基于单片机的智能微型五维力/力矩传感器的研究

2006-05-07 15:49:37来源: 电子技术应用

微型五维指尖力/力矩传感器为基础,基于单片机AT89C52设计了高性能的数据采集系统和数据处理系统,实现了与主计算机的RS422串行通讯,从而构成了一套完整的智能化的五维力/力矩测量系统。

封装技术设计的信号调理电路,然后着重介绍基于微处理器AT89C52的数据采集系统、数据处理系统和RS422串行通讯系统。

1 五维指尖力/力矩传感器及信号调理电路简介

    为多指灵巧手所研制的微型五维指尖力/力矩传感器基于电阻应变原理。利用有限元方法,设计了具有很小尺寸的传感器弹性体结构(应变梁的厚度只有0.35mm)。将BLH公司生产的微型高阻金属应变片SR-4贴在应变梁上组成五个应变半桥,用高精度的+5V电压调节器给电桥供电,由此将传感器所受的五维力(包括X,Y,Z方向的力Fx,Fy和 Fz以及X,Y两个方向的力矩Mx,My)转换成五路电压输出。采用表面贴装技术设计了传感器的信号调理电路,将小电路板内置于传感器本体之中,实现了传感器体积的微型化,整个传感器的外形尺寸只有Φ19mm×12.5mm。三维力Fx,Fy和Fz的测量范围是10N,二维力矩Mx和My 的测量范围是0.2N·m。

    用有限元方法对传感器的弹性体进行应力分析,可以计算出,在+5V恒压源供电的情况下,每路电压输出值不超过±25mV。因此,信号必须经过高性能的信号调理电路,才能达到较好地测量精度;同时,必须将电路板就近地放置在传感器的本体之中,以避免噪声的引入。为此,我们应用表面贴装技术设计制作了以精密仪表放大器AD623为核心的信号调理电路板,通过高性能元器件的选择、电路的高质量滤波以及电路板的合理布线,将五路电桥的输出电压信号放大到数据采集系统所要求的输入范围:0~5V。为了实现单电源供电的AD623对双极性传感器输出电压的放大,在AD623的参考电压端加上2.5V的参考电压,实现双极性电压的直流偏置。为了测量环境的温度以便对传感器的输出进行温度补偿,在信号调理电路板上还放置了三脚SOT封装的集成温度传感器LM50B。

2 基于单片机AT89C52的传感器数据采集系统和串行通讯系统的电路设计

    为了实现五维指尖力/力矩传感器的智能化,使之成为一个完整的力测量系统,选用了ATMEL公司生产的AT89C52微处理器作为传感器数据采集和处理系统的核心。AT89C52的管脚和指令与传统的MCS-51系列单片机完全兼容,并且芯片内部集成了8K的可编程Flash内存。对于本系统而言,只需很少的外围芯片就可以构成一个单片机应用系统。

    为了实现传感器信号调理电路七路输出信号(包括五路应变输出信号、温度输出信号和参考电压信号)的数据采集,我们选用了MAXIM公司生产的MAX197A作为A/D转换芯片。MAX197A是12位的快速A/D转换芯片,它有几个显著特点:单+5V电源供电;有八个模拟电压输入通道,每个输入通道的量程范围可用软件独立地设定;芯片内部集成了5MHz带宽的采样保持电路;有两种节电工作方式,可以实现很低的功耗等。

    为了实现AT89C52与上位机的串行通讯从而将传感器的测量数据传送给上位PC机,我们利用MAX491构成RS422串行通讯接口。与传统的RS232C接口相比,RS422是差分传输,具有数据传输速率高(最大传输速率为10MB/s)和传送距离长(在最大传输速率的情况下,电缆允许长度可达120m)等优点。数据传输率的提高对减少整个测量系统的响应时间是至关重要的。

    为了保证微处理器AT89C52的正常工作,我们使用了MAXIM公司生产的MAX708来实现整个系统的硬件监控。MAX708有以下几个主要功能:实现AT89C52的上电自动复位和手动复位;芯片内部集成有独立的“看门狗”电路,这可以保证系统的可靠运行;内部有电源电压监视电路,可以用来实现系统的掉电保护。

    数据采集系统和RS422串行通讯系统的电路原理框图如图1所示。

    为了提高数据采集系统的精度,在电路板的设计中,将模拟地与数字地分开,在主要芯片的电源端就近地放置滤波电容,这些措施取得了很好的效果。

3 基于单片机AT89C52的微型五维力/力矩传感器的软件设计

    系统软件采用模块化的设计方法,共分为四个模块:系统初始化模块、数据采集模块、数据处理模块和串行通讯模块。主程序流程图如图2所示。

3.1 系统初始化模块

    系统初始化模块包括串行通讯接口波特率、奇偶校验、数据位个数等的初始化,A/D转换器MAX197的初始化,MAX491接收、发送使能的初始化。

3.2 数据采集模块

    在系统初始化完成以后,等待上位机的开始工作命令,接收到开始命令以后,单片机系统开始数据采集,采集到的结果放入AT89C52的内部RAM中,系统进入数据处理模块。需要说明的是,对A/D转换结果的读取是通过中断方式来进行的,提高了系统的响应速度和微处理器的利用效率。

3.3 数据处理模块

    数据处理模块的组成框图如图3所示。

    我们用采集到的五路力传感器输出电压减去同时采集到的2.5V参考电压,实现了对参考电压的实时补偿,然后通过低通数字滤波进一步提高对噪声的抑制能力,得到的数据根据当时的温度情况进行补偿。传感器的温度特性表离线测量后存储在AT89C52的Flash存储器中,查表后经过线性插值得到温度修正值,经过修正以后的测量值乘以标定矩阵得到五维力和力矩。标定矩阵是由离线的静态标定所得到的,也保存在AT89C52的Flash存储器中。

3.4 串行通讯模块

    由数据处理模块得到的五维力数据通过串行通讯传输给上位机。为了实现数据可靠准确的传输,我们采取了以下措施:对每个数据进行奇偶校验;对每组数据进行累加和校验。实验表明,这些协议的采用取得了很好的效果。

    为了进行整个系统的实验,我们在PC机上利用可视化编程语言VC++的串行通讯控件编制了数据采集和串行通讯软件。

    实验表明,该系统具有较好的精度和很强的可靠性,实现了设计要求。今后,在改进多指手指尖力传感器弹性体结构的基础上,我们将从硬件和软件两个方面进一步提高测量系统的动态响应,使之更好地满足实际使用要求。

关键字:单片机  智能  微型  研究

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/qrsxt/200605/4256.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
单片机
智能
微型
研究

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved