摘 要

我国经济社会的不断发展，科技水平的不断进步，综合实力的逐渐增强，使得城市化的进程加快，公路交通事业发展迅速。越来越多的家庭选择以汽车作为出行工具，而等速万向节作为汽车的重要零部件，其对汽车的性能有着直接的影响。本文从实际应用的角度出发，根据单片机和硬件电路等内容，设计出了基于单片机的汽车等速万向节的静强度试验台。汽车等速万向节的静强度试验分为等速万向节转动时的扭角测量和扭矩测量，其中的扭角测量部分是通过等速万向节转动带动光电编码器转动并直接输出信号到单片机中，并在LCD液晶屏中显示实现的，扭角测量精度可达到一度；其中的扭矩测量部分是通过等速万向节转动带动扭矩传感器转动并输出扭矩信号，先后经过三运放高共模抑制比放大电路、同相比例放大电路、二阶RC无源低通滤波电路后输入到单片机中，最终在LCD液晶屏中显示实现的，扭矩测量分辨率可达到0.80N·m。本测控设计系统可以简单方便地实现等速万向节转动时扭角和扭矩的测量，但在精度方面仍需要进一步提高。

关键词：等速万向节；光电编码器；扭矩传感器；单片机

Abstract

China's economic and social development, the continuous progress of science and technology, the gradual increase of the comprehensive strength accelerate the process of urbanization and development of highway transportation. More and more families choose to take the car as a means of travel, and the constant velocity universal joint as an important part of the car, which has a direct impact on the performance of the car. based on the practical application point of view, the paper explain the design of the static strength test bench of the car based on MCU according to the contents of the MCU and hardware circuit. The static strength test of automotive constant velocity universal joint is divided into the torsional angle measuring and measurement of torque,the torsional angle measuring part is driven by the rotation of the photoelectric encoder to direct output signal to the MCU when rotating constant speed universal joint, and display the data in the LCD screen , torsion angle measurement accuracy can be achieved one degree; the torque measurement part is through rotating torque sensor and output torque signal to three op amp high CMRR amplifier circuit,amplifier circuit, phase ratio of two order RC passive low-pass filter circuit ,then the signal is delivered to the MCU and display in the LCD screen through the rotation of the photoelectric encoder, the resolution of torque measurement can reach 0.80N·m.This measurement and control system can be simple and easy to realize the measurement of torque and twist angle of constant velocity joint, but it still needs further improvement in precision.

Key words:constant velocity universal joint; photoelectric encoder; torque

sensor; mcu

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外现状分析 2

1.3 方案选择 3

1.4 论文的主要内容 6

第2章 系统总体设计 8

2.1系统功能描述 8

2.2总体设计框图 8

2.3总体功能模块 9

第3章 功能模块设计 11

3.1 传感器的选择 11

3.1.1 光电编码器工作原理 12

3.1.2 扭矩传感器工作原理 13

3.2信号放大电路的选择 15

3.2.1三运放高共模抑制比放大电路 16

3.2.2同相比例放大器 17

3.3 滤波电路的选择 18

3.4 AD转换模块 19

3.4.1 ADC0804的引脚连接方式 20

3.4.2 ADC0804的工作原理 21

3.4.3 AD转换程序 22

3.5 LCD液晶显示 24

3.5.1 LCD1602的硬件接口介绍 24

3.5.2 LCD1602的读写时序介绍 26

第4章 现象描述 30

第5章 精度分析 30

第6章 硬件成本核算 32

第7章 总结 33

7.1全文总结 34

7.2研究展望 35

参考文献 36

致谢 38

第1章 绪论

我国经济社会的不断发展，科技水平的不断进步，综合实力的逐渐增强，使得城市化的进程加快，公路交通事业发展迅速。汽车作为城市交通的重要工具，同时汽车行业也是国家收入来源的重要方面，所以我国非常重视国内汽车行业的发展，而等速万向节作为汽车的重要零部件，对汽车性能的好坏有着直接的影响，因此研究汽车等速万向节静强度对促进国产汽车性能的提高以及国内汽车行业的发展具有重要意义。

1.1 研究目的及意义

等速万向节是汽车发动机和驱动车轮之间的动力传动装置，是把两个轴线不重合的轴连接起来，并使两轴以相同的角速度传递运动的机构，是汽车传动系统的重要部件。等速万向节可以将发动机的动力从变速器传递到汽车的驱动轮上，将发动机的动力平稳、可靠的传递给车轮，从而可以保证汽车在各种行驶条件下所必须的牵引力与车速。该零件的好坏，直接影响到汽车驾驶的振动、噪声、安全性、平稳性和舒适性等方面^[1]。汽车等速万向节实际外形如图1.1所示。

图1.1 汽车等速万向节实际外形

等速万向节有着严格的质量保证要求，其中的多项性能的指标是其质量保证的基本要求。等速万向节的性能状态是通过摆角、位移、摆动力矩、启动力矩、轴向间隙、圆周间隙、滑动力等参数来衡量的。最近几年随着试验技术，可靠性技术，计算机技术，还有数字信号处理技术和现代控制理论的发展和成熟，形成了等速万向节性能试验的计算机辅助试验的技术，而传统的仪器和人工的性能试验方法则慢慢被淘汰。

