對扭矩實時檢測和數據分析系統(tǒng)的研究

盧帥帥，王　飛，齊　鵬（.山東省社會公正計量行；.山東省計量檢測中心，濟南　5004）

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對扭矩實時檢測和數據分析系統(tǒng)的研究

盧帥帥1，王飛2，齊鵬1
（1.山東省社會公正計量行；2.山東省計量檢測中心，濟南250014）

摘要：在機械設備中，扭矩是確保設備安全、高效、穩(wěn)定工作的重要參數。因此，在工業(yè)生產當中，對扭矩的檢測具有非常重要的作用，本文主要研究以單片機為核心的扭矩檢測與數據分析系統(tǒng)，實現了對工業(yè)設備的有效保護，提高工廠生產效率的同時還有效的降低了工廠設備的檢修率。

關鍵詞：扭矩；實時檢測；數據分析；系統(tǒng)

0　引言

扭矩是使物體發(fā)生轉動的一種特殊的力矩。發(fā)動機的扭矩就是指發(fā)動機從曲軸端輸出的力矩。在功率固定的條件下它與發(fā)動機轉速成反比關系，轉速越快扭矩越小，反之越大，它反映了在一定范圍內的負載能力。外部的扭矩叫轉矩或者叫外力偶矩，內部的叫內力偶矩或者叫扭矩?？梢哉f扭矩是機械設備運行過程中的一項重要參數，對其進行有效測量可以提升設備使用效率和安全性，因此，有必要對扭矩檢測技術進行深入研究。

1　扭矩實時監(jiān)測和數據分析系統(tǒng)的設計

在工業(yè)生產當中，扭矩檢測技術具有重要作用，它能有效檢測出轉動軸的扭矩值，從而推斷出主軸以及設備的運行狀態(tài)，如果發(fā)現扭矩值過大，便于及時的采取保護措施，對于設備的使用壽命和維護保養(yǎng)有著非常重要的意義。近年來，隨著電子技術以及無線通信技術的快速發(fā)展，扭矩檢測技術的發(fā)展向精細化和智能化的方向不斷邁進。鑒于此以單片機技術為核心，對扭矩實時檢測和數據分析系統(tǒng)進行如下設計。

1.1整體設計

扭矩實時檢測和數據分析系統(tǒng)以集成電路芯片單片機（Microcontrollers）為核心的智能檢測系統(tǒng)，采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)以及定時器/計數器等功能，集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，這種高度智能化的集成電路芯片在工業(yè)控制領域廣泛應用。本次研究的扭矩實時檢測和數據分析系統(tǒng)同樣應用了這項技術，其整體上可以分為兩大模塊，即扭矩檢測發(fā)射模塊和數據接收監(jiān)控模塊。其中扭矩檢測發(fā)射模塊主要包括扭矩數據檢測、數據信息轉換、數據信息的傳輸等；數據接收監(jiān)控模塊包括扭矩檢測數據的顯示、數據信息接收電路、串行數據通信電路以及報警電路設計。扭矩實時檢測和數據分析系統(tǒng)整體結構如下圖1所示。

1.2扭矩檢測發(fā)射模塊設計

扭矩檢測發(fā)射模塊主要針對的是工業(yè)設備的轉動軸的扭矩，結構組成保留單片機及控制電路、ADC電路、無線通信電路。檢測過程主要由單片機進行控制，為了加強檢測模塊的緊湊性，檢測電路元件，由貼片應變片組成全橋電路，從而確保扭矩檢測發(fā)射模塊更加小巧，安裝在傳動軸上不會影響主軸自身的運動特性。

1.3數據接收監(jiān)控模塊設計

數據接收監(jiān)控模塊主要是將檢測模塊收集到的扭矩數據信息傳輸給上位機，可以說該模塊有信息中轉以及實時監(jiān)測功能。因此，在數據接收監(jiān)控模塊設計過程中，同樣以集成電路芯片單片機為核心控制器，并配有液晶顯示屏、無線電通信系統(tǒng)、輸入鍵盤、報警電路以及RS-232標準串口通信電路，整個數據接收監(jiān)控模塊由電源適配器進行供電。

2　軟件系統(tǒng)設計

根據扭矩實時檢測和數據分析系統(tǒng)的整體結構，軟件設計同樣分為扭矩檢測發(fā)射和數據接收監(jiān)控兩部分。其中扭矩檢測發(fā)射模塊的軟件設計主要包括AD7705驅動程序、通信芯片驅動程序、STC12C5A60S2單片機內部邏輯以及實時監(jiān)控發(fā)射程序。AD7705驅動程序主要是將貼片應變片采集到的轉動軸扭矩信號經過應變橋輸出電壓信號的模擬放大然后進行模數轉換后串行輸出；通信芯片驅動程序完成數據信息的發(fā)送；STC12C5A60S2單片機進行核心控制，通過I/O串口控制芯片功能進行數據輸入輸出、信號中斷以及實時監(jiān)控等操作。

數據接收監(jiān)控模塊的軟件設計主要包括液晶驅動程序、通信芯片驅動程序、矩陣鍵盤掃描驅動程序、串行數據通信程序。整個系統(tǒng)實現了人機交互操作、轉動軸扭矩信息管理、刷新以及和上位機進行的實時通訊。數據接收監(jiān)控模塊還具有轉動軸扭矩報警功能，一旦檢測到的扭矩信息超過了預先設定的標準值，該模塊就會發(fā)出報警信號，提醒現場工作人員及時進行維護操作。此外，在扭矩實時檢測和數據分析系統(tǒng)的顯示模塊上不僅可以接收轉動軸的數據信息和電池電壓值，還可以隨時刷新顯示鍵盤鍵碼值。芯片內部的顯示數據RAM提供642個位元組的空間，最多可以實現4行16字的中文字形顯示。

3　結束語

綜上所述，本文研究的扭矩實時檢測和數據分析系統(tǒng)可以很好的完成各項子系統(tǒng)的功能，可以準確有效的將扭矩信號進行放大，然后通過A/D轉換系統(tǒng)進行數據信息的轉換并利用無線電系統(tǒng)進行信號傳輸。通過實際運行可以得出以下結論：該系統(tǒng)能夠準確有效的檢測出超大量程的扭矩值，并且具有很好的抗干擾性，能夠適應各種工業(yè)生產環(huán)境，具有非常可觀的推廣和發(fā)展前景。

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

作者簡介：盧帥帥（1988-），男，山東平度人，本科，助理工程師，主要從事力學計量方向的研究。