數(shù)顯扭力扳手的設(shè)計(jì)

侯 飛

（衢州億龍信息技術(shù)有限公司，浙江 衢州 324000）

數(shù)顯扭力扳手顧名思義就是帶數(shù)字顯示的扭力扳手（扭矩扳手，力矩扳手），它是在機(jī)械扭力扳手的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，其功能更加強(qiáng)大。數(shù)顯扭力扳手自出現(xiàn)之日起已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，技術(shù)方面日漸成熟。其擁有強(qiáng)大的操作功能，包含扭力設(shè)定；單位設(shè)定；模式設(shè)定；數(shù)值儲(chǔ)存；數(shù)值清除以及數(shù)值輸出等。

數(shù)字扭力扳手是扭矩扳手中最高級(jí)的一種，不但能夠當(dāng)施加的扭矩達(dá)到設(shè)定值時(shí)，扳手會(huì)發(fā)出“卡塔”聲響或者扳手連接處折彎一點(diǎn)角度，而且會(huì)通過(guò)數(shù)字顯示屏或者LED燈來(lái)提示使用者，而且在扭矩的設(shè)定上也能夠通過(guò)按鍵和數(shù)字顯示屏來(lái)完成，比之非數(shù)顯扭力扳手更方便也更易與操作?？偠灾?dāng)?shù)顯扭力扳手是扭矩扳手中最易于操作的，它通過(guò)安裝數(shù)字顯示屏降低了對(duì)操作人員的要求。

數(shù)顯扭力扳手的技術(shù)被國(guó)內(nèi)幾家公司壟斷，他們利用手中的技術(shù)控制著一些小型企業(yè)。他們高價(jià)出售自己的核心板從中賺取利潤(rùn)。這種方式大大制約著小型企業(yè)的發(fā)展，并且也是數(shù)顯扭力扳手價(jià)格高的原因?，F(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)了形形色色的數(shù)顯扭力扳手，功能大致一樣，但是其性能存在很大的差異。最主要的差別在于處理器的處理性能、硬件電路的體積以及產(chǎn)品的節(jié)能方面。廠家為了減少科研經(jīng)費(fèi)，只用以前成型的技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，這樣也遲滯了數(shù)顯扭力扳手的技術(shù)進(jìn)步?，F(xiàn)在大部分的扭力扳手存在著一些問(wèn)題，如處理速度慢，準(zhǔn)確度不高，而且經(jīng)常更換電池 ，給生產(chǎn)方面帶來(lái)極大的不便。

現(xiàn)在市場(chǎng)上的數(shù)顯扭力扳手價(jià)格相當(dāng)昂貴，對(duì)于普通的公眾難以接受。隨著一些低價(jià)格、高性能芯片的出現(xiàn)，現(xiàn)在的扭力扳手顯得有些過(guò)時(shí)，并且價(jià)格過(guò)高，遲早要被淘汰。因此，研發(fā)一款性價(jià)比高的數(shù)顯扭力扳手將有很大的市場(chǎng)前景。而且對(duì)于它的研發(fā)也可以打破行業(yè)間的技術(shù)壟斷，增強(qiáng)小型企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，也為其本身的完善打好基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)工作原理圖

數(shù)顯扭力扳手系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示，其核心組成包括MSP430F4270單片機(jī)和扭矩傳感器，以及液晶顯示和聲光報(bào)警的人機(jī)交互部分。扳手連接完成后，由人控制扳手臂旋扭螺母，扭矩傳感器獲得電壓值送給單片機(jī)的放大電路，放大出來(lái)的電壓再由單片機(jī)處理后在段式液晶上顯示出來(lái)，并在一定條件下啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

2 硬件部分

本項(xiàng)目中的扭力扳手檢測(cè)裝置由標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器、扭矩測(cè)量?jī)x表兩部分構(gòu)成，硬件構(gòu)架主要包括單片機(jī)、顯示模塊、電源模塊、聲光報(bào)警模塊、扭力采集模塊等部分組成，其電路硬件原理圖如圖2所示。圖3所示是其硬件的PCB圖。圖4是其制作完成后的實(shí)物圖。

圖2 電路硬件原理圖

圖3 電路硬件PCB圖

圖4 電路硬件實(shí)物圖

3 軟件部分

本項(xiàng)目中的扭力扳手裝置內(nèi)的程序其流程圖如圖5所示。操作過(guò)程如下：①電源打開(kāi)后程序開(kāi)始運(yùn)行，系統(tǒng)進(jìn)入工作模式；②系統(tǒng)工作之初要進(jìn)行程序的初始化，使程序進(jìn)入正常狀態(tài)；③顯示程序驅(qū)動(dòng)液晶顯示出扭力值；④單片機(jī)對(duì)輸出的扭力值進(jìn)行判斷；⑤扭力值大于設(shè)定值，聲光報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，提示外力停止施力；⑥扭力值小于設(shè)定值，外力繼續(xù)施力，直至報(bào)警提示，否則程序循環(huán)；⑦單片機(jī)關(guān)閉程序，程序結(jié)束。

圖5 程序流程圖

4 系統(tǒng)方案總結(jié)

根據(jù)本項(xiàng)目的研究結(jié)果展開(kāi)了以下3點(diǎn)總結(jié)分析：

（1）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較表格

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。從表1可以看出測(cè)量值是與實(shí)際值有一定差別的，并且測(cè)量值的數(shù)據(jù)規(guī)律性不強(qiáng)，抖動(dòng)性強(qiáng)烈，其原因是與信號(hào)采集模塊有關(guān)。還有一點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都比標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)小，其存在的原因是扭力扳手的頭相對(duì)而言重量大，在重力作用下產(chǎn)生一定的扭力值疊加到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上造成一定偏差。

（3）系統(tǒng)改進(jìn)。上面已經(jīng)得出了產(chǎn)生誤差的原因解決方案如下：①針對(duì)其數(shù)據(jù)的抖動(dòng)性，改進(jìn)方式是濾波電路的改進(jìn)。基于信號(hào)的等級(jí)選取適當(dāng)?shù)臑V波電路。取一次值也影響到扭力值的精確性，所以采測(cè)量多次值然后取其平均值的方式；②平衡重力所產(chǎn)生的誤差。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)得扭力機(jī)械結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的扭力大小，在不同方向用力時(shí)加或是減掉這一值。

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