基于AT89S52的智能扭矩扳手設計*

趙排航，王克印，肖　輝，黃海英

(1.軍械工程學院，石家莊　050003；2.武警8640部隊，河北 定州　073000)

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基于AT89S52的智能扭矩扳手設計*

趙排航1，王克印1，肖輝2，黃海英1

(1.軍械工程學院，石家莊050003；2.武警8640部隊，河北 定州073000)

摘要：許用扭矩是擰緊螺紋緊固件時可施加的最大扭矩值，它是保證螺紋連接安全可靠的重要參數；針對扭矩扳手需要人工設定所需扭矩值的現狀，設計了一款可自動設定許用扭矩值的智能扭矩扳手；建立了扳手夾持裝置開口大小與許用扭矩的關聯函數，采用電位器制作位移傳感器用于檢測扳手開口大小進而計算許用扭矩值，在扭轉軸上粘貼全橋式應變電路作為扭矩傳感器用于檢測施加扭矩值。單片機AT89S52為運算處理的核心，當施加扭矩值大于許用扭矩值時發出報警；硬件采用技術成熟的集成模塊，軟件設計采用模塊化思想，提高了系統的維修性和可靠性；經過原理樣機的數據實測，數據誤差在允許范圍內，達到了設計要求。

關鍵詞：單片機；智能；許用扭矩；模數轉換

0引言

扭矩扳手是一種能夠實時反饋并控制擰緊力矩的專用工具,可以施加比較準確的擰緊力矩。目前，工程應用較多的有電子數顯式和機械式兩種。兩種扳手的操作方法基本相同，均為先設定許用扭矩值再進行擰緊操作，當施加扭矩值達到設定值時出現報警提示。也就是說，當使用扭矩扳手對一個螺栓施加預緊力時，必須先通過計算或者查詢相關手冊得到其許用扭矩值，再用扭矩扳手擰緊螺栓，這就要求操作者對螺栓的許用扭矩值有一定的掌握。而許用扭矩等理論信息并未在工程實際中推廣，這就阻礙了扭矩扳手的推廣應用。

本文所研究的智能扭矩扳手可實現自動識別螺栓規格，輔助設置相關參數，自動計算螺栓的許用扭矩，采用扭矩傳感器實時采集施加的扭矩值并與許用扭矩值比較，達到許用值時出現報警，提示不再加力。操作對象主要為常用的4.8級普通螺紋緊固件，省去了傳統扭矩扳手需要人工設定許用扭矩值的環節。該方案較傳統扭矩扳手在參數設定方面進行創新，在保證可靠性的基礎上極大地提高維修效率，也順應了維修工具的智能化發展趨勢。

1設計計算

1.1總體設計方案

智能扭矩扳手系統包括單片機、位移傳感器、扭矩傳感器、A/D轉換、LED顯示、聲光報警等模塊。原理框圖如圖1所示。采用AT89S52單片機作為控制系統的核心，它是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可編程Flash存儲器。單片機接收A/D轉換模塊處理的扳手開口檢測信號，內置扭矩計算程序進行許用扭矩計算。開始操作后接收扭矩傳感器傳來的扭矩信號并計算扭矩值，與許用扭矩值的大小進行比較，當施加扭矩值大于許用扭矩值時發出聲光報警。

1.2許用扭矩值的計算

智能扭矩扳手實現許用扭矩的自動設定首先需要識別螺栓規格信息，這通過夾持裝置夾持螺栓的六角頭來實現。因此需要建立螺栓六角頭對邊距與許用扭矩之間的關系。根據GB/T 5780-2000和GB/T 3098.1-2010建立了各規格螺栓的對邊距與保證載荷之間的對應關系，如表1所示。將其對應的數據輸入至Excel表格，插入散點圖，在散點圖上面插入趨勢線，并生成線性公式，分別對對邊距與公稱直徑和對邊距與保證載荷進行曲線擬合。擬合結果如圖2和圖3所示，兩項擬合中決定系數R2分別為0.999和0.9997，表明該曲線估計可信。這樣即得到了公稱直徑d和對邊距D的關系式(1)和保證載荷F與對邊距D的關系式(2)：

d=0.67D-0.34

(1)

F=81.2D2+178.5D-3588.7

(2)

