【《基于STM32的一款便携式可调节万能扳手设计》14000字】

·基于STM32的一款便携式可调节万能扳手设计摘要智能装备是未来实现智能制造过程中重要的一环，在机械制造中使用最多的连接方式是螺纹连接，螺纹连接要想获得高的可靠性，就必须依靠高精度、灵巧好用的扭矩扳手，为螺纹连接提供精准的预紧力。目前，制造业普遍使用的仍然是普通扳手，对于装配的精准性，基本上完全依靠工人师傅的工作经验，很难做到量化考核。为解决以上问题，本文设计了一款便携式可调节万能扳手，可以设定最大扭矩值的同时，可以显示扭矩的输出值，通过匹配不同接口，可以完成内六角、螺栓、一字螺钉、十字螺钉等多种工况。具体设计工作如下：首先，设计了扳手的本体结构，选择扳手的材料，并进行应力计算，强度校核。然后，基于STM32微处理器，设计扳手的主要电路模块，设计扳手的扭矩显示功能，实现数据采集、扭矩显示等功能。最后，通过扭矩扳手的标定实验，对扳手的显示和扭矩值限制功能进行标定。关键词：扭矩扳手；智能控制；数字显示；扭矩标定目录1绪论 页1绪论课题研究背景及意义在机械行业中，螺纹连接因为加工方便，连接简单可靠，在各行各业中广泛应用于机械结构连接。不论是给我们提供出行方便的飞机火车，还是日常使用的桌椅板凳，大多数机械结构都是依靠螺纹连接，因此连接的可靠性十分重要。准确的预紧力的添加可以保证螺纹连接不会发生位移，准确的预紧力的设置，需要有可靠好用的扭矩扳手。早期的扭矩扳手以机械式的为主，对于扳手的输出力矩，主要以工人的基本操作工人的工作经验，加工出来的机械产品，质量不一而且难以量化，容易造成使用安全事故。预紧力设置的太大，会造成结构件变形，产生应力，螺栓长时间经受应力，容易导致螺栓疲劳断裂，造成严重的后果。随着技术的发展，各种可设定值的扭矩扳手不断涌现，如下图所示，有一种扳手利用锁定螺钉结构体、压缩弹簧体的长度来实现输出固定目标扭矩，当施加的扭矩值达到预期值时，滚柱体发生转动变幻姿态，当滚柱体与扭矩扳手内壁发生接触后，扳手实现锁死，发出“咔哒咔哒”的声响，操作者听到声响后，便知道输出力矩已经满足输出力矩了。另一种机械式扳手为表盘式，如图1-2所示，当扳手拧紧时，将会使扳手产生一个角度变形，通过杠杆原理将变形放大，使得使用者可以读取扳手输出力矩的值。机械扳手由于其机械原理的局限，导致其必须是质量大、体积大的机械结构，而且误差较大、携带不方便。图1-1可设置扭矩值的扳手图1-2指针指示数值的扳手随着电子技术和传感器技术的不断发展和进步，电子显示的扳手正在逐渐将机械式扭矩扳手取代。数字式显示扳手基于应变片作为传感器，将输出扭矩型号转换为模拟量电信号，通过模数转换模块将模拟量值转换为数字量电信号，通过集成电路和液晶显示模块，将输出扭矩的值实时显示在液晶显示屏上，操作者可以通过观察液晶显示框实时读取扭矩的输出值，数字式显示扭矩扳手，深受广大使用者、精度高、人机交互好、结构简单、方便携带。目前扭矩扳手市场上，已经大多数都是数字式显示扳手，广泛应用于航空航天、电子船舶、土木桥梁等领域。在国内，很多特种设备上专门配备数字化显示力矩扳手，按时检查零部件的预紧状态，保障装备能够长期正常运行。刚开始国内数字化显示扳手逐步进行了数字化显示设计，并逐步增加数据传输、扭矩显示、数据存储和超出限制报警等功能。对于企业来说花比普通扳手几倍的钱购买扭矩扳手的原因是，扭矩扳手可以保证各个螺纹连接的预紧力都可以根据设计的方案要求准确施加，因此扭矩值的施加准确性是扭矩扳手的主要指标之一。我国提出“中国制造2025”计划后，为了推动产业化向高精尖升级过程中，很多机械装备不再像以前那样粗放，需要更加精准的加工、建造，因此很多的机械加工过程之中需要大量的数字化显示力矩扳手，因此未来数字化显示扳手在整个制造业中市场广阔。数字化扭矩扳手研究现状扭矩测量原理当作用力施加在轴类零件上时，会产生一个扭矩，这个扭矩值对于机械加工精度来说十分重要。国内外扭矩扳手设计厂家，依据不同原理进行了扭矩扳手设计。（1）平衡法依据作用力与反作用力大小相等方向相反的原理，通过测量作用力来计算反作用力的大小，优点是结构简单，测量速度快，缺点是在快速动态的情况下不容易测量准确。（2）能量转换法根据能量守恒定理，将通过计算输出的能力值，反推出作用力的大小。由于在能量产生的过程中，难免有很多耗散，所以测量的力的值很难准确。（3）传递法传递法是应用最广的测量办法，它是一种间接的测量方法，借助其他物理量来间接表征扭矩数值。