基于LABVIEW与单片机的动态扭矩测量系统设计

基于LABVIEW与单片机的动态扭矩测量系统设计 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途动态扭矩测量装置设计（软件部分） （陕理工机械工程学院测控技术与仪器专业 082班，陕西 汉中 723003）指导教师：张士勇摘要本课题基于应变片扭矩测量的基本原理，利用应变片设计了基于labview的动态扭矩测量系统.由于电桥输出的电信号强度较弱而且容易受到干扰等问题，设计了信号处理电路,使用运算放大器对信号进行放大处理,滤波和整形电路的设计,减少了外界干扰和脉冲的抖动,有效地保证了测量结果的准确性。下位机部分以12位AD芯片来采集数据， 并通过单片机将数据发送至上位机。上位机部分则利用LabVIEW软件来设计虚拟软面板，经过串口通信程序接收来自下位机的数据，并实现了实时波形显示、历史数据调用和数据处理等功能。通过实验和数据分析可以看出,整个测量系统工作稳定,实时性好,测量结果有较高的精度。关键词：扭矩传感器 单片机 数据采集 串口通信 LabVIEWDynamic torque measuring device design （software part) （Grade08，Class2，Major Measuring and control technology and instrumentation specialty，College of Mechanical engineering,Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shaanxi）Tutor： Zhang shi yongAbstract: This topic is based on the strain gauge measurement torque， the basic principles of the strain gauge use was designed based on the dynamic torque labview measuring system。 Because the electric signals of electric bridge output intensity is weak and vulnerable to interference， design the signal processing circuit， the use of operational amplifier amplification of signal processing， filter and plastic circuit design, reduce the interference and pulse dithering， effectively ensure the accuracy of the measurement results. A machine part under 12 of the AD in the chip to collect data， and through the microcontroller will send first place machine data. The upper machine part use LabVIEW software to design the virtual soft panel， after serial interface communication program receive from a machine of data, and realize the real-time waveform display, historical data calls and data processing etc. Function. Through the experiment and data analysis, we can see that the whole measuring system stable work， good realtime， the measurement result is of high accuracy。个人收集整理,勿做商业用途个人收集整理，勿做商业用途Key words：Torque sensor microcontroller Data acquisition Serial communication Labview目 录1绪论11。1选题的目的及研究意义11.2扭矩测量简介11。2.1扭矩测量的研究现状及应用领域11。2.2扭矩测量的发展趋势21。2.3扭矩测量的研究方法21。3课题的研究内容和研究方法31.3。1课题的研究内容31.3.2课题的研究方法42检测装置的总体方案52.1检测装置整体系统框图52.2电阻应变片及扭矩测量的基本原理52。2.1电阻应变片的基本原理52。