为电动扳手在刚启动时,具有很大的工作电流,大概是额定电流的3—5倍,对电动扳手有很大的损害,为了避免这种损害,延长电动扳手的使用寿命,本系统还设计了电动扳手的软启动环节,使启动从零慢慢增加到工作电流,消除启动时的冲击电流。
二.系统设计
根据测量扭矩的原理,本系统共包括五个模块:以STC12C5A32S2单片机为核心的控制模块,电机工作电压测量模块、电机工作电流测量模块、电机工作转速测量模块、电机启动模块。其系统方框图如下:
三.各模块电路设计
A.电源部分
由于真有效值转换芯片AD637采用的双电源(+5V,-5V)供电方式,故需要制作两个不同的电源,我们采用常用的稳压电源电路,利用芯片7805和7905分别实现+5V和-5V的电源。另外,测频部分为了防止电磁干扰,这个部分的电源于其他电路隔开,单独使用一个电源。整流电路LM311,放大电路LM358和光耦MOC3020均采用+5V单电源供电方式,故本系
统需要两个+5V 电源和一个-5V 电源。现设计电路框图如下:
硬件电路图如下:
U 3
芯片工作电源 U 2测速电路电源
B .电机工作电压测量电路
由于此电机是在220V 交流电的带动下工作的,我们用单片机无法直接测量220V 交流电的大小,我们可以通过将交流转换为低于5V 的直流电压,再送入单片机进行处理。由于单片机只能测量5V 左右的直流电压,我们需要将220V 的交流电压,先降压再转换成直流送给单片机进行处理,采用真有效值转换芯片AD637,将交流电压转换为直流电压,同时也能将交流电压转换为直流电压,采用双电源供电(+5V 和-5V),容易实现。因为AD637的输入电压很小导致输出电压也很小,以致输出的波形幅值不大,而且还有噪声波,不能送入单片机内部进行AD 转换,因此,我们设计了滤波和放大电路,使输出波形的幅值达到单片机的要求。将滤波后的波形送入运算放大器LM358进行负反馈放大,该芯片采用单电源(+5V )供电方式,输出的电压值能够满足单片机的测量要求。由于LM358不是轨到轨的输出芯片,其输出电压不到5V ,在设计放大倍数是,要注意到这一极限电压,以免造成限幅输出。 由于单片机内部自带12位AD ,满足设计要求,故不需要外加AD 转换芯片。系统设计框图如下:
1. AD637芯片介绍:
A D637是AD 公司RMS-DC 产品中精度最高、带宽最宽的交直流转换电路,对于1VRMS
的信号,它的3dB 带宽为8MHz,并且可以对输入信号的电平以dB 形式指示,另外,AD637还具有电源自动关断功能,使得静态电流从3mA 降至45µA.,可以测出任意波形交变信号的有效值,实验数据表明,在电源为正负5V 供电情况下,当输入信号的频率不大于2MHz 时,其输入信号的电压有效值在0.7V ~4V 范围内能保证测量误差。AD637的真值-有效值转换电路设计如下:
2. 电压测量硬件电路图
B UF IN 1
NC 2
C OM 3OUT 4C S 5DENIN 6
VDB 7NC 8
NC
9
C AV 10V011-VS 12+VS 13NC 14VIN 15B UF OUT
16U12AD637
C 291UF
R 47
1M
R w1
K
+5V
-5V
R 5824K
R 57
24K
C 282.2UF
C 300.1UF C 170.1UF C 3110UF
C 1910UF
C 1647UF
+5V -5V
VIN
C 32
2.2UF
200K
C 200.22UF
C 220.22UF
R 53681K +5V C 21
104
56
7
U13B
lm3583
2
1
8
4
U13A
lm358
VOLAGE
10K C 24104
C 26102
C 236.8UF
R 6215K
-5
R 552K
+5
R w21K
P1.5R 6124K
单片机STC12C5A32S2 内12为AD
变压器 AD637 有源滤波 ~220V 无源滤波
LM358放大