电子数字显示式扭矩扳手的关键技术传感器传感器是数字显示扳手的关键元件之一，目前的数字显示扳手大多采用静态的扭矩标定方法，在固定的结构上安装，然后对施加的扭矩进行标定测量。但是该方法存在一定的问题，摩擦大，设计的滑轮结构，尼龙丝与滑轮之间总是存在较大是摩擦，摩擦力的存在会降低测量的精度，由于长期受不可减轻的应力的影响，扭矩扳手存在不可忽略的误差。一般电阻式应变片安装在扳手头的面，应变电桥是全接法，四个电阻的阻值相等，这样测量的电桥具有较高的灵敏度和精度，对于力矩等因素带来的误差能够起到一定的补偿作用。但是仅仅做到力矩补偿是不足够的，因为应力对于测量精度的影响同样不可忽略，应用于航天的传感器在生产的过程中严格控制贴片的工艺技术，大大提高了贴片的质量，使得扭矩板书不但拥有一定的通用性，而且线性好、精度高，能够消除非测量力的影响。测量系统研究新型的先进的传感器固然十分重要，但是传感器毕竟只是关键元件之一，开发先进的测量电路才是稳步提高测量精度和稳定性的关键。在航天技术飞速发展的今天，将航天技术转化为普通民用的案例越来越多，例如一种航天用的扭矩扳手设计时，采用一种特殊的测量系统设计，成功消除了扭杆件安装偏心、摩擦力、应力集中等带来的误差问题。使得整个扳手的精度提高了一个量级。另外基于光学和声学的新型测量方法在近几年也在扭矩扳手领域不断产生和得到应用。还有一种利用光栅法的测量扭矩的方法，采用光栅传感器，具有高测量精度、绝缘性好、抗电磁干扰等优点。电子数字显示式扭矩板手发展现状国外自从1975年以后逐渐从机械式板手向数字式显示转变，并加大数字式显示扭矩板手的研究力度，随着科学技术的进步，集成电路的发展，数字化显示扭矩扳手的相关专利申请数量逐年增加。国外主要的厂家有美国的CDI公司、法国FACOM和德国的GEDORE公司，他们设计生产的扭矩扳手可以说是国外生产扭矩扳手的最高水平。德国GEDORE公司生产的E-torc2S系列电子数显型扭矩扳手，市场份额占有量最大，可以满足旋转角度测量和扭矩测量两种不同参数设置的要求，通过LCD进度条、声音、振动三种方式提示操作者预紧力实现了设定的值，德国GEDORE公司生产的扭矩精度可以小于±1%。该公司生产的扭矩扳手内存较大，可以存储2000条扭矩数据，可以通过串口将扭矩存储的数据传输到电脑上查看[23]。法国FACOM公司生产的S系列电子数字显示扭矩扳手可以实现四种不同单位的自由切换，可以实现跟踪和峰值两种工作模式。可以同时实现9个扭矩预设值设置，操作精度可以实现±2%。CDI公司在美国成立，始建于十九世纪六十年代，在美国它是最大的扭矩扳手生产商，主要有机械式和电子式两种，同样生产扭矩扳手和电动螺丝刀，其生产的COMPUTORQ3系列扭矩扳手，具有量程大、精度高的优点，而且工作时间待机时间很长。功能模式包含标准模式和高精度模式两种模式，在高精度模式下精度可达百分之一，标准模式下，精度可达百分之二左右。我们国家对于数字显示的扭矩扳手的研究起步晚，经过十几年的发展，很多厂家的数字化扭矩扳手质量和精度和国外现在处于一个水平。中航工业东方仪器厂、陕西恒瑞测控系统有限公司和北京扭利德股份有限公司等生产的扭矩扳手，可以体现出国内扭矩扳手的最高水平。我国中航工业仪器生产厂的CNB电子数字化显示扭矩扳手，微处理器扭矩测量和扭矩测量技术进行集成化设计，可以实现双向使用，改型扭矩扳手最多可以存储300多个扭矩值数据，可以在峰值模式和跟踪模式之间自由转换，力矩值转换精度可达百分之一左右。YJN扭矩扳手是北京扭利德设计生产的一款扭矩扳手[28]，主要特点是待电时间长、精度高、量程大等优点，在待机5分钟没有操作时，会自动进入休眠状态，节省电源量，其精度可以达到±1%。陕西恒瑞测控系统有限公司的DTW系列扭矩扳手，该型扳手可以通过有线方式传输也可以通过无线的方式传输数据。无线传输模式通过wifi模块，将数据传输出来，有线模式通过usb将扭矩扳手连接到电脑上，可以读取扳手力的扳手。目前市场上的电子数字显示扭矩扳手具有记忆功能，可以采用有线或者无线传输的方式将数据传输出来，扳手里边大多拥有A/D转换模块，但是由于不同厂家的标定方式不一样，而且各家生产方式也有不同，因此国内电子数字化显示扭矩扳手有以下几点不足：反正向测量精度差异较大一般只有价格高的扳手，测量精度才高，国内扭矩扳手正向测量的精度能够达到1%，反向测量精度不足5%。