2.2扭矩测量的基本原理72.3 应变片的选用82。4导电滑环及滑臂电刷的选用92。5各部分功能介绍113扭矩检测系统各部分电路的设计123.1电桥电路123。1.1电桥电路的选用123。1。2电桥电路的精度误差分析143.2放大电路的设计及硬件选用153。2.1放大电路的设计153。2.2放大芯片的选用173.3低通滤波电路的设计173。4 A/D转换电路的设计193。5串口电路234动态扭矩测量系统的软件设计254。1单片机程序流程图设计254。2模块化设计264.2.1数据采集模块264.2.2数据处理与发送模块284。3 labview程序设计314.3.1前面板设计314.3.2程序框图设计324。3.3 各模块程序框图设计324.4软件联调365误差分析405.1数据分析405。2可靠性分析416结论与讨论436。1结论436.2讨论43致谢44参考文献45III1绪论1.1选题的目的及研究意义随着生产和科学技术的迅速发展，测量和试验技术作为涉及多种学科的综合科学技术，正在形成独立的学科体系。扭矩是工业生产过程中的重要参数，为了保证生产正常进行，必须对扭矩进行检测和控制。扭矩的测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全或优化控制等工作中所必不可少的内容。例如在各种发动机的研制和调试过程中，需要知道发动机的性能是否满足要求以及是否正常运行，这就需要对扭矩进行测量.其次,在各种电机的运行过程中往往需要设置一个扭矩的上限值，以确保电机的安全运行，通过对扭矩和的测量,当超过上限值时发出报警信号以提醒用户进行相应的操作.1.2扭矩测量简介1.2。1扭矩测量的研究现状及应用领域目前，扭矩测量仪大致可分为以下几种：应变扭矩测量仪，相位差扭矩测量仪，振弦式、电容式、磁弹性式测量仪。由于各种扭矩测量仪的测试方式不同，使得其应用范围不同。扭矩测量技术的发展取决于传感器、信号传输和测量仪的研究。目前,由于微机的应用，扭矩测量仪性能大大提高,而传感器的研究与测量仪相比稍有逊色。因此必须加强传感器的研究，这就要从传感器种类、精度、规格、安装、信号传递等方面加以研究。目前传感器主要发展动：传感器从介入式发展成不介入式。以往扭矩传感器大部分属于介入式，即必须作为传动轴一部分才能使用,这样限制了它的应用范围,一般用于实验室、台架测量。现在逐渐推广的卡环式应变型扭矩传感器，即为不介入式扭矩传感器,只要将传感器卡在轴上或安装在轴边,无须断开轴系，这样给实际工况测量扭矩带来很大的方便。再如振弦式传感器、磁弹性传感器都属于不介入式扭矩传感器。在信号传输方面,以往采用的是接触式滑环传输，这种传输方式易磨损、需常清洗、安装难,容易引入干扰信号。近期推出的传感器一般均为无接触式传输.如感应方式或遥测体制，它克服了接触式传输的缺点。1.2。2扭矩测量的发展趋势随着各种被测系统复杂性和自动化程度的不断提高，扭矩测量方法也在不断地推陈出新，目前扭矩测量方法的发展趋势主要体现在以下几个方面：（1）向直接测量扭矩的方向发展;（2）向动态在线扭矩测量的方向发展；（3）向多功能扭矩测量的方向发展；（4）向扭矩优化测量的方向发展；（5)向数字化 智能化 网络化扭矩测量的方向发展;（6) 扭矩传感器新技术的不断涌现为扭矩测量方法的适时更新提供了新途径.1。2。3扭矩测量的研究方法测量扭矩按照它的基本原理可以分为以下3种方法：测应变测扭矩、测转角测扭矩及测、作用力测扭矩。1测应变测扭矩 测应变测扭矩是一种常规的扭矩测量的手段.该方案首先测量旋转轴表面的应力应变值,再将测量值代入相应的力学公式折算,最终获得旋转轴上承受的扭矩大小.从第一枚应变片设计成功至今，应变计已经从原先单一的电阻式应变计逐渐发展成为利用多种物理原理制成的应力敏感元件，例如：声表面波传感器、逆磁致伸缩材料传感器、压电式扭矩传感器等.2测转角测扭矩 测转角测扭矩是一种特别适合细长旋转轴的扭矩测量方案。该方案多是在旋转轴的同轴方向上加装柔性扭杆，通过测量扭杆旋转的相对角度测量扭矩.已有的测转角测扭矩的方案有:电磁式测转角测扭矩、光电式测转角测扭矩、激光式测转角测扭矩、电容式测转角测扭矩等。3测反作用力测扭矩 测反作用力测扭矩是通过测量制动扭矩（为阻止电动机的旋转而施加的反扭矩，该扭矩就叫做制动扭矩）测扭矩的一种扭矩测量方案，这种方法有一定的局限性，只能测静态力矩。采用这种方案的扭矩测量案例有:扭力扳手、静态扭矩实验测量装置等。扭矩测量的具体实现方法：（1）电容器法，由于受到安装位置的限制,仅适用于测杆端的位移,目前已很少采用；（2）速度计法，主要是根据电磁感应原理测量压杆表面的质点速度,由于技术上的问题较多 ，该方法尚未普及；（3）衍射光栅法，它要在试件上刻蚀条以上的光栅，并需配备等待式高速摄影机，难度较高；(4)电阻应变片法,这是目前最主要的测量方法.沿扭力轴的轴向45方向分别粘贴4个应变片，组成全桥电路的四个桥臂，用以感受同向的最大正应变.