表1螺栓各規格的對邊距與公稱直徑、保證載荷的對應關系

圖2　對邊距與公稱直徑擬合結果

圖3　對邊距與保證載荷擬合結果

成大先主編的《機械設計手冊》第5版指出，擰緊力矩T用于克服螺紋副的螺紋阻力矩T1及螺母與被連接件(或墊圈)支承面間的端面摩擦力矩T2。計算擰緊力矩的公式為：

T=T1+T2

=KFd

(3)

式中：d為螺紋的公稱直徑，F為預緊力，d2為螺紋中徑，φ為螺紋升角，ρv為螺紋當量摩擦角，μv為螺紋當量摩擦因數，μ為螺母與被連接件支承面間的摩擦因數，K為擰緊力矩系數。

擰緊力矩系數K值反應了螺栓連接緊固過程中施加扭矩和預緊力的關系，是力矩緊固過程中最不容易確定的因數。選擇過大，計算出的扭矩過大，易造成螺栓或墊片損壞；選擇過小，計算出的扭矩過小，達不到螺栓連接的預緊要求，會造成螺栓自燃松脫等故障。設計手冊給出了推薦的K值見表2。

表2　擰緊力矩系數K

保證載荷即螺栓聯接不發生塑性變形的最大預緊力。因此，將(1)、(2)、(3)式聯立即可得到對螺栓施加的最大極限扭矩值與螺栓六角頭對邊距的關系式為：

式中K要根據選用螺栓的情況來取值。出于安全的考慮，要確定一定的安全系數。若安全系數過高則會導致螺栓擰不緊，失去了使用扭矩扳手的意義，但也不能過低，不然會降低螺栓聯接的使用壽命。這里取值1.25，即許用扭矩的計算公式為：

T0=0.8Tmax=

0.8K(54.4D3+92D2-2465D+1220)

(4)

因此，通過檢測扳手夾持裝置的開口尺寸，再進行數學運算即可得到許用扭矩值。

2系統硬件設計

2.1信息采集模塊

信息采集模塊包括位移傳感器、扭矩傳感器和模數轉換模塊AD7705，電路連接如圖4所示。AD7705為雙通道全差分模擬信號輸入，無需使用信號調理電路便可接收來自傳感器的信號并產生串行的數字信號。外接晶振電路為該芯片提供時鐘信號，保證AD轉換連續進行。將AD7705的SCLK腳和單片機的P3.1腳連接進行串行時鐘信號的傳輸，DOUT和DIN腳接在一起并與P3.0 腳相連用于數字信號的傳輸。片選端CS直接接地。

圖4　信息采集模塊電路圖

位移傳感器用于采集扳手夾持裝置的開口大小，識別螺栓規格。采用電位器的分壓電路，由于電位器的分壓大小的變化與其阻值成正比，阻值的調整通過齒輪機構與夾持裝置開口大小的調整相關聯，再根據普通螺栓直徑與其六角頭尺寸的對應關系，即可通過測量電壓的大小來識別螺栓規格。位移傳感器采集的電壓輸出端接AD7705的AIN2(+)和AIN2(-)管腳，進行模數轉換并存儲。

圖5　應變片貼片示意圖

扭矩傳感器由彈性軸和應變片全橋電路構成。當彈性軸受到扭矩作用時將會發生形變，軸上會有應力和應變產生，其橫截面會受到一個剪應力，該剪應力在軸的中心處為零，軸表面最大[2]。在軸表面與桿軸成45°和135°的斜面上，受到法向應力，此法向應力為主應力且數值等于橫截面上的最大剪應力。因此，在扭力軸表面與軸成45°和135°的兩個方向貼應變片，如圖5所示，并連接成全橋電路，可以消除軸向力和彎矩的影響。

根據材料力學，圓軸表面受到最大拉應力σ1和壓應力σ2，且有σ1和σ2數值大小與橫截面的剪應力τ大小相等。

(5)

式中：WP為軸截面的抗扭系數，M為彈性軸所受扭矩。

由胡克定律知，當彈性軸扭轉時，所粘貼的應變片R所受到的應變為：

(6)

式中：E為彈性模量，μ為泊松比。

將(5)式代入(6)式得：

(7)

整理該式得：

(8)

由應變片工作原理可知：

(9)

