基于zj型传感器的转矩转速测量仪研制.doc

安徽工程科技学院毕业设计（论文）- 1 -引 言转矩和转速是电机最重要的两个参数,要合理地选用电机,必须要准确地对转矩和转速进行测量而且转矩转速的测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全或优化控制等工作中所必不可少的内容转矩转速测量仪器是科研部门和工业生产过程中必备的测试工具因而研制出一种数字式、高精度的转矩转速测量仪具有非常现实的意义在以往的转矩和转速测量中,通常将电机与传感器和负载直接连接起来,这种方法构成的电机转矩转速测量仪具有结构简单,测量平稳等优点但是其结构庞大、能耗大、价格昂贵且测量误差大，如果测量各种大转矩电机,需要加大负载,将导致测量仪体积和重量增加,且受旋转轴固有频率的影响,不适于测量高速电机为此，本次设计以ZJ型传感器为基础，以单片机为核心设计了一款数字化高精度转矩转速测量仪本次设计的转矩转速测量仪可以对各种电机进行测量，转矩的测量范围预计可达到 0~500.0Nm，转速的测量范围可达到 0~6000 转 /min本测量仪具有测量范围广、精度高等特点现在的测量仪正在朝着高精度、宽测量范围、小体积、低价格等方向发展在这样的背景下，可以说本测量仪在转矩转速测量领域里具有很强的实用性和广阔的发展前景。

李冬：基于 ZJ 型传感器的转矩转速测量仪研制- 2 -第 1 章 绪 论1.1 课题背景及理论与实际意义随着生产和科学技术的迅速发展，测量和试验技术——作为涉及多种学科的综合科学技术，正在形成独立的学科体系转矩和转速是工业生产过程中的两个重要参数，为了保证生产正常进行，必须对转矩和转速进行检测和控制转矩转速的测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全或优化控制等工作中所必不可少的内容例如在各种发动机的研制和调试过程中，需要知道发动机的性能是否满足要求以及是否正常运行，这就需要对转矩和转速进行测量其次，在各种电机的运行过程中往往需要设置一个转矩转速的上限值，以确保电机的安全运行，通过对转矩和转速的测量，当超过上限值时发出报警信号测量转矩转速的传感器、仪器和装置已成为科研单位、院校、工厂实验室或检验部门的必备测试工具；也是电子计算机控制的生产或试验系统中提供转矩转速信息所必需的组成部分在现代化测量仪中，数字显示仪表得到了迅速发展这种仪表有读数直观，信号可以原传或遥传，不容易受到干扰；测量准确度高；测量结果便于自动纪录，或输入到电子计算机中进行数据处理等等优点。

数字转矩转速测量仪表在现代科学试验工作中的应用日益广泛伴随数字时代的到来，以单片机为核心的微型测控系统获得了飞速发展，现已应用于生产生活的各个方面，并且快速取代了传统的同类产品对于大多数转矩转速测量系统而言，运行稳定可靠、操作灵活简便、节省时间、性能价格比高、扩展兼容性强和易于维护是基本的要求，然而对于大多数企业用户来说,精度和实时性并不像实验室要求那么高，中等精度的转矩转速测量系统已基本能满足使用上的要求1.2 课题的发展状况在人们的日常生产和生活中，转矩转速的测量是随处可见的，小到微型轴承、录音机、缝纫机、洗衣机，大到汽车发动机、机床主轴、舰船推进器、飞机发动机等等，都需要测量转矩转速值随着生产生活要求的提高，传统的低精度测量仪器已不能满足人们的需要，现在的测量仪正在朝着高精度、宽测量范围、小体积、低价格等方向发展单片机的出现使科技发展跃进了一大步，它在家用电器及工业上的用途更为广泛，采用单片机进行控制,可以使转矩转速测量仪的控制更准确、灵活、直观，它使转矩转速测量仪电路设计更为简易，而且实现了非人工调节性能数字时代的到来更为这些科技产品带来了更为有效、准确的数字信息总之，现代的转矩转速测量仪是结合了前沿科技于一体的产物。