当扭力轴受扭时,应变片的电阻率发生变化，电阻的变化通过电桥输出与外加扭矩成正比的电压信号,然后经适当的方式将该电压的信号引出，通过处理后便可计算出外加扭矩。这种扭矩传感器使用范围广,能测量瞬时扭矩及起动扭矩(动态测量），而且结构简单，测量准确度高;但抗干扰能力较差，温度、湿度以及粘接剂等对准确度都有影响.应变式扭矩传感器的信号传输技术是这类传感器的关键技术，业内已有3种成熟的传输方法，解决高速旋转工况下，激励电源输入到应变桥路及信号输出到显示仪表所存在的传输问题。1。3课题的研究内容和研究方法1。3.1课题的研究内容l 传感器采用电阻应变片，此传感器抗振动、耗能低、性能稳定可靠、使用寿命长等优点，适合转速低且要求转速测量精度高和进行角度测量的场合使用。l 研究动态扭矩测量的原理，针对现有测量方法的优缺点，提出最佳的测量。l 通过研究和计算,确定扭矩传感器传动轴的材料和结构参数。l 针对现有的动态扭矩传感器在电源输入方式上的缺陷,通过研究和论证提出新的信号传递方式。l 设计传感器电路，选取应变片和电子元件。l 对实验数据进行处理并进行误差分析，通过研究提出误差的主要来源和减小误差的方法。本课题所研制的扭矩测量仪的预期目标如下：实现连续测量、数据保存、清零、测量前校准、超限报警、可测量正反方扭矩、系统复位等功能，测量范围0.1200 Nm;测量显示精度0。1 Nm。1.3.2课题的研究方法扭矩会使传动轴产生一定的应变,而且这种应变与扭矩的大小存在着比例关系，因此可以通过电阻应变片来检测相应扭矩的大小。当传动轴受到扭矩作用时会发生扭转变形，最大剪应变产生在与轴线成45度角的方向上，在此方向上粘贴电阻应变片能够检测到传动轴所受扭矩的大小.将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上并组成应变桥，应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号.将该应变信号放大后，经低通滤波送入A/D转换,然后经单片机处理经过串口将数据发送到至上位机。在上位机编程实现数据保存、清零、超限报警、可测量正反方向扭矩、系统复位等功能。2检测装置的总体方案2.1检测装置整体系统框图检测装置整体系统框图如图2-1所示A/D转换电路低通滤波电路信号采集电路测量放大电路上 位 机单 片 机图21 检测装置整体系统框图2。2电阻应变片及扭矩测量的基本原理2.2。1电阻应变片的基本原理1电阻应变式传感器的原理及特点电阻应变式传感器的基本原理是将被测非电量转换成与之有确定对应关系的电阻值，再通过测量此电阻值达到测量非电量的目的。这类传感器的种类很多，在几何量和机械量测量领域中应用广泛，常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等非电量应变式传感器具有以下特点：（1)结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；（2)易于实现测试过程中的自动化和多点同步测量、远距离测量和遥测；（3）灵敏度高，测量速度快，适合静态动态测量；（4)可以测量多种物理量，应用广泛。2电阻应变效应电阻应变片的工作原理是基于金属导体的电阻应变效应，即当金属导体在外力作用下发生形变时,其电阻值将相应地发生变化.金属导体的电阻应变效应用应变灵敏系数K表示，他决定于导体电阻的相对变化R/R与其长度相对变化L/L之比值:K=RRll=RR （2-1）式中，=l / l为轴向应变。由物理学可知,金属丝酌电阻值R与其长度L和电阻率成正比，与其截面积A成正比。其公式表示为:R=L/A （2-2）从而当金属丝受力变形改变其长度与横截面积而改变电阻值，而引起电压值变化.电阻应变计简称应变计，它主要由电阻敏感栅、基底和面胶(或覆盖层）、粘结剂、引出线五部分组成。基底是将传感器弹性体表面的应变传递到电阻敏感栅上的中间介质，并起到敏感棚和弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护敏感栅的作用,粘结剂是将敏感栅和基底粘接在一起，引出线是作为联接测量导线之用。电阻敏感栅可以将应变量转换成电阻变化。应变计的结构如下：图2-2电阻应变计结构1覆盖层；2基底；3引出线；4-粘合剂;5敏感栅多数应变式传感器都是将应变计粘贴于弹性元件表面弹性元件表面的变形通过基底和粘结列传递给应变计的敏感.由于基底和粘贴剂的弹性模量与敏感栅材料的弹性模量之间有差别等原因。弹性元件表面的应变不可能全部均匀地传递到敏感栅.2.2.2扭矩测量的基本原理如图2-3所示,当弹性轴受到扭转时，传递的扭矩是剪应力对横截面扭心的合成力矩。图23扭轴横截面上的剪应力分布转轴扭转时切应力处在纵向轴的径向平面上，在轴表面用两个横截面,两个径向纵截面及两个轴向纵截面截取出一个单元平行六面体来研究,因边长均为微量，故此六面体非常接近于正六面体。由圆轴扭转时应力分析可知，此单元体处于纯剪切应力状态。