扭矩測量儀設(shè)計(jì)說明書

1、1 / 62扭矩測量儀畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書摘要隨著機(jī)械工業(yè)的迅速發(fā)展，對測量技術(shù)提出了越來越高的要求。不僅要求測量精度高速度快，而且要求整個(gè)測量系統(tǒng)的自動化和智能化程度高。扭矩是旋轉(zhuǎn)動力機(jī)械中一項(xiàng)十分重要的參數(shù)，通過測量各種傳動軸扭矩參數(shù)，可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考依據(jù)。但扭矩測量要遠(yuǎn)比其它力學(xué)測量要復(fù)雜，是力學(xué)測量中一個(gè)叫薄弱的環(huán)節(jié)。對扭矩的測試的檢測，傳統(tǒng)手段多采用機(jī)械方法，但因?yàn)槟Σ?，磨損等因素，嚴(yán)重影響了測試儀的使用壽命和測量的可靠性。隨著我國相關(guān)工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械式扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度測試已不滿足要求。本次設(shè)計(jì)電子扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度測試儀，具有可靠性高，響應(yīng)快，可過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于手工件的在線測試。關(guān)鍵字

2、：關(guān)鍵字： 單片機(jī) 電阻式傳感器 扭矩測試2 / 62AbstractThe instrument has the reliability to be high, the repsone may quickly the over-load protection merit, but widely uses in each kind of work piece test the torque reflectoscope reflector which control using the monolithic integrated cricuit, tries the sensor using t

3、he resistance, uses the monolithinc integrated cricuit to make the central processing chip, can correclty survey the torque which the torque which the work piece may withstandHas the structure simple performance stable surveyaccurate easy to operate, the technical parameter achieved merit and so on

4、design request, has the certain use vauleKeyword:Keyword: singlechip resistance sensor torque testing目 錄第一章緒論第一章緒論 1 11.1 單片機(jī)概述、應(yīng)用與發(fā)展11.1.1 單片機(jī)簡介11.1.2 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域11.1.3 單片機(jī)的發(fā)展趨勢23 / 621.2 扭矩測量儀的應(yīng)用和發(fā)展21.2.1 扭矩測量的基本原理和方法31.2.2 扭矩測量技術(shù)的發(fā)展方向31.2.3 國外扭矩測量儀的現(xiàn)況簡介41.3 扭矩傳感器的種類51.4 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)6第第 2 2 章總體方案設(shè)計(jì)章總體方案設(shè)

5、計(jì) 7 72.1 系統(tǒng)工作原理72.1.1 傳感器的測試原理72.1.2 單片機(jī)的引腳描述與片外結(jié)構(gòu)圖82.2 測試系統(tǒng)的組成以與機(jī)械結(jié)構(gòu)102.3 系統(tǒng)中單片機(jī)的選用與設(shè)計(jì)112.3.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的概述112.3.22.3.2 單片機(jī)的選用單片機(jī)的選用13132.4 顯示器的設(shè)計(jì)142.5 鍵盤的設(shè)計(jì)162.6 驅(qū)動部分設(shè)計(jì)182.6.12.6.1 伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)的組成18182.6.22.6.2 伺服系統(tǒng)驅(qū)動的驅(qū)動部分設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)驅(qū)動的驅(qū)動部分設(shè)計(jì)1818第第 3 3 章硬件電路的設(shè)計(jì)章硬件電路的設(shè)計(jì) 23233.1 檢測元件233.1.13.1.1 系統(tǒng)的檢測元件系統(tǒng)的檢測

6、元件23233.1.23.1.2 測量轉(zhuǎn)換電路測量轉(zhuǎn)換電路23233.2 A/D 轉(zhuǎn)換器254 / 623.3 邏輯電路273.3.13.3.1 鎖存器鎖存器 74LS37374LS37327273.3.23.3.2 片外數(shù)據(jù)存儲器片外數(shù)據(jù)存儲器 6264626428283.3.33.3.3 片外程序存儲器片外程序存儲器 2764(ROM2764(ROM ) )28283.3.43.3.4 TPP-40ATPP-40A 微型打印機(jī)微型打印機(jī)29293.3.53.3.5 BCDBCD 撥碼盤撥碼盤30303.3.63.3.6 芯片芯片 81558155 的接口與主要功能的接口與主要功能34343

7、.3.73.3.7 芯片芯片 AD522AD5223636第第 4 4 章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 38384.1 按鍵識別程序384.2 鍵盤/顯示系統(tǒng)的執(zhí)行設(shè)計(jì)394.3 步進(jìn)電機(jī)的控制的流程圖的設(shè)計(jì)414.4 控制打印機(jī)的流程圖434.5 反轉(zhuǎn)復(fù)位流程圖444.6 過載判斷流程圖454.7 過載判定流程圖46結(jié)論結(jié)論 4747參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 4848致致 4949附錄附錄 5050一、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序50二、鍵盤掃描子程序：515 / 62三、求鍵值子程序：52四、打印程序：53五、顯示子程序541 / 62第一章第一章 緒論緒論1.11.1 單片機(jī)概述、應(yīng)用與發(fā)展單片機(jī)概述、應(yīng)用與

8、發(fā)展1.1.11.1.1 單片機(jī)簡介單片機(jī)簡介單片機(jī)是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力(如算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)，隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，只讀程序存儲器(ROM)，輸入輸出電路(I/O 口)，可能還包括定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行通信口(SCI)，顯示驅(qū)動電路(LCD 或 LED 驅(qū)動電路)，脈寬調(diào)制電路(PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換器與 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構(gòu)成一個(gè)最小然而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)。與一般的微型計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)的具有以下特點(diǎn)：1 小巧靈活、成本

9、低易于產(chǎn)品化2 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)溫度圍寬。3 易擴(kuò)展，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。4 控制功能強(qiáng)。具有位處理指令，有很強(qiáng)的邏輯操作功能。5 容易實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制。1.1.21.1.2 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 按照單片機(jī)的特點(diǎn)，單片機(jī)可分為單片機(jī)應(yīng)用和多機(jī)應(yīng)用。1.單機(jī)應(yīng)用 在一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中，只使用一片單片機(jī)，這是目前應(yīng)用最多的方式，單片機(jī)應(yīng)用的主要領(lǐng)域有：（1） 測控系統(tǒng)用單片機(jī)可構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。達(dá)到測量與控制的目的。例如：溫室人工氣候控制、水閘自動控制、電鍍生產(chǎn)自動控制、汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)、車輛檢測系統(tǒng)等。（2）智能儀表 用單

10、片機(jī)改造原有的測量、控制儀表，能推動儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合發(fā)展化。如溫度、壓力、流量、濃度顯示、控制儀表等。通過采用單片機(jī)軟件編程技術(shù)，使長期以來測量儀表中的誤差修正、線性化處理等用硬件電路難以實(shí)現(xiàn)的難題迎刃而解。2 / 62（3）機(jī)電一體化產(chǎn)品 單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)合，使傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化，控制智能化，構(gòu)成新一代的機(jī)、電一體化產(chǎn)品。例如在電傳打字機(jī)的設(shè)計(jì)中由于采用了單片機(jī)可提高可靠性與增強(qiáng)功能，降低控制成本。（4）智能接口在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，特別是較大型的工業(yè)測、控系統(tǒng)中，如果用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制與管理、單片機(jī)與主機(jī)可并行工作，大大提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。例如，在大型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

