扭矩测量仪毕业设计说明书.doc

仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 1 摘要 随着机械工业的迅速发展，对测量技术提出了越来越高的要求。不仅要求测量精度 高速度快，而且要求整个测量系统的自动化和智能化程度高。扭矩是旋转动力机械中一 项十分重要的参数，通过测量各种传动轴扭矩参数，可为系统设计和改进提供参考依据。 但扭矩测量要远比其它力学测量要复杂，是力学测量中一个叫薄弱的环节。对扭矩的测 试的检测，传统手段多采用机械方法，但因为摩擦，磨损等因素，严重影响了测试仪的 使用寿命和测量的可靠性。 随着我国相关工业的发展，机械式扭转强度测试已不满足要求。本次设计电子扭转 强度测试仪，具有可靠性高，响应快，可过载保护等优点，可广泛用于手工件的在线测 试。 关键字：关键字： 单片机 电阻式传感器 扭矩测试 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 2 abstract the 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 the 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 withstand has the structure simple performance stable surveyaccurate easy to operate, the technical parameter achieved merit and so on design request, has the certain use vaule keyword: singlechip resistance sensor torque testing 目 录 第一章第一章 绪论绪论 1 1.1 单片机概述、应用及发展.1 1.1.1 单片机简介.1 1.1.2 单片机的应用领域.1 1.1.3 单片机的发展趋势.2 1.2 扭矩测量仪的应用和发展.2 1.2.1 扭矩测量的基本原理和方法3 1.2.2 扭矩测量技术的发展方向.3 1.2.3 国内外扭矩测量仪的现况简介.4 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 3 1.3 扭矩传感器的种类5 1.4 本设计的主要任务6 第第 2 2 章章 总体方案设计总体方案设计 7 2.1 系统工作原理.7 2.1.1 传感器的测试原理7 2.1.2 单片机的引脚描述及片外结构图8 2.2 测试系统的组成以及机械结构10 2.3 系统中单片机的选用及设计11 2.3.1 单片机应用系统的概述.11 2.3.22.3.2 单片机的选用单片机的选用.13 2.4 显示器的设计.14 2.5 键盘的设计16 2.6 驱动部分设计.18 2.6.12.6.1 伺服系统的组成伺服系统的组成18 2.6.22.6.2 伺服系统驱动的驱动部分设计伺服系统驱动的驱动部分设计18 第第 3 章章硬件电路的设计硬件电路的设计23 3.1 检测元件.23 3.1.13.1.1 系统的检测元件系统的检测元件23 3.1.23.1.2 测量转换电路测量转换电路.23 3.2 a/d 转换器.25 3.3 逻辑电路.27 3.3.13.3.1 锁存器锁存器 74ls37374ls373.27 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 4 3.3.23.3.2 片外数据存储器片外数据存储器 62646264.28 3.3.33.3.3 片外程序存储器片外程序存储器 2764(rom2764(rom ) )28 3.3.43.3.4 tpp-40atpp-40a 微型打印机微型打印机29 3.3.53.3.5 bcdbcd 拨码盘拨码盘.30 3.3.63.3.6 芯片芯片 81558155 的接口及主要功能的接口及主要功能.34 3.3.73.3.7 芯片芯片 ad522ad522.36 第第 4 4 章章 系统软件设计系统软件设计 38 4.1 按键识别程序38 4.2 键盘/显示系统的执行设计39 4.3 步进电机的控制的流程图的设计41 4.4 控制打印机的流程图.43 4.5 反转复位流程图44 4.6 过载判断流程图.45 4.7 过载判定流程图46 结论结论 47 参考文献参考文献 48 致谢致谢 49 附录附录 50 一、步进电机驱动程序50 二、键盘扫描子程序：51 三、求键值子程序：52 四、打印程序：.53 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 5 五、显示子程序.54 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 1 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 单片机概述、应用及发展单片机概述、应用及发展 1.1.11.1.1 单片机简介单片机简介 单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算， 逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(cpu)，随机存取数据存储器(ram)，只读程 序存储器(rom)，输入输出电路(i/o 口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(sci)，显 示驱动电路(lcd 或 led 驱动电路)，脉宽调制电路(pwm)，模拟多路转换器及 a/d 转换器 等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。