摘 要

扭矩测量仪是基于弹性轴发生扭矩形变，通过测量扭转角或应力的大小来间接获知扭矩大小的一类仪器。由于在轴的弹性极限范围内扭转角和切应力大小都与扭矩都呈简单线性关系，所以可以很方便的测量扭矩。

本次设计的扭矩测量仪主要测量的是静态扭矩，采用双法兰扭矩传感器。传感器一端用来固定，另一端用来与被测物体连接。对于测量缓慢变化的扭矩，用静态扭矩测量仪较为合适。因为其价格较动态测量便宜并且测量精度高、性能稳定，故对静态扭矩测量仪的设计很有必要。应变式扭矩传感器将静态扭矩转化为应变片阻值的变化，通过应变桥输出对应的电压信号，经过适当放大后输入到MSP430单片机中进行采样，最后在LCD上显示测量的扭矩值。

本文的主要特色是将硬件电路和软件程序相结合，实现了扭矩信号从测量、传输以及显示的过程。

关键词：静态扭矩；单片机；显示屏

Abstract

The torque meter is elastic shaft torque deformation based on a kind of instrument by measuring the torsion angle or the magnitude of shear stress to indirect torque. Because the size of that at the elastic limit shaft in torsion angle and shear stress size and torque was linear, so it can measure torque very convenient.

The design of torque measurement instrument is the main measure of the static torque, torque sensor with double flange. One end of the sensor is used to fixed, the other end is used to connect with the measured object. For measuring the slow changes of torque, static torque measuring instrument is more appropriate. Because the price is cheap and the dynamic measurement of high precision, stable performance therefore, the design of static torque measuring instrument is necessary. Strain torque sensor will change the static torque resistance strain gauge, the voltage signal output corresponding to the strain bridge, after appropriate amplification after input to the MCU MSP430 sampling, finally display the measured torsion on LCD Moment value

The main feature of this paper is that the hardware circuit and software program are combined to realize the torque signal from measurement, transmission and display process.

Keywords：static torque；singlechip；display

目 录

第1章 绪论 1

1.1 国内外发展现状 1

1.2 设计意义 2

第2章 方案设计 3

2.1 设计内容与目标 3

2.2方案设计 3

2.2.1 方案一 3

2.2.2 方案二 4

2.3 方案对比与选择 5

第3章 传感器与信号处理 6

3.1 传感器原理 6

3.2 传感器设计...........................................................................................................................7

3.3 信号处理 9

第4章 扭矩测量系统硬件设计 10

4.1 MSP430f149单片机最小系统 10

4.2 ADC12模块 11

4.3 电源电路 12

4.4 LCD液晶显示电路 13

4.5 JTAG仿真电路 14

第5章 扭矩测量系统软件设计 15

5.1 IAR开发环境 15

5.2 主程序设计 15

5.3 初始化程序设计 16

5.4 ADC12程序模块设计 17

5.5 LCD显示程序设计 18

第6章 扭矩测量系统硬件调试 21

6.1 信号处理调试 21

6.2 扭矩测量系统硬件调试 22

6.3 扭矩测量系统软件调试 22

第7章 结论与展望 24

7.1 设计总结 24

7.2 展望未来 24

参考文献 25

致谢 26

附录 27

第1章 绪论

扭矩是力矩的一种特殊形式，它的大小也是力与力臂的乘积，只不过这里的力是与旋转有关的切应力。扭矩作为工业生产过程中的一项重要参数，对扭矩的检测和监控影响着仪器设备的使用安全和使用寿命。扭矩作为检测目标的一部分，其必定要用到检测和测量技术。检测和测量技术一直是当今世界研究的课题之一，测量技术的发展会带来仪器精度的提升，由此引发科学的指数式发展。比如瓶盖的扭紧和开启，扭力扳手的扭力大小以及直升飞机的旋翼对机身的扭矩大小，从静态到动态，从小的方面到大的方面都需要对扭矩进行测量。通过测量扭矩从而知道扭矩值是否在合适的范围，如果不在就修改仪器的结构来使得扭矩合适。

1.1 国内外发展现状

早在上世纪七八十年代，国外以美国、日本、德国为代表的发达国家就已经取得了瞩目的成就。其中美国研发出了无接触式磁弹性扭矩仪以及抗干扰性强的光纤扭矩传感器，日本研制出船用主机扭矩测试仪，德国研发的振弦式扭矩测量仪闻名世界。最近几年国外更是研究出了高精度的数显扭矩测量仪和无线遥控扭矩测量仪。国内扭矩测量技术也可谓后起新秀，国内生产的扭矩测量仪主要以电阻应变式和磁电式扭矩仪为主。最早在北京生产的电阻应变式传感器成功的应用于机床和动力轴的扭矩测量。卡环型应变式扭矩传感器主要应用在舰船、货船主机扭矩测量上，将卡环卡在轴上就可测量扭矩。而后磁电式扭矩测试仪在上海电器科学研究所诞生了，技术还不是相当成熟。随后我国其他地区也相继研发出了磁电式扭矩测量仪，目前国内大多数扭矩仪都采用的是这种扭矩仪。

扭矩的测量分为动态扭矩测量和静态扭矩测量，区别动态扭矩和静态扭矩的关键在于弹性体是否随被测物体参与相对运动。目前常用的扭矩测量方法有平衡力法、能量转换法和传递法。平衡力法依据的是牛顿第三定律，即作用力与反作用力。在弹性轴受到力F使其发生扭转形变时，必然存在另一个大小相等的反向力F'，这样就存在一对大小相等方向相反的扭矩，比如要测量主轴上的扭矩可以用平衡力法间接测量机体上的扭矩来得知主轴所受扭矩。能量转换法也是依据能量守恒定律来间接测量扭矩的一种方法。传递法则是根据弹性轴发生扭转时内部物理参数的变化与扭矩之间的一种对应关系来测量扭矩的方法。目前国内大多数扭矩测量都用的是传递法，包括应变式、磁电式、光电式等。国外比较流行的一类传感器是无接触式扭矩传感器，它主要用来测量动态扭矩。