液壓數顯扳手是螺紋聯接中常用的一種便攜工具。針對目前數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顯扭矩扳手的電源，在設計中，液壓數顯扳手工作范圍為0-20N·m，所有的元件均選用工作電壓為3V的器件，單節鋰電池標稱的輸出電壓范圍為3．6～4．2V，因此采用一節鋰電池即可滿足供電要求。文中介紹了數顯扭矩扳手測量系統的工作原理，并對單節鋰電池的充電電路、保護電路和電平轉換電路等進行設計。

 

    1、數顯扭矩扳手測量系統簡介

    數顯扳手測量系統首先通過扭矩傳感器把扭矩的變化轉化為電信號的變化，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，經放大電路對信號進行放大，A／D轉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 發出聲光報警。 整個系統的電源由鋰電池管理模塊供電，系統的結構框圖如圖一所示。

    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／數轉換器選用 12位串口的AD轉換器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指示端， 當正在充電時，CHRG 腳被內部開關拉到低電平，發光二極管D2發亮；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，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），充電循環結束。

 

    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的 DW01 單節鋰電池保護芯片，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的地線連通，鋰電池對系統供電；當出現過充、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的地斷開，從而起到保護作用。8205A 內部集成了兩個場效應管，本文采用DW01和8205A組合實現對鋰電池的保護。圖四為8025A的結構示意圖，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－分別為電源系統的正負極。

 

    4 鋰電池電壓檢測及電平轉換電路設計

    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，內部帶有8路高速10位A／D轉換器。A／D轉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轉換器進行A／D轉換。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 電平轉換電路

    通常鋰電池正常的工作電壓為3．6～4．2V，數顯扭矩扳手測量系統中元件的工作電壓為3V，需要對電平進行 轉換 。TPS76330 是TI公司生產的低壓差線性穩壓器，穩定輸出 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，在關閉模式時靜態電流只需 2μA。圖七為基于 TPS76330的電平轉換電路圖。

    數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，在數顯扭矩扳手的壽命周期中，幾乎不需更換鋰電池。