这些电路能在软 件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。与一般的微型计算机 相比，单片机的具有以下特点： 1 小巧灵活、成本低易于产品化 2 可靠性高，抗干扰能力强，适应温度范围宽。 3 易扩展，很容易构成各种规模的应用系统。 4 控制功能强。具有位处理指令，有很强的逻辑操作功能。 5 容易实现多机和分布式控制。 1.1.21.1.2 单片机的应用领域单片机的应用领域 按照单片机的特点，单片机可分为单片机应用和多机应用。 1.单机应用 在一个应用系统中，只使用一片单片机，这是目前应用最多的方式，单片机应 用的主要领域有： （1） 测控系统 用单片机可构成各种工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等。达到测量 与控制的目的。例如：温室人工气候控制、水闸自动控制、电镀生产自动控制、汽轮机 电液调节系统、车辆检测系统等。 （2）智能仪表 用单片机改造原有的测量、控制仪表，能推动仪表向数字化、智能化、多功能 化、综合发展化。如温度、压力、流量、浓度显示、控制仪表等。通过采用单片机软件 编程技术，使长期以来测量仪表中的误差修正、线性化处理等用硬件电路难以实现的难 题迎刃而解。 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 2 （3）机电一体化产品 单片机与传统的机械产品结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化，构成 新一代的机、电一体化产品。例如在电传打字机的设计中由于采用了单片机可提高可靠 性及增强功能，降低控制成本。 （4）智能接口 在计算机系统，特别是较大型的工业测、控系统中，如果用单片机进行接口的控制 与管理、单片机与主机可并行工作，大大提高系统的运行速度。例如，在大型数据采集 系统中，用单片机对模/数转换接口进行控制不仅可提高采集速度，还可对数据进行预处 理，如数字滤波、线行化处理、误差修正等。 2多机应用 单片机的多机应用系统可分为功能集散系统，并行多机处理及局部网络系统。 1）多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能要求而设置的多机系 统。例如一个加工中心的计算机系统由多片单片机构成，每个单片机完成某个独立功 能，如机床加工运行控制，控制对刀系统、坐标系统、刀库管理、状态监视、伺服驱 动等。 2） 并行多机控制系统。并行多机控制系统主要解决工程应用系统的快速问题， 以便构成大型实时工程应用系统。 3） 局部网络系统 单片机网络系统的出现使单片机应用进入了一个新的水平。目前单片机构成的网络 系统主要是分布式的测、控系统。单片机主要用于系统中的通信控制，以及构成各种测、 控用的子级系统。 1.1.31.1.3 单片机的发展趋势单片机的发展趋势 现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出 了自己的单片机，从 8 位、16 位到 32 位，数不胜数，应有尽有，有与主流 c51 系列兼容 的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。 1.21.2 扭矩测量仪的应用和发展扭矩测量仪的应用和发展 扭矩测量技术是综合应用机械、电子、物理、计算机等多方面知识的一门学科。随 着工业生产自动化和智能程度的提高，在大型复杂机械系统中各种扭矩的准确测量和监 控成为急需解决的问题。只有研制性能良好的扭矩测试仪，才能对大型机械系统的扭矩 进行准确测量和监控，并反映动态扭矩的时基幅值和响应速度。 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 3 扭矩测量仪应用范围很广泛，它渗透到工业、农业、交通运输、航天航空、国防、 能源等各个领域。 1.2.11.2.1 扭矩测量的基本原理和方法扭矩测量的基本原理和方法 测量扭矩的方法，按照它的基本原理可以分为：传递法(扭轴法)、平衡力法(反力法)及 能量转换法等三。 1.传递法 传递法是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化而测量扭矩的方法。 这里所根据的物理参数可以是弹性元件的变形、应力或应变。最常用于测量扭矩的弹性 元件是扭轴。 2.平衡力法 对于任何一种匀速工作的动力机械或制动机械，当它的主轴受扭矩作用时，在它的 机体上必定同时作用着方向相反的平衡力矩(或称为支座反力矩)。测量机体上的平衡力 矩以确定机器主轴上作用扭矩大小的方法，就是平衡力法，亦称反力法。 3.能量转换法 这是根据其它能量参数(如电机参数)测量机械能参数及扭矩的方法。 综上所述的三种扭矩测量方法，传递法和平衡力法为直接测量扭矩的方法，其测量 方便、精确度高，而能量转换法为间接测量扭矩的方法，测量误差比较大，常达 （1015）。所以只有在无法直接测量的场合下，才采用间接测量法。 