数据传输的实时性差当前扭矩扳手大多采用有线的方式传输数据，由于传输实时性差，这是由于施加是预紧力造成的，这样有巨大的安全隐患和损失。数据集成化程度较低数据传输过程中，操作者、操作标准和操作对象等信息的缺失，由于内存有限，因此对数据的读取和保存比较复杂，数据量较大的时候必然导致操作更加繁琐。对数字化扭矩扳手的重视程度不够在我国绝大多数的企业任然不愿意花高价钱，购买价格相对较高的数字化显示扭矩扳手，因此导致对数字化显示扭矩的研发投入相对较少。电子数字显示扳手的应用情况下面本文将主要以汽车装配领域为例，介绍电子数字显示扳手在工业中的应用情况，企业要想继续经营下去，其产品是否符合规格至关重要。为了符合要求的零件规格，为了获得合适的夹紧力，必须施加扭矩以防止紧固件松动或接头因磨损而损坏相对运动。本文通过统计过程控制技术的应用，以确保质量的扭矩扳手在工作站上使用的交付考虑到经济约束，需要正确的扭矩和其他对策。检查每个工作站的流程减少对检验依赖的能力。Patil使用统计过程控制（SPC）来评估螺栓连接的拧紧质量，并验证过程是否稳定。兰库马尔用LVDT设置进行数据采集，用Minitab软件执行SPC使用X条形图和过程能力直方图计算底部车轮生产装置的摆动、底部提升、顶部摆动和顶部提升。苏丹等人使用Minitab软件绘制一台机器的两台机器的控制图并对卷烟生产单位进行帕累托分析，找出主要原因机器故障。Momin等人使用Minitab软件获得的控制，在管道制造行业执行SPC。AvakhDarestani和Amipour在汽车零部件供应商行业中使用短期控制图进行批量生产，其中有限的数据（每个数据少于25个观察值）样品）可接近。Wooluru等人在一个汽车和空调项目中分析过程的cpk、cpm和cpmk指数卷入的。Bendre等人讨论了过程能力指数和五个提高制造业生产率的技术，并对多阶段机车车轮制造厂进行过程能力研究。AdeoyeAkeem等人在瓦米斯博士口服补液盐（ORS）的生产和结论，该机生产的药物在重量和推荐的所需溶液上有很大的变化。Erameh等人执行了过程能力AJL180-325VS型学生专用间隙床车床的研究用于工业应用。以上这些都是对数字化扭矩扳手有效的运用。最初，对螺栓连接、紧固件等进行了理论研究进行气动工具，然后在工作站上观察找出装配线各工位所用工具的种类。然后，训练开始了在修理区内进行脱机操作时就要使用刻度盘扭矩扳手。扭矩从所有常规观测站以每个观测站50个样本的形式收集数值。如果发现变异较大，建议采取相应的对策他们在控制之下。数据收集于对策实施后。在此步骤之后，对新收集的数据进行分析。如果变异被发现在控制之下，结果被记录为将来的ISO提出了审计或其他新的对策，以及数据收集的过程。典型案例：在印度卡纳塔克邦纳萨浦拉的一个双轮车制造单元（以下简称ABC）进行，该生产单元要求其所有工艺不受变化。由于当前的扭力过程产生了显著的变化，因此需要SCP分析来消除这些变化。两种扭矩扳手用于通过组件上的紧固件组装各种零件线路。第一个是在锤击机构上操作的冲击扳手，另一个是在锤击机构上工作的冲击扳手是以油为介质将扭矩传递到紧固件上的油脉冲工具。前者便宜，管理层更喜欢。但是，影响扳手不像油脉冲工具那样对扭矩值提供精确控制它具有自动关闭功能，当设定扭矩为实现。这种情况下的变化水平很难控制，因为大多数人装配线上有冲击扳手。因此，这些冲击扳手是替换了扭转过程无效的地方。收集了50个机车站和49个摩托车站的数据。在这50个机车站中，有10个被发现精度失控，49辆摩托车中有10个精度失控，根据分析数据，发现11个站精度失控。经过统计精度失控的装配站扭矩扳手的使用率全部偏低，很明显可以看出，扭矩扳手对于提升工业生产精度的重要作用。本文主要研究内容本文以数字化显示扳手机电系统为主要研究对象，主要开展如下工作：主要针对数字化显示扳手的关键步骤，分别从结构设计、硬件电路设计和软件控制程序设计，以期达到良好的效果，主要工作安排如下：（1） 依据系统的工作原理，设计扳手结构；（2） 根据要实现的功能性能，选择传感器和主控芯片；（3） 设计数字化显示扳手控制算法。第一章介绍了数字化显示扳手的研究意义，介绍扳手的设计步骤及面临的挑战。第二章介绍扳手的工作原理，并进行结构设计和强度校核。第三章介绍了扳手的硬件设计、控制电路，包括主控芯片的选择、各主要电路的设计。第四章介绍软件部分的设计。