數顯扭力扳手的設計

侯 飛

（衢州億龍信息技術有限公司，浙江 衢州 324000）

數顯扭力扳手顧名思義就是帶數字顯示的扭力扳手（扭矩扳手，力矩扳手），它是在機械扭力扳手的基礎上發展而來，其功能更加強大。數顯扭力扳手自出現之日起已經有了長足的發展，技術方面日漸成熟。其擁有強大的操作功能，包含扭力設定；單位設定；模式設定；數值儲存；數值清除以及數值輸出等。

數字扭力扳手是扭矩扳手中最高級的一種，不但能夠當施加的扭矩達到設定值時，扳手會發出“卡塔”聲響或者扳手連接處折彎一點角度，而且會通過數字顯示屏或者LED燈來提示使用者，而且在扭矩的設定上也能夠通過按鍵和數字顯示屏來完成，比之非數顯扭力扳手更方便也更易與操作。總而言之數顯扭力扳手是扭矩扳手中最易于操作的，它通過安裝數字顯示屏降低了對操作人員的要求。

數顯扭力扳手的技術被國內幾家公司壟斷，他們利用手中的技術控制著一些小型企業。他們高價出售自己的核心板從中賺取利潤。這種方式大大制約著小型企業的發展，并且也是數顯扭力扳手價格高的原因。現在市場上出現了形形色色的數顯扭力扳手，功能大致一樣，但是其性能存在很大的差異。最主要的差別在于處理器的處理性能、硬件電路的體積以及產品的節能方面。廠家為了減少科研經費，只用以前成型的技術進行生產，這樣也遲滯了數顯扭力扳手的技術進步。現在大部分的扭力扳手存在著一些問題，如處理速度慢，準確度不高，而且經常更換電池 ，給生產方面帶來極大的不便。

現在市場上的數顯扭力扳手價格相當昂貴，對于普通的公眾難以接受。隨著一些低價格、高性能芯片的出現，現在的扭力扳手顯得有些過時，并且價格過高，遲早要被淘汰。因此，研發一款性價比高的數顯扭力扳手將有很大的市場前景。而且對于它的研發也可以打破行業間的技術壟斷，增強小型企業的競爭力，也為其本身的完善打好基礎。

1 系統工作原理圖

數顯扭力扳手系統工作原理圖如圖1所示，其核心組成包括MSP430F4270單片機和扭矩傳感器，以及液晶顯示和聲光報警的人機交互部分。扳手連接完成后，由人控制扳手臂旋扭螺母，扭矩傳感器獲得電壓值送給單片機的放大電路，放大出來的電壓再由單片機處理后在段式液晶上顯示出來，并在一定條件下啟動聲光報警裝置。

圖1 系統工作原理圖

2 硬件部分

本項目中的扭力扳手檢測裝置由標準扭矩傳感器、扭矩測量儀表兩部分構成，硬件構架主要包括單片機、顯示模塊、電源模塊、聲光報警模塊、扭力采集模塊等部分組成，其電路硬件原理圖如圖2所示。圖3所示是其硬件的PCB圖。圖4是其制作完成后的實物圖。

圖2 電路硬件原理圖

圖3 電路硬件PCB圖

圖4 電路硬件實物圖

3 軟件部分

本項目中的扭力扳手裝置內的程序其流程圖如圖5所示。操作過程如下：①電源打開后程序開始運行，系統進入工作模式；②系統工作之初要進行程序的初始化，使程序進入正常狀態；③顯示程序驅動液晶顯示出扭力值；④單片機對輸出的扭力值進行判斷；⑤扭力值大于設定值，聲光報警系統啟動，提示外力停止施力；⑥扭力值小于設定值，外力繼續施力，直至報警提示，否則程序循環；⑦單片機關閉程序，程序結束。

圖5 程序流程圖

4 系統方案總結

根據本項目的研究結果展開了以下3點總結分析：

（1）標準數據與實驗數據，如表1所示。

表1 標準數據與實驗數據比較表格

（2）實驗數據分析。從表1可以看出測量值是與實際值有一定差別的，并且測量值的數據規律性不強，抖動性強烈，其原因是與信號采集模塊有關。還有一點，實驗數據都比標準數據小，其存在的原因是扭力扳手的頭相對而言重量大，在重力作用下產生一定的扭力值疊加到實驗數據上造成一定偏差。

（3）系統改進。上面已經得出了產生誤差的原因解決方案如下：①針對其數據的抖動性，改進方式是濾波電路的改進。基于信號的等級選取適當的濾波電路。取一次值也影響到扭力值的精確性，所以采測量多次值然后取其平均值的方式；②平衡重力所產生的誤差。通過多次實驗測得扭力機械結構所產生的扭力大小，在不同方向用力時加或是減掉這一值。

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