1.2.21.2.2 扭矩测量技术的发展方向扭矩测量技术的发展方向 扭矩测量技术的发展取决于传感器、信号传输和测量仪的研究。目前，由于微机的 应用，扭矩测量仪性能大大提高，而传感器的研究与测量仪相比稍有逊色。因此必须加 强传感器的研究，这就要从传感器种类、精度、规格、安装、信号传递等方面加以研究。 目前传感器主要发展动向为： 1.传感器从介入式发展成不介入式。以往扭矩传感器大部分属于介入式，即必须作 为传动轴一部分才能使用，这样限制了它的应用范围，一般用于实验室、台架测量。现 在逐渐推广的卡环式应变型扭矩传感器，即为不介入式扭矩传感器，只要将传感器卡在 轴上或安装在轴边，无须断开轴系，这样给实际工况测量扭矩带来很大的方便。再如振 弦式传感器、磁弹性传感器都属于不介入式扭矩传感器。 2.对新型扭矩传感器的研究的同时并对经典扭矩传感器加以改进。随着新原理、新 材料的发现和微细加工、微机械加工技术的发展和应用，正在促进传统传感器的变革， 新型磁弹性传感器和光纤扭矩传感器结构简单、使用方便，代表扭矩传感器的新动向。 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 4 电磁型相位差传感器是一种比较成熟的传感器，现经改型成为不带辅助电机的电磁 型传感器，不但减轻了重量、缩小了体积、降低了成本，而且耐振性能好。 微扭矩测量传感器的研究。随着家用电器的迅速发展，如电风扇、微电机、缝纫机、 剃须刀、电冰箱、洗衣机甚至开关都要测量扭矩，急待解决g cm级的扭矩测量，新 传感器的研制将成为解决这一问题的关键。 在信号传输方面，以往采用的是接触式滑环传输，这种传输方式易磨损、需常清洗、 安装难，容易引入干扰信号。近期推出的传感器一般均为无接触式传输。如感应方式或 遥测体制，它克服了接触式传输的缺点。随着检测变换集成化和多功能化，将过去先检 测传输、后对信号进行变换处理的概念演变为先检测变换处理，后再进行传输，这一变 更已成为可能。 扭矩测量仪的智能化、微机化是当今测量仪变革的主流，单片微机和软件的开发应 用已使信号的检测、采集、比较、相关、数字滤波、域间变换、逻辑和函数运算、程序 给定和反馈控制等功能由仪器本身来实现成为可能。软件扩展了结构的性能限制，并使 仪器具有智能化。既能适应被测参数的变化来自选量程、自动补偿、自动校正、人机对 话、自寻故障，并能方便的与总线接口，进行多台联机通信及控制。 在扭矩传感器信号传输及测量仪的总成上，工业化扭矩仪研制的呼声愈来愈高，一 改以往扭矩测量仪多半应用于实验室台架测量的情景。工业化扭矩仪的要求是必需满足 苛刻的工业应用环境，即可靠性要高，重复性要好，价格要低廉，与机器匹配，安装方 便，但精度要求不高，用其作为指导生产、保护机械不受损伤的有效手段。 1.2.31.2.3 国内外扭矩测量仪的现况简介国内外扭矩测量仪的现况简介 1. 国外扭矩测量仪现状 美国阿克来克斯公司(acurex co.)中的一个分公司wdc(无线数据传输公司)，自 70 年代起，生产“通用海上试验功率测试系统”(universal sea trial power measurement system)，显示板上可显示被测主机的扭矩、转速和功率。此类仪器的扭矩 测量是采用卡环式应变传感器敏感被测轴的扭转变形角，变形量与扭矩成正比。量程范 围为02106nm，测量精度为1f.s.，转速测量是采用红外线测速法，精度为 0.25f.s.，平均无故障时间mtbf为 4200h。 此外，美国的陶太克(toroductor)公司生产无接触式磁弹性扭矩仪；美国麻省理工 学院研制成抗干扰性强的光纤扭矩传感器。这些都代表着世界新潮流。 日本小野测试社擅长制造磁电式相位差扭矩测量仪，首期产品多半用于实验室，适 用于精测扭矩。其量程范围较宽，小量程为 0.210nm，中大量程为 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 5 1010106nm，已成系列产品，精度可达 0.51f.s.。20 世纪 80 年代初，小野 测试社和赤版铁工所联合研制出船用主机扭矩测量仪 ms25b，可测扭矩(5105 nm，精 度0.8%f.s.)、转速(214.7r/min，精度0.1r/min)和功率(1500ps)。 德国马霍克(mc.huk)公司历史悠久，生产的振弦式扭矩测量仪闻名世界。该仪器是 利用轴扭转时致使传感器中的钢弦拉紧或放松，从而使钢弦自身频率变化测得扭矩；数 据传输方式有滑环式和感应式。其生产的mds820 产品，被测轴颈范围为 501000mm，已形成系列产品。 此外，德国的 hbm 公司(hoffinger baldwin mesefechmik gmhm)生产电阻应变式扭 矩测量仪，采用弧齿联轴节，以消除不同轴度带来的测量误差，独具风格。 生产电阻应变式扭矩仪的还有英国霍佛科公司(hover-krafe)和荷兰的a.v.d公司， 它们在舰船监测上都已亮相。 2. 国内扭矩测量仪的发展 国内扭矩测量技术的研究和扭矩测量仪的生产已初具规模，从扭矩测量仪的类别、 数量和质量来看，绝大部分式电阻应变式和磁电式扭矩仪。 电阻应变式扭矩测量仪是拾取粘贴在受扭轴上的电阻应变片的阻值变化来测量扭矩 的，故无须断开轴系，而且测量仪表也可采用通用的电阻应变仪。电阻应变式传感器的 生产单位较多，如北京机床研究所、中国船舶工业总公司 701 研究所，上海通用机械研 究所，成功的应用于机床和各种动力轴的扭矩测量。