式中：ΔR為應變片阻值改變量，R表示應變片阻值大小。

將(9)式代入(8)式可得：

(10)

因此，圓軸的扭矩大小與應變片阻值的變化量ΔR是呈正比的。當圓軸受到扭矩作用時，產生的ΔR信號通過全橋電路轉換為可測量的電壓信號。全橋電路的輸出電壓兩端接AD7705的AIN1(+)和AIN1(-)管腳，進行模數轉換，轉換為數字信號輸送至單片機進行相關運算。

2.2人機交互模塊

人機交互模塊包含液晶顯示、聲光報警、按鍵等模塊。液晶顯示模塊由控制器、驅動器、RAM、ROM和LCD顯示器用PCB連接到一起而成，本文采用長沙太陽人電子有限公司的LCD1602字符型液晶顯示模塊作為人機交互的主要部件。該模塊是一種專門顯示字母、數字、符號等點陣式LCD，能同時顯示2行16列共32個字符。與單片機連接電路如圖6所示，1602的八根數據線DB0～DB7與單片機的P0.0～P0.7相連進行數據傳輸，P2.0、P2.1、P2.1分別連接RS、RW和EN端用來控制1602的工作狀態，VL端通過電位器連接高電平用于調整對比度。1602工作狀態控制方式如表3所示。

圖6　LCD1602與單片機連接電路圖

工作狀態RSRWEN功能讀狀態011輸出狀態字寫指令00↘寫指令到寄存器讀數據111輸出數據寫數據10↘寫數據到寄存器

注：表中“↘”表示下降沿脈沖。

LCD1602共包括三個寄存器，分別是DDRAM、CGROM和CGRAM。DDRAM為顯示數據RAM，用來寄存待顯示的字符代碼，其地址與屏幕顯示位置有一一對應的關系，在什么位置顯示字符就往相應的地址發送數據即可。CGROM為字符存儲器，內部存儲了160個不同的點陣字符圖形供需要時調用。CGRAM為自定義字符存儲器，用戶可根據需要自定義顯示字符。

聲光報警模塊由一個5V無驅動直流蜂鳴器和發光二極管組成，由單片機P3.7引腳控制。當出現扭矩傳感器測得扭矩值大于許用扭矩時，P3.7輸出高電平，啟動聲光報警。

3系統軟件設計

編程采用常用的Keil uVision軟件,它對單片機C語言有很好的兼容性。為了構建控制器軟件框架，為了使程序易于編寫和修改，編程時根據各模塊的工作順序將程序分為數據采集和液晶顯示兩個模塊。

3.1系統的主流程圖

系統的主流程圖如圖7所示。系統上電后各模塊進行初始化，A/D轉換器通過采集電位器電壓值來識別扳手夾持裝置開口大小，內置程序計算相應許用扭矩值。按鍵按下，表明開口大小已經調整完畢，此時處理器按照程序設定計算許用扭矩值存儲至寄存器并輸送至LCD模塊顯示；A/D轉換器采集扭矩傳感器的扭矩信號，實時扭矩值在LCD模塊顯示并與許用扭矩值進行比較，大于許用扭矩值時啟動聲光報警模塊。

圖7　主流程圖

3.2數據采集模塊軟件設計

AD7705數據采集的流程圖如圖8所示。由于扳手開口檢測電位器接的2通道，所以數據轉換先從2通道開始。所提到的按鍵為扳手開口尺寸調整完成的確認鍵，只有當開口尺寸調整完成后才能進行下一步操作和運算。

DRDY信號為數據A/D轉換完成的指示信號。低電平期間表示A/D轉換完成，可以讀取數據寄存器的內容。高電平期間表示A/D轉換正在進行，這時不能訪問數據寄存器。

圖8　數據采集流程

3.3液晶顯示模塊軟件設計

LCD1602 不需外加驅動電路，與單片機連接簡單，顯示功能豐富，具有顯示質量高、體積小、功耗低的特點，它可滿足本設計顯示扭矩信息的需求。LCD1602設置為兩行顯示，第一行顯示計算完成的許用扭矩值，第二行顯示操作過程的扭矩傳感器檢測的實時扭矩值及過載標志。該模塊運行流程圖如圖9所示。

