工業(yè)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)檢測與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 針對工業(yè)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩研究的要求，設(shè)計(jì)了一種基于STC12C5A60S2單片機(jī)技術(shù)、結(jié)合AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集及nRF24L01無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的有轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)檢測與數(shù)據(jù)分析的系統(tǒng)。系統(tǒng)的檢測模塊安裝于傳動(dòng)軸上，通過無線模塊將檢測信息傳送至接收模塊，接收模塊再把數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析。給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的原理電路及軟件設(shè)計(jì)的程序流程圖，同時(shí)給出了系統(tǒng)的上位機(jī)操作界面，系統(tǒng)運(yùn)行良好，具有較好的應(yīng)用性和可移植性。
關(guān)鍵詞： 工業(yè)傳動(dòng)軸；轉(zhuǎn)矩；實(shí)時(shí)監(jiān)控；數(shù)據(jù)分析

　在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩是反映機(jī)械設(shè)備性能的最典型的參數(shù)之一，是維護(hù)設(shè)備安全、控制設(shè)備高效工作、研究設(shè)備運(yùn)動(dòng)性能等工作中重要的參數(shù)，而這一參數(shù)主要體現(xiàn)在傳動(dòng)軸上。由于工業(yè)傳動(dòng)軸的不可破壞與拆裝以及工作時(shí)連續(xù)旋轉(zhuǎn)的特性，故傳感器不允許改變傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)，同時(shí)傳感器須結(jié)合無線裝置。如果工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣干擾信號強(qiáng)，則還要對檢測信號和數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬和數(shù)字信號處理。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件收集、管理數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化分析將為維護(hù)人員的工作提供極大的幫助，也能為研究人員提供科學(xué)有效的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。本研究應(yīng)這一需求，設(shè)計(jì)了一套具有傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)檢測、監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析功能的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集模塊具有精度高、量程大、體積小的特點(diǎn)，通過基于nRF24L01無線電路把采集的數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)監(jiān)測與傳送模塊實(shí)現(xiàn)簡單檢測功能，最后數(shù)據(jù)通過串口傳輸至上位機(jī)，利用虛擬儀器LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與全面的數(shù)據(jù)監(jiān)控。
1 金屬絲電阻式全橋應(yīng)變檢測原理
　目前有各種轉(zhuǎn)矩檢測的方法，包括接觸式檢測方法（如電阻式應(yīng)變片檢測方法）和非接觸式檢測方法（如光學(xué)、光電子學(xué)、磁學(xué)、電磁學(xué)檢測和其他各種相位數(shù)字檢測方法等）[1]。
　本系統(tǒng)采用金屬絲電阻式應(yīng)變片進(jìn)行轉(zhuǎn)矩檢測。其檢測原理是將電阻應(yīng)變片作為傳感元件，利用粘合劑將其粘貼在被測構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件受力發(fā)生形變時(shí)應(yīng)變片的敏感柵會(huì)隨其產(chǎn)生等量形變，從而引起應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化，打破全橋測力電路平衡，輸出電壓?駐U，可以間接計(jì)算傳動(dòng)軸所受轉(zhuǎn)矩。通過物理推導(dǎo)可得：




　接收監(jiān)控系統(tǒng)的程序主要包括：12864液晶驅(qū)動(dòng)程序、nRF4L01通信芯片驅(qū)動(dòng)程序、矩陣鍵盤掃描驅(qū)動(dòng)程序、RS232標(biāo)準(zhǔn)的串行數(shù)據(jù)通信程序以及一套單任務(wù)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)程序。操作系統(tǒng)程序中包括了人機(jī)交互式界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理和刷新顯示界面和上位機(jī)實(shí)時(shí)通信界面。將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，有利于進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)矩報(bào)警程序，即一旦超過設(shè)定值將立刻報(bào)警，提醒工作人員進(jìn)行保護(hù)操作。
3.1.1 系統(tǒng)人機(jī)交互界面