第五章介绍了系统调试，具体包括硬件调试和软件调试。2扭矩扳手系统框架与结构设计2.1扭矩扳手系统框架设计根据现有的扭矩扳手机械结构本体，对扭矩扳手进行框架设计，开发扭矩扳手系统。主要包括：扭矩扳手数据传输系统、硬件电路和结构系统。图2-1扭矩扳手系统结构框架扭矩扳手结构是扭矩扳手的系统的本体，在设计结构的过程中，应该考虑避免应力集中，以得到最好的力学效果。硬件电路是实现扳手液晶显示、扭矩测量的基础，在本课题的电路设计过程中，主要进行PCB和电路设计。数据传输系统是液晶显示、扭矩测量的关键，在本课题中利用单片机，实现扳手的液晶显示功能。2.2扭矩扳手的机械结构设计数字化显示型扭矩扳手的结构，在现有力矩扳手的机构基础上稍加改善，主要由把手、液晶显示屏、扳手接口等组成。材料选择45号钢。整个扭矩扳手主要有多功能接口、棘轮、扳手头、扳手体、操作杆、扳手尾组成。机械结构部分是扭矩扳手的基础，是实现扳手和各种类型螺栓连接，电子部分安装的部分。因此前端的接口不但要能够适应不同类型的螺栓的连接，而且要方便粘贴应变片，安装应变传感电路。图2-2扭矩扳手装配图为实现扭矩扳手一机多用，通过设计系列化接口，实现一个数字化扳手本体，可以匹配拧紧诸如：螺母、十字螺钉、一字螺钉、内六角螺栓等螺纹连接，实现一工具多用途，将大大降低企业购买工具的成本。图2-3接口模块三维模型多功能接口安装在棘轮头内，棘轮头可以使扳手的使用更加方便快捷，一按就立即脱落，提高扳手的工作效率，只需要在扳手上安装相应的棘轮套筒就行，使得扳手的使用更加稳定，调节更加方便，扳手本体的使用寿命也更加长久。为了满足扳手适应不同类型的螺栓，必须将扳手夹持机构设计成无级定位结构，可以通过更换棘轮头实现兼容各种螺栓、螺母，本次设计的棘轮结构利用结构特征和接触面的摩擦力实现准确定位，快速稳定可靠。图2-4棘轮结构扳手头结构作为连接扳手体和棘轮的结构，是扭矩测量应变片安装的基础，是卡住工件的结构，该头部在以后发展的过程中可以设计成模块化的，可以通过更换头部，实现扳手对于不同类型的工件，例如：螺栓、水管等的操作。扳手头由扳手主体、活动端、销柱、销轴等部分组成。图2-5扳手头部结构扳手主体结构是安装扳手电子电路和连接扳手头部和操作杆的主要部件，因此也是扳手的关键部件之一。扳手主体结构设计，应注意的是，内部应留有足够的空间，保证电子电路能够安装到里面，而且结构强度也足以支撑其最复杂的工况。图2-6扳手主体结构操纵杆是使用者使用扳手时的抓手部分，因此在设计时要注重人机工程学的设计，要满足使用者使用时的舒适性要求，满足不同手型的使用者的使用要求。同时该部件也是应力最集中的部分，进行结构设计时，应充分考虑结构强度的影响因素。图2-7扳手操作杆部分结构力学校核时，当扳手工作时，其受力状态可看成一个悬臂梁，如图2-8所示。图2-8扳手力学模型力矩值可按如下公式计算：式（2-1）扳手产生形变时，形变量与所受压力之间的关系：式（2-2）其中E为弹性模量，I为转动惯量。力矩M与所受应力之间的关系为：式（2-3）式中，为圆柱体的截面半径值，为弯曲截面系数。2.3扭矩扳手有限元仿真为得出扳手在受力状态下的应力和变形情况，使用UG的有限元仿真模块，对扭矩扳手进行静力学分析。首先选取扳手的扳手头、扳手身、关键部件等组成有限元模型分析对象，扳手材料选取45号钢。（1）划分网格对于含有薄壳体的装配体结构装置，影响计算仿真精度的因素有材料属性、划分网格的合理性，因此自动划分网格的单元衍生率将影响仿真的计算精度，在划分网格时选取的网格类型对精度的影响相对来说较小，因为大规模的计算问题，自由度是涉及面较广，因此，考量划分的单元格的质量的依据主要有收敛性、适用于贴片测试的机构、边界连续性、形状函数多项式等。四面体网格和六面体网格在仿真计算中各有优势，美国学者史密斯在《四面体网格和六面体网格划分对于仿真精度计算》一文中指出，论文中详细分析对比了六面体网格和四面体网格在仿真计算过程中的精度和便捷性的区别和共同点，得出结论指出无论选择哪种网格形式划分装配体，导致仿真精度降低的因素主要还是节点数太少导致的，四个节点的四面体和八个节点的六面体网格结构，十个节点的四面体，二十个节点的二次六面体都是一样的，因此在网格划分时采用计算效率最高的二次四面体网格。六面体网格的优点是精度高，但是它的适应性差。四面体网格优势是在复杂机械结构中优势明显。