0 引言
    電動(dòng)機(jī)及機(jī)械動(dòng)力裝置旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性是電動(dòng)機(jī)及機(jī)械動(dòng)力裝置的一項(xiàng)重要參數(shù),，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線的形狀及曲線中的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、最小轉(zhuǎn)矩,、最大轉(zhuǎn)矩等參數(shù),，往往是衡量一臺(tái)電動(dòng)機(jī)或機(jī)械動(dòng)力裝置能否順利起動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，因此,，研制一種數(shù)字式,、高精度、便攜式的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x器,，具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。
    傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩測(cè)試,，通常是采用電阻應(yīng)變橋來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)矩信號(hào)并借助于導(dǎo)電滑環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)電阻應(yīng)變橋能源的輸入及應(yīng)變信號(hào)的輸出,，但是，由于被測(cè)軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生顫振,，使接觸點(diǎn)處的接觸電阻發(fā)生變化,，從而使測(cè)量誤差增大。此外,，導(dǎo)電滑環(huán)屬于摩擦接觸,，也不可避免地存在磨損及發(fā)熱，因而限制了旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命,。
    為了更好地測(cè)量電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,，控制和調(diào)整電機(jī)，本文選用JN338數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的測(cè)量,，并以數(shù)字量的形式送入以AT89C52單片機(jī)為核心構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng),。由于JN338傳感器采用兩組帶間隙的特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器來(lái)承擔(dān)應(yīng)變橋能源輸入及信號(hào)輸出任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)能源及信號(hào)的無(wú)接觸傳遞,，因此提高了轉(zhuǎn)矩測(cè)量的精度及可靠性,。此外，該傳感器還可同時(shí)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的測(cè)量,，并方便地計(jì)算出軸的輸出功率,，因此，利用該傳感器可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩,、轉(zhuǎn)速及軸功率的多參數(shù)輸出,。本測(cè)量?jī)x還可完成轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速,、軸輸出功率的測(cè)量及報(bào)警值設(shè)定,，測(cè)量周期設(shè)定及傳感器調(diào)零設(shè)定，同時(shí)還可將測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)RS232口傳送到上位計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理,、分析和對(duì)比,。

1 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量原理
    用JN338數(shù)字轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩信號(hào)的傳遞,，而與旋轉(zhuǎn)無(wú)關(guān),，也與轉(zhuǎn)速大小和旋轉(zhuǎn)方向無(wú)關(guān)。該傳感器既可以測(cè)量靜態(tài)轉(zhuǎn)矩,，又可以測(cè)量動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩,，它無(wú)需反復(fù)調(diào)零即可連續(xù)測(cè)量正反轉(zhuǎn)矩，并可高速長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,，而且檢測(cè)精度高,、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng),。此外,，傳感器的輸出信號(hào)以頻率量給出，也便于和微處理器,、單片機(jī)進(jìn)行接口,。
1．1 轉(zhuǎn)矩測(cè)量
