液壓數(shù)顯扳手是螺紋聯(lián)接中常用的一種便攜工具。針對(duì)目前數(shù)顯扭矩扳手使用干電池作為其電源存在的缺陷，提出采用鋰電池作為數(shù)顯扭矩扳手的電源，在設(shè)計(jì)中，液壓數(shù)顯扳手工作范圍為0-20N·m，所有的元件均選用工作電壓為3V的器件，單節(jié)鋰電池標(biāo)稱的輸出電壓范圍為3．6～4．2V，因此采用一節(jié)鋰電池即可滿足供電要求。文中介紹了數(shù)顯扭矩扳手測(cè)量系統(tǒng)的工作原理，并對(duì)單節(jié)鋰電池的充電電路、保護(hù)電路和電平轉(zhuǎn)換電路等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

 

    1、數(shù)顯扭矩扳手測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介

    數(shù)顯扳手測(cè)量系統(tǒng)首先通過(guò)扭矩傳感器把扭矩的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的變化，在設(shè)計(jì)中采用應(yīng)變片電橋作為扭矩傳感器。在扭矩變化時(shí)，電橋橋臂電阻值的改變使電橋不再平衡，輸出毫伏級(jí)的電壓，經(jīng)放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，A／D轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)進(jìn)行處理，算出對(duì)應(yīng)的扭矩值，并通過(guò)LCD顯示出來(lái)。當(dāng)扭矩超過(guò)設(shè)定值時(shí)蜂鳴器和 LED 發(fā)出聲光報(bào)警。 整個(gè)系統(tǒng)的電源由鋰電池管理模塊供電，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖一所示。

    在設(shè)計(jì)中，傳感器電橋每個(gè)橋臂應(yīng)變片的基本電阻值為 1kΩ，采用全橋方式連接， 傳感器電橋的靈敏讀 K＝0．0225mV／N·m）。放大器選用 INA122，在單電源供電時(shí)，電壓范圍為2．2～36V。模／數(shù)轉(zhuǎn)換器選用 12位串口的AD轉(zhuǎn)換器ADS7822，要求電源輸入電壓范圍為2．7～3．6V。單片機(jī)選用 STC12LE5410AD，工作電壓范圍為2．2～3．3V，自帶有8路高速10位A／D轉(zhuǎn)換器。 因此，這些元件只需3V電壓即可正常工作。

 

    2 鋰電池充電電路

    安全、可靠、快速、高效的鋰電池充電電路對(duì)鋰電池的性能及應(yīng)用起著至關(guān)重要的作用。充電管理芯片選用 TP4055，TP4055 是一款完整的單節(jié)鋰電池充電管理芯片，帶電池正負(fù)極反接保護(hù)，采用恒定電流／恒定電壓線性控制。其封裝為SOT23，只需要較少的外部元件即可正常工作，使 TP4055成為攜式應(yīng)用的理想選擇。 TP4055可以適合USB電源及適配器電源工作。 圖2是基于TP4055 的鋰電池充電電路圖。

    在圖二中，TP4055 第1引腳（CHRG）為漏極開路輸出的充電狀態(tài)指示端， 當(dāng)正在充電時(shí)，CHRG 腳被內(nèi)部開關(guān)拉到低電平，發(fā)光二極管D2發(fā)亮；沒(méi)接電池時(shí)TP4055的CHRG 腳輸出脈沖，D2閃爍；其他情況處于高阻態(tài)，D2 燈滅。 鋰電池正負(fù)極分別連到第3腳（BAT）和第2腳（GND。第4腳為輸入電源的正極，允許輸入的電壓范圍是4～9V，連到USB電源或者是AC適配器的正極。引腳5為充電電流設(shè)定、 充電電流監(jiān)控和停機(jī)引腳，設(shè)計(jì)中接1．6KΩ 的電阻，最大充電電流為 500mA。開始充電時(shí)，如果 BAT 引腳電平低于2．9V，即如果鋰電池電壓小于2．9V，則充電器進(jìn)入涓流充電模式。在該模式中，TP4055提供約1／10（50mA）的設(shè)定充電電流，以便將電流電壓提升至一個(gè)安全的電平，從而實(shí)現(xiàn)滿電流充電。當(dāng)BAT 引腳電壓升至 2．9V 以上時(shí)，充電器進(jìn)入恒定電流模式，此時(shí)向鋰電池提供恒定的充電電流。當(dāng)BAT引腳電壓達(dá)到最終浮充電壓（4．2V）時(shí)，TP4055 進(jìn)入恒定電壓模式，且充電電流開始減小。當(dāng)充電電流降至設(shè)定值的1／10（50mA），充電循環(huán)結(jié)束。