11、中，用單片機(jī)對模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行控制不僅可提高采集速度，還可對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如數(shù)字濾波、線行化處理、誤差修正等。 2多機(jī)應(yīng)用 單片機(jī)的多機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可分為功能集散系統(tǒng)，并行多機(jī)處理與局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。1）多功能集散系統(tǒng)是為了滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能要求而設(shè)置的多機(jī)系統(tǒng)。例如一個(gè)加工中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由多片單片機(jī)構(gòu)成，每個(gè)單片機(jī)完成某個(gè)獨(dú)立功能，如機(jī)床加工運(yùn)行控制，控制對刀系統(tǒng)、坐標(biāo)系統(tǒng)、刀庫管理、狀態(tài)監(jiān)視、伺服驅(qū)動等。2） 并行多機(jī)控制系統(tǒng)。并行多機(jī)控制系統(tǒng)主要解決工程應(yīng)用系統(tǒng)的快速問題，以便構(gòu)成大型實(shí)時(shí)工程應(yīng)用系統(tǒng)。3） 局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的出現(xiàn)使單片機(jī)應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的水平。目前單片機(jī)構(gòu)

12、成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是分布式的測、控系統(tǒng)。單片機(jī)主要用于系統(tǒng)中的通信控制，以與構(gòu)成各種測、控用的子級系統(tǒng)。1.1.31.1.3 單片機(jī)的發(fā)展趨勢單片機(jī)的發(fā)展趨勢現(xiàn)在可以說單片機(jī)是百花齊放，百家爭鳴的時(shí)期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機(jī)，從 8 位、16 位到 32 位，數(shù)不勝數(shù)，應(yīng)有盡有，有與主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補(bǔ)，為單片機(jī)的應(yīng)用提供廣闊的天地。1.21.2 扭矩測量儀的應(yīng)用和發(fā)展扭矩測量儀的應(yīng)用和發(fā)展扭矩測量技術(shù)是綜合應(yīng)用機(jī)械、電子、物理、計(jì)算機(jī)等多方面知識的一門學(xué)科。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化和智能程度的提高，在大型復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)中各種扭矩的準(zhǔn)確測量

13、和監(jiān)控成為急需解決的問題。只有研制性能良好的扭矩測試儀，才能對大型機(jī)械系統(tǒng)的扭矩進(jìn)行準(zhǔn)確測量和監(jiān)控，并反映動態(tài)扭矩的時(shí)基幅值和響應(yīng)速度。3 / 62扭矩測量儀應(yīng)用圍很廣泛，它滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、航天航空、國防、能源等各個(gè)領(lǐng)域。1.2.11.2.1 扭矩測量的基本原理和方法扭矩測量的基本原理和方法測量扭矩的方法，按照它的基本原理可以分為：傳遞法(扭軸法)、平衡力法(反力法)與能量轉(zhuǎn)換法等三。1.傳遞法傳遞法是根據(jù)彈性元件在傳遞扭矩時(shí)所產(chǎn)生的物理參數(shù)的變化而測量扭矩的方法。這里所根據(jù)的物理參數(shù)可以是彈性元件的變形、應(yīng)力或應(yīng)變。最常用于測量扭矩的彈性元件是扭軸。2.平衡力法對于任何一種勻速工

14、作的動力機(jī)械或制動機(jī)械，當(dāng)它的主軸受扭矩作用時(shí)，在它的機(jī)體上必定同時(shí)作用著方向相反的平衡力矩(或稱為支座反力矩)。測量機(jī)體上的平衡力矩以確定機(jī)器主軸上作用扭矩大小的方法，就是平衡力法，亦稱反力法。3.能量轉(zhuǎn)換法這是根據(jù)其它能量參數(shù)(如電機(jī)參數(shù))測量機(jī)械能參數(shù)與扭矩的方法。綜上所述的三種扭矩測量方法，傳遞法和平衡力法為直接測量扭矩的方法，其測量方便、精確度高，而能量轉(zhuǎn)換法為間接測量扭矩的方法，測量誤差比較大，常達(dá)（1015）。所以只有在無法直接測量的場合下，才采用間接測量法。1.2.21.2.2 扭矩測量技術(shù)的發(fā)展方向扭矩測量技術(shù)的發(fā)展方向扭矩測量技術(shù)的發(fā)展取決于傳感器、信號傳輸和測量儀的研究。

15、目前，由于微機(jī)的應(yīng)用，扭矩測量儀性能大大提高，而傳感器的研究與測量儀相比稍有遜色。因此必須加強(qiáng)傳感器的研究，這就要從傳感器種類、精度、規(guī)格、安裝、信號傳遞等方面加以研究。目前傳感器主要發(fā)展動向?yàn)椋?.傳感器從介入式發(fā)展成不介入式。以往扭矩傳感器大部分屬于介入式，即必須作為傳動軸一部分才能使用，這樣限制了它的應(yīng)用圍，一般用于實(shí)驗(yàn)室、臺架測量?，F(xiàn)在逐漸推廣的卡環(huán)式應(yīng)變型扭矩傳感器，即為不介入式扭矩傳感器，只要將傳感器卡在軸上或安裝在軸邊，無須斷開軸系，這樣給實(shí)際工況測量扭矩帶來很大的方便。再如振弦式傳感器、磁彈性傳感器都屬于不介入式扭矩傳感器。2.對新型扭矩傳感器的研究的同時(shí)并對經(jīng)典扭矩傳感器加以

16、改進(jìn)。隨著新原理、新材料的發(fā)現(xiàn)和微細(xì)加工、微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，正在促進(jìn)傳統(tǒng)傳感器的變革，新型磁彈性傳感器和光纖扭矩傳感器結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，代表扭矩傳感器的新動向。4 / 62電磁型相位差傳感器是一種比較成熟的傳感器，現(xiàn)經(jīng)改型成為不帶輔助電機(jī)的電磁型傳感器，不但減輕了重量、縮小了體積、降低了成本，而且耐振性能好。微扭矩測量傳感器的研究。隨著家用電器的迅速發(fā)展，如電風(fēng)扇、微電機(jī)、縫紉機(jī)、剃須刀、電冰箱、洗衣機(jī)甚至開關(guān)都要測量扭矩，急待解決gcm級的扭矩測量，新傳感器的研制將成為解決這一問題的關(guān)鍵。在信號傳輸方面，以往采用的是接觸式滑環(huán)傳輸，這種傳輸方式易磨損、需常清洗、安裝難，容易引入干

17、擾信號。近期推出的傳感器一般均為無接觸式傳輸。如感應(yīng)方式或遙測體制，它克服了接觸式傳輸?shù)娜秉c(diǎn)。隨著檢測變換集成化和多功能化，將過去先檢測傳輸、后對信號進(jìn)行變換處理的概念演變?yōu)橄葯z測變換處理，后再進(jìn)行傳輸，這一變更已成為可能。扭矩測量儀的智能化、微機(jī)化是當(dāng)今測量儀變革的主流，單片微機(jī)和軟件的開發(fā)應(yīng)用已使信號的檢測、采集、比較、相關(guān)、數(shù)字濾波、域間變換、邏輯和函數(shù)運(yùn)算、程序給定和反饋控制等功能由儀器本身來實(shí)現(xiàn)成為可能。軟件擴(kuò)展了結(jié)構(gòu)的性能限制，并使儀器具有智能化。既能適應(yīng)被測參數(shù)的變化來自選量程、自動補(bǔ)償、自動校正、人機(jī)對話、自尋故障，并能方便的與總線接口，進(jìn)行多臺聯(lián)機(jī)通信與控制。在扭矩傳感器信號