在舰船、货船主机扭矩测量上，中 国船舶工业总公司上海 704 研究所生产的卡环型应变式扭矩传感器，测量时只要将卡环 卡在轴上就可测量扭矩，测量仪表采用intel mcs-51 单片机作为核心的智能仪器，可同 时测量扭矩转速、功率，并具有自诊断、数据处理、温度修正、越限报警等功能，集成 度高，可靠性好。 磁电式扭矩测量仪最早的研制单位是上海电器科学研究所，供应市场的是 1000 nm 扭矩转速传感器和数字扭矩转速测盆仪。随后上海交通大学、中国船舶工业总公司上海 704 研究所、天津机械工程研究所、上海第二电表厂、湘西仪表元件厂、哈尔滨东安机器 厂、沈阳机电学院相继研制成磁电式扭矩测量仪，这种类型的扭矩仪是目前国内应用最 多的扭矩仪。例如中国船舶工业总公司上海 704 研究所制造的 20 -20knm扭矩转速传 感器和数字扭矩转速测量仪，成功地应用在地质矿产部钻机上。现场的钻探表演，获得 美国、俄罗斯等 31 国参加联合国亚太地区钻机学术会议专家的好评。该所生产的磁电式 扭矩测量仪也可与上述的智能化测量仪连用，系统精度为 0 .596 f.s.。 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 6 1.31.3 扭矩传感器的种类扭矩传感器的种类 为了满足各种不同的测试要求，各种类型的传感器相继出现。 1、磁电型相位差式传感器 这时国内最普遍使用的传感器。生产厂家也主要生产这种类型的传感器，它已广泛 用于手工业、科研各个领域。随着工业发展要求，已涌现出耐振动、成本低、体积小、 不带辅助电极的扭矩传感器。 2、应变式传感器 这是最早应用的传感器。随着弹性体和应变片质量的提高，出现了下些新型传感器。 如：卡环式应变传感器、感应式应变传感器。它们的信号传输方式为摇测式、感应式， 代替了以往经典的滑环传输方式，并提高了测试精度。但在低速状态下，滑环通输应变 传感器还有应用市场。目前，704 所正在研制 2000knm 扭矩传感器标定采用模拟方法。 3.光电式传感器 这种形式的传感器以往应用较少。最近有几个单位正在研制，有的单位正在准备研 制扭矩传感器。 4.磁弹性传感器 该型传感器应用较早，但在国内研制起步较迟，其结构简单，成本较低，精度 1%-2% 左右，最近几年研究此类传感器的单位有四五家，成为一种新动向。 5、小量程（克、厘米）扭矩传感器 为满足微电机和家用电器的需要，小量程扭矩传感器开始供应 1.41.4 本设计的主要任务本设计的主要任务 1. 根据总体方案的结构形式，进行技术设计，包括硬件设计和软件设计，选择元件， 对主要芯片进行反复查证，选择最合理的。 2.正确的绘制出主要芯片的硬件连接图。 3.完成相关软件程序的编写。 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 7 第第 2 2 章章 总体方案设计总体方案设计 2.12.1 系统工作原理系统工作原理 本系统由一台 8051 单片机，i/o 接口，步进电动机驱动器，步进电动机，光电耦合 电路，脉冲环形分配，传感器，a/d 转换器组成。 2.1.12.1.1 传感器的测试原理传感器的测试原理 本系统采用电阻应变传感器，其工作原理，根据测试仪的扭矩测量原理，即以金属 材料为敏感元件的应变片原理基于金属的应变效应。由物理学可知：金属的电阻 r 为: （2-alr/ 1） 式中：电阻率 l金属丝长度 a金属丝截面面积 金属丝受到拉伸和变形后，尺寸变化导致电阻值变化：dr/r= dl/l-da/a+d/ 推 导整理后得： r/r=k 式中：k-金属材料灵敏度系数 k=1+2+d/（） （2- 2） =金属材料的泊松比 =dl/l 大多数金属在弹性变形范围内的 k 值是常数，其随着材料的不同而不同。由此可见， 应变与电阻变化率成线性关系。 基于以上原理，智能化扭矩测试仪采用电阻式传感器，将作用在被测在工件上的扭 矩值转换为金属应变电阻改变，通过电桥电路转变为电信号。 单片机通过 i/o 口发送脉冲信号给步进电动机驱动器，以控制步进电动机的方向和 参数，用半导体应变左为传感器，将作用在被测工件上的扭矩值转换为应变片电阻的变 化，通过电桥电路转变为电信号，由 a/d 卡把模拟信号转化为单片机可以接受的数字信 号，由单片机对数字信号进行处理，并把步进电动机产生拟定扭矩值显示出来，通过键 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 8 盘接口，打印机，将输出的扭矩值打印出来，与 bcd 拨码盘的初量数据比较，当输出的 扭矩值接近最大值时，停止操作结束流程，led 闪烁 888，等待手工取下夹具，当需要测 量的 扭矩大于传感器器的 测量范围时强行测量会损坏传感器，因此当需要测量值超过 量程时，led 闪烁 000，要求用户重新输入。 单 片 机 程序存储器 显 示 打 印 控制按钮 bcd 拨盘 a/d 转换 调理 电路 扭矩 传感器 步进 电机 驱动 电机 图 2-1 测试工作原理图 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 9 2.1.22.1.2 单片机的引脚描述及片外结构图单片机的引脚描述及片外结构图 图 2-2 8051 芯片引脚分配图 各引脚功能说明如下： gnd:接地端 vcc:电源端 p0.0-p0.7:通道 0，双向 i/o 口。第二功能是在访问外部储存器时用低 8 位地址线和 8 位 数据线，在编程和检验时用于数据的输入和输出。 