    JN338轉(zhuǎn)矩傳感器的檢測(cè)敏感組件是電阻應(yīng)變橋。該應(yīng)變橋可以通過(guò)應(yīng)變膠將專(zhuān)用的測(cè)扭應(yīng)變片粘貼在被測(cè)彈性軸上,，從而組成應(yīng)變電橋,，這樣，只要向應(yīng)變電橋提供電源,，即可測(cè)得該彈性軸受扭的電信號(hào),，然后將該應(yīng)變信號(hào)放大，再經(jīng)過(guò)壓／頻轉(zhuǎn)換變成與扭應(yīng)變成正比的頻率信號(hào),。傳感器的能源輸入及信號(hào)輸出是由兩組帶間隙的特殊環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器承擔(dān)的,，因此，可實(shí)現(xiàn)能源及信號(hào)的無(wú)接觸傳遞,。該應(yīng)變傳感器的測(cè)量原理如圖1所示。

    由圖1可見(jiàn),，該傳感器是在一段特制的彈性軸上粘貼專(zhuān)用的測(cè)扭應(yīng)變片并組成電橋,，以形成基礎(chǔ)扭矩傳感器，然后在軸上再固定能源環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器的次級(jí)線圈,、軸上印刷電路板和信號(hào)環(huán)旋轉(zhuǎn)變壓器的初級(jí)線圈,。電路板上則包含整流穩(wěn)壓電源、儀表放大電路及V／F變換電路,。在傳感器的外殼上固定著激磁電路,、能源環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器的初級(jí)線圈、信號(hào)環(huán)形變壓器的次級(jí)線圈及信號(hào)處理電路。
    該傳感器電路在工作時(shí),，通常由外部電源向傳感器提供±15V電源,，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生的400 Hz的方波，經(jīng)過(guò)TDA2003功率放大后,，即可作為交流激磁功率電源,，然后通過(guò)能源環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器從靜止的初級(jí)線圈T1傳遞至旋轉(zhuǎn)的次級(jí)線圈T2，將得到的交流電源通過(guò)軸上的整流,、濾波電路處理后變成±5 V的直流電源,。再將該電源作為運(yùn)算放大器AD822的工作電源，并由基準(zhǔn)電源AD589與雙運(yùn)放AD822組成的高精度穩(wěn)壓后,，便可產(chǎn)生±4．5V的精密直流電源,。該電源既可作為應(yīng)變電橋的電源，又可作為儀表放大器及V／F轉(zhuǎn)換器的工作電源,。而當(dāng)彈性軸受扭時(shí),，應(yīng)變橋檢測(cè)到的mV級(jí)應(yīng)變信號(hào)通過(guò)儀表放大器AD620將其放大成1．5 V±1 V的強(qiáng)信號(hào)，再通過(guò)V／F轉(zhuǎn)換器LM33l變換成頻率信號(hào),。此信號(hào)可通過(guò)信號(hào)環(huán)形旋轉(zhuǎn)變壓器,，從旋轉(zhuǎn)軸傳遞至靜止的次級(jí)線圈，再經(jīng)過(guò)傳感器外殼上的信號(hào)處理電路進(jìn)行濾波,、整形,，即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號(hào)輸出。
    JN338轉(zhuǎn)矩傳感器信號(hào)輸出形式如下：
    零轉(zhuǎn)矩：10 kHz±50 Hz,；
    正向旋轉(zhuǎn)滿量程：15 kHz±50 Hz,；
    反向旋轉(zhuǎn)滿量程：5 kHz±50 Hz；
    信號(hào)幅值：0~8V,；
    負(fù)載電流：40mA,。

1．2 轉(zhuǎn)速測(cè)量
    轉(zhuǎn)矩傳感器在旋轉(zhuǎn)軸上安裝有60條齒縫的測(cè)速輪，同時(shí)在傳感器外殼上安裝有一只由發(fā)光二極管及光敏三極管組成的槽型光電開(kāi)關(guān)架,，測(cè)速輪的每一個(gè)齒將發(fā)光二極管的光線遮擋住時(shí),，光敏三極管就輸出一個(gè)高電平，而當(dāng)光線通過(guò)齒縫射到光敏管的窗口時(shí),，光敏管則輸出一個(gè)低電平,，這樣，旋轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈就可得到60個(gè)脈沖,。因此,，每秒鐘檢測(cè)到的脈沖數(shù)恰好等于每分鐘的轉(zhuǎn)速值。
1．3 測(cè)量方法
    為了完成轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速值的測(cè)量及顯示,，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)測(cè)頻法(M法),，即采用定時(shí)脈沖計(jì)數(shù)的方式來(lái)完成轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測(cè)量,。將轉(zhuǎn)矩信號(hào)送單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器T0，并將轉(zhuǎn)速信號(hào)送單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器T1,，以用于完成頻率信號(hào)的計(jì)數(shù),。然后在測(cè)量周期結(jié)束后，取出計(jì)數(shù)值,。再由測(cè)量周期和T0,、T1的計(jì)數(shù)值，并通過(guò)計(jì)算得出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速值,。