18、傳輸與測量儀的總成上，工業(yè)化扭矩儀研制的呼聲愈來愈高，一改以往扭矩測量儀多半應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室臺架測量的情景。工業(yè)化扭矩儀的要必需滿足苛刻的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，即可靠性要高，重復(fù)性要好，價(jià)格要低廉，與機(jī)器匹配，安裝方便，但精度要求不高，用其作為指導(dǎo)生產(chǎn)、保護(hù)機(jī)械不受損傷的有效手段。1.2.31.2.3 國外扭矩測量儀的現(xiàn)況簡介國外扭矩測量儀的現(xiàn)況簡介1. 國外扭矩測量儀現(xiàn)狀美國阿克來克斯公司(Acurex co.)中的一個(gè)分公司W(wǎng)DC(無線數(shù)據(jù)傳輸公司)，自 70年代起，生產(chǎn)“通用海上試驗(yàn)功率測試系統(tǒng)”(Universal Sea Trial Power Measurement System)，顯示板上可

19、顯示被測主機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速和功率。此類儀器的扭矩測量是采用卡環(huán)式應(yīng)變傳感器敏感被測軸的扭轉(zhuǎn)變形角，變形量與扭矩成正比。量程圍為02106Nm，測量精度為1F.S.，轉(zhuǎn)速測量是采用紅外線測速法，精度為0.25F.S.，平均無故障時(shí)間MTBF為 4200h。此外，美國的太克(TORODUCTOR)公司生產(chǎn)無接觸式磁彈性扭矩儀；美國麻省理工學(xué)院研制成抗干擾性強(qiáng)的光纖扭矩傳感器。這些都代表著世界新潮流。日本小野測試社擅長制造磁電式相位差扭矩測量儀，首期產(chǎn)品多半用于實(shí)驗(yàn)室，適用于精測扭矩。其量程圍較寬，小量程為 0.210Nm，量程為 1010106Nm，已成系列產(chǎn)品，精度可達(dá) 0.51F.S.。20 世

20、紀(jì) 80 年代初，小野測試社和赤版鐵工所聯(lián)5 / 62合研制出船用主機(jī)扭矩測量儀 MS25B，可測扭矩(5105Nm，精度0.8%F.S.)、轉(zhuǎn)速(214.7r/min，精度0.1r/min)和功率(1500ps)。德國馬霍克(Mc.huk)公司歷史悠久，生產(chǎn)的振弦式扭矩測量儀聞名世界。該儀器是利用軸扭轉(zhuǎn)時(shí)致使傳感器中的鋼弦拉緊或放松，從而使鋼弦自身頻率變化測得扭矩；數(shù)據(jù)傳輸方式有滑環(huán)式和感應(yīng)式。其生產(chǎn)的MDS820 產(chǎn)品，被測軸頸圍為 501000mm，已形成系列產(chǎn)品。此外，德國的 HBM 公司(Hoffinger Baldwin Mesefechmik Gmhm)生產(chǎn)電阻應(yīng)變式扭矩測量儀，

21、采用弧齒聯(lián)軸節(jié)，以消除不同軸度帶來的測量誤差，獨(dú)具風(fēng)格。生產(chǎn)電阻應(yīng)變式扭矩儀的還有英國霍佛科公司(Hover-Krafe)和荷蘭的A.V.D公司，它們在艦船監(jiān)測上都已亮相。2. 國扭矩測量儀的發(fā)展國扭矩測量技術(shù)的研究和扭矩測量儀的生產(chǎn)已初具規(guī)模，從扭矩測量儀的類別、數(shù)量和質(zhì)量來看，絕大部分式電阻應(yīng)變式和磁電式扭矩儀。電阻應(yīng)變式扭矩測量儀是拾取粘貼在受扭軸上的電阻應(yīng)變片的阻值變化來測量扭矩的，故無須斷開軸系，而且測量儀表也可采用通用的電阻應(yīng)變儀。電阻應(yīng)變式傳感器的生產(chǎn)單位較多，如機(jī)床研究所、中國船舶工業(yè)總公司 701 研究所，通用機(jī)械研究所，成功的應(yīng)用于機(jī)床和各種動力軸的扭矩測量。在艦船、貨船主

22、機(jī)扭矩測量上，中國船舶工業(yè)總公司 704 研究所生產(chǎn)的卡環(huán)型應(yīng)變式扭矩傳感器，測量時(shí)只要將卡環(huán)卡在軸上就可測量扭矩，測量儀表采用INTELMCS-51 單片機(jī)作為核心的智能儀器，可同時(shí)測量扭矩轉(zhuǎn)速、功率，并具有自診斷、數(shù)據(jù)處理、溫度修正、越限報(bào)警等功能，集成度高，可靠性好。磁電式扭矩測量儀最早的研制單位是電器科學(xué)研究所，供應(yīng)市場的是 1000Nm扭矩轉(zhuǎn)速傳感器和數(shù)字扭矩轉(zhuǎn)速測盆儀。隨后交通大學(xué)、中國船舶工業(yè)總公司 704 研究所、機(jī)械工程研究所、第二電表廠、湘西儀表元件廠、東安機(jī)器廠、機(jī)電學(xué)院相繼研制成磁電式扭矩測量儀，這種類型的扭矩儀是目前國應(yīng)用最多的扭矩儀。例如中國船舶工業(yè)總公司 704

23、研究所制造的 20 -20KNm扭矩轉(zhuǎn)速傳感器和數(shù)字扭矩轉(zhuǎn)速測量儀，成功地應(yīng)用在地質(zhì)礦產(chǎn)部鉆機(jī)上?，F(xiàn)場的鉆探表演，獲得美國、俄羅斯等 31 國參加聯(lián)合國亞太地區(qū)鉆機(jī)學(xué)術(shù)會議專家的好評。該所生產(chǎn)的磁電式扭矩測量儀也可與上述的智能化測量儀連用，系統(tǒng)精度為 0 .596F.S.。1.31.3 扭矩傳感器的種類扭矩傳感器的種類為了滿足各種不同的測試要求，各種類型的傳感器相繼出現(xiàn)。1、磁電型相位差式傳感器6 / 62這時(shí)國最普遍使用的傳感器。生產(chǎn)廠家也主要生產(chǎn)這種類型的傳感器，它已廣泛用于手工業(yè)、科研各個(gè)領(lǐng)域。隨著工業(yè)發(fā)展要求，已涌現(xiàn)出耐振動、成本低、體積小、不帶輔助電極的扭矩傳感器。2、應(yīng)變式傳感器這