圖9　液晶顯示模塊流程圖

4實測結果

該控制系統基于面包板搭建了測控電路原理樣機。電位器與夾持裝置開口調整螺桿通過齒輪聯動，通過調節電位器阻值來模擬開口大小的調整。系統測量的顯示值與理論值的對比如表4所示。

表4　測試數據對比

顯示值與理論值有誤差的原因主要有兩點：①編程過程中，為了計算快速和準確，將公式中的系數按四舍五入的方法進行了取整；②在調整電位器1模擬開口大小調整的過程中，電位器阻值與開口大小的對應

精準度也存在一定的誤差。通過表格數據顯示，誤差在允許范圍內。

5結論

針對傳統扭矩扳手需要人工設定極限扭矩的現狀進行技術創新，設計了一種智能扭矩扳手。本設計采用AT89S52單片機作為控制核心，AD7705進行模數轉換，液晶顯示模塊采用LCD1602集成模塊，該扳手原理樣機經過仔細調試，進行了數據實驗驗證，數據的誤差在允許范圍內，達到了初步的設計要求。智能扭矩扳手解決了技術資料在工程實際中運用較少的問題，能夠快速、準確的對螺栓施加擰緊扭矩，智能化程度進一步提高。隨著科技進步，智能化產品和設備將是未來的發展趨勢。

[參考文獻]

[1] 成大先. 機械設計手冊 [M]. 5版.北京:化學工業出版社,2007.

[2] 廖麗媛,盧文科.基于單片機的扭矩測量系統的設計[J].儀表技術,2013(3):13-15,19.

[3] 李軍,苗新聰,張曉宇.四足機器人步幅、步頻與扭矩和能耗關系研究[J].組合機床與自動化加工技術,2012(12):10-14.

[4] 朱春梅,王朝霞,胡嘯峰. 扭矩測量系統的研究與設計[J]. 機械設計與制造,2009(5):30-32.

[5] 朱春梅,王朝霞. 基于單片機的扭矩測量技術研究[J]. 新技術新工藝,2008(9):47-49.

[6] 徐光衛. 氣動數顯扭矩扳手的研究[D].成都:西華大學,2014.

[7] 江駿,劉志峰.基于IPC的自動擰緊機控制系統設計[J].組合機床與自動化加工技術,2006(11):57-59.

[8] 楊陽,唐虹.基于虛擬儀器的扭矩測試系統的設計與實現[J]. 計算機測量與控制,2012,20(4):883-886.

[9] 曾國華.可控扭矩電動扳手的設計[J].工具技術,2002, 36(5) : 15- 17.

[10] 陸耀祖.扭矩型扭力扳手驗收的探討[J].組合機床與自動化加工技術,2000(3):39-42.

(編輯趙蓉)

Design of Intelligent Torque Wrench Based on AT89S52

ZHAO Pai-hang1,WANG Ke-yin1,XIAO Hui2,HUANG Hai-ying1

(1.Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China;2.China Armed Police Force 8640,Dingzhou Hebei 073000, China)

Abstract：Allowable torque is the maximum torque value that can be applied when tightening the screw fasteners, which is an important parameter to ensure the safety and reliability of the screw connection.According to the present situation that torque wrench needs to manually set the desired torque values,it has designed a set of intelligent torque wrench which could set torque values automatically. It has established the correlation function of the opening size of the holding device and the allowable torque of the wrench. Production of displacement sensor using potentiometer for measuring the opening of the wrench and calculating the allowable torque value. Pasted on the torsion shaft full bridge strain as a torque sensor signal acquisition circuit used to applied to detect the applied torque. Single chip microcomputer AT89S52 is the core of operation processing.When the applied torque value is greater than the allowable torque value, the alarm is issued.The hardware adopted technological integrated module, the software was designed using the modular idea,it has improved system’s maintainability and reliability. Test results show,data calculation error is within the allowable range, reached the design requirements.

Key words：SCM; intelligence; allowable torque;ADC

文章編號：1001-2265(2016)05-0143-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.039

收稿日期：2015-07-06

*基金項目：總后勤部軍內科研基金項目,軍械工程學院基礎科研基金項目(YJJXM13025)

作者簡介：趙排航(1991—)，男，河南蘭考人，軍械工程學院碩士研究生，研究方向為機械設計及理論，(E-mail)zhaopaihang@126.com。

中圖分類號：TH132;TG506

文獻標識碼：A