数显扭力扳手的设计

侯 飞

（衢州亿龙信息技术有限公司，浙江 衢州 324000）

数显扭力扳手顾名思义就是带数字显示的扭力扳手（扭矩扳手，力矩扳手），它是在机械扭力扳手的基础上发展而来，其功能更加强大。数显扭力扳手自出现之日起已经有了长足的发展，技术方面日渐成熟。其拥有强大的操作功能，包含扭力设定；单位设定；模式设定；数值储存；数值清除以及数值输出等。

数字扭力扳手是扭矩扳手中最高级的一种，不但能够当施加的扭矩达到设定值时，扳手会发出“卡塔”声响或者扳手连接处折弯一点角度，而且会通过数字显示屏或者LED灯来提示使用者，而且在扭矩的设定上也能够通过按键和数字显示屏来完成，比之非数显扭力扳手更方便也更易与操作。总而言之数显扭力扳手是扭矩扳手中最易于操作的，它通过安装数字显示屏降低了对操作人员的要求。

数显扭力扳手的技术被国内几家公司垄断，他们利用手中的技术控制着一些小型企业。他们高价出售自己的核心板从中赚取利润。这种方式大大制约着小型企业的发展，并且也是数显扭力扳手价格高的原因。现在市场上出现了形形色色的数显扭力扳手，功能大致一样，但是其性能存在很大的差异。最主要的差别在于处理器的处理性能、硬件电路的体积以及产品的节能方面。厂家为了减少科研经费，只用以前成型的技术进行生产，这样也迟滞了数显扭力扳手的技术进步。现在大部分的扭力扳手存在着一些问题，如处理速度慢，准确度不高，而且经常更换电池 ，给生产方面带来极大的不便。

现在市场上的数显扭力扳手价格相当昂贵，对于普通的公众难以接受。随着一些低价格、高性能芯片的出现，现在的扭力扳手显得有些过时，并且价格过高，迟早要被淘汰。因此，研发一款性价比高的数显扭力扳手将有很大的市场前景。而且对于它的研发也可以打破行业间的技术垄断，增强小型企业的竞争力，也为其本身的完善打好基础。

1 系统工作原理图

数显扭力扳手系统工作原理图如图1所示，其核心组成包括MSP430F4270单片机和扭矩传感器，以及液晶显示和声光报警的人机交互部分。扳手连接完成后，由人控制扳手臂旋扭螺母，扭矩传感器获得电压值送给单片机的放大电路，放大出来的电压再由单片机处理后在段式液晶上显示出来，并在一定条件下启动声光报警装置。

图1 系统工作原理图

2 硬件部分

本项目中的扭力扳手检测装置由标准扭矩传感器、扭矩测量仪表两部分构成，硬件构架主要包括单片机、显示模块、电源模块、声光报警模块、扭力采集模块等部分组成，其电路硬件原理图如图2所示。图3所示是其硬件的PCB图。图4是其制作完成后的实物图。

图2 电路硬件原理图

图3 电路硬件PCB图

图4 电路硬件实物图

3 软件部分

本项目中的扭力扳手装置内的程序其流程图如图5所示。操作过程如下：①电源打开后程序开始运行，系统进入工作模式；②系统工作之初要进行程序的初始化，使程序进入正常状态；③显示程序驱动液晶显示出扭力值；④单片机对输出的扭力值进行判断；⑤扭力值大于设定值，声光报警系统启动，提示外力停止施力；⑥扭力值小于设定值，外力继续施力，直至报警提示，否则程序循环；⑦单片机关闭程序，程序结束。

图5 程序流程图

4 系统方案总结

根据本项目的研究结果展开了以下3点总结分析：

（1）标准数据与实验数据，如表1所示。

表1 标准数据与实验数据比较表格

（2）实验数据分析。从表1可以看出测量值是与实际值有一定差别的，并且测量值的数据规律性不强，抖动性强烈，其原因是与信号采集模块有关。还有一点，实验数据都比标准数据小，其存在的原因是扭力扳手的头相对而言重量大，在重力作用下产生一定的扭力值叠加到实验数据上造成一定偏差。

（3）系统改进。上面已经得出了产生误差的原因解决方案如下：①针对其数据的抖动性，改进方式是滤波电路的改进。基于信号的等级选取适当的滤波电路。取一次值也影响到扭力值的精确性，所以采测量多次值然后取其平均值的方式；②平衡重力所产生的误差。通过多次实验测得扭力机械结构所产生的扭力大小，在不同方向用力时加或是减掉这一值。

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