24、是最早應(yīng)用的傳感器。隨著彈性體和應(yīng)變片質(zhì)量的提高，出現(xiàn)了下些新型傳感器。如：卡環(huán)式應(yīng)變傳感器、感應(yīng)式應(yīng)變傳感器。它們的信號傳輸方式為搖測式、感應(yīng)式，代替了以往經(jīng)典的滑環(huán)傳輸方式，并提高了測試精度。但在低速狀態(tài)下，滑環(huán)通輸應(yīng)變傳感器還有應(yīng)用市場。目前，704 所正在研制 2000KNM 扭矩傳感器標(biāo)定采用模擬方法。3.光電式傳感器這種形式的傳感器以往應(yīng)用較少。最近有幾個(gè)單位正在研制，有的單位正在準(zhǔn)備研制扭矩傳感器。4.磁彈性傳感器該型傳感器應(yīng)用較早，但在國研制起步較遲，其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，精度 1%-2%左右，最近幾年研究此類傳感器的單位有四五家，成為一種新動向。5、小量程（克、厘米）扭矩傳感

25、器為滿足微電機(jī)和家用電器的需要，小量程扭矩傳感器開始供應(yīng)1.41.4 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)1. 根據(jù)總體方案的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，選擇元件，對主要芯片進(jìn)行反復(fù)查證，選擇最合理的。 2.正確的繪制出主要芯片的硬件連接圖。3.完成相關(guān)軟件程序的編寫。7 / 62第第 2 2 章章 總體方案設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì)2.12.1 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理本系統(tǒng)由一臺 8051 單片機(jī)，I/O 接口，步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器，步進(jìn)電動機(jī)，光電耦合電路，脈沖環(huán)形分配，傳感器，A/D 轉(zhuǎn)換器組成。2.1.12.1.1 傳感器的測試原理傳感器的測試原理本系統(tǒng)采用電阻應(yīng)變傳感器，其工作原

26、理，根據(jù)測試儀的扭矩測量原理，即以金屬材料為敏感元件的應(yīng)變片原理基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)。由物理學(xué)可知：金屬的電阻 R 為: （2-ALR/1）式中：電阻率L金屬絲長度A金屬絲截面面積金屬絲受到拉伸和變形后，尺寸變化導(dǎo)致電阻值變化：dR/R= dL/L-dA/A+d/ 推導(dǎo)整理后得： R/R=K式中：K-金屬材料靈敏度系數(shù) K=1+2+d/（） （2-2）=金屬材料的泊松比=dL/L大多數(shù)金屬在彈性變形圍的 K 值是常數(shù)，其隨著材料的不同而不同。由此可見，應(yīng)變與電阻變化率成線性關(guān)系。基于以上原理，智能化扭矩測試儀采用電阻式傳感器，將作用在被測在工件上的扭矩值轉(zhuǎn)換為金屬應(yīng)變電阻改變，通過電橋電路轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

27、電信號。單片機(jī)通過 I/O 口發(fā)送脈沖信號給步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器，以控制步進(jìn)電動機(jī)的方向和參數(shù)，用半導(dǎo)體應(yīng)變左為傳感器，將作用在被測工件上的扭矩值轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片電阻的變化，通過電橋電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?A/D 卡把模擬信號轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以接受的數(shù)字信號，由單片機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行處理，并把步進(jìn)電動機(jī)產(chǎn)生擬定扭矩值顯示出來，通過鍵盤接口，打印機(jī)，將輸出的扭矩值打印出來，與 BCD 撥碼盤的初量數(shù)據(jù)比較，當(dāng)輸出的扭矩值接近最大值時(shí)，停止操作結(jié)束流程，LED 閃爍 888，等待手工取下夾具，當(dāng)需要測8 / 62量的 扭矩大于傳感器器的 測量圍時(shí)強(qiáng)行測量會損壞傳感器，因此當(dāng)需要測量值超過量程時(shí)，LED 閃爍 0

28、00，要求用戶重新輸入。單 片 機(jī) 程序存儲器 顯 示 打 印 控制按鈕 BCD 撥盤 A/D轉(zhuǎn)換 調(diào)理電路 扭矩 傳感器 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動電機(jī) 圖 2-1 測試工作原理圖2.1.22.1.2 單片機(jī)的引腳描述與片外結(jié)構(gòu)圖單片機(jī)的引腳描述與片外結(jié)構(gòu)圖9 / 62圖 2-2 8051 芯片引腳分配圖各引腳功能說明如下：GND:接地端Vcc:電源端P0.0-P0.7:通道 0，雙向 I/O 口。第二功能是在訪問外部儲存器時(shí)用低 8 位地址線和 8 位數(shù)據(jù)線，在編程和檢驗(yàn)時(shí)用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出。P1.0-P1.7:通道 1，雙向 I/O 口。在編程和檢驗(yàn)時(shí)，用于接收低位地址字節(jié)。P2.0-P2.7:通

29、道 2，雙向 I/O 口。第二功能在訪問外部存儲器時(shí)，高八位地址。在編程和檢驗(yàn)時(shí)，用作高位地址和控制信號。P3.0-P3.7：雙向 I/O 口。每條線均有各位的第二功能，功能表如下：表 2-1 P3 口的第二功能表通道位第二功能說明P3.0RTD串行口輸出P3.1TXD串行口的輸入P3.20INT外部中斷 0 的中斷請求輸入P3.3INTI外部中斷 1 的請求輸入P3.4T0計(jì)數(shù)器 0 的計(jì)數(shù)輸入P3.5T1計(jì)數(shù)器 1 的計(jì)數(shù)輸入P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲器的寫選通信號P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲器的讀選通信號ALE/:ALE 是地址鎖存器允許信號，在訪問外部存貯器時(shí)，用來鎖存 P0 口送出的低PR

30、OG8 位地址信號。在不訪問外部存貯器器械時(shí)，ALE 也以振蕩頻率的 1/6 的固定速度輸出，此時(shí)，它可用作時(shí)鐘信號。第二功能是對 8751 的 EPROM 編程時(shí)的編程脈沖輸入端。PROG：外部程序存貯器 ROM 的讀選信號。在執(zhí)行訪問外部 ROM 的時(shí)候，信號會自PSENPSEN動產(chǎn)生，訪問外部數(shù)據(jù) RAM 或部數(shù)據(jù) ROM 時(shí)，不會產(chǎn)生有效的低電平信號。PSEN/VPP：訪問外部存貯器控制信號。無效（高電平）時(shí)，訪問部 ROM,有效（低EAEAEA10 / 62電平）時(shí)，訪問外部 ROM。第二功能 Vpp 為對 8751 的 EPROM 的 21V 編程電源輸入。RST/VPD：RST

31、是復(fù)位信號輸入端。當(dāng)由此輸入端保持兩個(gè)機(jī)器周期(24 個(gè)振蕩周期)的高電平時(shí)，就可以完成復(fù)位操作。第二功能時(shí) VPD，即備用電源輸入端。當(dāng)主電源 Vcc 發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時(shí)，VPD 將為 RAN 提供設(shè)備用電源，以保證存貯在 RAM 中的信息不丟失。XTAL1 和 XTAL2：在使用單片機(jī)部振蕩電路時(shí)，這兩個(gè)端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容。在使用外部時(shí)鐘時(shí)，則用來輸入時(shí)鐘脈沖，但對 NMOS 和 COMS 芯片的接法不同。對 8051系列芯片，由于部多一個(gè)定時(shí)器還需要附加別的輸入端，為此，又借用 P1.0 和 P1.1 作為定時(shí)器 2 的輸入 T1 和 T2。2.22.2 測試系統(tǒng)