p1.0-p1.7:通道 1，双向 i/o 口。在编程和检验时，用于接收低位地址字节。 p2.0-p2.7:通道 2，双向 i/o 口。第二功能在访问外部存储器时，高八位地址。在编程和 检验时，用作高位地址和控制信号。 p3.0-p3.7：双向 i/o 口。每条线均有各位的第二功能，功能表如下： 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 10 表 2-1 p3 口的第二功能表 通道位第二功能说明 p3.0rtd 串行口输出 p3.1txd 串行口的输入 p3.2 0int 外部中断 0 的中断请求输入 p3.3 inti 外部中断 1 的请求输入 p3.4t0 计数器 0 的计数输入 p3.5t1 计数器 1 的计数输入 p3.6 wr 外部数据存储器的写选通信号 p3.7 rd外部数据存储器的读选通信号 ale/:ale 是地址锁存器允许信号，在访问外部存贮器时，用来锁存 p0 口送出的低prog 8 位地址信号。在不访问外部存贮器器械时，ale 也以振荡频率的 1/6 的固定速度输出， 此时，它可用作时钟信号。第二功能是对 8751 的 eprom 编程时的编程脉冲输入端。prog ：外部程序存贮器 rom 的读选信号。在执行访问外部 rom 的时候，信号会自psenpsen 动产生，访问外部数据 ram 或内部数据 rom 时，不会产生有效的低电平信号。psen /vpp：访问外部存贮器控制信号。无效（高电平）时，访问内部 rom, 有效eaeaea （低电平）时，访问外部 rom。第二功能 vpp 为对 8751 的 eprom 的 21v 编程电源输入。 rst/vpd：rst 是复位信号输入端。当由此输入端保持两个机器周期(24 个振荡周期)的高 电平时，就可以完成复位操作。第二功能时 vpd，即备用电源输入端。当主电源 vcc 发生 故障，降低到低电平规定值时，vpd 将为 ran 提供设备用电源，以保证存贮在 ram 中的信 息不丢失。 xtal1 和 xtal2：在使用单片机内部振荡电路时，这两个端子用来外接石英晶体和微调电 容。在使用外部时钟时，则用来输入时钟脉冲，但对 nmos 和 coms 芯片的接法不同。对 8051 系列芯片，由于内部多一个定时器还需要附加别的输入端，为此，又借用 p1.0 和 p1.1 作为定时器 2 的输入 t1 和 t2。 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 11 2.22.2 测试系统的组成以及机械结构测试系统的组成以及机械结构 测试仪由 4 大部分组成，分别是：设置部分，控制部分，执行部分和打印部分。 （1） 、设置部分主要采用 bcd 拨码盘，可以方便直观地完成力矩极限值的初始化设 置，用以实现测试过程中的过载保护。 （2） 、控制部分主要通过单片机的键盘接口，实现人机交换，通过单片机的多个端 口进行接受发送信号，从而实现对力矩传感器信号的调整、采样、数据和数据显示。 (3)、打印部分将测试结束后保存的测试数据由微型打印机输出。 （4） 、将测试结束后保存的测试数据由微型打印和输出。 机械部分示意图 2-3： 图 2-3 机械部分示意图 如图所示，测试仪可以通过更换不同规格的夹具对各种工件进行测量。汽缸用来将 夹具与待测工件夹紧，单片机控制系统通过步进电动机将扭矩施加到工件上。测试的对 象是通过别克变形车后桥加强螺帽，该加强零件的外形是平板上焊接着一一个螺帽，需 要检测螺帽和平板之间焊接处所承受扭矩是否满足标准，以保证汽车的安全行驶。 2.32.3 系统中单片机的选用及设计系统中单片机的选用及设计 2.3.12.3.1 单片机应用系统的概述单片机应用系统的概述 由于单片机应用系统多种多样，技术要求各不相同，因此，设计方法和研制步骤也 不完全相同单片机应用系统的研制过程包括总体设计，硬件设计，软件设计，在先调试 产品化等几个阶段。它们不是绝对分开的，而是交叉进行的。 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 12 （1） 、总体设计 首先如同任何产品的设计一样，单片机应用系统的研制时从确定目标任务开始的。 在着手进行系统设计之前，必须根据系统的应用场合，工作环境具体用途提出合理的详 尽的功能技术指标。不管是老产品的改造还 是新产品的设计应对产品可靠性、通用性、 可维护性、先进性以及成本等进行综合考虑，应该注意技术指标在研制的过程中还需要 作适当的调整。 随着电力系统的快速发展，电网的容量的扩大使其结构更加复杂，实时监控、调度 的自动化显的尤为重要;而在电力调读自动化系统中，电力参数的测量是最基本的功能。 如何快速、准确、精确的采集各种电力参数显的尤为重要。 在实现自动化化的过程中，最关键的环节是数据采集。根据采集信号的不同，可分 为直流采样和交流采样两种。直流采样，顾名思义，采样对象是直流信号。它是把交流 电压、电流信号经过各种变送器转化为 0-5v 的直流电压，再由各种装置和仪表采样。此 种方法软件设计简单，对采样值只需做一次比例变换即可的到被测量的数值。但直流采 样仍有很大的局限性：无法实现实时信号采样：变送器的精度和稳定性对测量精度有很 大影响：设备复杂，维护难等。交流采样是将二次测得的电压、电流经高精度的 ct、pt 变成计算机可测量的交流小信号，然后再送人计算机进行处理。由于这种方法能够对被 测量的值进行采样，因而实时性好，相位失真小。