摘要：阐述了一种基于单片机的扭矩测量系统。该系统利用应变式扭矩传感器实现了扭矩及轴向力的监测，并详细介绍了用AD7705芯片采集传感器的输出电压进行模数转换，通过无线收发芯片 nRF2401实现数据的无线传送，实现了扭矩的实时监测。

　　关键词：扭矩传感器；数据采集；单片机；无线发射和接收

　　扭矩测量在各种机械产品的开发研究、质量检 验、安全和优化控制等工作中是必不可少的内容。 它不仅包括对扭力轴扭矩的测试，也包括对多种传 动装置中旋转轴的扭矩测试。

　　扭矩测试的方法多种多样，有传统的贴应变片 的方法，有各种光学、光电子学、磁学、电磁学等测试 方法，以及各种相位和数字测试方法等。而扭矩传 感器是一种重要的传感器，广泛应用于轧钢、汽车以 及其它机械产品中，以优化动力驱动传动系统和实 现智能控制。

　　随着各种系统的自动化程度和复杂性的提高， 需要获取的信息越来越多，对传感器的精度、可靠性 和响应速度提出了越来越高的要求。在旋转动力传 递系统中，最棘手的问题是旋转体上的应变桥的电 压输入及检测到的应变信号输出如何可靠地在旋转 部分与静止部分之间传递。用普通的有线电缆引出 信号就可能无法满足要求或者根本无法实现，而通 常的做法是用导电滑环来完成，但是使用导电滑环 限制了旋转轴的转速，导电滑环的使用寿命也较短。 同时，由于接触不可靠引起信号波动，因而造成测量 误差增大甚至测量不成功D 23。

　　为了克服导电滑环的缺陷，所研制的传感器扭矩测量系统采用了无线遥测的方法，设计完成了扭 矩传感器的无线数据采集系统，可以对扭矩传感器 采集的数据进行无线传输，并做到了扭矩信号的传 递与旋转与否无关，与转速大小无关，与旋转方向无关。

　　1　扭矩测量系统的工作原理及性能设计

　　考虑到许多扭矩测量的工作环境恶劣，测量系 统的外壳需要防爆设计，安装在旋转轴上的无线发 射信号将会被壳体完全屏蔽，外部无法接收，所以研 制的扭矩测量系统运用了局部的无线传输，其组成 包括4部分：1)安装于旋转轴上的扭矩测量、无线 数据发射电路，如图1.2)固定于壳体上的转速测量、无线数据接收、串口通讯电路，如图2;3)固定于 地面的数据接收、处理、显示装置，如图3;4)旋转轴 上测量电路的感应供电装置，如图4[3]。

　　系统的工作原理：扭矩传感器将扭矩信号转化成电信号，经放大器放大后送入A/D转换器，单片 机控制A/D转换器将采集的模拟信号转换成数字 信号，通过发射模块发送出去。接收端接收到信号 后进行分析处理，得到正确的扭矩数据，把数据送到 上位机监测软件显示数据。

　　2　系统硬件电路设计

　　系统采取模块化的电路设计思想，包括电源电 路、放大电路、A/D转换电路、单片机
主体电路、无线发射电路、无线接收电路、RS232串口通讯电路。

　　这套测试系统在满足测试要求的同时兼顾了系 统的成本，做了如下器件的选型：单片机，选用了ATMEL公司的AT89S52单片机；A/D转换，采用16位S — A(电荷平衡式）A/D转换器AD7705;无 线收发模块，采用了NORDIC公司的nRF240l单 片射频收发芯片；直流/交流模块，采用NE555芯片 产生方波，用于无线感应供电。

　　2.1　 AD7705 接 口电路

　　AD7705与单片机的接口电路如图5所示。 扭矩测量系统由应变测量桥路测得与扭矩成正比的电压信号，将AD7705的CS直接连到低电平，于ST89S52单片机采用4线连接。单片机的ALE端输出的是时钟信号6分频的脉冲序列，提供 给AD7705的时钟输人端，省去了晶振电路。为了 简化程序，将AD7705的SCLK和单片机的P3. 1 连接，P3. 1用来输出串行时钟信号。DOUT和 DIN线接在一起并与P3. 0相连，片选端可直接接地，如果接口电路要控制CS信号，也可以接到单片机的输出端口。

图5 AD7705与8051单片机的接口电路

　　2.2　无线收发电路设计

　　nRF2401数字无线收发芯片与AT89S52单片 机的接口电路如图6所示。单片机的P2. 1管脚连 接到nRF2401的数据时钟端，模拟SPI的串行时钟 序列。P2. 2连接DR1端，检测接收数据是否准备 好。P2.7，P2. 6，P2. 3 分别连接到 PWR_UP,CE， 和CS端，用来控制nRF2401的工作模式，具体控制方式见表1。

　　

　　2.3串口通讯电路设计

　　无线接收模块接收到采集的数字信号后还要通 过R&232串口发送到上位机，但是串口电平和 AT89S52单片机的电平不匹配，因此这里应用 MAX232芯片进行电平转换，连接方式见图7。

　　3　系统软件设计

　　3.1数据采集模块软件设计

　　数据采集模块软件主要解决的问题是正确配置 AD7705的各个寄存器，进行系统校准或手动校准，使转换结果与实际值相对应，读出转换结果。

　　3. 1.1初始化设置

　　为提高A/D转换质量和线性调整质量，在软件 编程时必须先对以下几项进行设置和初始化》串口 和AD7705初始化设置流程图如图8。

　　3.1.2读取转换数据

　　DRDY信号为数据A/D转换完成的指示信号。 低电平期间表示A/D转换完成，可以读取数据寄存器的内容。高电平期间表示A/D转换正在进行，这 时不能访问数据寄存器。对于系统校准和内部校准 也一样，低电平期间表示校准完成，可以读取校准寄 存器的内容。高电平期间表示校准正在进行，这时 不能访问校准寄存器。

　　图6 nRF2401与8051单片机的接口电路

　　图7串口电平转换电路

　　不管是校准还是数据A/D转换，数字滤波器同步位FSYNC都要置为0,这样，AD7705的校准或 者数据A/D转换工作才能进行，否则，校准和A/D 转换不会进行，DRDY信号也不会变低。当 FSYNC-0时，在校准或A/D转换结束后，DRDY 信号将变低。此时，可以读取校准系数或者数据寄存器。

　　数据读取操作一般用来读取校准系f和A/D 转换的结果，其具体的流程见图9所示，

　　3.2　无线收发模块软件设计

　　ShockBurst™发射需要用到的接口引脚为CE，CLK1，DATA。其软件流程如图10所示。

　　ShockBurst™接收需用到的接口引脚CE、 DR1、CLK1和DATA(接收通道1)。其软件流程 如图11所示。

　　ShockBurst™模式的数据包不能超过32字节， 所以有效字节数= 32 —ADDR_W—CRC，如果需要更宽的地址，可以增加地址宽度，减少数据宽度。

　　4 　结语

　　本研究完成了基于单片机技术的应变式扭矩测 量系统的设计，制作的扭矩传感器经过仔细调试，获得了初步成功。

　　该扭矩测量系统成本低，结构简单，传输可靠， 应用范围广，适合于需要进行无线传输的数据采集 系统。实际调试表明，实际性能达到了设计要求。

　　为了能够将扭矩测量系统投人到实际应用中， 本研究还有部分问题尚待解决和优化，如供电部分 的设计，需要提高供电效率；A/D模数转换需要进 一步调试，以提高A/D转换数据的精确度；进一步 提高数据传输可靠性;加人纠错技术等。(作者：朱春梅、王朝霞)