32、的組成以與機(jī)械結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)的組成以與機(jī)械結(jié)構(gòu)測試儀由 4 大部分組成，分別是：設(shè)置部分，控制部分，執(zhí)行部分和打印部分。（1） 、設(shè)置部分主要采用 BCD 撥碼盤，可以方便直觀地完成力矩極限值的初始化設(shè)置，用以實(shí)現(xiàn)測試過程中的過載保護(hù)。（2） 、控制部分主要通過單片機(jī)的鍵盤接口，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換，通過單片機(jī)的多個(gè)端口進(jìn)行接受發(fā)送信號，從而實(shí)現(xiàn)對力矩傳感器信號的調(diào)整、采樣、數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)顯示。(3)、打印部分將測試結(jié)束后保存的測試數(shù)據(jù)由微型打印機(jī)輸出。（4） 、將測試結(jié)束后保存的測試數(shù)據(jù)由微型打印和輸出。機(jī)械部分示意圖 2-3：圖 2-3 機(jī)械部分示意圖如圖所示，測試儀可以通過更換不同規(guī)格的夾具對各種工件

33、進(jìn)行測量。汽缸用來將11 / 62夾具與待測工件夾緊，單片機(jī)控制系統(tǒng)通過步進(jìn)電動機(jī)將扭矩施加到工件上。測試的對象是通過別克變形車后橋加強(qiáng)螺帽，該加強(qiáng)零件的外形是平板上焊接著一一個(gè)螺帽，需要檢測螺帽和平板之間焊接處所承受扭矩是否滿足標(biāo)準(zhǔn)，以保證汽車的安全行駛。2.32.3 系統(tǒng)中單片機(jī)的選用與設(shè)計(jì)系統(tǒng)中單片機(jī)的選用與設(shè)計(jì)2.3.12.3.1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的概述單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的概述由于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)多種多樣，技術(shù)要求各不一樣，因此，設(shè)計(jì)方法和研制步驟也不完全一樣單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制過程包括總體設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)，在先調(diào)試產(chǎn)品化等幾個(gè)階段。它們不是絕對分開的，而是交叉進(jìn)行的。（1） 、總體設(shè)

34、計(jì) 首先如同任何產(chǎn)品的設(shè)計(jì)一樣，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制時(shí)從確定目標(biāo)任務(wù)開始的。在著手進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，必須根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用場合，工作環(huán)境具體用途提出合理的詳盡的功能技術(shù)指標(biāo)。不管是老產(chǎn)品的改造還 是新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)對產(chǎn)品可靠性、通用性、可維護(hù)性、先進(jìn)性以與成本等進(jìn)行綜合考慮，應(yīng)該注意技術(shù)指標(biāo)在研制的過程中還需要作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)的容量的擴(kuò)大使其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)度的自動化顯的尤為重要;而在電力調(diào)讀自動化系統(tǒng)中，電力參數(shù)的測量是最基本的功能。如何快速、準(zhǔn)確、精確的采集各種電力參數(shù)顯的尤為重要。在實(shí)現(xiàn)自動化化的過程中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)采集。根據(jù)采集信號的不同，可分為直流

35、采樣和交流采樣兩種。直流采樣，顧名思義，采樣對象是直流信號。它是把交流電壓、電流信號經(jīng)過各種變送器轉(zhuǎn)化為 0-5V 的直流電壓，再由各種裝置和儀表采樣。此種方法軟件設(shè)計(jì)簡單，對采樣值只需做一次比例變換即可的到被測量的數(shù)值。但直流采樣仍有很大的局限性：無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號采樣：變送器的精度和穩(wěn)定性對測量精度有很大影響：設(shè)備復(fù)雜，維護(hù)難等。交流采樣是將二次測得的電壓、電流經(jīng)高精度的 CT、PT變成計(jì)算機(jī)可測量的交流小信號，然后再送人計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。由于這種方法能夠?qū)Ρ粶y量的值進(jìn)行采樣，因而實(shí)時(shí)性好，相位失真小。它用軟件代替硬件的功能又使硬件的投入大大減小。隨著微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，交流采樣必將以其優(yōu)異的

36、性能價(jià)格比，逐步取代傳統(tǒng)的直流采樣方法。本系統(tǒng)采用 8051 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)的交流采樣。通過 LED 顯示器顯示頻率、電壓、電流的 實(shí)時(shí)值，在過壓 30%、欠壓 30%時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，并能定時(shí)打印電壓、電流與頻率值。實(shí)踐證明，采樣交流采樣方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過算法運(yùn)算后獲得的電壓、電流有功功率、功率因數(shù)等電力參數(shù)有較好的精確度和穩(wěn)定性。12 / 62 交流采樣原理若將電壓有效值公式離散化，以一個(gè)周期有限個(gè)采樣電壓數(shù)字量來代替一個(gè)周期連續(xù)變化的電壓函數(shù)值，則：Tm 為相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔;um 為第 m-1 個(gè)時(shí)間間隔的電壓采樣瞬時(shí)值；N 為 1 個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù)。若相鄰兩采樣的時(shí)間間隔相等

37、，即Tm 為時(shí)間常數(shù)T，考慮到 N=（T/T）+1，是根據(jù)一個(gè)周各采樣瞬時(shí)值與每周期采樣點(diǎn)數(shù)計(jì)算機(jī)電壓信號有效值的公式。 系統(tǒng)硬件組成本系統(tǒng)的硬件部分由電源、主機(jī)、數(shù)據(jù)采樣電路、鍵盤輸入電路顯示器和打印機(jī)輸出電路共 6 部分組成。主機(jī)由單片機(jī) 8051、地址鎖存器 74LS373 外接 88KB 的程序存貯器 2764 和 88KB的 數(shù)據(jù)存貯器 6264 構(gòu)成。在電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行中，電網(wǎng)存在諧波，還會有各種瞬時(shí)干擾，如投切電容器和開關(guān)合閘、掉閘等都會產(chǎn)生干擾；而采用硬件濾波存在硬件電路復(fù)雜等諸多弊端，因此本系統(tǒng)求取電力參數(shù)采用數(shù)字濾波方法祛除干擾，用軟件代替硬件，實(shí)踐證明具有較好的濾波效果

38、。此外，系統(tǒng)中還采用一些干擾措施，以使系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能。其次，在機(jī)型選擇上還要考慮到以下幾點(diǎn)： 市場資源必須穩(wěn)定充足。在單片機(jī)性能主要選擇最容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的機(jī)種，而且，能達(dá)到較高性能價(jià)格比研制周期上要考慮對所選的機(jī)種是否熟悉是否馬上著手進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。有優(yōu)良的開發(fā)工具。最后，還要考慮到器件的 選擇，除了單片機(jī)以外系統(tǒng)中可能需要傳感器、模擬電路、輸入/輸出電路、存貯器以與打印機(jī)、顯示器等器件設(shè)備這部分選擇應(yīng)符合的精度速度而后可靠性等方面的要求硬件設(shè)計(jì)硬件的功能已由總體設(shè)計(jì)所規(guī)定，硬件設(shè)計(jì)任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，在所選擇的 機(jī)型基礎(chǔ)上具體修改系統(tǒng)所要使用的元器件，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電路原理