它用软件代替硬件的功能又使硬件的 投入大大减小。随着微机技术的不断发展，交流采样必将以其优异的性能价格比，逐步 取代传统的直流采样方法。 本系统采用 8051 单片机实现电力参数的交流采样。通过 led 显示器显示频率、电压、 电流的 实时值，在过压 30%、欠压 30%时进行声光报警，并能定时打印电压、电流及频 率值。实践证明，采样交流采样方法进行数据采集，通过算法运算后获得的电压、电流 有功功率、功率因数等电力参数有较好的精确度和稳定性。 交流采样原理 若将电压有效值公式离散化，以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期 内连续变化的电压函数值，则：tm 为相邻两次采样的时间间隔;um 为第 m-1 个时间间隔 的电压采样瞬时值；n 为 1 个周期采样点数。 若相邻两采样的时间间隔相等，即tm 为时间常数t，考虑到 n=（t/t）+1，是根 据一个周各采样瞬时值及每周期采样点数计算机电压信号有效值的公式。 系统硬件组成 本系统的硬件部分由电源、主机、数据采样电路、键盘输入电路显示器和打印机输 出电路共 6 部分组成。 主机由单片机 8051、地址锁存器 74ls373 外接 88kb 的程序存贮器 2764 和 88kb 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 13 的 数据存贮器 6264 构成。 在电力系统的实际运行中，电网存在谐波，还会有各种瞬时干扰，如投切电容器和 开关合闸、掉闸等都会产生干扰；而采用硬件滤波存在硬件电路复杂等诸多弊端，因此 本系统求取电力参数采用数字滤波方法祛除干扰，用软件代替硬件，实践证明具有较好 的滤波效果。此外，系统中还采用一些干扰措施，以使系统具有良好的抗干扰性能。 其次，在机型选择上还要考虑到以下几点： 市场资源必须稳定充足。在单片机性能主要选择最容易实现产品技术指标的机 种，而且，能达到较高性能价格比研制周期上要考虑对所选的机种是否熟悉是否马上 着手进行系统的设计。有优良的开发工具。 最后，还要考虑到器件的 选择，除了单片机以外系统中可能需要传感器、模拟电路、 输入/输出电路、存贮器以及打印机、显示器等器件设备这部分选择应符合的精度速度而 后可靠性等方面的要求 硬件设计 硬件的功能已由总体设计所规定，硬件设计任务是根据总体设计要求，在所选择的 机型基础上具体修改系统所要使用的元器件，设计出系统的电路原理图。根据有关的资 料和相关文献设计硬件，以及工艺结构的设计加工，印制的制作、样机的组装等。 可靠性设计 随着单片机应用深入到各领域，对单片机应用系统的可靠性提出了越来越多的要求。 特别是对工业控制、交通管理、通信领域中实时监控系统，最根本的技术指标是系统的 可靠性。单片机应用系统的可靠性通常是在规定功能的能力。为了减少系统的错误和可 靠性。单片机应用系统的可靠性通的措施如下： i 采用抗干扰措施，提高系统对环境的适应能力 ii 提高元器件的质量 iii 采用容错技术 软件设计 单片机的应用系统软件的设计是系统最基本工作量中较大的任务。在软件设计之前 首先应该进行软件的结构设计。合理的软件结构是设计出一个性能优良的单片机应用系 统的基础，必须给以足够重视，对于简单的单片机应用系统，通常采用顺序程序设计的 方法，这种系统软件由主程序完成，并指定各个中断的优先级。顺序程序设计方法容易 理解掌握，也满足大多数简单的应用系统对软件的功能要求，但是缺点是软件的结构不 够清楚，软件的修改扩充比较困难时性差，对复杂应用系统可采用实时的应用系统。 程序设计 选择好的软件结构和采样的程序设计技术之后，便可以着手进行程序的 设计，把问 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 14 题的定义转为具体程序。程序编写首先要建立模型，然后绘制流程图，最后编写程序。 程序的设计，是单片机应用于中的一种程序设计技术，它是把一个功能完整的较长 的程序分解为若干功能相对独立的较小的程序的模块，各个程序模块分别进行设计、编 制程序和调试，最后把各个高度好的程序模块连成一个大的程序。自顶向下的程序设计， 在设计时先从主程序开始设计，从属的程序或子程序用符号来代替。主程序编好后再编 制从属的程序。最后完成整个系统输出的设计。 2.3.22.3.2 单片机的选用单片机的选用 单片机的选用 8051 内部的可改写、可编程 rom，用户可采用写入程序，又可以擦除程序，擦除后 还可以重新编写，它也可以进行扩展，可以根据实用中的具体要求，扩展不同容量内存 的芯片，并且，这种芯片集成度高，结构简单，性价比高，产品来源丰富，相关软件利 用比较方便。 根据设计的要求和对单片机的容量的要求选用 8051，硬件上的 ea 按低电平，一般情 况下，可以扩展程序存贮器和数据存贮器。 单片机上的 硬件资源 片内有 256 字节的 ram 除此之外还可以根据需要在外部扩展 264kb 存贮器； 时钟电路的频率 0-24mhz； 2 个中断电源、一个中断优先的中断控制器；1 个全双工异步串行口。 用 mcs-51 资源开发 mcs-96 单片机，附电路图 2-4.把图中元件装在一块电路板上， 将该板粘在 8051 背部，连 8051 的线也全部从 8051 背部引出，拆除原 8051 的 rc 复位元 件。