摘 要：针对工业传动轴转矩研究的要求，设计了一种基于STC12C5A60S2单片机技术、结合AD7705模数转换器数据采集及nRF24L01无线模块进行数据通信的有转矩实时检测与数据分析的系统。系统的检测模块安装于传动轴上，通过无线模块将检测信息传送至接收模块，接收模块再把数据传送至上位机进行转矩实时监控与数据分析。给出了系统硬件设计的原理电路及软件设计的程序流程图，同时给出了系统的上位机操作界面，系统运行良好，具有较好的应用性和可移植性。
关键词：工业传动轴；转矩；实时监控；数据分析

　在机械传动系统中，转矩是反映机械设备性能的最典型的参数之一，是维护设备安全、控制设备高效工作、研究设备运动性能等工作中重要的参数，而这一参数主要体现在传动轴上。由于工业传动轴的不可破坏与拆装以及工作时连续旋转的特性，故传感器不允许改变传动轴的结构，同时传感器须结合无线装置。如果工业现场环境恶劣干扰信号强，则还要对检测信号和数据进行模拟和数字信号处理。随着计算机技术的发展，应用计算机软件收集、管理数据并进行可视化分析将为维护人员的工作提供极大的帮助，也能为研究人员提供科学有效的实时数据。本研究应这一需求，设计了一套具有传动轴转矩实时检测、监控和数据分析功能的系统。数据采集模块具有精度高、量程大、体积小的特点，通过基于nRF24L01无线电路把采集的数据传至数据监测与传送模块实现简单检测功能，最后数据通过串口传输至上位机，利用虚拟仪器LabVIEW软件实现数据分析与全面的数据监控。
1 金属丝电阻式全桥应变检测原理
　目前有各种转矩检测的方法，包括接触式检测方法（如电阻式应变片检测方法）和非接触式检测方法（如光学、光电子学、磁学、电磁学检测和其他各种相位数字检测方法等）[1]。
　本系统采用金属丝电阻式应变片进行转矩检测。其检测原理是将电阻应变片作为传感元件，利用粘合剂将其粘贴在被测构件上，当构件受力发生形变时应变片的敏感栅会随其产生等量形变，从而引起应变片电阻值发生变化，打破全桥测力电路平衡，输出电压?驻U，可以间接计算传动轴所受转矩。通过物理推导可得：




　接收监控系统的程序主要包括：12864液晶驱动程序、nRF4L01通信芯片驱动程序、矩阵键盘扫描驱动程序、RS232标准的串行数据通信程序以及一套单任务的嵌入式实时操作系统程序。操作系统程序中包括了人机交互式界面、实时数据管理和刷新显示界面和上位机实时通信界面。将采样数据发送至上位机，有利于进行实时监控。此外系统包含转矩报警程序，即一旦超过设定值将立刻报警，提醒工作人员进行保护操作。
3.1.1 系统人机交互界面

　接收监控系统启动以后，用实时刷新的扫描算法，通过矩阵键盘输入转矩的保护值、安全设定值以及复位信息等，相当于人工设定数字的参考量，设置完毕后进入系统进行实时监控、误差比较和报警，使整套系统按照给定值安全地运行。
3.1.2 智能化设计
　根据不同的电阻应变片配置合适的输入电压U可以最大限度地提高检测精度，然而根据式（1），当输入电压U改变时，转矩计算公式需要调整。本系统通过单片机空余A/D口采集电桥输入电压值，与先前电桥输入电压值进行对比，然后判断是否改变转矩计算公式。这样的智能化设计避免了繁琐的修改程序过程。
此外，环境温度t对应变片的所有性能都有显著的影响[4]。虽然全桥结构的应变片检测电路可以消除由环境温度引起的虚假输出，但是温度变化依然会影响应变片的检测性能，从而造成误差。如果使用温度自补偿的电阻应变片，可以很好地解决温度漂移问题。如果电阻应变片不具有自补偿功能，则使用金属丝电阻应变片时把阻值近似为与温度t的函数关系：
　R（t）=R0[1+α（t-t0）] （4）
式中，R0为参考温度t0（通常=0℃）时的阻值；α为正温度系数[5]。
3.2 上位机实时监控界面
　采用LabVIEW软件设计了具有实时检测功能和数据分析功能的上位机系统具有界面友好简洁的特点，上位机以串口通信与下位机相连，通过调用串口传送的数据，及时接收下位机发送来的数据并实时更新再经过处理绘制成转矩与时间同步的曲线[6]，从而传动轴应力得以形象化地显示在上位机界面。
上位机数据分析界面提供了数字滤波器，可对滤波算法、采样点数、截止频率进行自由设定，从而消除检测过程中的高频噪声的干扰，保留有效的低频转矩信号。系统底层程序采用LabVIEW的底层数字滤波模块，通过数字信号处理算法对采集的信号进行滤波。值得一提的是，数字滤波可以应对消除不同干扰的需要灵活设计滤波算法，这远比采用模拟滤波器要优越。
　本文完成了单片机系统的硬件设计、制作、调试，完成了单片机控制程序设计、调试以及上位机监控系统程序设计调试，模拟转矩实验中取得了良好的效果。通过上位机系统监控传动轴的应力，并对转矩数据进行分析，适用于传动轴保护工作和运动系统研究工作，系统具有良好的可移植性和一定的自适应性。值得一提的是该项目是应湘潭钢铁集团有限公司的需求而立项，检测转矩量程高达1.2×106 N·M，一直是国内外待解决的难题。
参考文献
[1] 朱春梅，王朝霞.基于单片机的转矩测量技术研究[J].新技术新工艺·数字技术与机械加工工艺装备，2008（9）：47-49.
[2] 胡新华，戴索江，俞冬丽.STC12C5A60S2单片机在可控电动扳手控制器中的应用[J].微型机与应用，2010，29（16）.
[3] 刘丽霞.车辆转矩与转速测量系统[J].仪表技术与传感器，2010（7）：89-91.
[4] 尹福炎.电阻应变片的温度自补偿及其他[J].称重知识，2009，38（9）：40-44.
[5] 潘永湘，杨延西，赵跃.过程控制与自动化仪表（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2011.
[6] 王涛.基于虚拟仪器技术的发动机功率于转矩的测量[J].科技信息，2010（20）：76.