據設備管理權威機構統計，有50%以上的設備運行故障是由螺栓問題引起的，因螺栓問題而造成重大事故的數量也非常驚人，因此新的設備安裝和檢修規范都對螺栓緊固力矩要求非常嚴格，尤其是承受載荷及強烈沖擊振動的重型機械設備，需要精確控制聯結螺栓的預緊力。但所需預緊力又很大，再加空間條件限制，不能采用大規格工具，就必須使用扭矩扳手。而作為扭矩扳手關鍵部件的控制器對其性能影響很大。本文提供了一種可以精確顯示擰緊扭矩值、轉角值，并能按預定設定的扭矩值、轉角值擰緊螺栓的電動扳手控制器的解決方案。

1 可控電動扳手控制器硬件設計

可控電動扳手控制器硬件電路框圖如圖1所示。

圖1 可控電動扳手控制器硬件電路框圖

1.1 數字電位器、按鈕及顯示控制電路

單片機選用STC12C5A60S2作為核心控制器。該機是單時鐘/機器周期的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，工作電壓范圍為5.5 V～3.3 V；工作頻率范圍為0～35 MHz，相當于普通8051的0～420 MHz；1 280 B片內RAM數據存儲器；四個16位定時器；可編程時鐘輸出功能；全雙工異步串行口（UART），兼容普通8051的串口；先進的指令集結構，兼容普通8051指令集。電平轉換芯片采用LM2575，輸出5 V直流電壓作為供電電源，電路圖如圖2所示。液晶顯示采用LCM 128645ZK模塊，使用五個按鍵分別用來控制步進電機正轉、反轉、扭矩設定、轉角設定及清零，數字電位器用來設定扭矩值和轉角值，電路如圖3所示。

圖2 電平轉換電路

圖3 鍵盤、顯示電路

1.2 步進電機控制電路

步進電機驅動器采用HP公司生產的UDK5214NW-M5相步進驅動器，驅動器控制采用ULN2003芯片，該芯片的三個輸出口分別用來控制步進電機換向控制繼電器、步進電機驅動器工作停止繼電器及報警工作，再通過繼電器控制步進電機驅動器，該驅動器步進脈沖由單片機P1.4口輸出，進而驅動步進電機。步進電機控制電路如圖4所示。

圖4 步進電機控制電路圖

1.3 扭矩檢測電路

扭矩傳感器選用BS914型扭矩扳手專用信號耦合器。該耦合器可直接輸出1 V～5 V電壓信號，該扭矩反饋信號經P1.5口輸入單片機，經單片機處理轉換成數字信號，再與扭矩設置值相比較，進而控制步進電機是否轉動，連接電路圖如圖5所示。

圖5 扭矩檢測電路

2 可控電動扳手控制器軟件設計

可控電動扳手控制器軟件由控制器初始化程序、鍵盤掃描及處理程序、步進電機控制程序、扭矩檢測程序等組成。控制器通過鍵盤掃描及處理程序檢測扭矩、轉角值輸入與否，并判斷電機轉動方向，如正轉，則通過步進電機正轉控制程序，控制電機正轉，并由扭矩檢測程序進行輸出扭矩的檢測，直到扭矩和轉角達到預定值為止；如反轉，則由步進電機反轉控制程序，控制電機反轉，直到轉角達到為止。扭矩檢測利用STC12C5A60S2單片機P1.5ADC口，使用時設置該端口為開漏輸入，作為ADC口使用。該程序主要完成ADC口的轉換開啟、數據讀取、軟件濾波及輸出顯示等功能。

本文設計的可控扳手控制器采用STC12C5A60S2單片機作為中央處理芯片，利用較少的外圍設備，使其結構簡單。對制作的樣機進行測試，測試結果顯示該樣機性能穩定、測量準確、使用方便、技術參數都達到了設計要求，具有一定的實用價值。