所以轴表面任何单元平面的法向应力值都符合平面应力状态理论.可将应变片沿转轴轴线45和45方向粘贴在转轴表面,就会受到相应的最大拉应力和压应力的作用,将应变片组成全桥电路。如图2-4所示,初始条件应变片电阻R1=R2=R3=R4=R0，当弹性轴受力矩M作用时,工作应变片R1、R2、R3、R4分别产生最大正负应变.图2-4电阻应变片全桥电当弹性轴受到如图所示的剪切力作用时,R1、R3应变片受拉应力；R2、R4受压应力。其应变为：=5（1+）ED3M（实心） （23)=16（1+）DE（D4-d4）M（空心） （2-4）式中：，D-轴外径（mm）；d轴内径（mm）；M-扭矩（n/m）；-轴材料泊松比；E-轴材料弹性模量.当电桥的供电电压是Ui时,其输出电压Uo为： Uo=UiK （2-5）式中，K应变片的灵敏系数。根据式（23），（2-4），（25），可以得出： M=E D3Uo51+KUi (实心) （26） M=E(D4-d4)Uo161+KUi （空心） （2-7)式中， E轴材料弹性模量； M轴材料泊松比;D-轴外径（mm）；d-轴内径(mm）; 圆周率；K应变片的灵敏系数； Uo输出电压； Ui输入电压。显然，只要能确定输出电压,选取合适的弹性轴材料,就能确定所测弹性轴的扭矩. 2。3 应变片的选用电阻应变片的种类很多,有丝式应变片、箔式应变片、半导体应变片和薄膜应变片等。其主要参数有：应变片电阻值、几何尺寸、灵敏度系数、绝缘电阻、允许电流、机械滞后等.电阻应变片除了能够直接测量试件的应力、应变外，还可以和弹性敏感元件配合制成各种电阻应变式传感器，用来测量力、压力、扭矩、加速度等物理量。电阻应变式扭矩传感器的工作原理是：直接将电阻应变片被测轴上，当被测轴受到纯扭力时,其最大剪应力f不便于直接测量，但轴表面主应力与母线成45度角，而且在数值上等于最大剪应力，因而应变片沿与母线成45度角方向粘贴.本课题采用力敏全桥应变片.它具有良好的一致性和对称性，很小的非线性和横向效应.，此传感器转速采用旋转编码器的方式，它具有高频响、分辨率能力高、抗振动、耗能低、性能稳定可靠、使用寿命长等优点，适合转速低且要求转速测量精度高和进行角度测量的场合使用,满足课题设计要求。2。4导电滑环及滑臂电刷的选用图25 接触式旋转扭矩传感器测量原理图传动轴由于受扭产生机械应变 , 引起贴在轴上的应变计变形使其电阻值发生改变 , 从而导致应变电桥失衡 ， 输出与扭矩成正比的微弱电压信号 ， 然后即可根据材料力学中应变和扭矩的关系得到相应扭矩大小 , 这里信号的传输采用接触式的导电滑环和刷臂 ， 图25为接触式旋转扭矩传感器测量的原理图。旋转轴上的应变桥把电压信号传递给和旋转轴一起旋转的导电滑环 ， 导电滑环再把信号传递给和其接触的固定在传感器外壳上的导电刷臂 ， 从而完成信号由旋转到静止的可靠传递。导电滑环属于电接触滑动连接应用范畴,它又称集电环、或称旋转关节、旋转电气接口、滑环、集流环、回流环、线圈、换向器、转接器，是实现两个相对转动机构的图像、数据信号及动力传递的精密输电装置。特别适合应用于无限制的连续旋转,同时又需要从固定位置到旋转位置传送功率或数据的场所。其由弹性材料电刷、滑动触点表面材料-导电环、绝缘材料、粘结材料、组合支架、精密轴承、防尘罩及其他辅助件等组成。电刷采用贵金属合金材料，呈“II”型与导电环环槽对称双接触，借助电刷的弹性压力与导电环环槽滑动接触来传递信号及电流。一般情况下 ， 刷臂分为两种 ， 一种为刷丝式 , 一种为刷片式.刷丝式的刷臂和滑环的接触面小 , 摩擦小 , 但信号传递可靠性相对较低 , 不适合高速旋转下测量 ， 一般转速在 500 r /min情况下 , 可采用这种测量方式； 刷片式的刷臂和滑环的接触面大 , 摩擦大 ， 信号传递可靠性相对较高 ， 一般转速在 5003000 r /min的情况下 ， 可采用这种测量方式.接触式旋转扭矩传感器的特点是: 适合测量静止扭矩 , 也可以测量低速转动扭矩； 体积小 , 重量轻 ,易于安装; 无需复杂电路; 存在导电滑环的磨损 ， 寿命有限 , 不适合高转速场合.目前国际上采用的滑环技术分为以下三种：（1)复合电刷块技术,一般采用碳刷，铜刷,银/石墨/二硫化钼的刷块等形式。 （2)采用贵金属合金单丝，如AuNi9等。 （3)纤刷技术，纤刷是指一种特殊的滑行电气接触设计.纤刷简单的说就是将单独的金属纤丝（线）进行校准并装进一个金属管里。在这个悬臂设计中，纤刷束的散状的,无束缚的一端依附在环道表面的槽里。综合成本，以及技术方面方面的考虑,本设计采用第一种复合电刷。2.5各部分功能介绍上 位 机单 片 机A/D转换电路低通滤波电路测量放大电路信号采集电路变压器交流电图26 系统总体框图（1）测量电桥实现扭矩信号到与之呈线性关系的电信号的转换,电桥电路采用LM型硅扩散力敏全桥应变片搭成，具有良好的一致性和对称性，很小的非线性和较高的灵敏度。（2）信号放大由于应变电桥输出的电压只有mV级，所以必须对其放大,放大电路由高性能运算放大器搭成差动放大电路,其放大倍数在80120之间可调。