8应变式扭矩传感器设计

应变式扭矩传感器测试系统设计摘要应力型转矩传感器是一类常用的转矩传感器，其工作原理是将扭转引起的弹性体变形转换成电能，并经电路进行处理后输出。利用杠杆原理，在原有的弹性单元上添加同心环，使得等间距等距的两点在圆心角度变化不变的条件下，增大了两点之间的绝对距离；本项目拟采用减薄粘接应变片的方式，使得变形能最大程度地体现在应变片上，根据三角关联理论，该方法可以有效改善应变片的变形传感技术是当今高科技进步的关键，它的未来方向是信息感知的数字化、智能化。针对目前转矩传感器在实际应用中存在的问题，提出了一种采用RS-232通信模式的数字式转矩传感器专用测试系统，选择AT89C51作为转矩传感器的一部分，实现对转矩传感器中的模拟小信号的数字处理。同时对扭矩传感器的各种主要技术参数的误差补偿和数据处理等方面作了深入细致的研究，并利用实验室实验的手段验证了整个系统重复性，时间稳定性的良好和基本操作功能的正常。文中的关键词有：转矩（扭矩）、弹（弹性元件）、测（数据采集）、微控制器（单片机）、无线收发ABSTRACTSensorStraintypetorquesensorisacommontypeoftorquesensor,whichworksbyusingstraingaugestoconvertthedeformationofelasticcomponentsundertorsionintoelectricalenergy,andthenoutputitthroughsubsequentcircuitprocessing.Accordingtotheprincipleofleverage,themethodofaddingconcentriccirclesisadoptedonthebasisoftheoriginalelasticcomponents,soastoincreasetheabsolutedistancechangebetweentwopointswiththesamedistanceondifferentcirclesunderthesamechangeincenterangle;Inordertoreflectthedeformationoftheimprovedelasticelementasmuchaspossibleattheadhesivestraingauge,theschemeadoptsthemethodofthinningthematerialattheadhesivestraingauge.Accordingtothetrianglerelatedtheory,theimprovementofperformancecanplayaverysignificantrole.Sensortechnologyisanimportantfoundationforthedevelopmentofhigh-tech,anddigitizationandintelligencearetheleadingdirectionsforthecurrentdevelopmentofthesensorfield.Thisarticlecombinestherelevantknowledgeofintelligentinstruments,thecurrentapplicationstatusoftorquesensors,andthedesignrequirementsofcommunicationprotocolstodesignadigitalintelligenttorquesensordedicatedmeasurementsystembasedonRS-232communicationmode.TheAT89C51microcontrollerisselectedtodigitizetheanalogsmallsignaloutputbythetorquesensor.Atthesametime,in-depthanddetailedresearchwasconductedontheerrorcompensationanddataprocessingofvariousmaintechnicalparametersofthetorquesensor,andlaboratoryexperimentswereusedtoverifythegoodrepeatability,timestability,andnormalbasicoperatingfunctionsoftheentiresystem.Keywords:torquesensor,elasticelement,dataacquisition,microcontroller,wirelesstransmissionandreception图5.2无线通信信道模型该系统利用编码器来对源信号执行编码，其方式与上述所述的重码法相似，将一组数据一帧连续传输四遍，也就是在分组中将一组数据拷贝三遍（共计四份），而接收端则通过译码器将所接收的数据译码，如果译码器接连两次收到同样的地址代码和数字代码，则将该数据译码。在图5.3中给出了该编码器的工作框图，在图5.4中给出了译码器的工作框图：上电等待TE使能？发送4组字码TE仍使能？ＹＹＹ上电等待TE使能？发送4组字码TE仍使能？ＹＹＹNN图5.3编码器工作流程图上电等待接收到信号？地址码匹配？与前面的数据匹配？地址码匹配？上电等待接收到信号？地址码匹配？与前面的数据匹配？地址码匹配？存储数据码数据码输出VT有效？地址码仍匹配？地址码仍匹配？VT无效数据输出复位ＮＹＮＹＮＹＮＮＮＹＹＹ图5.4解码器的工作流程图因为在接收模块中J04E所收到的首个数据很可能会被干扰而产生错误，所以在实际应用中必须对传输的数据的开始比特进行约定，也就是在无线通讯协定中指定一个握手信号。利用51微控制器P0端口的低位4比特向编码器传送4比特的井线资料，因此，传送的资料握手讯号为Ox*F、Ox*F、ox*0，接收器将收到的Ox*、Ox*F、Ox*0视为握手信号[41]。图5.5,5.6示出了无线数据传输和无线数据接收两个子系统的流程:开始开始初始化发送信号发送数据发送校验数据发送停止位发送完？返回开始初始化发送信号是0FH，00H？接收数据接收校验数据数据接收完？数据处理显示子程序ＹＮＹＹＹＹＮＹ图４.5流程图（数据发送子程序）图４.6流程图（数据接收子程序）在接收方面，通过对两位字节的识别，对两个字节进行识别（例如指定0x0F00)，来识别杂波与传送信号。若所收到的首个字节非0x0F，则再次进行检验，若为0x00，则判定接下来的字节能否为0x00，若否，则将其后的0x0F00视为合法，要是，则再次进行检验。程序实现在单片机中如下图所示:voidexp1()interrupt2{unsignedcharreceive;receive=0x0f;//读数据receive=receive&P1;if(banner==0xff)//标志位是否为0xff{*point=receive;point++;}elseif(receive==0x0f)//检测第一个字节{Banner=banner||0x0f;}elseif(receiver==0x00&banner==0x0f)//检测第二个字节{banner=banner||0xff;point=0x41;}elseif(receive=0x0a)//是否为停止位banner=banner&0x00;point=0x41;}}总之，C51可以大大简化MCS-51系列MCU的程序设计。开发者不用花费太多的时间在使用汇编语言进行数学运算，多条件选择，存储管理等等。C51的编译器已经能够很好地完成上述工作，并且不断地改进51操作系统的控制和管理。有时候需要使用汇编语言。因此，要充分利用C5l与汇编两种语言的优点，并在此基础上进行组合设计，以达到更好地利用C5l与汇编两种语言的优点，从而大大地提高了软件的开发效率。因为C51是一种“功能的语言”，所以要达到一种“功能的语言”，其核心就是如何在各种语言中进行功能的交互调用。C5l在函数参数、返回值传递规则、选择与名称等方面有较高的要求。这也是一种普遍的原则，在普通的高层和底层的语言之间，也就是，底层的语言要服从高层的程序，并根据高层的规范来编写。总结这里对智能可程控应变式扭矩放大器的设计进行了比较系统性的研究。主要的研究内容：对扭矩传感器输出信号的数字化处理和无线数据采集的设计。对影响无线数据传输质量的主要因素进行了深入分析与研究。研究工作主要分两个方面：硬件部分设计涵盖系统结构组成及各功能实现；软件部分设计则着重于无线发射与接收设计。主要工作及研究内容如下：1)硬件设计了一套智能扭矩放大器硬件系统，包括扭矩传感器输出的小信号放大、单片机控制的A/D转换电路以及数据的无线发射和接收电路。系统稳定性好，抗干扰能力强，精度高，集成度高。2)软件这里我重点介绍了无线发送与接收中的数据传送流程、通讯协议的制订、误差校正码的选取等问题，提出了一种简便、可行的通讯协定。该仪表具有造价低廉、电路简单、数据传送稳定、适用面宽等特点，经现场测试证明，其性能达到了设计指标，并实现了21倍的智能化放大.目前，该项目还存在一些尚未完全解决的问题：（例如：采用更高效的编译码器，采用更高速的发送/接收模块等）。

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