    由于JN338輸出的轉(zhuǎn)矩頻率值一般在5～15kHz之間,，因此，M法所固有的±l Hz計(jì)數(shù)器截?cái)嘟^對(duì)誤差可以忽略,，關(guān)鍵是要保證測(cè)量定時(shí)周期T的精度,。為提高T的精度，可采用外部擴(kuò)展硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的定時(shí)方法,，來(lái)得到精確的定時(shí)測(cè)量周期T,。此外，測(cè)量周期T的大小,，也將影響測(cè)量精度,，T值越大，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度就會(huì)越高,，穩(wěn)定性越好,，相應(yīng)的測(cè)量時(shí)間也會(huì)越長(zhǎng)。因此,，本系統(tǒng)的測(cè)量周期T可根據(jù)測(cè)量需要由鍵盤(pán)輸入,，取值范圍為200~2000 ms。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成
    由于JN338的輸出為頻率量數(shù)字信號(hào),，故該傳感器可方便地與計(jì)算機(jī)或單片機(jī)接口,。圖2給出了JN338與單片機(jī)AT89C52進(jìn)行接口構(gòu)成的智能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖?；蠥T89C52單片機(jī)是一種低功耗,、高性能、CMOS型微處理器,，其片內(nèi)含有8 kB的可反復(fù)擦寫(xiě)只讀程序存儲(chǔ)器和256B的RAM,。圖2中，JN338轉(zhuǎn)矩傳感器輸出的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)光耦隔離后送入單片機(jī)的TO,、T1計(jì)數(shù)器，然后由TO和Tl完成測(cè)頻計(jì)數(shù)功能,，秒脈沖閘門(mén)由T2提供,。其中光耦的作用,，一是電平轉(zhuǎn)換，即把轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成TTL電平,，二是提高單片機(jī)的抗干擾能力和保護(hù)單片機(jī),。

    由單片機(jī)完成相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速值的運(yùn)算后，即可將轉(zhuǎn)矩,、轉(zhuǎn)速及軸功率等參數(shù)保存并顯示輸出,。本系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心，由IMP813L構(gòu)成電源監(jiān)控及看門(mén)狗電路,，此外,，系統(tǒng)中還擴(kuò)展了一片I2C總線串行鐵電存儲(chǔ)器FM24256，它的主要作用是存儲(chǔ)參數(shù)設(shè)定值及采集的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速值,。通過(guò)內(nèi)含GB2312中文漢字庫(kù)的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊OCMJ4X8C可構(gòu)成中文人機(jī)顯示界面,，ICL232的作用是將單片機(jī)的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS一232電平，以便于和上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信,。
2．1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)
    對(duì)于一個(gè)智能化的測(cè)量?jī)x器而言,，如能擁有一個(gè)友好的中文人機(jī)界面，會(huì)大大增強(qiáng)儀器的可操作性,，本系統(tǒng)使用了顯示信息豐富,、功耗低、無(wú)輻射的液晶圖文顯示模塊,。由于普通圖形點(diǎn)陣液晶顯示器件存在著硬件接口電路復(fù)雜,、顯示漢字編程繁復(fù)、顯示字庫(kù)占用ROM容量大等缺點(diǎn),，因此,，本設(shè)計(jì)中采用了內(nèi)藏中文字庫(kù)的液晶圖形顯示模塊LCMl286ZK。
    該模塊的顯示點(diǎn)陣數(shù)為128x64,，可分為4行顯示,，每行可顯示8個(gè)漢字或16個(gè)ASCⅡ字符。使用該模塊每屏可同時(shí)顯示測(cè)量時(shí)間,、轉(zhuǎn)矩,、轉(zhuǎn)速、軸輸出功率值,，且可方便地查閱歷史測(cè)量數(shù)據(jù),，從而很好地解決了傳統(tǒng)LED顯示方式循環(huán)顯示周期過(guò)長(zhǎng)及人機(jī)顯示界面不友好的缺點(diǎn)。LCMl2864ZK與單片機(jī)的接口方式有8位／4位并行和2／3線串行模式,。本設(shè)計(jì)利用其二線串行模式與單片機(jī)進(jìn)行接口,，僅占用單片機(jī)的二根口線，單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單,，硬件資源占用少,。本系統(tǒng)鍵盤(pán)用于輸入傳感器參數(shù),、量程、轉(zhuǎn)矩,、轉(zhuǎn)速的報(bào)警值,，以及測(cè)量周期和調(diào)零設(shè)置等參數(shù)。
2．2 鐵電存儲(chǔ)器
    通常情況下,，儀器儀表中都可用E2PROM來(lái)保存設(shè)置的參數(shù),，而用SRAM加上后備電池來(lái)保存采集的數(shù)據(jù)。但是,，這種方法有一定的不足,，一方面是系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，另一方面,，其保存數(shù)據(jù)的可靠性也較低,。而鐵電存儲(chǔ)器是一種兼具RAM和ROM性能，并被認(rèn)為可能取代各類(lèi)存儲(chǔ)器的超級(jí)存儲(chǔ)器,，它幾乎可以跟隨總線速度無(wú)限次的寫(xiě)入且具有超低功耗特性,。因此，本系統(tǒng)采用一片鐵電存儲(chǔ)器FM24C256來(lái)保存設(shè)置的參數(shù)和采集的數(shù)據(jù),。
