摘  要： 針對(duì)工業(yè)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩研究的要求，設(shè)計(jì)了一種基于STC12C5A60S2單片機(jī)技術(shù)、結(jié)合AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集及nRF24L01無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的有轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)檢測(cè)與數(shù)據(jù)分析的系統(tǒng)。系統(tǒng)的檢測(cè)模塊安裝于傳動(dòng)軸上，通過無線模塊將檢測(cè)信息傳送至接收模塊，接收模塊再把數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析。給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的原理電路及軟件設(shè)計(jì)的程序流程圖，同時(shí)給出了系統(tǒng)的上位機(jī)操作界面，系統(tǒng)運(yùn)行良好，具有較好的應(yīng)用性和可移植性。
關(guān)鍵詞： 工業(yè)傳動(dòng)軸；轉(zhuǎn)矩；實(shí)時(shí)監(jiān)控；數(shù)據(jù)分析

　在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩是反映機(jī)械設(shè)備性能的最典型的參數(shù)之一，是維護(hù)設(shè)備安全、控制設(shè)備高效工作、研究設(shè)備運(yùn)動(dòng)性能等工作中重要的參數(shù)，而這一參數(shù)主要體現(xiàn)在傳動(dòng)軸上。由于工業(yè)傳動(dòng)軸的不可破壞與拆裝以及工作時(shí)連續(xù)旋轉(zhuǎn)的特性，故傳感器不允許改變傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)，同時(shí)傳感器須結(jié)合無線裝置。如果工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣干擾信號(hào)強(qiáng)，則還要對(duì)檢測(cè)信號(hào)和數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬和數(shù)字信號(hào)處理。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件收集、管理數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化分析將為維護(hù)人員的工作提供極大的幫助，也能為研究人員提供科學(xué)有效的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。本研究應(yīng)這一需求，設(shè)計(jì)了一套具有傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)檢測(cè)、監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析功能的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集模塊具有精度高、量程大、體積小的特點(diǎn)，通過基于nRF24L01無線電路把采集的數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與傳送模塊實(shí)現(xiàn)簡單檢測(cè)功能，最后數(shù)據(jù)通過串口傳輸至上位機(jī)，利用虛擬儀器LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與全面的數(shù)據(jù)監(jiān)控。
1 金屬絲電阻式全橋應(yīng)變檢測(cè)原理
　目前有各種轉(zhuǎn)矩檢測(cè)的方法，包括接觸式檢測(cè)方法（如電阻式應(yīng)變片檢測(cè)方法）和非接觸式檢測(cè)方法（如光學(xué)、光電子學(xué)、磁學(xué)、電磁學(xué)檢測(cè)和其他各種相位數(shù)字檢測(cè)方法等）[1]。
　本系統(tǒng)采用金屬絲電阻式應(yīng)變片進(jìn)行轉(zhuǎn)矩檢測(cè)。其檢測(cè)原理是將電阻應(yīng)變片作為傳感元件，利用粘合劑將其粘貼在被測(cè)構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件受力發(fā)生形變時(shí)應(yīng)變片的敏感柵會(huì)隨其產(chǎn)生等量形變，從而引起應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化，打破全橋測(cè)力電路平衡，輸出電壓?駐U，可以間接計(jì)算傳動(dòng)軸所受轉(zhuǎn)矩。通過物理推導(dǎo)可得：




　接收監(jiān)控系統(tǒng)的程序主要包括：12864液晶驅(qū)動(dòng)程序、nRF4L01通信芯片驅(qū)動(dòng)程序、矩陣鍵盤掃描驅(qū)動(dòng)程序、RS232標(biāo)準(zhǔn)的串行數(shù)據(jù)通信程序以及一套單任務(wù)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)程序。操作系統(tǒng)程序中包括了人機(jī)交互式界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理和刷新顯示界面和上位機(jī)實(shí)時(shí)通信界面。將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，有利于進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)矩報(bào)警程序，即一旦超過設(shè)定值將立刻報(bào)警，提醒工作人員進(jìn)行保護(hù)操作。
3.1.1 系統(tǒng)人機(jī)交互界面