本论文采用四面体和六面体混合使用，对扳手头部等形状复杂的地方采用六面体划分网格，对于杆件部分采用四面体网格划分网格。共划分245687个网格。图2-9扭矩扳手关键部件网格划分扭矩扳手进行拧紧操作，当扭矩扳手受力快达到预紧力时，扳手与螺栓接触处可以看成是完全约束，相对静止，没有相对运动，在扭矩扳手上施加垂直力，模仿操作者的施加力，大小500N，约束和载荷如图2-10所示。图2-10约束和载荷添加为扭矩扳手变形分布图，变形的单位取毫米值，选取整个扳手最为关键的受力部件，进行受力分析，经计算最大应力373.12Mpa，45号钢强度为3600Mpa，完全满足使用要求。3 硬件电路设计扭矩扳手硬件电路设计需要符合使用要求和设计标准，由于采用纽扣电池作为硬件电路的能量源，因此主要注重节约电源，进行降低功耗设计。因此硬件电路设计主要包括：主控芯片、电源电路、信号采集电路等，蜂鸣器发送信号并且进行报警提示，在力矩的检测上所使用的是应力片。主控芯片电路主控芯片的作用是处理运行设计好的运算程序，负责处理数据、组织逻辑等运算，有很多优点，主要有价格低廉、功耗低等优点。电源电路电源电路为整个电路硬件供电，由于各个模块存在电压差异，因此在不同的地点需要设计电压转换电路，将电压转换为适合的值，由于电池供电过程中，电池的电压波动较大，需要设计滤波电路和稳压芯片，才能实现稳定给硬件电路供电，本次设计采用高精度直流稳压电路，为数模转换电路提供5V电压，再通过电压转换模块将5V电压转化为3.3V，为硬件电路提供稳定的电源。信号采集电路信号采集电路主要采集扭矩信号，将模拟量型号转换为数字量信号，传入主控芯片进行处理和显示，达到实时显示的效果。传感器选择力矩扳手传感器是通过受力变形程度表征所施加的扭矩的大小，应变式传感器主要是由应变片和弹性体组成的电路，应变片通过树脂粘贴在弹性元件的表面。3.1主控芯片电路STM32F103C8T6单片机，采用的是ARM内核，外围引脚功能繁多、性能优异，数据处理能力强大，它的微控制器是32位的，符合实验技术的条件。数据工作频率控制在6到72mhz,数据处理速度快。STM32既能够轻松进行一个周期内的乘法操作，同时也能进行硬件方面的除法操作。STM32的FLASH有64KB，读写速度快。其丰富的GPIO接口能够允许接入多个外接设备除此之外，成本低廉，满足系统设计的相关要求。综上所述，STM32是该实时监测系统的处理芯片的最优秀的选择。本设计需要实现的功能较为复杂，需要较多的接口，所以从这方面考虑，最终选择方案四的STM32芯片作为控制核心。扭矩扳手主控芯片要求处理速度快、功耗低，所以选择STM32F407ZGT6作为芯片是，STM32F407的配置非常强大的了，该芯片的架构如下图所示，主要由应用程序代码、实时内核、中间件、内核外函数、中间件函数、器件级外设函数、实时内核定时器、嵌套向量中断控制器、跟踪接口等组成。基于ARMCORTEXM3核心的STM32系列微控制器为构建大量嵌入式系统提供了基础。从简单的电池供电软件狗到复杂的实时系统，该组件系列包括几十种不同的配置，可为本文数字扳手设计在内存大小、可用外围设备、性能和电源方面提供了广泛的选择。这些部件足够便宜少量的——最简单的设备只需几美元——来证明它们可用于大多数低容量应用。低端的“价值线”组件在成本上与用于流行的Arduino开发板，同样提供可更高的性能和更强大的外围设备。此外，所使用的外围设备是在系列化板件之间共享（例如，USART模块是所有STM32F1组件通用），并由单个固件支持图书馆。因此，学习如何为STM32F1系列的一个成员编程就可以为所有成员编程。不幸的是，功能和灵活性是以软件为代价的对于拥有大量文档和软件库的新手来说，STM32系列的开发是一项极具挑战性的任务通过。为了许多简单的系统这提供了一个快速的原型路径，然而，简单性也有其自身的成本——STM32软件平台并不适合于管理复杂实时系统中的并发活动以及与外部设备交互的软件依赖于开发的库在STM32编程模型之外使用类似的工具和技术STM32所需的。此外，STM32平台没有提供调试能力，这严重限制了更多复杂系统。同样，调试需要突破STM32平台。最后，STM32环境不支持实时操作系统（RTOS），在构建更多复杂的嵌入式系统。STM32F103C8T6单片机核心芯片的引脚图如图3-1所示。图3-1STM32单片机引脚图这个电子系统的原理图，包括电源转换器、上拉电阻、单片机最小系统等组成，电路板内部原理图如3-2图所示。