摘 要

扭距是机械系统传动中能够反映系统性能的最典型的参数之一。为了实现对扭矩的测量，扭矩传感器应运而生，并且各种扭矩传感器都得到了良好的发展。目前市面上的传感器大多只是将测量到的扭矩值通过实体线路传输至工作人员的分析仪器上，这样整个系统就容易受到环境因素的限制，使得整个系统的抗干扰性较差。如何解决这个问题，提高系统稳定性具有重要的意义。

因此，本文针对此问题，设计齿轮式无线扭矩传感器。本设计采用了目前最为成熟的应变式扭矩测量原理进行扭矩测量，并制作齿轮式扭矩传感器。针对单片机电路进行信号传输，首先选用TLV2254运算放大器对电压信号进行放大，并通过8位A/D转换器A/D0832将电信号转换为数字信号方便单片机处理。并选用nRF2401无线信号收发芯片对信号进行远端输送，随后在采用LCD1602液晶显示传输而来的扭矩数据，又通过RS232串口将此数据传输至上位机。在上位机通过LabVIEW软件设计了数据采集系统，实现了对扭矩数据的显示、分析及存储。

整个系统克服了有线传输的缺陷，使得数据的传输更加方便与稳定。并且所设计的齿轮式扭矩传感器可用于大扭矩的测量，并能够实现数据的实时显示与存储。经过测试，该系统具有良好的抗干扰性与稳定性，同时具有较高的精度。

关键词：扭矩、无线传输、单片机。

DESIGN OF GEAR TYPE WIRELESS TORQUE SENSOR

ABSTRACT

Torque is the transmission of a mechanical system can reflect one of the most typical parameters for the performance of the system. In order to realize the measurement of torque, torque sensor has emerged, and a variety of torque sensors have been well developed.The sensors on the market mostly just to measure the torque value through the solid line transmission to the staff analysis instrument, so that the whole system vulnerable to environmental factors, making the whole system of poor anti-jamming.

Therefore, this article on this issue, the design of gear type wireless torque sensor. This design uses the most mature strain torque measurement principle of torque measurement, and the production of gear type torque sensor.In order to signal transmission, the TLV2254 operational amplifier is used to amplify the voltage signal, and the signal is converted to digital signal by the 8 bit A/D converter A/D0832 to facilitate the processing of the digital signal.And selection of nRF2401 wireless signal transceiver chip for signal remote transmission, then in the LCD1602 liquid crystal display transmission and torque data, and through the RS232 serial port will the data transmission to the host computer. In the PC by LabVIEW software design data acquisition system, to achieve the display of the torque data, analysis and storage.

The system overcomes the defects of the wire transmission, making data transmission more convenient and stable. And the design of the gear type torque sensor can be used for measuring the torque of the, and can achieve the data real-time display and storage. After testing, the system has good anti-interference and stability, and has a high accuracy.

Key words:torque，Strain gauge，Singlechip.

目录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 扭矩测量的方法 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4 本课题的意义以及主要工作内容 3

1.5 预期目标 3

第二章 传感器的制作 4

2.1 齿轮的设计 4

2.1.1 齿轮的参数设计 4

2.1.2齿轮的材料选择 5

2.2 传感器的方案选择 6

2.3 电阻应变片的布置 7

2.3.1 应变片的工作原理 7

2.3.2扭矩测量理论分析 9

2.3.3 应变片的粘贴 10

2.3.4 电桥电路 11

第三章 硬件电路的设计 13

3.1 硬件电路的总体设计 13

3.2运算放大电路设计 13

3.3 A/D转换电路 15

3.4 LCD显示 17

3.5无线数据收发电路 18

第四章 软件系统的设计 22

4.1单片机驱动程序的编写 22

4.1.1主程序模块 22

4.1.2 LCD显示模块 24

4.1.3 数据处理模块 24

4.1.4串口通信模块 26

4.2 上位机程序的编写 27

4.2.1串口驱动设计 27

4.2.2程序设计 28

第五章 系统的静态标定及运行结果 30

5.1 系统的静态标定 30

5.2 系统的运行结果 31

第六章 结论与展望 34

6.1总结 34

6.2展望 34

参考文献 34

致谢 36

第一章 绪论

1.1 引言

扭矩这个参数在工业领域具有举足轻重的地位，就拿汽车领域来说，扭矩是汽车发动机的重要参数之一，它反映在汽车性能上，比如加速度、爬坡能力等。当今世界，机械领域发展迅速，高水平的产品设计离不开高精度的参数测量仪器。对于扭矩的测量而言更是这样。我们可以通过对扭矩的测量，监测整个系统的性能与安全性。但扭矩测量比其它力学量测量要复杂得多，所以，对与扭矩的测量也是现今工业领域的重点发展的对象。

对与扭矩的测量，扭矩传感器无疑是当今发展速度最快、前景最好、实用性最强的方法。扭矩传感器应用于很多领域，小到汽车发动机、柴油机、转向器、车身整体刚性扭转试验以及其他部件加工过程的控制和检测，大到石油开采和提炼过程控制和监测、火(水)力发电设备的监测、矿石筛选控制、风力发电设备的监测。总之，扭矩传感器是扭矩测量中不可缺少的一部分。它主要用来将采集到的扭力变为电信号，通过当今发展最为迅猛的智能仪器，对采样值进行处理，从而给人直观的扭矩参数的分析。如果传感器没有高的精度，那么无论你的系统之后的检测性能如何优越，也难以使得整个系统的性能优越^[1]。因此，如何提高扭矩传感器的精度也是一个亟待解决的问题。

1.2 扭矩测量的方法

扭矩能够使被其作用的物体发生一定程度的应变。因此扭转力矩又被称为转动力矩。目前业内公认的扭矩测量方法有三种，分别是传递法、能量转换法、平衡力法。

在力学领域里作用力和反作用力始终是同时存在的，他们不可能孤立开来。那么对于扭矩也一样。扭力所产生的扭矩在匀速运动的轴上始终存在着一对大小相等且方向相反的扭矩。在实际操作时，可以利用，利用自己可以设计的力臂长度，同时利用标称的重物，利用其重力作为力臂上的作用力，因此可以得到机体上的扭矩值。它的有点事原理简单，便于操作；缺点是测量对象只能是静止或匀速运动状态的物体，无法完成动态扭矩的测量。

能量转换法是指根据能量守恒定律，其直接测量对象并不是扭矩，而是对扭矩作用而产生的能量进行直接测量（如温度，光强）。这种方法用途非常窄，其并且测量误差比其他方法高很多，只有在特定条件下才使用这种方法（无法直接测量）。

传递法是利用在传递扭矩是一些物理参数会发生相应变化，可以理通对于其他物理参数的测量，再根据其与扭矩相应的关系，从而得出所需要的扭矩值。按照不同的物理参数，可将传递法分为通过不同物理参数测量扭矩的方法，比如：应变型、磁弹型等。传递法是目前扭矩测量领域最常用的方法^[2]。