另外，8051 单片机就有地址从 2000h 开始的 ram 或 rom，以共 8098 作程序存贮器； 如果是 rom，必须按 8098 的要求写入有关数据如芯片配置字，跳转到用户程序 ram 区的 指令等；如果是 ram 可以在 8051 监控下填写。如果 8051 单片机没有地址从 2000h 开始 的 ram 或 rom，那么只好扩充了；另外，系统应实行 ram、rom 统一编址，以免冲突。使 用时，开头置于“8051” ，除可以调试 51 程序外，还可以编辑 8098 程序；开头置于 “8098” ，8098 开始执行地址从 2080h 开始的 8098 程序，为了能看到结果，8098 程序中 应包括数据转存 ram 的程序段。当然，最好是利用 pc 与单片机的通信功能提高开发效率。 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 15 图 2-4 mcs-51 开发 mcs-96 单片机图 2.42.4 显示器的设计显示器的设计 一、显示器的使用 在我们单片机的系统中，通常是 led 数码来显示各种数字或符号，由于它具有清晰 的、亮度高、使用电压低、寿命长等特点，因此得到非常广泛的使用。在我们的设计中 需要其 3 个数码管 led 显示。 led 显示器就是我们小时候玩的火柴棒游戏，几根火柴棒组合起来，可以拼各种各样 的图形，led 显示器实际上就是这样的东西，八段 led 显示器，由 8 个发光二极管组成。 其中 7 个长条行的发光管排列成“日”字形，另一个点形的发光管在显示器的右下角作 为显示小数点用它能显示各种数字及部分英文字母。led 显示器有两种不同的形式：一种 是 8 个发光二极管都连接在一起的，称之为共阳极 led 显示器，另一种是 8 个发光二极 管的阴极连在一起的称之为共阴极 led 显示器。如图 2-5 所示。共阳和工阴结构的 led 显示器各笔画段和各位置安排是相同的。等二极管导通时，响应的笔画段发亮，由发亮 的笔化段组合而显示的各种字符。8 个笔划段 hgedcba 对应于一个字节的 d7d6d5d4d3d2d0 等，若用 8 位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。例如，对于 共阴极 led 显示器，当共阴极接地，而阳极 hgfedcba 各段为 1111 1111 时，显示器显示 “8”字符，即对于共阴极 led 显示器， “8”字符的字形代码是 ffh。如果是共阳极 led 显示器，共阳极接高电平，显示“8”字符的字形代码为 1000 0000（80h） 。这里必须注 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 16 意的是：很多产品为了方便连线，常不按规则的方法对应字段于位的关系，这时字形码 就必须根据按线来自行设计了。 图 2-5 显示器连接图 二、显示器的连接于驱动 1、显示器的显示常用两种连接方法，静态显示和动态显示，所谓静态显示，就是每 一个显示器都要占用单独具有锁存功能的 i/o 口接口用于笔划段字形代码，这样单片机 只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示的数据时，再发 送新的字形代码，因此，使用这种方法单片机中 cpu 的开销小。 但是由于静态的连接需要占用许多 i/o 线，而且我们用到的显示器比较多，所以采 用动态串行连接方法。动态扫描显示器接口是单片机中应用最广泛的一种显示方法之一。 其接口电路实把所有显示器的 8 个笔划段 a-h 同右端连接在一起，而每个显示器的公共 极 com 是各自独立的受 i/o 口线控制。cpu 向字段输出口送出字形代码时，所有显示器接 口收到相同的字形码，但究竟是哪个显示器亮，则取决于 com 端，而这一端是由 i/o 控 制的，所以我们就可以自行决定何时显示哪一位了。 而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的 com 端，使各 个显示器的亮点时间是一个极为短暂的(约 1ms),但由于人的视觉短暂停留现象及发光二 极管余晖效应，尽管实际上个位显示器并非同时点亮，但只要扫描速度足够快给人的印 象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感看了。 2、由于不需要很多显示器，所以我们可以选择 inter 公司推出的一种专用 i/o 口扩 展接口器件 inter8155 芯片作为驱动芯片。它可以直接和 mcs-51、mcs-96 等单片机总线 相连接，能自动对 88 的键盘进行扫描，接收键盘上的输入信息，并存入内部的 fifo 缓冲器，在有键盘输入时向 cpu 请求中断。能自动消除开关抖动以及 n 键轮回的保护。 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 17 2.52.5 键盘的设计键盘的设计 由于 8051 单片机的引脚数量有限，所以必须进行扩展，那么我们用一片 inter8155 芯片来扩展 i/o 接口，它具有 2 个 8 位、一个 6 位可编程 i/o 口，可通过程序改变其功 能，因而使用灵活方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电 路。我们选择的 inter8155 芯片，将键盘连接到 inter8155 上，由于键盘的使用不是实 时性的，所以我们采用了中断的键盘扫描方式，即当有键按下时进行处理。