（3)低通滤波电路：在系统电路中滤去高频噪声。（4）A/D转换:将模拟信号转化为数字信号。(5）单片机:将扭矩传感器的输出信号进行处理后用串口将数据直接传送给上位机进行显示。（6）上位机：将所测扭矩动态显示，并实现数据保存、清零、超限报警、系统复位、生成报表等功能（7）电源电路为应变电桥、运算放大器、A/D转换器、单片机提供稳定的直流电源电压。这里采用变压器传输方式完成电源的传输。3扭矩检测系统各部分电路的设计3。1电桥电路3。1。1电桥电路的选用应变片将被测件的应变转换成电阻相对变化,还需进一步转换成电压或电流信号才能用电测仪表进行测量。通常采用电桥电路实现这种转换.根据电源的不同，电桥分为直流电桥和交流电桥。本设计采用直流电桥，直流电桥具有高稳定性,电桥平衡电路简单等优点.图3-1直流电桥如图31所示,U为电源电压,R1、R2、R3、R4为桥臂，V0为输出电压，电桥开路。设为电桥的输出负载，根据基尔霍夫定律，电桥输出负载电流 Io=Ui（R1R3-R2R4）RLR1+R2R3+R4+R1R2R3+R4+R3R4R1+R2 （31)若R1R3=R2R4则Io=0,称为电桥的平衡状态,电桥无输出.电桥的输出电压为：Uo=IoRL=Ui（R1R3-R2R4）RLR1+R2R3+R4+1RLR1R2R3+R4+R3R4R1+R2 （3-2）若电桥的负载电阻无限增大,则上式可以简化为 Uo=Ui（R1R3-R2R4）R1+R2R3+R4 （33） 当电桥各臂均有相应的电阻变化时，由式（33）得到 Uo=UiR1+R1（R3+R3）-（R2+R2）（R4+R4）R1+R1（R3+R3）（R2+R2）（R4+R4） （34）当R1=R2=R3 =R4 =R时，略去式中的高阶微量，式(34)可写为 Uo=Ui4(R1RR2R+R3R-R4R) （3-5）又 RR= ，则式（3-5）可写为 Uo=Ui4K（1-2+3-4） （36）当R1=-R2=R3=|-R4|时，得到 Uo=Ui （37）当弹性轴受到剪切力作用时，R1、R3应变片受拉应力；R2、R4受压应力。其应变为： =5（1+）ED3M (实心） （38） =16（1+）DE（D4-d4）M（空心） （39）式中，D-轴外径(mm）；d轴内径（mm)；M-扭矩（Nm)；轴材料泊松比；E-轴材料弹性模量。当电桥的供电电压是Ui时，其输出电压Uo为： Uo=UiK （310）式中，K-应变片的灵敏系数。根据式（23），（24），（2-5）,可以得出： M=E D3Uo51+KUi (实心) （311) M=E(D4-d4)Uo161+KUi (空心) （3-12）式中，E轴材料弹性模量； 轴材料泊松比；D-轴外径(mm);d-轴内径（mm）；圆周率；K-应变片的灵敏系数; Uo输出电压； Ui输入电压.3.1.2电桥电路的精度误差分析 由于温度变化造成的误差来源很多，所以会有不同现象的误差出现,如温度变化时，零点会有变化，其次在被应力不变的情况下，不同温度条件将可能有不同的输出。前者称为温度引起的零点漂移,而后者称为灵敏度漂移。引起零点漂移的原因主要有应变片粘贴的好坏，应变片材料的不均匀，所选应变片的电阻温度特性不一致等。由上述原因造成的零点漂移，在测量桥配好以后，往往具有固定的方向性，可采用简单的方法，在相应的桥臂中串入一个由较大温度系数材料制成的电阻来进行补偿。引起灵敏度漂移的主要原因是弹性体材料的弹性模数随温度的变化,应变片灵敏系数随温度的变化、弹性元件热膨胀系数变化及热膨胀各向异性等因素。而以弹性模数随温度变化为主，且大多是随温度提高而灵敏度也相应提高。对灵敏度漂移补偿最简单的方法是随温度的变化自动调整供桥电压，当供桥电压降低时,电桥的不平衡输出减小，即降低了电桥的灵敏度。正确的补偿为在桥路进行实际灵敏度漂移的测量，然后根据漂移的正或负方向、大小来确定补偿方法及补偿量.常用的方法有改变供桥稳压电源输出值或在电路中串、并联电阻等。一般当灵敏度随温度升高而提高时,可在电源回路中串入一个正温度系数的电阻加以补偿3。2放大电路的设计及硬件选用3。2.1放大电路的设计来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压，一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它，但是必须要求外接电阻完全平衡对称，运算放大器才具有理想特性。否则，运算放大器将有共模误差输出,其大小既与外接电阻对称精度有关，又与运算放大器本身的共模抑制能力有关.一般运算放大器共模抑制比可达80dB，而采用由几个集成运算放大器组成的测量放大电路，其共模抑制比可达100120dB。图32三运放高共模抑制比放大电路它由三个集成运算放大器组成,其中A1、A2为两个性能一致（主要指输入阻抗、共模抑制比和增益）的同相输入通用集成运算放大器，构成平衡对称差动放大输入级，A3构成双端输入单端输出的输出级,用来进一步抑制A1、A2的共模信号，并适应接地负载的需要。