    FM24C256存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量為32 kx8 byte,，具有10億次的讀／寫(xiě)次數(shù)，數(shù)據(jù)保存期為10年,，并帶有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I2C總線接口,，具有1MHz的總線頻率。
    由于FM24C256采用I2C總線,，因此,，該器件與AT89C52單片機(jī)的接口十分簡(jiǎn)單，僅需占用單片機(jī)的兩根I／O口線,，同時(shí)也使得數(shù)據(jù)保存的可靠性大為提高,。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保存格式為：小時(shí)(1字節(jié))、分鐘(1字節(jié)),，秒鐘(1字節(jié)),、轉(zhuǎn)矩值(2字節(jié))、轉(zhuǎn)速值(2字節(jié)),、功率值(2字節(jié)),。保存的參數(shù)可以作為歷史數(shù)據(jù)查閱或傳送給上位機(jī)。
2．3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷
    為了避免使用單片機(jī)的定時(shí)器多次重復(fù)定時(shí),，其中斷響應(yīng)時(shí)間不確定而造成的定時(shí)精度降低,，提高轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測(cè)量周期的精度,，同時(shí)也為了便于定時(shí)采集轉(zhuǎn)矩,、轉(zhuǎn)速值并定時(shí)保存轉(zhuǎn)矩,、轉(zhuǎn)速和功率值，本設(shè)計(jì)擴(kuò)展了基于I2C總線的實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘芯片SD2001,。該芯片是具有內(nèi)置晶振、充電電池,、串行NVRAM的高精度,、免調(diào)校實(shí)時(shí)時(shí)鐘器件。由該芯片構(gòu)成的時(shí)鐘電路具有精度高,、外圍和接口電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn),。利用該器件的中斷輸出引腳可得到以毫秒或秒為單位的任意時(shí)間輸出，或以分鐘為單位的任意時(shí)間輸出,。本系統(tǒng)即利用該器件的硬件定時(shí)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量周期及數(shù)據(jù)的定時(shí)采集和定時(shí)保存,。

3 軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)軟件可采用MCS一51匯編語(yǔ)言編制。由于使用了JN338數(shù)字式轉(zhuǎn)矩傳感器,，因而無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算,。本文在軟件編程中，使用了結(jié)構(gòu)化,、模塊化的編程思想,，使軟件系統(tǒng)思路更加清晰、條理清楚,。
    圖3所示是本系統(tǒng)的主程序軟件框圖,。本系統(tǒng)軟件主要包括初始化、轉(zhuǎn)矩計(jì)算,、轉(zhuǎn)速計(jì)算,、功率計(jì)算、轉(zhuǎn)矩調(diào)零,、顯示輸出,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)警輸出,、鍵盤(pán)控制,、上位機(jī)通信等模塊。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    通?？梢圆捎脴?biāo)準(zhǔn)扭矩加載裝置來(lái)對(duì)該測(cè)量?jī)x的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行標(biāo)定,，標(biāo)定測(cè)試可采用10個(gè)100 N的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，每加1個(gè)砝碼,，輸出軸即承受100N·m的標(biāo)準(zhǔn)扭矩載荷,。所測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列。由表l可知,，該數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x的轉(zhuǎn)矩最大相對(duì)測(cè)量誤差為0．40％,，因此表明,，該測(cè)量?jī)x具有較高的測(cè)量精度。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本儀器采用JN338數(shù)字式轉(zhuǎn)矩傳感器解決了機(jī)械旋轉(zhuǎn)軸能量及信號(hào)的可靠傳遞及信號(hào)輸出波動(dòng)問(wèn)題,，提高了測(cè)量精度,，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的數(shù)字化測(cè)量,。本儀器的特點(diǎn)在于巧妙地利用了新型傳感器技術(shù)及單片機(jī)技術(shù),，從而為更好地控制電動(dòng)機(jī)和太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供了保障。