图3-2单片机核心板内部原理图单片机的实物图如图3-3所示。图3-3STM32单片机核心电路板实物图3.2传感器信号采集电路信号采集电路，采集传感器的模拟量信号，通过数模转换电路转换为数字信号，然后将数字信号传入主控制器的逻辑程序。扭矩采集电路由滤波电路、应变片测量电路、电路信号采集放大电路、数字量和模拟量转换电路组成，一般将应变片粘贴在形变的结构上，当使用时，测量的电压施加在电桥两端，输出毫伏级电压信号，经过放大电路、本次设计通过选取PA5来读取外部电压的值。图3-4数模转换电路模块3.3液晶显示电路数字化显示扳手人机交互主要包括液晶显示电路，我们考虑的LCD模块采用ST1602R控制器。1602LCD是一个像素可寻址显示器，每一个像素需要多个字节来定义颜色-内部显示内存使用18位/像素（红、蓝、绿各6位）。我们将使用这个显示器在16位模式下，5位表示红色，6位表示绿色，5位表示绿色定义蓝色。显示控制器从16位自动推断当像素写入显示器时为18位。布局分开16位字中的颜色，以及由各种16位常量产生的颜色。可了解1602LCD所需的接口，有三个主要组成部分需要考虑控制器、LCD面板和显示RAM。显示ram包含面板中每个（128x160）像素的18位颜色信息。图3-5数字显示电路模块显示RAM中的数据连续传输至面板-将设备配置为从下到上扫描。写作模式像素（颜色）数据有些间接。首先，使用一个单独的“控制”界面，配置一个绘图矩形。然后，生成像素（颜色）数据写的。数据写入的位置由一对确定内部地址计数器RAC（行地址计数器）和CAC（列地址计数器地址计数器）。每个连续的像素写入都会导致这些地址计数器待更新。1602可以配置为“扫描”这个矩形任何左/右上/下顺序。有三个内部控制位（它们我们将在后面描述的接口中公开。除了扫除顺序，可以“交换”行和列的地址，从而支持“横向”模式。默认情况下，我们使用模式0x6（MY=1，MX=1，MV）=0)。这些在ST1602数据手册中有完整的描述，我的行地址顺序：1（从下到上）、0（从上到下）MX列地址顺序：1（从右到左）、0（从左到右）MV列/行交换：1（横向模式），0（纵向模式）如前所述，我们将面板配置为接受16位颜色，因此，每次数据写入都由SPI接口发送的一对字节组成。这些16位颜色数据通过内部查找表；实际显示ram像素为18位。图3-6LCD1602引脚功能1602有一个单独的控制信号来区分“控制”信息和“数据”，控制信息（将在后面讨论）用于配置显示和设置当前绘图矩形。这种方法的优点是，一旦配置了绘图矩形，数据可以在没有任何附加控制信息的情况下突发发送。1602LCD的一个简单的“驱动程序”只需要三个例程—一个要初始化控制器，一个设置绘图矩形，一个写入将数据颜色设置为当前矩形。请注意，此接口设置图形设置矩形时的方向（如上所述，madctl值0x6对应于绘图矩形的自上而下/左右扫描。madctl值0x02对应于自底向上/左右扫描，并且用于显示以自下而上方式存储数据的BMP图像文件命令。可以添加一个单独的例程来控制背光的亮度——目前我们将其实现为开/关。稍后，在第10章中，我们将展示如何用PWM信号控制亮度。如图3-7所示。图3-7显示模块电路原理图3.4传感器电路扭矩扳手的测量扭矩采用的原理一般有转角式和应变式，转角式的原理是采用物体的形变量大小来表征使用者施加力的大小，应变式是通过应变片在使用者使用时的电阻率发生的变化情况来表征使用者施加的力的值的大小。应变式扭矩板手的扭矩采集电路由应变片、弹性体和电阻丝等组成，当使用者使用时，电阻丝的阻值会发生变化，因此可以计算出使用者施加的力的大小。电阻应变效应假设一种材料的金属丝导线，直径为D，长度为L，电阻率为，则有初始电阻值为：式（3-1）其中S为导线的截面积，为导体的电阻率值。当收到轴向施加的拉力F后，金属导线会变长，相应的横截面积会变小，电阻的变化量用微分形式表示为：式（3-2）经变换后有：式（3-3）式中R为电阻值，K为金属的灵敏度系数，为轴向应变。转换电路扭矩作用使得应变材料的电阻率发生变化，为了测量其变化值，需要对测量的电路进行设计，本文采用常见的电桥电路作为电路转化形式，根据电路中应变片的个数，电桥电路可分为双臂电桥电路、单臂电桥电路和全桥电路，其中全桥电路具有对称的电路结构，所以可以补偿很多误差，因此测量的精度和灵敏度高。