由输入级电路可写出流过R1、Rg、R2的电流IR为:IR=Uo2-Ui2R2=Ui1-Uo1R1=Ui2-Ui1Rg （3-13）由此求得： UO1=1+R1RgUi1-R1RgUi2 （314）UO2=1+R2RgUi2-R2RgUi1 （3-15) 于是，输入级的输出电压，即运算放大器A1与A2输出之差为：Uo2-Uo1=1+R1+R2Rg（Ui2-Ui1） （316）其差模增益Kd为:Kd=uo2-uo1ui2-ui1=1+R1+R2Rg （317）由上面公式可知，当A1、A2性能一致时，输入级的差动输出及其差动输出只与差模输入电压有关，而其共模输出、失调及漂移均在Rg两端相互抵消,因此电路具有良好的共模抑制能力，同时不要求外部电阻匹配。运算放大器A3的差模增益：Kd3=-RfR3 （3-18)整个放大电路的增益:K=KdKd3=-RfR3（1+R1+R2Rg） （3-19)由上所述，本次设计放大电路放大增益K欲为1000，电路图如下:图3-3 差动放大电路仿真图则放大电路的放大倍数K为：K=KdKd3=R6R5(1+R2+R3R1) （320)代入以上各电阻值得：K=10003。2.2放大芯片的选用TL082是一种通用的JFET双运算放大器。其特点有：较低的输入偏置电压和偏移电流,输出设有短路保护，输入级具有较高的输入阻抗，内建频率补偿电路，较高的压摆率。最大工作电压：Vccmax=18V。（1）TL082内部框图图34 TL082内部结构框图（2）TL082引脚功能表31 TL082引脚功能表脚号脚名功能脚号脚名功能1Output1输出15Non Output2正向输入22In Output1反响输入16In Output2反响输入23Non Output1正向输入17Output2输出24Vcc+电源-8Vcc-电源+3。3低通滤波电路的设计低通滤波电路采用：二阶压控型低通有源滤波，电路图如下所示图3-5 二阶压控型LPF图3-6 二阶压控型LPF的幅频特性二阶压控型LPF的传递函数：VoS=AvpVt（S） (3-21）V+S=VN(S)11+SCR （3-22）N节点的电流方程：ViS-VNSR-VNS-VoSSC-VNS-V(+)SR=0 （3-23）联立求解以上三式，可得LPF的传递函数：AVS=Vo（S）Vi（S）=Avp1+3-AvpSCR+(SCR)2 （3-24）上式表明，该滤波器的通带增益应小于3，才能保障电路稳定工作。滤波电路采用的芯片仍为TL082,此芯片在放大电路中介绍过，在此不再重复介绍.为了使检测电桥的中检测到的mV级电压信号能够达到V级，保证放大倍数接近1000呗，采用单增益放大，即Rf=0，。但考虑到实际中的误差问题，所以Rf选择滑动变阻器，来调整放大倍数达到1000倍。3.4 A/D转换电路的设计图37 AD1674功能图由于测量范围0.1-200n/m和精度0.1n/m的要求，再考虑到经济性最总选用12位的AD1674芯片作为本次课题的AD转换器件。AD1674 是美国AD 公司推出的一种完整的12 位并行模/数转换单片集成电路.该芯片内部自带采样保持器（SHA)、10 伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器.与原有同系列的AD574A/674A 相比，AD1674 的内部结构更加紧凑，集成度更高，工作性能（尤其是高低温稳定性）也更好，而且可以使设计板面积大大减小，因而可降低成本并提高系统的可靠性.图3-8 AD1674的引脚排列AD1674 的基本特点和参数如下：u 带有内部采样保持的完全12 位逐次逼近（SAR）型模/数转换器;u 采样频率为100kHz；u 转换时间为10s；u 具有1/2LSB 的积分非线性（INL)以及12 位无漏码的差分非线性（DNL)；u 满量程校准误差为0.125%；u 内有+10V 基准电源，也可使用外部基准源；u 四种单极或双极电压输入范围分别为5V，10V，0V10V 和0V20V;u 数据可并行输出,采用8/12 位可选微处理器总线接口；u 内部带有防静电保护装置（ESD），放电耐压值可达4000V；u 采用双电源供电：模拟部分为12V/15V，数字部分为+5V;u 使用温度范围： AD1674J/K 为070（C 级）；AD1674A/B 为4085（I 级）;AD1674T 为-55+125（M级）.u 采用28 脚密封陶瓷DIP 或SOIC 封装形式。u 功耗低，仅为385mW。其主要引脚的功能说明如下：（1）逻辑控制端口12/8：数据输出位选择输入端.当该端输入为低时,数据输出为双8 位字节；当该端输入为高时，数据输出为单12 位字节。CS:片选信号输入端；R/C：读/转换状态输入端.在完全控制模式下，输入为高时为读状态;输入为低时为转换状态；在独立工作模式下，在输入信号的下降沿时开始转换。CE：操作使能端；输入为高时，芯片开始进行读/转换操作。