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,在設計中,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)顯扭矩扳手測量系統(tǒng)的工作原理,并對單節(jié)鋰電池的充電電路、保護電路和電平轉(zhuǎn)換電路等進行設計。
1、數(shù)顯扭矩扳手測量系統(tǒng)簡介
數(shù)顯扳手測量系統(tǒng)首先通過扭矩傳感器把扭矩的變化轉(zhuǎn)化為電信號的變化,在設計中采用應變片電橋作為扭矩傳感器。在扭矩變化時,電橋橋臂電阻值的改變使電橋不再平衡,輸出毫伏級的電壓,經(jīng)放大電路對信號進行放大,A/D轉(zhuǎn)換后送到單片機進行處理,算出對應的扭矩值,并通過LCD顯示出來。當扭矩超過設定值時蜂鳴器和 LED 發(fā)出聲光報警。 整個系統(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。
在設計中,傳感器電橋每個橋臂應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,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鋰電池的性能及應用起著至關重要的作用。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,帶電池正負極反接保護,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, 當正在充電時,CHRG 腳被內(nèi)部開關拉到低電平,發(fā)光二極管D2發(fā)亮;沒接電池時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為充電電流設定、 充電電流監(jiān)控和停機引腳,設計中接1.6KΩ 的電阻,最大充電電流為 500mA。開始充電時,如果 BAT 引腳電平低于2.9V,即如果鋰電池電壓小于2.9V,則充電器進入涓流充電模式。在該模式中,TP4055提供約1/10(50mA)的設定充電電流,以便將電流電壓提升至一個安全的電平,從而實現(xiàn)滿電流充電。當BAT 引腳電壓升至 2.9V 以上時,充電器進入恒定電流模式,此時向鋰電池提供恒定的充電電流。當BAT引腳電壓達到最終浮充電壓(4.2V)時,TP4055 進入恒定電壓模式,且充電電流開始減小。當充電電流降至設定值的1/10(50mA),充電循環(huán)結(jié)束。
3、鋰電池保護電路設計
鋰電池使用不當,會縮短電池壽命甚至永久損壞,通常需要對過充電、過放電、過流、短路等情況進行保護。 富晶半導體股份有限公司生產(chǎn)的 DW01 單節(jié)鋰電池保護芯片,具有功耗低、封裝尺寸小、外圍電路簡單等優(yōu)點,圖三為基于DW01 的鋰電池保護電路示意圖。
保護的原理是在正常工作情況時,DW01的OD腳和OC腳都輸出高電平,場效應管M1和M2均導通,鋰電池負極與電源系統(tǒng)的地線連通,鋰電池對系統(tǒng)供電;當出現(xiàn)過充、過放等異常情況時,DW01的OD腳或OC腳輸出低電 平,使場效應管M1或M2截止,把鋰電池的負極與電源系統(tǒng)的地斷開,從而起到保護作用。8205A 內(nèi)部集成了兩個場效應管,本文采用DW01和8205A組合實現(xiàn)對鋰電池的保護。圖四為8025A的結(jié)構(gòu)示意圖,圖五為DW01 和 8205A 組成的鋰電池保護電路圖,圖五中B+、B-分 別表示鋰電池的正負極,P+、P-分別為電源系統(tǒng)的正負極。
4 鋰電池電壓檢測及電平轉(zhuǎn)換電路設計
4.1 鋰電池電壓檢測電路鋰電池在放電過程中,電壓逐漸下降,當電壓降至正常工作電壓的下限值時,需要提醒用戶對其進行充電。鋰電池電壓檢測電路如圖六所示。
在設計中選用的單片機型號為 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的供電電壓3V。因此采用兩個100kΩ的電阻進行分壓后連到單片機的 P1.0口,即連到第一路A/D轉(zhuǎn)換器進行A/D轉(zhuǎn)換。在每次開機時,對鋰電池電壓進行檢測,當鋰電池電壓降至3.6V時,LED 指示燈閃爍,提示鋰電池電壓過低,需要進行充電。
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)顯扭矩扳手測量系統(tǒng)中元件的工作電壓為3V,需要對電平進行 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 150mA,在輸出150mA 時,典型的壓差只需300mV,芯片本身自帶過熱、過流保護,在關閉模式時靜態(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功耗在8~10mA。選用鋰電池標稱容量為750mAh,標稱電壓3.6V。鋰電池從 4.2V 放電到3.6V 時,放電量為標稱容量的 80%以上,即 600mAh。假設數(shù)顯扭矩扳手每天工作兩個小時,則充一次電可使用兩個月以上。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。