全桥电路由四个电阻组成，分别为R1、R2、R3、R4相连组成，当接入电压时，输出电压的值为：式（3-4）假设输出电压为零，则可以得出：式（3-5）外力作用时，有：式（3-6）假设四个电阻的值一样，都为R，则有：式（3-7）可得：式（3-8）式中，E为材料的弹性模量值。可以看出电桥的输出的电压和施加的扭矩之间成正比关系，因此可以通过测量电桥的输出电压来表征施加的扭矩值。本设计选用广州兰海电测科技有限公司生产的CZL302高端应变片，它能将作用力转换成相关电信号。它通过测量力传感元件的位移或应变来工作，本文中主要用的是弯曲。该型号系列力传感器产品广泛应用于各种设备和系统中，如交通、机器人、制造业和医疗技术。它采用微机电系统（MEMS）技术制造，具有以下特点功能材料种类有限的缺点，除了易碎和昂贵。它是运用3D打印技术制造的，也称为附加制造，是一种新兴的传感器制造技术，具有经济、省时、几何复杂、功能复杂等优点。图3-8应变片传感器原理图3.5按键电路本设计中按键电路有一个按键，它的作用是工人可以让工人设置力矩值，按键电路就是就是可复位开关电路，为了确保按键信号能够稳定输出，所以在电路中加了一个上拉电阻。按键电路原理图如图3-9所示。图3-9按键电路原理图本设计在使用时扳手收到的力矩值达到设置的力矩值时，安装的指示灯就会闪烁。本设计采用了红色LED灯作为指示灯，红色的指示灯较为显眼。当接收到单片机输出的低电平时，灯就会亮起。其电路原理图如图3-10所示。图3-10LED指示灯电路原理图3.6电源电路单片机正常工作的前提是电源稳定，在目前，这三种电源通常采用稳压电源、USB96电源，J-LINK或ST-LINK电源。稳压电源可灵活选择输出电压，对不同应用的电压要求有较好的适应性。这三种供电方式一般采用跳线方式选择。电源电压通过DC-DC转换芯片转换为芯片所需的电压。DC-DC芯片使用ASM1117-3.3三端调节器芯片，该芯片使用低压差稳压管，使输出直流电压更稳定，保护电路。图3-11电源电路原理图3.7时钟电路使用的时钟芯片是DS1302芯片，DS1302封装和皮诺设计在芯片中八针封装，引脚RST引脚在低电平复位，高电平工作正常。低的含义级可以理解为不计数和不工作。SCLK引脚表示串行时钟122针。时钟模块与MCU之间的引脚连接为：连接MCU的21号引脚到时钟芯片上的7号，MCU的22号引脚连接到时钟芯片上的6号，单片机的25号脚连接到时钟芯片的5号脚。系统原理图时钟模块如图3-12所示。图3-12时钟模块原理图4系统软件程序设计本设计采用的开发软件是KeilMDKv4，环境监测系统的设计基于单芯片微计算机。在微计算机子系统辅助程序的设计和开发中，使用芯片的开发语言包含很多种类。我的程序是用C语言写的，模块构造性好，数据类型多样，代码还是易于调用和执行。而且该语言处理数据能力高，执行速度快这样可以很快找出错误。通过定义数据类型控制硬件，提高系统的稳定性，从而保证程序的执行质量。基于STM32F407ZGT6作为芯片，设计软件，采用模块化设计程序的思想进行编程，主要有数模转换程序、LCD显示程序。系统软件设计的总体思路是，在各项元器件采集完数据后，最终将数据发送给STM32F103C8T6单片机系统，进行数据的处理，然后在集成串口屏上显示。图4-1程序主要流程4.1数模转换程序设计扭矩扳手的数模转换程序编写主要通过调用库函数来实现，使用的库函数主要分布在stm324xxadc.h和stm32f4kxadc.c两个文件夹中。程序的具体逻辑和步骤如下：(1)开启ADC1时钟和PA口时钟，设置PA口为模拟量输入；(2)配置ADC输入时钟分颇，设置ADC的通用控制寄存器CCR，模式为独立模式等；(3)设置ADC1的转换分辦率，初始化ADC1参数，对齐方式，转换方式，规则序列等相关信息；(4)开启AD转换器；(5)读取ADC转换的值。图4-2程序主要流程在完成上述的设置之后，开始设置序列规则通道的值，为了在转换完成之后读取转换的结果值。通过跳线帽，来设置Vref的参考电压，当跳线帽接到VDDA，参考电压就是3V。参考电压的理论参照值范围为：1.8V-DDA。