以STC12C5A60S2单片机为中央处理芯片的可控电动扳手控制器设计

据设备管理权威机构统计，有50%以上的设备运行故障是由螺栓问题引起的，因螺栓问题而造成重大事故的数量也非常惊人，因此新的设备安装和检修规范都对螺栓紧固力矩要求非常严格，尤其是承受载荷及强烈冲击振动的重型机械设备，需要精确控制联结螺栓的预紧力。但所需预紧力又很大，再加空间条件限制，不能采用大规格工具，就必须使用扭矩扳手。而作为扭矩扳手关键部件的控制器对其性能影响很大。本文提供了一种可以精确显示拧紧扭矩值、转角值，并能按预定设定的扭矩值、转角值拧紧螺栓的电动扳手控制器的解决方案。

1 可控电动扳手控制器硬件设计

可控电动扳手控制器硬件电路框图如图1所示。

图1 可控电动扳手控制器硬件电路框图

1.1 数字电位器、按钮及显示控制电路

单片机选用STC12C5A60S2作为核心控制器。该机是单时钟/机器周期的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，工作电压范围为5.5 V～3.3 V；工作频率范围为0～35 MHz，相当于普通8051的0～420 MHz；1 280 B片内RAM数据存储器；四个16位定时器；可编程时钟输出功能；全双工异步串行口（UART），兼容普通8051的串口；先进的指令集结构，兼容普通8051指令集。电平转换芯片采用LM2575，输出5 V直流电压作为供电电源，电路图如图2所示。液晶显示采用LCM 128645ZK模块，使用五个按键分别用来控制步进电机正转、反转、扭矩设定、转角设定及清零，数字电位器用来设定扭矩值和转角值，电路如图3所示。

图2 电平转换电路

图3 键盘、显示电路

1.2 步进电机控制电路

步进电机驱动器采用HP公司生产的UDK5214NW-M5相步进驱动器，驱动器控制采用ULN2003芯片，该芯片的三个输出口分别用来控制步进电机换向控制继电器、步进电机驱动器工作停止继电器及报警工作，再通过继电器控制步进电机驱动器，该驱动器步进脉冲由单片机P1.4口输出，进而驱动步进电机。步进电机控制电路如图4所示。

图4 步进电机控制电路图

1.3 扭矩检测电路

扭矩传感器选用BS914型扭矩扳手专用信号耦合器。该耦合器可直接输出1 V～5 V电压信号，该扭矩反馈信号经P1.5口输入单片机，经单片机处理转换成数字信号，再与扭矩设置值相比较，进而控制步进电机是否转动，连接电路图如图5所示。

图5 扭矩检测电路

2 可控电动扳手控制器软件设计

可控电动扳手控制器软件由控制器初始化程序、键盘扫描及处理程序、步进电机控制程序、扭矩检测程序等组成。控制器通过键盘扫描及处理程序检测扭矩、转角值输入与否，并判断电机转动方向，如正转，则通过步进电机正转控制程序，控制电机正转，并由扭矩检测程序进行输出扭矩的检测，直到扭矩和转角达到预定值为止；如反转，则由步进电机反转控制程序，控制电机反转，直到转角达到为止。扭矩检测利用STC12C5A60S2单片机P1.5ADC口，使用时设置该端口为开漏输入，作为ADC口使用。该程序主要完成ADC口的转换开启、数据读取、软件滤波及输出显示等功能。

本文设计的可控扳手控制器采用STC12C5A60S2单片机作为中央处理芯片，利用较少的外围设备，使其结构简单。对制作的样机进行测试，测试结果显示该样机性能稳定、测量准确、使用方便、技术参数都达到了设计要求，具有一定的实用价值。