在现代社会的生产和生活中，对转矩和转速测量的精度提出越来越高的要求，传统的测量仪表，由于自身的诸多缺陷，逐渐被高精度的数字式测量仪所取代，而由单片机系统组成的高精度数字式测量仪的核心部件之一——传感器又显得特别重要人们已经相继研制出了多种类型的转矩转速传感器，如 ZJ 型传感器、WS-1 型智能传感器和 CZ 型传感器等1.3 本课题的来源及设计要求和主要内容本课题来源于明光市消防器材厂消防车的转矩转速的测量安徽工程科技学院毕业设计（论文）- 3 -目前市场上的转矩转速测量仪器很多，既有传统的机械类产品，也有现代的高精度多功能产品，后者主要是基于现代单片机系统而设计的，本次设计的转矩转速测量仪就是基于 AT89C52 单片机系统研制而成的其中涉及了传感器技术，看门狗 X5045保护电路，AT89C52 单片机应用系统，ZLG7289 显示驱动及键盘扫描管理等多个环节本次设计要求及主要内容有： 转矩的测量范围是 0-500.0Nm，转速的测量范围是 0-6000 转/min  以 ZJ 型传感器为对象，配合信号调理电路的研究与设计 单片机存储和测控电路的设计 看门狗电路的设计  串行通信电路的设计。

 键盘输入和 LED 显示电路的设计 基于汇编语言的程序设计 李冬：基于 ZJ 型传感器的转矩转速测量仪研制- 4 -第 2 章 总体方案论证近年来，随着电子测量技术的迅速发展，信号的相位测量方法也日趋完善利用相位测量原理制成的相位转矩转速测量仪，也得到了很广泛的应用本次设计采用的ZJ 传感器就是采用磁电转换-相位差原理制成的为了把转矩和转速信息能够准确地从电机中提取出来,通常是由传感器将被测信息转换为电信号,并对电信号存储、传输、分析计算,最终显示测量结果传感器是整个测量仪器的核心,对传感器的选择必须合理,并保证能够在一定的工作环境下正常地工作电机转矩的测量方法可分为传递法、平衡力法及能量转化法平衡力法是通过外加已知的与被测转矩方向相反的转矩,当传动轴静止或匀速转动时,外加转矩与被测转矩相等这种方法简单,但必须通过另外一种方法测量外加的转矩或力及力臂,这样会对测量引入一定的累计误差能量转化法是通过利用能量守恒的原理间接测量转矩,不易实现传递法是将被测转矩传递到弹性元件上,根据弹性元件物理参数的变化来测量转矩的方法变化的参数可以是变形、应力、或应变等,使用的弹性元件是扭轴电机主轴旋转时 , 将转矩传递到扭轴上 , 扭轴上所产生的应变 ,通过转矩传感器的电阻应变片转换成相应的电信号 ,该信号通过处理后送显示器显示转矩数值。

本次设计采用的ZJ传感器是采用磁电转换-相位差原理，将转矩转速信号转换为两路有一定相位差的电信号系统设计框图如图2-1所示输入部分由通道1、2及鉴相器构成通道1、2分别是由LM258和LM339构成的放大比较电路，来自ZJ型传感器的两路电信号送入仪器的通道1和通道2，经过放大比较转换为矩形波，并将两路矩形波信号同时送入鉴相器鉴相器采用与门电路，其功能是检测两路矩形波信号的相位差，并产生一连串宽度与相位差成正比的脉冲控制部分的核心是微处理器，信号送入单片机进行处理，在单片机中处理运算后得到转矩转速测量值，送入7289显示驱动芯片，最后在LED中显示此外在电路中还加入了看门狗保护电路微处理器 显示信号 2 通道 2鉴相器信号 1 通道 1图 2-1 系统设计框图对于测量周期信号和相位差信号，有两种方案可供选择 第一种方案是利用测频的方法由于周期信号频率较小，不易于测量，容易导致测量结果误差较大，因此这个方案不加采用第二种方案是利用测周的方法对于本次设计原理，测周的方法易于实现，而且测量结果精确度高，系统也较简单，因此采用此方案安徽工程科技学院毕业设计（论文）- 5 -AT89C52单片机ZLG7289显示接口看门狗X5045LED 显示MAX485串行通信测转矩测转速鉴相器传感器信号 1传感器信号 2LM258放 大LM258放 大LM339比较器LM339比较器第 3 章 硬件电路设计3.1 硬件电路总体结构及工作原理1.硬件电路总体结构本次设计是基于 ZJ 型传感器的转矩转速测量仪，主要由输入、控制、显示输出三部分组成。