A0：位寻址/短周期转换选择输入端.在转换开始时，若A0 为低，则进行12 位数据转换；若A0 为高，则进行周期更短的8 位数据转换;当R/C=1 且12/8=0 时,若A0 为低,则在高8 位（DB4DB11)作数据输出；若A0 为高，则在DB0DB3 和DB8DB11 作数据输出，而DB4DB7 置零. STS：转换状态输出端.输出为高时表明转换正在进行；输出为低时表明转换结束。(2)并行数据输出端口DB11DB8：在12 位输出格式下，输出数据的高4 位；在8 位输出格式下，A0 为低时也可输出数据的高4 位.（3）模拟信号输入端口10VIN：10V 范围输入端，包括0V10V 单极输入或5V 双极输入；20VIN:20V 范围输入端，包括0V20V 单极输入或10V 双极输入；应当注意的是:如果已选择了其中一种作为输入范围，则另一种不得再连接合作。(4）供电电源端口REF IN：基准电压输入端，在10V 基准电源上接50 电阻后连于此端;REF OUT：+10V 基准电压输出端；BIP OFF：双极电压偏移量调整端,该端在双极输入时可通过50 电阻与REFOUT 端相连; VCC:+12V/+15V 模拟供电输入；VEE：-12V/15V 模拟供电输入;VLOGIC:+5V 逻辑供电输入；AGND/DGND：模拟/数字接地端；模拟电压的输入:模拟电压从13脚或14脚输入。因为在芯片内部，13，14脚之间是一个内部分压电阻，所以用13脚作输入端而将14脚悬空不会有什么危害,反之亦然。在本课题中要求双极性输入，所以要求AD1674结成双极性的方式其输入连接方式如下图所示：图3-9 双极性接线图与单片机的接口:AD1674可以进行12位转换，也可以进行8位转换，由于单片机是8位的,需要进行两次转换,这里需要注意的是必须将BIT11BIT4接到数据总线的D7D0,而将BIT3BIT0采取向高位靠齐，接到接到D7D4，分两次读取转换结果,切不可错接,如果错接的话，极易损坏芯片，也不能正确读取转换结果.其逻辑真值表如下所示:表32 逻辑真值表CE CSR/CA0128功能0不起作用1不起作用1000启动12位转换1001启动8位转换101接+5V12位数据一次并行输出1010接地高8位输出1011接地低4位输出 3.5串口电路 串行通信是一种常用的数据传输方法，虽然它的传输速度慢,但它占用的通信线路少、成本低，在工程的通信方式上仍有重要地位.MCS51单片机内部有一个功能很强的全双工串行口，该串行口有4种工作方式,波特率可用软件设置，由片内的定时器/计数器产生，接收、发送均可触发中断系统,使用十分方便。有2个物理上独立的接收、发送缓冲器SBUF，对外也有两条独立的收、发信号线RXD（P3。0）和TXD(P3.1).在此采用RS232串行接口标准,在电气特性上，RS232采用负逻辑，要求高低两信号间有较大的幅度，标准为：逻辑“1在-5V-15V之间，逻辑“0”在+5V+15V之间，通常采用10V左右为逻辑1，+10V左右为逻辑0。由于MCS-51系统的信号输入输出为TTL电平，逻辑1为3。8V左右，逻辑0为0.4V左右，因此，必须外接电路实现TTL电平到RS232电平的转换。故采用MAX232E实现此转换。接口电路如图所示：图310 串口电路RS232采用负逻辑，即515V代表“0”，515V代表“1”。计算机通过串口通讯时,必须经过相应的电平转换。计算机串口通讯使用RS232标准,接口采用DB9芯接插件，其信号定义如表33：表3-3 信号定义符号方向功能TXD输出发送数据RXD输入接受数据RTS输出请求发送CTS输入清除发送DSR输入数据通信设备准备好GND信号地DCD输入数据载体检测DTR输出数据终端准备好RI 输入振铃指示 4动态扭矩测量系统的软件设计软件的设计是设计控制系统的应用程序.其任务是在整体设计和硬件设计的基础上,确定程序结构，分配内RAM资源，划分功能模块,然后进行主程序和各模块程序的设计,最后连接起来成为一个完整应用程序，与硬件相结合完成相应功能。4。1单片机程序流程图设计本次设计单片机主要完成的功能是对数据的采集并实现实时的数据传递。图41为程序流程图图4-1程序流程图4.2模块化设计整个软件系统可以分为：数据采集和数据处理与发送两部分。4.2.1数据采集模块在数据采集模块中采用AD1674芯片，它有如下特点：（1）有参考电压基准和时钟电路，单/双极性输入;(2)全8位或16位微处理器接口;(3）250ns总线取数时间,能满足一般微处理器的时序要求；（4)高转换率，其采样时间控制在10us以内，速度极快,所以此系统设计时是采用查询的方式与单片机连接的；（5）片内集成了采样保持器,保持器使数据传送的准确性得到了保证,而且避免了另加元件使系统复杂化的麻烦。其中双极性输入满足了扭矩的正负测量要求，12位的精度保证了0。1n/m的精度要求,高的转换率和快速的总线取时间满足了其连续测量连续监控的要求.