39、圖。根據(jù)有關(guān)的資料和相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)計(jì)硬件，以與工藝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)加工，印制的制作、樣機(jī)的組裝等?？煽啃栽O(shè)計(jì)隨著單片機(jī)應(yīng)用深入到各領(lǐng)域，對單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性提出了越來越多的要求。特別是對工業(yè)控制、交通管理、通信領(lǐng)域中實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，最根本的技術(shù)指標(biāo)是系統(tǒng)的可靠性。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性通常是在規(guī)定功能的能力。為了減少系統(tǒng)的錯(cuò)誤和可靠性。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性通的措施如下：I 采用抗干擾措施，提高系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)能力II 提高元器件的質(zhì)量13 / 62III 采用容錯(cuò)技術(shù)軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)最基本工作量中較大的任務(wù)。在軟件設(shè)計(jì)之前首先應(yīng)該進(jìn)行軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。合理的軟件結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)出一個(gè)

40、性能優(yōu)良的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)，必須給以足夠重視，對于簡單的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，通常采用順序程序設(shè)計(jì)的方法，這種系統(tǒng)軟件由主程序完成，并指定各個(gè)中斷的優(yōu)先級。順序程序設(shè)計(jì)方法容易理解掌握，也滿足大多數(shù)簡單的應(yīng)用系統(tǒng)對軟件的功能要求，但是缺點(diǎn)是軟件的結(jié)構(gòu)不夠清楚，軟件的修改擴(kuò)充比較困難時(shí)性差，對復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)可采用實(shí)時(shí)的應(yīng)用系統(tǒng)。程序設(shè)計(jì)選擇好的軟件結(jié)構(gòu)和采樣的程序設(shè)計(jì)技術(shù)之后，便可以著手進(jìn)行程序的 設(shè)計(jì)，把問題的定義轉(zhuǎn)為具體程序。程序編寫首先要建立模型，然后繪制流程圖，最后編寫程序。程序的設(shè)計(jì)，是單片機(jī)應(yīng)用于中的一種程序設(shè)計(jì)技術(shù)，它是把一個(gè)功能完整的較長的程序分解為若干功能相對獨(dú)立的較小的程序的模塊

41、，各個(gè)程序模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)、編制程序和調(diào)試，最后把各個(gè)高度好的程序模塊連成一個(gè)大的程序。自頂向下的程序設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)先從主程序開始設(shè)計(jì)，從屬的程序或子程序用符號來代替。主程序編好后再編制從屬的程序。最后完成整個(gè)系統(tǒng)輸出的設(shè)計(jì)。2.3.22.3.2 單片機(jī)的選用單片機(jī)的選用單片機(jī)的選用8051 部的可改寫、可編程 ROM，用戶可采用寫入程序，又可以擦除程序，擦除后還可以重新編寫，它也可以進(jìn)行擴(kuò)展，可以根據(jù)實(shí)用中的具體要求，擴(kuò)展不同容量存的芯片，并且，這種芯片集成度高，結(jié)構(gòu)簡單，性價(jià)比高，產(chǎn)品來源豐富，相關(guān)軟件利用比較方便。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和對單片機(jī)的容量的要求選用 8051，硬件上的 EA 按低電

42、平，一般情況下，可以擴(kuò)展程序存貯器和數(shù)據(jù)存貯器。單片機(jī)上的 硬件資源片有 256 字節(jié)的 RAM 除此之外還可以根據(jù)需要在外部擴(kuò)展 264KB 存貯器；時(shí)鐘電路的頻率 0-24MHZ；2 個(gè)中斷電源、一個(gè)中斷優(yōu)先的中斷控制器；1 個(gè)全雙工異步串行口。用 MCS-51 資源開發(fā) MCS-96 單片機(jī)，附電路圖 2-4.把圖中元件裝在一塊電路板上，將該板粘在 8051 背部，連 8051 的線也全部從 8051 背部引出，拆除原 8051 的 RC 復(fù)位元件。另外，8051 單片機(jī)就有地址從 2000H 開始的 RAM 或 ROM，以共 8098 作程序存貯器；如果是 ROM，必須按 8098 的

43、要求寫入有關(guān)數(shù)據(jù)如芯片配置字，跳轉(zhuǎn)到用戶程序 RAM 區(qū)的14 / 62指令等；如果是 RAM 可以在 8051 監(jiān)控下填寫。如果 8051 單片機(jī)沒有地址從 2000H 開始的 RAM 或 ROM，那么只好擴(kuò)充了；另外，系統(tǒng)應(yīng)實(shí)行 RAM、ROM 統(tǒng)一編址，以免沖突。使用時(shí)，開頭置于“8051” ，除可以調(diào)試 51 程序外，還可以編輯 8098 程序；開頭置于“8098” ，8098 開始執(zhí)行地址從 2080H 開始的 8098 程序，為了能看到結(jié)果，8098 程序中應(yīng)包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存 RAM 的程序段。當(dāng)然，最好是利用 PC 與單片機(jī)的通信功能提高開發(fā)效率。圖 2-4 MCS-51 開發(fā) MC

44、S-96 單片機(jī)圖2.42.4 顯示器的設(shè)計(jì)顯示器的設(shè)計(jì)一、顯示器的使用在我們單片機(jī)的系統(tǒng)中，通常是 LED 數(shù)碼來顯示各種數(shù)字或符號，由于它具有清晰的、亮度高、使用電壓低、壽命長等特點(diǎn)，因此得到非常廣泛的使用。在我們的設(shè)計(jì)中需要其 3 個(gè)數(shù)碼管 LED 顯示。LED 顯示器就是我們小時(shí)候玩的火柴棒游戲，幾根火柴棒組合起來，可以拼各種各樣的圖形，LED 顯示器實(shí)際上就是這樣的東西，八段 LED 顯示器，由 8 個(gè)發(fā)光二極管組成。其中 7 個(gè)長條行的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個(gè)點(diǎn)形的發(fā)光管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點(diǎn)用它能顯示各種數(shù)字與部分英文字母。LED 顯示器有兩種不同的形式：一種是 8

45、 個(gè)發(fā)光二極管都連接在一起的，稱之為共陽極 LED 顯示器，另一種是 8 個(gè)發(fā)光二極管的陰極連在一起的稱之為共陰極 LED 顯示器。如圖 2-5 所示。共陽和工陰結(jié)構(gòu)的 LED15 / 62顯示器各筆畫段和各位置安排是一樣的。等二極管導(dǎo)通時(shí)，響應(yīng)的筆畫段發(fā)亮，由發(fā)亮的筆化段組合而顯示的各種字符。8 個(gè)筆劃段 hgedcba 對應(yīng)于一個(gè)字節(jié)的D7D6D5D4D3D2D0 等，若用 8 位二進(jìn)制碼就可以表示欲顯示字符的字形代碼。例如，對于共陰極 LED 顯示器，當(dāng)共陰極接地，而陽極 hgfedcba 各段為 1111 1111 時(shí)，顯示器顯示“8”字符，即對于共陰極 LED 顯示器， “8”字符的