输入部分是由 LM258 构成的放大电路、LM339 比较器构成的模/数转换电路和采用与门电路的鉴相器三部分组成，另外为了使系统更加稳定加入了简单的 RC滤波电路和二极管保护电路控制部分是以 AT89C52 单片机为核心，外加看门狗X5045 保护电路和 MAX485 串行通信电路构成显示输出部分是以 ZLG7289 为驱动的LED 数码管显示电路电路总体结构框图如图 3-1 所示图 3-1 硬件电路总体结构图2.硬件电路的工作原理本次设计的转矩转速测量仪是采用相位差原理研制而成通过 ZJ 传感器将电机的转矩、转速机械量转换成两路有一定相位差的电压信号，经过 LM258 放大以后达到易于测量的大小，将经放大的信号送入由 LM339 比较器构成的模/数转换电路，将模拟信号转换成适于单片机处理的 TTL 电平根据转矩测量公式，对于转矩的测量是通过测量两路信号的相位差，按照公式 3-1计算出转矩的值测量相位差的具体方法是当计数从全为“1”翻转为全“0”时，定时器中断标志位 TFn 置位当 TRn=1 同时 GATE=0 或 INTn=0 时定时器计数，置位GATE 时允许由外部输入 INTn 控制定时器，TRn 为 TCON 寄存器内的控制位。

李冬：基于 ZJ 型传感器的转矩转速测量仪研制- 6 -转矩测量公式：（式 3-1）12R5FT=其中 R 为传感器额定转矩，F 为传感器系数，T 1 为两信号过零点之间的相位差，T2 为信号的周期根据转速测量公式，对于转速的测量是通过测量一定时间内输入信号的脉冲数，然后按照公式 3-2 计算出转速的值转速测量公式：（式 3-2）60CN=TP其中 P 为传感器齿数， T 为规定的测量时间，C 为在 T 时间内输入的脉冲数测得的各种信号值完成公式的计算，都是在单片机 AT89C52 中通过软件来实现的，最终将计算出的值送入显示部分ZLG7289 是显示接口芯片，通过它来驱动 LED 数码管，把转矩转速的测量值显示出来由于需要分别显示转矩和转速的测量值，本次设计需要两组 8 位 LED 数码管电路中加入的看门狗 X5045 是起保护和复位的作用，当转矩转速值超过一定的上限值，或者系统电压不稳定时，它会自动的发出复位信号，使整个系统复位生产中我们不仅要测量转矩转速值，而且要利用这些值对我们的生产过程进行控制，因此在设计中利用 RS-485 串行通信的方式，把测量值送入计算机进行分析处理，从而控制生产过程。

由于 TTL 电平的逻辑与 RS-485 总线标准不匹配，因此电路中使用了 MAX-485 接口芯片，对 TTL 电平进行转换，使其符合 RS-485 总线逻辑3.2 ZJ 传感器的结构及工作原理1. ZJ 型传感器的结构ZJ 型转矩转速传感器是根据磁电转换和相位差原理，将转矩、转速机械量转换成两路有一定相位差电压讯号的一种精密仪器，图 3-2 为传感器的结构示意图，它由机座、端盖、扭力轴、内齿轮、外齿轮、磁钢、线圈轴承等组成内齿轮、磁钢固定在套筒上，线圈固定在端盖上，外齿轮固定在扭力轴上安徽工程科技学院毕业设计（论文）- 7 -图 3-2 ZJ 型传感器的结构示意图2. ZJ 型传感器的工作原理内、外信号齿轮由铁磁材料制成，而磁钢是永久磁体制造的从永久磁钢经气隙、信号齿轮再到永久磁钢，形成了闭合回路当内、外齿轮旋转时，磁钢与齿顶、齿谷间的气隙发生改变，即磁路中的磁阻发生改变，而永磁体的磁动势一定，据磁路的欧姆定律知线圈中的磁通必然发生变化据电磁感应定律可知，线圈中也要相应的产生近似正弦波的感应电动势 e1,e2.两感应电动势的初始相位差 Φ是恒定的，考虑到正、反加载，一般设计在 180 度位置上，当加上扭力时，扭力轴发生扭转变形，外齿轮和内齿轮间产生相对转角 θ，从而两感应电。