图42转换启动时序程序如下:CS1 = 1; CE = 0； /初始化,关闭数据采集 CS1 = 0； A0 = 0； RC = 0; CE = 1; /启动12位温度转换_nop_（）；while（STS=1）; /当STS变为高电平时表示转换完成，可以读取了图43读取时序程序如下： CE = 0； /芯片使能关闭 RC = 1； A0 = 0; CE = 1; /CE=1,CS1=0，RC=1,12/8=1,A0=0允许高八位数据并行输出 _nop_（）; h = P0； /读取转换结果的高八位 4.2.2数据处理与发送模块 1.数据处理由于单片机是8位的,需要进行两次转换，这里需要注意的是必须将BIT11BIT4接到数据总线的D7D0,而将BIT3BIT0采取向高位靠齐，接到接到D7D4，分两次读取转换结果经传感器壳体,在数据的读取中要注意两次读取的值的形式。第一次是转换结果的高八位,第二次是结果的低四位并且这四位在这个字节的高四位上。当要进行数据处理时要注意读出的数据是偏移二进制码，这一点非常重要。数据处理程序如下：MSB=（unsigned int)（h 4； /转换为12位数据fenli（adc_Res); /分离成字符数据SendData()； /发送 else /负数 adc_Res=adc_Res； /将偏移码转换为二进制数 adc_Res=adc_Res-0x8000;adc_Res=adc_Res4；fenli（adc_Res)；2.数据发送 在数据发送中应注意TI的软件清零，由于数据要发送到labview软件中所以再发送前要将数据转化为字符，这样labview软件将很容易识别不用加以转换.程序如下：uchar buf4;uchar ascii10=0,1，2,3，4，5,6,7,8，9; /字符数组void fenli（uint dat) buf0=dat/1000; /第4位 buf1=dat/100%10; /第3位 buf2=dat/1010; /第2位 buf3=dat10; /第1位 void SendData（) /发送程序 uchar i; uint delay; if(flag=0） /为负数时 SBUF=-; /负数符号 while(!TI); TI=0; for (delay=0; delay8000; delay+)； Else /为正数时 SBUF=0; while(!TI)； TI=0; for (delay=0; delay8000; delay+); for(i=0；i4；i+） SBUF=asciibufi； /发送相应字符数据到上位机 while（！TI）； TI=0； for (delay=0; delay8000; delay+); 4。3 labview程序设计4。3。1前面板设计LabVIEW编程环境分前面板和程序框图。前面板是LabVIEW的图形用户界面,该界面上显示程序的输入和输出对象，它们分别是控件和指示器，控件包括滑动条、开关、按钮等，指示器包括指示灯、图表等。本次数据采集系统的界面如图5-4所示。图4-4前面板当要开始采集数据时，为了安全考虑必须在前面板中输入正确的用户名和密码才能启动正常运行。输入正确的用户名和密码后首先应设置响应的串口号、波特率、奇偶效验位、数据位和停止位的参数。其次单击“打开串口按钮，数据采集开始，在波形图中就会显示采集到的扭矩值,并连成曲线，并在下边框中显示实时地当前采集到的扭矩值。由于技术要求采集扭矩范围为200Nm200Nm,设置当扭矩值不在-150Nm150Nm时，警告灯亮起，提示用户。当再次按下“打开串口按钮时，系统停止数据采集。点击“保存数据”按钮就可以对采集到的数据以电子表格的形式保存。如果需要生成报表点击“生成报表”按钮，系统就会生成波形图，并可打印输出。本采集系统还可以进行历史数据的查询,当单击“历史数据”按钮时，系统会自动的找到数据文件并以波形形式显示出来。如果要保存数据点击“保存数据”按钮即可再次点击此按钮则放弃数据。4.3。2程序框图设计LabVIEW是一种用图形代码来代替编程语言创建程序的开发工具,它使用数据流编程方法来描述程序的执行,用图表和连线代替文本书写来编写程序。图45为主程序框图。图4-5主程序4。3.3 各模块程序框图设计 本系统可实现以下几种功能：数据保存、数据读取、超限报警、清零和系统复位、串口通信、用户登录等功能1数据保存在本系统中数据的保存程序如图4-6所示。图46保存数据如图4-6所示，当需要保存数据时点击“保存数据”按钮，进入条件选择结构判断为真，在顺序结构中将当前时间和数据写入要保存的excel文档中。当前时间的获取通过“获取日期/时间 函数来实现的，将数据存储在电子表格中有利于数据的统计.2数据读取在本系统中数据的读取程序如图47所示。图47数据读取同样在数据的读取中也使用条件结构来判定是否要进行数据的读取操作,在条件结构内部使用“数组索引”函数将存储在excel文档中的数据通过数组的形式索引出来并显示.数据的显示则利用“属性