力傳感器與數(shù)字放大器與單片機(jī)的搭配使用

微位移檢測(cè)的基本原理有很多種，如：光、磁、電感應(yīng)、電容、壓電等，但是這類方法大多不適合于機(jī)器人進(jìn)行多維力和位移信息的獲取。為使技術(shù)成熟的多維力敏傳感器用于微位移信息的采集，中科院合肥智能所機(jī)器人傳感實(shí)驗(yàn)室在對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，最大限度地利用了單片機(jī)的許多新特性，如它自帶的8路24位高精度=-△A/D轉(zhuǎn)換器.程控增益放大(PGA)、濾波器等。它可以實(shí)現(xiàn)位移與力的高精度測(cè)量。本論文主要從微型機(jī)的應(yīng)用角度出發(fā)，希望對(duì)提高傳感器的集成度.分辨率.穩(wěn)定性以及人機(jī)交互能力有一定的幫助。

力傳感器的特性。

微位移傳感器結(jié)構(gòu)主要借鑒了實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人六維腕力傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中也采用了雙E型膜片結(jié)構(gòu)。該方法先利用改進(jìn)的二維力敏元件，在XY和Y兩個(gè)維度上分別檢測(cè)力信息，并把它們轉(zhuǎn)換為平面位移信息。為了獲得力場(chǎng)、位移等微量信息，通過改變機(jī)器人六維力矩傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，改變相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以獲得力場(chǎng)、位移等。

單片機(jī)是高精度微位移傳感器電路模塊的核心。實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)的多路切換.信號(hào)緩沖.PGA程序放大.24比特=A/D轉(zhuǎn)換.數(shù)字濾波.數(shù)據(jù)處理.信號(hào)校正及UART通訊等功能。下面是結(jié)合使用的微型位移傳感器。

數(shù)字放大器的快速構(gòu)建有三種.sinc2或sinc3，另外還有自動(dòng)模式。自動(dòng)模式會(huì)根據(jù)輸入通道或PGA變化將sinc濾波器調(diào)整為最合適的選擇。將快速建立濾光片在切換到一個(gè)新的通道后進(jìn)行下兩次轉(zhuǎn)換，放棄其中的第一個(gè)轉(zhuǎn)換。接下來(lái)，使用sinc2.之后使用sinc3濾波器改善噪音性能。該運(yùn)算可將sinc3濾波器的低噪聲優(yōu)點(diǎn)與快速恢復(fù)濾波器的快速響應(yīng)結(jié)合起來(lái)。sinc在數(shù)字濾波器中是FIR濾波器的一種，常用于△1=的ADC。如果輸入通道突然改變，輸出需要花費(fèi)一定的時(shí)間才能正確地表示新的輸入。花費(fèi)的時(shí)間依賴于使用濾光器的類型。sinc2通常表示需要2個(gè)數(shù)據(jù)輸出時(shí)間，sinc3表示需要3個(gè)周期的數(shù)據(jù)輸出時(shí)間，另一些則需要1周的數(shù)據(jù)輸出時(shí)間。從一般意義上講，如果采用sinc3濾波器，輸入通道改變后，3個(gè)首先采樣輸出的數(shù)據(jù)不可用，應(yīng)棄掉第四個(gè)輸出數(shù)據(jù)。

數(shù)字放大器可以同時(shí)使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓和外基準(zhǔn)電壓?；鶞?zhǔn)電壓?jiǎn)?dòng)配置為內(nèi)部2.5V。基準(zhǔn)電壓可通過ADCON0寄存器選擇。該試驗(yàn)采用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，通過設(shè)置ADCON0.4(VREFH)選取1.25v。應(yīng)該指出，啟用內(nèi)部VREF并不能消除外部連接需求。REFOUT管腳必須仍然連接到VREF+，而VREF-必須仍然連接到AGND，以使內(nèi)部的VREF可以正常工作。

感應(yīng)器硬件構(gòu)成。

單片機(jī)的高度集成性使其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)潔。應(yīng)變電阻器通過一種特殊的方法，貼在E型膜的表面，并將其連接成由兩組自動(dòng)解耦的惠斯通全橋電路，作為原始力信息的模擬輸出。將小線路板放置在圓孔內(nèi)的小孔中。

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由傳感器本體、數(shù)字放大器核、串口通信電路和PC機(jī)等部分組成。正如前面所述，一組橋梁輸出接數(shù)字放大器ADC的AIN0和AIN1，它們是一路差分輸入；另一組橋路輸出分別接數(shù)字放大器ADC的AIN2和AIN3，作為第二路差分輸入。數(shù)字放大器通過RS232與上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)字放大器信息顯示及控制。