我国在“八五”后就开始注重轿车的发展了，等速万向节作为汽车的一个关键零部件，其试验技术的提高对汽车行业的发展有促进作用。但是由于起步比较晚，与国外相比，不管是产品设计还是制造技术都存在着一定差距，而且现有的试验手段与国际试验标准难以接轨。到目前为止，在我国虽然有试验等速万向节性能的国家标准，但是不同的制造厂家在生产时大多数都是根据需要进行一项或多项指标的试验，所依据的性能指标和内容也不尽相同，而且检测方法落后，试验效率和试验自动化程度都比较低。随着经济的快速地发展，汽车制造及零部件的制造公司的用户越来越追求更高的动力输出，机械效率和耐用性，同时还追求一种能被固定记录成检测数据的价值，现在许多企业已经把试验当做一项标准，对试验设备的需求愈加强烈，因此生产厂家急切需要一套现代化的检测装置，以便于企业能随时进行质量试验和控制，确立系统化的质量标准，使得产品能够适应激烈的市场竞争，所以在这方面开发和创新是十分有必要和有意义的^[2]。

1.2 国内外现状分析

在60年代初期，德国的GKN设计和制作了试验等速万向节静强度的试验机，在一次安装之后就可以连续地测试，由于这种试验设备设计很精巧，所以直到现在仍在使用中。这种试验台有一个显著的特点，就是在一次装夹之后就可以进行多项功能的试验，但是这种试验过程必须要经过许多次手工操作分别完成，并且得到的数据需要人为记录，影响了试验效率的进一步的提高。计算机的出现使得产品试验技术得到了快速的发展。在计算机的控制下，试验参数的设置，试验数据的采集，处理数据的记录，试验结果输出等这些麻烦的操作很轻松地实现自动化，从而试验效率和试验精度将会得到大大的提高，且传动的质量更好地得到了保证，同时产品的市场竞争力也得到了增强，也节约了大量的人力、物力和财力。

从国内等速万向节的发展状况来看，许多元件制造商和研究机构已经研究出来了许多性能良好、功能强大的试验台，像刘温增的BSW40型等速万向节摆角摆矩试验仪；杨可森的万向节扭矩性能在线试验仪；丁国清的转向管柱万向节微小摆动扭矩测量系统；陈敏贤的汽车等速节传动轴的八功能测试台等等^[3]。

本次设计采用的是基于单片机的对汽车等速万向节静强度试验台的测控系统设计，其原因在于：

1. 单片机在几十年间的发展过程中技术已经相对成熟而且强大，同时也是十分安全可靠的，所以可以运用单片机和传感器结合的方法来解决相对应的测试问题。

（2)单片机相对于其他检测设备而言，其相对廉价，体积较小而且效率很高，运用单片机的技术来对汽车等速万向节静强度试验台进行测控系统设计是一种节约成本的方式。

1.3 方案选择

在本次设计中，为了实现对于汽车等速万向节静强度试验台的测控系统设计，一共有两种设计方案。以下分别是两种设计方案的内容。

方案一：

方案一是基于单片机的汽车等速万向节静强度试验台测控系统设计，原理框图如图1.2所示。首先由单片机驱动步进电机转动，步进电机转动时带动等速万向节转动^[4]，也同时带动与等速万向节通过联轴器相连接的光电编码器和扭矩传感器旋转。光电编码器的码盘旋转时，其输出信号线AB相分别发出相位相差90°的连续的矩形脉冲，并输入到单片机中，通过编写相应的单片机程序，单片机可以根据AB相脉冲相位超前滞后关系判断光电正反转关系，即等速万向节的扭转方向，例如：如果A相脉冲超前B相脉冲90度，表明等速万向节为正转，如果B相脉冲超前A相脉冲90度，则表明等速万向节为正转。每个脉冲经过的角度为一定角度，而通过计算正转或反转经过的脉冲数，可以得到等速万向节正转或反转的角度，并在LCD液晶屏中显示旋转的正反方向以及角度。扭矩传感器旋转时，扭矩传感器输出线会输出一个模拟电压信号，经过电压放大电路和滤波电路再经过A/D转换电路变为数字信号，输入到单片机中，根据扭矩传感器输出电压和所测量的扭矩的对应关系，可以得到等速万向节旋转时的扭矩值，并在LCD液晶屏中显示扭矩值的大小。

图1.2 基于单片机的汽车等速万向节静强度试验台测控系统设计

方案二：

方案二是基于工控机的汽车等速万向节静强度试验台测控系统设计^[5]，原理框图如图1.3所示。首先工控机与电源连接提供驱动电压，通过驱动放大器进行电压放大并驱动电机转动，同时也带动等速万向节转动，与等速万向节通过联轴器相连接的角位移传感器和拉压力传感器的转轴也相应转动，角位移传感器输出方波脉冲信号到扭角测试组件，扭角测试组件可以根据角位移传感器的输出信号算出扭角的大小，然后扭角测量组件再将扭角值传递到扭角输出器中，最后扭角输出器再将信号传递到工控机中，并在工控机中的上位机中显示出来。同时等速万向节转动也带动拉压力传感器，拉压力传感器感受到拉压力并输出电压信号并传递到拉压力放大器中，扭矩测量组件能根据拉压力传感器的输出值和固定的力臂长度得到扭矩数值，并通过扭矩输出器传递到工控机中，最后将扭矩值在上位机中显示出来。

图1.3 基于工控机的汽车等速万向节静强度试验台测控系统设计

在经过分析和比较之后，本论文最终选择了方案一，原因如下：

1、在方案二中的控制系统用的工控机，在工控机中如果要增加一个功能就要重新设计对应的程序，而且工控机的编程方式也相对比较复杂，这样就会增加工程的开发周期。方案一中控制系统用的单片机，而对于功能已经熟知了解的单片机而言，用单片机自行设计和调试功能无疑会更加方便。

2、在方案一中测量扭转角度使用的是光电编码器，方案二中测量扭转角度使用的是角位移传感器，在精度比较上来说，方案一的精度更高。