液压数显扳手是螺纹联接中常用的一种便携工具。针对目前数显扭矩扳手使用干电池作为其电源存在的缺陷，提出采用锂电池作为数显扭矩扳手的电源，在设计中，液压数显扳手工作范围为0-20N·m，所有的元件均选用工作电压为3V的器件，单节锂电池标称的输出电压范围为3．6～4．2V，因此采用一节锂电池即可满足供电要求。文中介绍了数显扭矩扳手测量系统的工作原理，并对单节锂电池的充电电路、保护电路和电平转换电路等进行设计。

 

    1、数显扭矩扳手测量系统简介

    数显扳手测量系统首先通过扭矩传感器把扭矩的变化转化为电信号的变化，在设计中采用应变片电桥作为扭矩传感器。在扭矩变化时，电桥桥臂电阻值的改变使电桥不再平衡，输出毫伏级的电压，经放大电路对信号进行放大，A／D转换后送到单片机进行处理，算出对应的扭矩值，并通过LCD显示出来。当扭矩超过设定值时蜂鸣器和 LED 发出声光报警。 整个系统的电源由锂电池管理模块供电，系统的结构框图如图一所示。

    在设计中，传感器电桥每个桥臂应变片的基本电阻值为 1kΩ，采用全桥方式连接， 传感器电桥的灵敏读 K＝0．0225mV／N·m）。放大器选用 INA122，在单电源供电时，电压范围为2．2～36V。模／数转换器选用 12位串口的AD转换器ADS7822，要求电源输入电压范围为2．7～3．6V。单片机选用 STC12LE5410AD，工作电压范围为2．2～3．3V，自带有8路高速10位A／D转换器。 因此，这些元件只需3V电压即可正常工作。

 

    2 锂电池充电电路

    安全、可靠、快速、高效的锂电池充电电路对锂电池的性能及应用起着至关重要的作用。充电管理芯片选用 TP4055，TP4055 是一款完整的单节锂电池充电管理芯片，带电池正负极反接保护，采用恒定电流／恒定电压线性控制。其封装为SOT23，只需要较少的外部元件即可正常工作，使 TP4055成为携式应用的理想选择。 TP4055可以适合USB电源及适配器电源工作。 图2是基于TP4055 的锂电池充电电路图。

    在图二中，TP4055 第1引脚（CHRG）为漏极开路输出的充电状态指示端， 当正在充电时，CHRG 脚被内部开关拉到低电平，发光二极管D2发亮；没接电池时TP4055的CHRG 脚输出脉冲，D2闪烁；其他情况处于高阻态，D2 灯灭。 锂电池正负极分别连到第3脚（BAT）和第2脚（GND。第4脚为输入电源的正极，允许输入的电压范围是4～9V，连到USB电源或者是AC适配器的正极。引脚5为充电电流设定、 充电电流监控和停机引脚，设计中接1．6KΩ 的电阻，最大充电电流为 500mA。开始充电时，如果 BAT 引脚电平低于2．9V，即如果锂电池电压小于2．9V，则充电器进入涓流充电模式。在该模式中，TP4055提供约1／10（50mA）的设定充电电流，以便将电流电压提升至一个安全的电平，从而实现满电流充电。当BAT 引脚电压升至 2．9V 以上时，充电器进入恒定电流模式，此时向锂电池提供恒定的充电电流。当BAT引脚电压达到最终浮充电压（4．2V）时，TP4055 进入恒定电压模式，且充电电流开始减小。当充电电流降至设定值的1／10（50mA），充电循环结束。

 

    3、锂电池保护电路设计

    锂电池使用不当，会缩短电池寿命甚至永久损坏，通常需要对过充电、过放电、过流、短路等情况进行保护。 富晶半导体股份有限公司生产的 DW01 单节锂电池保护芯片，具有功耗低、封装尺寸小、外围电路简单等优点，图三为基于DW01 的锂电池保护电路示意图。

    保护的原理是在正常工作情况时，DW01的OD脚和OC脚都输出高电平，场效应管M1和M2均导通，锂电池负极与电源系统的地线连通，锂电池对系统供电；当出现过充、过放等异常情况时，DW01的OD脚或OC脚输出低电 平，使场效应管M1或M2截止，把锂电池的负极与电源系统的地断开，从而起到保护作用。8205A 内部集成了两个场效应管，本文采用DW01和8205A组合实现对锂电池的保护。图四为8025A的结构示意图，图五为DW01 和 8205A 组成的锂电池保护电路图，图五中B＋、B－分 别表示锂电池的正负极，P＋、P－分别为电源系统的正负极。

 

    4 锂电池电压检测及电平转换电路设计

    4．1 锂电池电压检测电路锂电池在放电过程中，电压逐渐下降，当电压降至正常工作电压的下限值时，需要提醒用户对其进行充电。锂电池电压检测电路如图六所示。

    在设计中选用的单片机型号为 STC12LE5410AD，工作电压为2．2～3．3V，内部带有8路高速10位A／D转换器。A／D转换器的参考电压为单片机的供电电压3V。因此采用两个100kΩ的电阻进行分压后连到单片机的 P1.0口，即连到第一路A／D转换器进行A／D转换。在每次开机时，对锂电池电压进行检测，当锂电池电压降至3．6V时，LED 指示灯闪烁，提示锂电池电压过低，需要进行充电。

 

    4．2 电平转换电路

    通常锂电池正常的工作电压为3．6～4．2V，数显扭矩扳手测量系统中元件的工作电压为3V，需要对电平进行 转换 。TPS76330 是TI公司生产的低压差线性稳压器，稳定输出 3V，最大输出电流达 150mA，在输出150mA 时，典型的压差只需300mV，芯片本身自带过热、过流保护，在关闭模式时静态电流只需 2μA。图七为基于 TPS76330的电平转换电路图。

    数显扭矩扳手正常工作时功耗在8～10mA。选用锂电池标称容量为750mAh，标称电压3．6V。锂电池从 4．2V 放电到3．6V 时，放电量为标称容量的 80％以上，即 600mAh。假设数显扭矩扳手每天工作两个小时，则充一次电可使用两个月以上。而锂电池寿命能充电500次以上。因此，在数显扭矩扳手的寿命周期中，几乎不需更换锂电池。