46、字形代碼是 FFH。如果是共陽極 LED顯示器，共陽極接高電平，顯示“8”字符的字形代碼為 1000 0000（80H） 。這里必須注意的是：很多產(chǎn)品為了方便連線，常不按規(guī)則的方法對應(yīng)字段于位的關(guān)系，這時(shí)字形碼就必須根據(jù)按線來自行設(shè)計(jì)了。 圖 2-5 顯示器連接圖二、顯示器的連接于驅(qū)動 1、顯示器的顯示常用兩種連接方法，靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)具有鎖存功能的 I/O 口接口用于筆劃段字形代碼，這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示的數(shù)據(jù)時(shí)，再發(fā)送新的字形代碼，因此，使用這種方法單片機(jī)中 CPU 的開銷小。但是由于靜態(tài)的連接

47、需要占用許多 I/O 線，而且我們用到的顯示器比較多，所以采用動態(tài)串行連接方法。動態(tài)掃描顯示器接口是單片機(jī)中應(yīng)用最廣泛的一種顯示方法之一。其接口電路實(shí)把所有顯示器的 8 個(gè)筆劃段 a-h 同右端連接在一起，而每個(gè)顯示器的公共極 COM 是各自獨(dú)立的受 I/O 口線控制。CPU 向字段輸出口送出字形代碼時(shí)，所有顯示器接口收到一樣的字形碼，但究竟是哪個(gè)顯示器亮，則取決于 COM 端，而這一端是由 I/O 控制的，所以我們就可以自行決定何時(shí)顯示哪一位了。而所謂動態(tài)掃描就是指我們采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示器的 COM 端，使各個(gè)顯示器的亮點(diǎn)時(shí)間是一個(gè)極為短暫的(約 1ms),但由于人的視覺短暫停

48、留現(xiàn)象與發(fā)光二16 / 62極管余暉效應(yīng)，盡管實(shí)際上個(gè)位顯示器并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描速度足夠快給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感看了。2、由于不需要很多顯示器，所以我們可以選擇 Inter 公司推出的一種專用 I/O 口擴(kuò)展接口器件 Inter8155 芯片作為驅(qū)動芯片。它可以直接和 MCS-51、MCS-96 等單片機(jī)總線相連接，能自動對 88 的鍵盤進(jìn)行掃描，接收鍵盤上的輸入信息，并存入部的 FIFO 緩沖器，在有鍵盤輸入時(shí)向 CPU 請求中斷。能自動消除開關(guān)抖動以與 N 鍵輪回的保護(hù)。2.52.5 鍵盤的設(shè)計(jì)鍵盤的設(shè)計(jì)由于 8051 單片機(jī)的引腳數(shù)量有限，所以必須進(jìn)行擴(kuò)展，

49、那么我們用一片 Inter8155芯片來擴(kuò)展 I/O 接口，它具有 2 個(gè) 8 位、一個(gè) 6 位可編程 I/O 口，可通過程序改變其功能，因而使用靈活方便，通用性強(qiáng)，可作為單片機(jī)與多種外圍設(shè)備連接時(shí)的中間接口電路。我們選擇的 Inter8155 芯片，將鍵盤連接到 Inter8155 上，由于鍵盤的使用不是實(shí)時(shí)性的，所以我們采用了中斷的鍵盤掃描方式，即當(dāng)有鍵按下時(shí)進(jìn)行處理。由于我們使用了 32 個(gè)鍵，所以有 48=32 個(gè)就夠了。把 PB7-PB0 作為行線，PC0-PC3 作為列線這樣鍵盤就連接好了。CPU 視鍵盤中是否有鍵按下的原理很簡單。CPU 只要把“1”送到 Inter8155 口就

50、可以在所有行線 PC0-PC3 上得到 TTL 低電平，然后讀取 PB7-PB0 口的列線就可以判斷是否有鍵按下。若無鍵按下，則所讀列值必為 1FH；若有鍵按下，則列值必因被按按鍵的行列線接通而不等于 1FFH。若 CPU 發(fā)現(xiàn)有鍵按下，則它必須獲取被按按鍵的行值和列值。CPU 獲取被按按鍵的行值和列值只要逐行對鍵盤掃描就行了，即輪流的使用 PC0-PC3 口中每條行線變?yōu)榈碗娖揭耘c讀取和判斷 PB0-PB7 口的列值。若列值位 1FH，則表明被按按鍵不 在本行；若列值不為 1FH，則對應(yīng)的行值和列值就是被按按鍵的列值和行值。在按下某個(gè)按鍵時(shí)，被按按鍵簧片總會有清微的抖動，這種抖動常會持續(xù) 1

51、0ms 左右的時(shí)間，因此，CPU 在按鍵抖動期間掃描鍵盤當(dāng)然會得到錯(cuò)誤的行值和列值，最好的方法是使 CPU 在檢驗(yàn)到鍵盤按下時(shí)的延遲 20ms 再進(jìn)行掃描。用戶在操作時(shí)常常因不小心同時(shí)按下了一個(gè)以上的按鍵即發(fā)生了竄鍵。CPU 處理竄鍵間的原則是把最后放開的按鍵認(rèn)作真正被按的按鍵。CPU 在處理發(fā)生在兩個(gè)不同行商的竄鍵時(shí)可以預(yù)先設(shè)定一個(gè)竄鍵標(biāo)志寄存器。竄鍵標(biāo)志寄存器在行掃描前清零，在行掃描期間用于記錄被按按鍵個(gè)數(shù)，幫發(fā)生故障時(shí)竄鍵標(biāo)志必須大于 01H。因此，CPU 在行掃描時(shí)必須不以發(fā)現(xiàn)第一個(gè)被按按鍵位滿足，而是應(yīng)繼續(xù)完成對所有行的一遍掃描，并在該行掃描結(jié)束后根據(jù)竄鍵標(biāo)志來判斷是否發(fā)生竄鍵，則

52、CPU 再進(jìn)行一遍掃描就可獲得最后放開鍵盤的行值和列值。17 / 62求鍵值必須先求關(guān)鍵字，求關(guān)鍵字必須知道行值和列值，則將求鍵值步驟如下總結(jié)：1、 求行序號：行序號和行值可以從原理圖中看出，即 CPU 把被按按鍵盤行值位02H，右移兩次全為“0” ，故行序號位 01H。2、 求關(guān)鍵字：由鍵值表可以看到，CPU 把行序號移到高四和列值低四位相加便可得到相關(guān)的關(guān)鍵字。例如：01H，若吧它和平共處 17H 的列值低四位相加，則相應(yīng)的關(guān)鍵字為 17H。表 2-2 鍵值表關(guān)鍵字鍵值行值列值按鍵0FH00HB=01HA=0FH01FH01HB=01HA=0FH11TH02HB=02HA=17H21BH0