由于我们使 用了 32 个键，所以有 48=32 个就够了。把 pb7-pb0 作为行线，pc0-pc3 作为列线这样 键盘就连接好了。 cpu 视键盘中是否有键按下的原理很简单。cpu 只要把“1”送到 inter8155 口就可 以在所有行线 pc0-pc3 上得到 ttl 低电平，然后读取 pb7-pb0 口的列线就可以判断是否 有键按下。若无键按下，则所读列值必为 1fh；若有键按下，则列值必因被按按键的行列 线接通而不等于 1ffh。 若 cpu 发现有键按下，则它必须获取被按按键的行值和列值。cpu 获取被按按键的行 值和列值只要逐行对键盘扫描就行了，即轮流的使用 pc0-pc3 口中每条行线变为低电平 以及读取和判断 pb0-pb7 口的列值。若列值位 1fh，则表明被按按键不 在本行；若列值 不为 1fh，则对应的行值和列值就是被按按键的列值和行值。 在按下某个按键时，被按按键簧片总会有清微的抖动，这种抖动常会持续 10ms 左右 的时间，因此，cpu 在按键抖动期间扫描键盘当然会得到错误的行值和列值，最好的方法 是使 cpu 在检验到键盘按下时的延迟 20ms 再进行扫描。 用户在操作时常常因不小心同时按下了一个以上的按键即发生了窜键。cpu 处理窜键 间的原则是把最后放开的按键认作真正被按的按键。cpu 在处理发生在两个不同行商的窜 键时可以预先设定一个窜键标志寄存器。窜键标志寄存器在行扫描前清零，在行扫描期 间用于记录被按按键个数，帮发生故障时窜键标志必须大于 01h。因此，cpu 在行扫描时 必须不以发现第一个被按按键位满足，而是应继续完成对所有行的一遍扫描，并在该行 扫描结束后根据窜键标志来判断是否发生窜键，则 cpu 再进行一遍扫描就可获得最后放 开键盘的行值和列值。 求键值必须先求关键字，求关键字必须知道行值和列值，则将求键值步骤如下总结： 1、 求行序号：行序号和行值可以从原理图中看出，即 cpu 把被按按键盘行值位 02h，右移两次全为“0” ，故行序号位 01h。 2、 求关键字：由键值表可以看到，cpu 把行序号移到高四和列值低四位相加便可得 到相关的关键字。例如：01h，若吧它和平共处 17h 的列值低四位相加，则相应 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 18 的关键字为 17h。 表 2-2 键值表 关键字键值行值列值按键 0fh00hb=01ha=0fh0 1fh01hb=01ha=0fh1 1th02hb=02ha=17h2 1bh03hb=02ha=1bh3 2fh04hb=04ha=0fh4 2th05hb=04ha=1th5 2bh06hb=04ha=1bh6 3fh07hb=08ha=0fh7 3th08hb=08ha=0th8 3bh09hb=08ha=1bh9 3dh0ahb=08ha=1dha 2dh0bhb=04ha=1dhb 1dh0chb=02ha=1dhc 0dh0dhb=01ha=1dhd 0bh0ehb=01ha=1bh e 0th0fhb=01ha=1th f 0eh10hb=01ha=1eh exec 1eh11hb=02ha=1eh step 2eh12hb=04ha=1ehmon 3eh13hb=08ha=1ehmon 4fh14hb=10ha=0fhdisp 4th15hb=10ha=1thred 4bh16hb=10ha=1bhdump 4dh17hb=10ha=1dhload 5fh18hb=020ha=0fhprog 5th19hb=20ha=1thmove 5bh1ahb=20ha=1bhram 5dh1bhb=20ha=1dhbp 3、求键值：被按按键的关键字在键值表中的序号定义为该键的键值。因此，被按按 仅供参考，支持原创，鄙视抄袭！ 毕业设计（论文） 19 键的键值必定位 02h.即被按按键为数字 4、被按按键的键值类型判断：在键值表中，数字值必须小于 10h，功能键的键值是大 于或等于 10h 的。因此，cpu 判别被按按键是数字键还是功能键还是十分容易的：若 被按按键的键值小于是 10h，则转数字处理程序；若被按按键大于或等于 10h，则 cpu 通过查表可以很快转如相应按键的处理程序。 2.62.6 驱动部分设计驱动部分设计 2.6.12.6.1 伺服系统的组成伺服系统的组成 扭矩测试仪的伺服系统是 i/o 口（单片机） 、步进电动机、步进电动机驱动电器、光 电耦合电路、环形脉冲分配器组成。 系统工作时有单片机通过 i/o 发送步进脉冲信号给步进电动机驱动器，驱动步进电 动机完成工作。由于单片机不仅要对被控对象进行监测，输入被控系统的开关量和模拟 量，而且还要把经过处理的信息的开关量和模拟量的形式输出并控制被控系统工作工作， 这批开关量（如：动力回路的启闭、机械限位开关状态等等）和模拟量（如：压力、温 度和流量传感器的输出、发电机的输出电压、电流和功率、电网电压等等）本身往往就 是强电系统。因此，强电控制电路必将会对单片机控制系统长生严重的干扰，以致单片 机控制系统不能正常工作。单片机控制系统和强电控制回路共地是引起干扰的主要原因， 因为强电控制回路中的电流和电压往往很大，并会在强电用电器和地之间形成强大的脉 动干扰，这个脉动干扰的有效必然会通过接地的不良电阻和电容耦合到单片机的主机回 路中，消除这些脉冲干扰的有效方法是使单片机弱电部分和强电控制回路隔开，在电气 连接上切断他们彼此间的耦合通路，所以单片机环脉冲分配之间接一个光电隔离器。 光