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

　在機械傳動系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩是反映機械設(shè)備性能的最典型的參數(shù)之一，是維護設(shè)備安全、控制設(shè)備高效工作、研究設(shè)備運動性能等工作中重要的參數(shù)，而這一參數(shù)主要體現(xiàn)在傳動軸上。由于工業(yè)傳動軸的不可破壞與拆裝以及工作時連續(xù)旋轉(zhuǎn)的特性，故傳感器不允許改變傳動軸的結(jié)構(gòu)，同時傳感器須結(jié)合無線裝置。如果工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣干擾信號強，則還要對檢測信號和數(shù)據(jù)進行模擬和數(shù)字信號處理。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計算機軟件收集、管理數(shù)據(jù)并進行可視化分析將為維護人員的工作提供極大的幫助，也能為研究人員提供科學有效的實時數(shù)據(jù)。本研究應(yīng)這一需求，設(shè)計了一套具有傳動軸轉(zhuǎn)矩實時檢測、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，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)測與傳送模塊實現(xiàn)簡單檢測功能，最后數(shù)據(jù)通過串口傳輸至上位機，利用虛擬儀器LabVIEW軟件實現(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)變檢測原理
　目前有各種轉(zhuǎn)矩檢測的方法，包括接觸式檢測方法（如電阻式應(yīng)變片檢測方法）和非接觸式檢測方法（如光學、光電子學、磁學、電磁學檢測和其他各種相位數(shù)字檢測方法等）[1]。
　本系統(tǒng)采用金屬絲電阻式應(yīng)變片進行轉(zhuǎn)矩檢測。其檢測原理是將電阻應(yīng)變片作為傳感元件，利用粘合劑將其粘貼在被測構(gòu)件上，當構(gòu)件受力發(fā)生形變時應(yīng)變片的敏感柵會隨其產(chǎn)生等量形變，從而引起應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化，打破全橋測力電路平衡，輸出電壓?駐U，可以間接計算傳動軸所受轉(zhuǎn)矩。通過物理推導可得：




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

　接收監(jiān)控系統(tǒng)啟動以后，用實時刷新的掃描算法，通過矩陣鍵盤輸入轉(zhuǎn)矩的保護值、安全設(shè)定值以及復位信息等，相當于人工設(shè)定數(shù)字的參考量，設(shè)置完畢后進入系統(tǒng)進行實時監(jiān)控、誤差比較和報警，使整套系統(tǒng)按照給定值安全地運行。
3.1.2 智能化設(shè)計
　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精度，然而根據(jù)式（1），當輸入電壓U改變時，轉(zhuǎn)矩計算公式需要調(diào)整。本系統(tǒng)通過單片機空余A/D口采集電橋輸入電壓值，與先前電橋輸入電壓值進行對比，然后判斷是否改變轉(zhuǎn)矩計算公式。這樣的智能化設(shè)計避免了繁瑣的修改程序過程。
此外，環(huán)境溫度t對應(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影響應(yīng)變片的檢測性能，從而造成誤差。如果使用溫度自補償?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)變片不具有自補償功能，則使用金屬絲電阻應(yīng)變片時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℃）時的阻值；α為正溫度系數(shù)[5]。
3.2 上位機實時監(jiān)控界面
　采用LabVIEW軟件設(shè)計了具有實時檢測功能和數(shù)據(jù)分析功能的上位機系統(tǒng)具有界面友好簡潔的特點，上位機以串口通信與下位機相連，通過調(diào)用串口傳送的數(shù)據(jù)，及時接收下位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)并實時更新再經(jīng)過處理繪制成轉(zhuǎn)矩與時間同步的曲線[6]，從而傳動軸應(yīng)力得以形象化地顯示在上位機界面。
上位機數(shù)據(jù)分析界面提供了數(shù)字濾波器，可對濾波算法、采樣點數(shù)、截止頻率進行自由設(shè)定，從而消除檢測過程中的高頻噪聲的干擾，保留有效的低頻轉(zhuǎn)矩信號。系統(tǒng)底層程序采用LabVIEW的底層數(shù)字濾波模塊，通過數(shù)字信號處理算法對采集的信號進行濾波。值得一提的是，數(shù)字濾波可以應(yīng)對消除不同干擾的需要靈活設(shè)計濾波算法，這遠比采用模擬濾波器要優(yōu)越。
　本文完成了單片機系統(tǒng)的硬件設(shè)計、制作、調(diào)試，完成了單片機控制程序設(shè)計、調(diào)試以及上位機監(jiān)控系統(tǒng)程序設(shè)計調(diào)試，模擬轉(zhuǎn)矩實驗中取得了良好的效果。通過上位機系統(tǒng)監(jiān)控傳動軸的應(yīng)力，并對轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)進行分析，適用于傳動軸保護工作和運動系統(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。值得一提的是該項目是應(yīng)湘潭鋼鐵集團有限公司的需求而立項，檢測轉(zhuǎn)矩量程高達1.2×106 N·M，一直是國內(nèi)外待解決的難題。
參考文獻
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