　接收監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)以后，用實(shí)時(shí)刷新的掃描算法，通過矩陣鍵盤輸入轉(zhuǎn)矩的保護(hù)值、安全設(shè)定值以及復(fù)位信息等，相當(dāng)于人工設(shè)定數(shù)字的參考量，設(shè)置完畢后進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、誤差比較和報(bào)警，使整套系統(tǒng)按照給定值安全地運(yùn)行。
3.1.2 智能化設(shè)計(jì)
　根據(jù)不同的電阻應(yīng)變片配置合適的輸入電壓U可以最大限度地提高檢測(cè)精度，然而根據(jù)式（1），當(dāng)輸入電壓U改變時(shí)，轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式需要調(diào)整。本系統(tǒng)通過單片機(jī)空余A/D口采集電橋輸入電壓值，與先前電橋輸入電壓值進(jìn)行對(duì)比，然后判斷是否改變轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式。這樣的智能化設(shè)計(jì)避免了繁瑣的修改程序過程。
此外，環(huán)境溫度t對(duì)應(yīng)變片的所有性能都有顯著的影響[4]。雖然全橋結(jié)構(gòu)的應(yīng)變片檢測(cè)電路可以消除由環(huán)境溫度引起的虛假輸出，但是溫度變化依然會(huì)影響應(yīng)變片的檢測(cè)性能，從而造成誤差。如果使用溫度自補(bǔ)償?shù)碾娮钁?yīng)變片，可以很好地解決溫度漂移問題。如果電阻應(yīng)變片不具有自補(bǔ)償功能，則使用金屬絲電阻應(yīng)變片時(shí)把阻值近似為與溫度t的函數(shù)關(guān)系：
　R（t）=R0[1+α（t-t0）]           （4）
式中，R0為參考溫度t0（通常=0℃）時(shí)的阻值；α為正溫度系數(shù)[5]。
3.2 上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面
　采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了具有實(shí)時(shí)檢測(cè)功能和數(shù)據(jù)分析功能的上位機(jī)系統(tǒng)具有界面友好簡潔的特點(diǎn)，上位機(jī)以串口通信與下位機(jī)相連，通過調(diào)用串口傳送的數(shù)據(jù)，及時(shí)接收下位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)更新再經(jīng)過處理繪制成轉(zhuǎn)矩與時(shí)間同步的曲線[6]，從而傳動(dòng)軸應(yīng)力得以形象化地顯示在上位機(jī)界面。
上位機(jī)數(shù)據(jù)分析界面提供了數(shù)字濾波器，可對(duì)濾波算法、采樣點(diǎn)數(shù)、截止頻率進(jìn)行自由設(shè)定，從而消除檢測(cè)過程中的高頻噪聲的干擾，保留有效的低頻轉(zhuǎn)矩信號(hào)。系統(tǒng)底層程序采用LabVIEW的底層數(shù)字濾波模塊，通過數(shù)字信號(hào)處理算法對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波。值得一提的是，數(shù)字濾波可以應(yīng)對(duì)消除不同干擾的需要靈活設(shè)計(jì)濾波算法，這遠(yuǎn)比采用模擬濾波器要優(yōu)越。
　本文完成了單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試，完成了單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)、調(diào)試以及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)調(diào)試，模擬轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)中取得了良好的效果。通過上位機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控傳動(dòng)軸的應(yīng)力，并對(duì)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，適用于傳動(dòng)軸保護(hù)工作和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)研究工作，系統(tǒng)具有良好的可移植性和一定的自適應(yīng)性。值得一提的是該項(xiàng)目是應(yīng)湘潭鋼鐵集團(tuán)有限公司的需求而立項(xiàng)，檢測(cè)轉(zhuǎn)矩量程高達(dá)1.2×106 N·M，一直是國內(nèi)外待解決的難題。
參考文獻(xiàn)
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