53、3HB=02HA=1BH32FH04HB=04HA=0FH42TH05HB=04HA=1TH52BH06HB=04HA=1BH63FH07HB=08HA=0FH73TH08HB=08HA=0TH83BH09HB=08HA=1BH93DH0AHB=08HA=1DHA2DH0BHB=04HA=1DHB1DH0CHB=02HA=1DHC0DH0DHB=01HA=1DHD0BH0EHB=01HA=1BH E0TH0FHB=01HA=1TH F0EH10HB=01HA=1EH EXEC1EH11HB=02HA=1EH STEP2EH12HB=04HA=1EHMON3EH13HB=08HA=1EHMON4

54、FH14HB=10HA=0FHDISP4TH15HB=10HA=1THRED4BH16HB=10HA=1BHDUMP18 / 624DH17HB=10HA=1DHLOAD5FH18HB=020HA=0FHPROG5TH19HB=20HA=1THMOVE5BH1AHB=20HA=1BHRAM5DH1BHB=20HA=1DHBP3、求鍵值：被按按鍵的關(guān)鍵字在鍵值表中的序號定義為該鍵的鍵值。因此，被按按鍵的鍵值必定位 02H.即被按按鍵為數(shù)字4、被按按鍵的鍵值類型判斷：在鍵值表中，數(shù)字值必須小于 10H，功能鍵的鍵值是大于或等于 10H 的。因此，CPU 判別被按按鍵是數(shù)字鍵還是功能鍵還是十分容易的

55、：若被按按鍵的鍵值小于是 10H，則轉(zhuǎn)數(shù)字處理程序；若被按按鍵大于或等于 10H，則CPU 通過查表可以很快轉(zhuǎn)如相應(yīng)按鍵的處理程序。2.62.6 驅(qū)動部分設(shè)計(jì)驅(qū)動部分設(shè)計(jì)2.6.12.6.1 伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)的組成扭矩測試儀的伺服系統(tǒng)是 I/O 口（單片機(jī)） 、步進(jìn)電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電器、光電耦合電路、環(huán)形脈沖分配器組成。系統(tǒng)工作時(shí)有單片機(jī)通過 I/O 發(fā)送步進(jìn)脈沖信號給步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器，驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)完成工作。由于單片機(jī)不僅要對被控對象進(jìn)行監(jiān)測，輸入被控系統(tǒng)的開關(guān)量和模擬量，而且還要把經(jīng)過處理的信息的開關(guān)量和模擬量的形式輸出并控制被控系統(tǒng)工作工作，這批開關(guān)量（如：動力回路的啟閉、機(jī)

56、械限位開關(guān)狀態(tài)等等）和模擬量（如：壓力、溫度和流量傳感器的輸出、發(fā)電機(jī)的輸出電壓、電流和功率、電網(wǎng)電壓等等）本身往往就是強(qiáng)電系統(tǒng)。因此，強(qiáng)電控制電路必將會對單片機(jī)控制系統(tǒng)長生嚴(yán)重的干擾，以致單片機(jī)控制系統(tǒng)不能正常工作。單片機(jī)控制系統(tǒng)和強(qiáng)電控制回路共地是引起干擾的主要原因，因?yàn)閺?qiáng)電控制回路中的電流和電壓往往很大，并會在強(qiáng)電用電器和地之間形成強(qiáng)大的脈動干擾，這個(gè)脈動干擾的有效必然會通過接地的不良電阻和電容耦合到單片機(jī)的主機(jī)回路中，消除這些脈沖干擾的有效方法是使單片機(jī)弱電部分和強(qiáng)電控制回路隔開，在電氣連接上切斷他們彼此間的耦合通路，所以單片機(jī)環(huán)脈沖分配之間接一個(gè)光電隔離器。光電隔離器的原理電路時(shí)由一

57、個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏三極管組成的復(fù)合的晶體管。為了讓步進(jìn)電動機(jī)不丟失，在光電隔離器后面緊接上環(huán)形脈沖分配器。由于 I/O 口發(fā)送的信號為 TTL 信號無驅(qū)動能力，因此需對 CPU 信號進(jìn)行功率放大，在信號經(jīng)過功率放大裝置放大后，才可以驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)，步進(jìn)電動機(jī)通過傳動機(jī)產(chǎn)生19 / 62扭矩并由傳感器檢測得到數(shù)據(jù)。2.6.22.6.2 伺服系統(tǒng)驅(qū)動的驅(qū)動部分設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)驅(qū)動的驅(qū)動部分設(shè)計(jì)步進(jìn)電動機(jī)的選擇步進(jìn)電動機(jī)與其傳動裝置在扭矩測試儀中主要是轉(zhuǎn)動產(chǎn)生扭矩。步進(jìn)電動機(jī)的步距角分辨率和傳動機(jī)構(gòu)的導(dǎo)程式?jīng)Q定儀器分辨率的重要因數(shù)。步進(jìn)電動機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖信號

58、，步進(jìn)電動機(jī)就轉(zhuǎn)動一個(gè)角度，因此非常適合于單片機(jī)控制。步進(jìn)電動機(jī)可分為反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)（簡稱 VR） 、永磁式步進(jìn)電動機(jī)（簡稱 PM）和混合式步進(jìn)電動機(jī)（簡稱 HB）步進(jìn)電動機(jī)區(qū)別與其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是：它是通過輸入脈沖信號來進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號的頻率決定。步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機(jī)產(chǎn)生，其基本原理如下：控制換相順序：通電換相的過程稱為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的六拍工作方式，其各相通電順序?yàn)椋篈-AB-B-BC-C-CA-A 通過控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制 A、B、C 相的通斷?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向如

59、果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電動機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，電機(jī)反轉(zhuǎn)。控制步進(jìn)電動機(jī)的速度 如果給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它就再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)的越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频闹绷鲌?zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)的選擇包括類型的選擇、步距角選擇、最大靜轉(zhuǎn)矩的選擇。1）類型選擇反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)在相繞組在不通電時(shí)沒有定位轉(zhuǎn)矩，如果不通電，電機(jī)的轉(zhuǎn)軸可自由轉(zhuǎn)動。另一方面，永磁式步進(jìn)電動機(jī)在相繞組不通電時(shí)有較小的定位轉(zhuǎn)矩而混合式步進(jìn)電機(jī)則具有步距角小，定位精度高，誤差不積累，與斷電后能自鎖等特點(diǎn)。

60、可以說集中了反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。它適用數(shù)字程序控制系統(tǒng)，可調(diào)恒數(shù)裝置與其它有精度要求的開環(huán)數(shù)字系統(tǒng)，用作執(zhí)行元件。在有些系統(tǒng)不要求在斷電時(shí)負(fù)載中須保持固定位置，采用反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)比較合適。有些系統(tǒng)只要求在斷電時(shí)負(fù)載中須保持固定位置口，因而，選擇永磁電機(jī)是合理的。而考慮到本系統(tǒng)不僅要求顯示器在步進(jìn)電20 / 62機(jī)斷電后必須準(zhǔn)確定位而且需要步進(jìn)電機(jī)步距角較小，定位精度高以保證系統(tǒng)的檢驗(yàn)精度，因此我們決定采用混合式步進(jìn)電機(jī)。2）步距角的選擇步距角大小會直接影響步進(jìn)電動機(jī)起動和運(yùn)動頻率，外形尺寸一樣的電動機(jī)，步距角小的往往起動、運(yùn)行頻率比較高，但轉(zhuǎn)速和輸出功率不一定高。使用時(shí)，可根據(jù)需要