 

    3、鋰電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)

    鋰電池使用不當(dāng)，會(huì)縮短電池壽命甚至永久損壞，通常需要對(duì)過(guò)充電、過(guò)放電、過(guò)流、短路等情況進(jìn)行保護(hù)。 富晶半導(dǎo)體股份有限公司生產(chǎn)的 DW01 單節(jié)鋰電池保護(hù)芯片，具有功耗低、封裝尺寸小、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，圖三為基于DW01 的鋰電池保護(hù)電路示意圖。

    保護(hù)的原理是在正常工作情況時(shí)，DW01的OD腳和OC腳都輸出高電平，場(chǎng)效應(yīng)管M1和M2均導(dǎo)通，鋰電池負(fù)極與電源系統(tǒng)的地線連通，鋰電池對(duì)系統(tǒng)供電；當(dāng)出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放等異常情況時(shí)，DW01的OD腳或OC腳輸出低電 平，使場(chǎng)效應(yīng)管M1或M2截止，把鋰電池的負(fù)極與電源系統(tǒng)的地?cái)嚅_，從而起到保護(hù)作用。8205A 內(nèi)部集成了兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管，本文采用DW01和8205A組合實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的保護(hù)。圖四為8025A的結(jié)構(gòu)示意圖，圖五為DW01 和 8205A 組成的鋰電池保護(hù)電路圖，圖五中B＋、B－分 別表示鋰電池的正負(fù)極，P＋、P－分別為電源系統(tǒng)的正負(fù)極。

 

    4 鋰電池電壓檢測(cè)及電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

    4．1 鋰電池電壓檢測(cè)電路鋰電池在放電過(guò)程中，電壓逐漸下降，當(dāng)電壓降至正常工作電壓的下限值時(shí)，需要提醒用戶對(duì)其進(jìn)行充電。鋰電池電壓檢測(cè)電路如圖六所示。

    在設(shè)計(jì)中選用的單片機(jī)型號(hào)為 STC12LE5410AD，工作電壓為2．2～3．3V，內(nèi)部帶有8路高速10位A／D轉(zhuǎn)換器。A／D轉(zhuǎn)換器的參考電壓為單片機(jī)的供電電壓3V。因此采用兩個(gè)100kΩ的電阻進(jìn)行分壓后連到單片機(jī)的 P1.0口，即連到第一路A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。在每次開機(jī)時(shí)，對(duì)鋰電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)鋰電池電壓降至3．6V時(shí)，LED 指示燈閃爍，提示鋰電池電壓過(guò)低，需要進(jìn)行充電。

 

    4．2 電平轉(zhuǎn)換電路

    通常鋰電池正常的工作電壓為3．6～4．2V，數(shù)顯扭矩扳手測(cè)量系統(tǒng)中元件的工作電壓為3V，需要對(duì)電平進(jìn)行 轉(zhuǎn)換 。TPS76330 是TI公司生產(chǎn)的低壓差線性穩(wěn)壓器，穩(wěn)定輸出 3V，最大輸出電流達(dá) 150mA，在輸出150mA 時(shí)，典型的壓差只需300mV，芯片本身自帶過(guò)熱、過(guò)流保護(hù)，在關(guān)閉模式時(shí)靜態(tài)電流只需 2μA。圖七為基于 TPS76330的電平轉(zhuǎn)換電路圖。

    數(shù)顯扭矩扳手正常工作時(shí)功耗在8～10mA。選用鋰電池標(biāo)稱容量為750mAh，標(biāo)稱電壓3．6V。鋰電池從 4．2V 放電到3．6V 時(shí)，放電量為標(biāo)稱容量的 80％以上，即 600mAh。假設(shè)數(shù)顯扭矩扳手每天工作兩個(gè)小時(shí)，則充一次電可使用兩個(gè)月以上。而鋰電池壽命能充電500次以上。因此，在數(shù)顯扭矩扳手的壽命周期中，幾乎不需更換鋰電池。