模数转化程序：voidDac1_Init(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;DAC_InitTypeDefDAC_InitType;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_DAC,ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_4;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4);//PA.4Êä³ö¸ßDAC_InitType.DAC_Trigger=DAC_Trigger_None;TEN1=0DAC_InitType.DAC_WaveGeneration=DAC_WaveGeneration_None;DAC_InitType.DAC_LFSRUnmask_TriangleAmplitude=DAC_LFSRUnmask_Bit0//DAC_InitType.DAC_OutputBuffer=DAC_OutputBuffer_Disable; DAC_InitType.DAC_OutputBuffer=DAC_OutputBuffer_Enable;DAC_Init(DAC_Channel_1,&DAC_InitType).4.2按键设计程序设计按键系统功能是它的作用是工人可以让工人设置、调大和调小力矩值，通过按下这些按键就能调节设置的力矩值。图4-3按键初始化流程图intmain(void){u8key; delay_init(168); LED_Init(); BEEP_Init(); KEY_Init(); LED0=0; while(1) { key=KEY_Scan(0); if(key) { switch(key) { caseWKUP_PRES: BEEP=!BEEP; break; caseKEY0_PRES: LED0=!LED0; break; caseKEY1_PRES: LED1=!LED1; break; caseKEY2_PRES: LED0=!LED0; LED1=!LED1; break; } }elsedelay_ms(10); }4.3LCD显示程序设计LCD本身只是一种电致发光器件，这时的编程，是对单片机或其他上位机而言的。voidLCD1602_Init(){ LCD1602_GPIOInit();LCD1602LCD1602_Write_Cmd(0x38);LCD1602_Write_Cmd(0x0c);¸LCD1602_Write_Cmd(0x06);LCD1602_Write_Cmd(0x01)； delay_ms(5);}5系统调试5.1程序调试本次毕业设计主要使用的是stm32开发板，它有一个USB串行驱动芯片。计算机端口必须要安装一个ch340驱动芯片。否则整个系统都运行起来十分困难，之后要在计算机设备管理选项中找到端口名。在这个驱动程序安装后，就要开始将USB端口连接到计算机自带的磁口上，否则程序就无法拷进单片机。经过主程序的操作后，连接上keil5并进行测试，这个版本它的漏洞已经被尽可能修改了。在编写硬件程序之后，需要从项目文件中包含的函数codec生成.hex文件。开发板和计算机之间的连接是通过ST-LINKUSB接口，为开发板供电并写入文件。书面的硬件驱动程序写入开发板，完成底层智能开发socket.ST-LINK是一个开发工具，用于评估和开发STM8系列和STM32。此设计中使用的STM32系列芯片将SWD接口连接到ST-LINKV2。ST-LINKV2通过高速USB2.0连接到计算机。它支持所有STM32系列个带TAG/SWD的微控制器。ST-LINKV2JTAG/SWD引脚标准接口布置图，仿真器连接到MCU上的SWD接口进行调试。ST-LINKV2接口和开发板SWD接口之间的连接为：SWD接口1、2、3、4接口分别接上7或8、4、2、5或6接口仿真器接口，每对接口之间使用杜邦线连接。接口SWD连接到MCU的第34个引脚，SWC连接到MCU的第37个引脚单片机功能设计成功。有两种类型的定时功能：定时开启和定时关闭。转动虚拟时钟的指针的选择时间。选中“设置定时”选项卡后的复选框以完成定时打开操作。选中“设置定时关闭时间”选项卡后的复选框以完成定时关机运行，经测试，连接电器后，耗电量-每两秒计算一次。当电源连接到电源插座时-收集，初始值为“0000”。通过开发软件应用功能，数据采集、存储、接收、处理、传输等功