數(shù)字放大器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

單片機(jī)中各個(gè)控制字的設(shè)置將大大影響傳感器的最終分辨率和穩(wěn)定性。舉例來(lái)說，輸入緩沖器是否被使用.可編程放大器增益的選擇.調(diào)制器時(shí)鐘速度的選擇(確定模擬取樣速率，以及選擇濾波器型號(hào))，這些參數(shù)并非一次完成，有些則需要反復(fù)結(jié)合.嘗試，最后獲得滿意的結(jié)果。為避免每一次修改后需要重新下載到FLASH程序存儲(chǔ)器，對(duì)其ADC的初始化工作完全由PC機(jī)完成。在數(shù)字放大器的基礎(chǔ)上，首先，PC將各種必要的控制信息通過串口傳輸?shù)綌?shù)字放大器，以此為基礎(chǔ)對(duì)ADC進(jìn)行初始化。具體來(lái)說，PC機(jī)向數(shù)字放大器發(fā)送6個(gè)字節(jié)，這6個(gè)字節(jié)包含濾波器類型.ACLK.ADCON2和ADCON3寄存器中的采樣值.修改模擬輸入通道后的延遲值.必須丟棄的數(shù)據(jù)輸出周期和可編程放大器增益。數(shù)字放大器將開始ADC的初始化工作。在進(jìn)入正常工作狀態(tài)之后，如果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的輸出周期數(shù)超過一個(gè)預(yù)先設(shè)定的必須放棄的輸出周期，數(shù)字放大器就會(huì)認(rèn)為此輸出數(shù)據(jù)和隨后的輸出數(shù)據(jù)是有效的，但是，它不會(huì)立即把數(shù)據(jù)發(fā)送到PC上，而是立即對(duì)模擬的輸入通道進(jìn)行修改，使上一個(gè)通道的輸出無(wú)效，隨后進(jìn)入下一次數(shù)據(jù)輸出循環(huán)。MSCl210的工作流程可以簡(jiǎn)單地用圖4表示。PC機(jī)除了對(duì)數(shù)字放大器ADC進(jìn)行初始化控制外，還主要負(fù)責(zé)MSCl210通過RS232串口發(fā)送的數(shù)據(jù)，以可視化的圖形實(shí)時(shí)顯示在窗口的適當(dāng)位置。每一次數(shù)字放大器都發(fā)送4字節(jié)到PC機(jī)。定義如下所示：第一個(gè)字節(jié)代表傳感器的通道號(hào)，0代表AIN0輸入值，也就是X維的信息，1代表AIN2和AIN3的差分輸入。最后三個(gè)字節(jié)是24位二進(jìn)制輸出數(shù)據(jù)的表示，是數(shù)字放大器ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果。上位機(jī)處理進(jìn)程檢測(cè)到超過4個(gè)字節(jié)后，從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)清空輸入緩沖區(qū)。按照第一個(gè)字節(jié)識(shí)別通道之后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電壓值后顯示到適當(dāng)?shù)奈恢?單位：mV)，窗口中打開了兩個(gè)圖形顯示區(qū)域，分別在X軸和y軸上實(shí)時(shí)顯示信號(hào)變化。該過程提供了圖形的放大顯示功能，以便更好地觀察到信號(hào)的細(xì)微變化。為便于使用，可以選擇12.5倍或125倍的放大倍數(shù)。

經(jīng)多次試驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際需要，最終將微位位移傳感器的數(shù)據(jù)輸出速率控制在10Hz，分辨率15位，具有較高的穩(wěn)定性，獲得了較好的效果。

該傳感器體積小，分辨率高，穩(wěn)定性好，目前國(guó)內(nèi)已有相關(guān)研究小組利用多維力傳感器技術(shù)開發(fā)出一種基于多維力傳感器的微位移傳感器。數(shù)字放大器單片機(jī)是功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集芯片，在儀器、儀表、測(cè)控、導(dǎo)航等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

深圳市力準(zhǔn)傳感技術(shù)有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)高品質(zhì)、高精度力傳感器的廠家。截至目前已自主研發(fā)生產(chǎn)傳感器千余款，產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于多種新型和智能化高端領(lǐng)域，包括工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線、3C、新能源、機(jī)器人、機(jī)械制造、醫(yī)療、紡織、汽車、冶金以及交通等領(lǐng)域。

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