摘 要: 以研制的機器人多指靈巧手微型五維指尖力/力矩傳感器為基礎(chǔ)，基于單片機AT89C52設(shè)計了高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了與主計算機的RS422串行通訊，從而構(gòu)成了一套完整的智能化的五維力/力矩測量系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞: 傳感器 單片機 數(shù)據(jù)采集 串行通訊
多維力傳感器的發(fā)展已經(jīng)有幾十年的歷史。以機器人的腕力傳感器為主要應(yīng)用背景，國內(nèi)外的很多公司制造了多種規(guī)格的多維力傳感器[1，2]。為了滿足醫(yī)療儀器、航空航天等領(lǐng)域?qū)τ谖⑿投嗑S力傳感器的需求，以研制的機器人多指靈巧手微型五維指尖力/力矩傳感器為基礎(chǔ)，研制了一種基于單片機AT89C52的智能微型五維力傳感器測量系統(tǒng)。
本文將首先介紹我們所研制的五維指尖力/力矩傳感器的本體和應(yīng)用表面封裝技術(shù)設(shè)計的信號調(diào)理電路，然后著重介紹基于微處理器AT89C52的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和RS422串行通訊系統(tǒng)。
1 五維指尖力/力矩傳感器及信號調(diào)理電路簡介
為多指靈巧手所研制的微型五維指尖力/力矩傳感器基于電阻應(yīng)變原理。利用有限元方法，設(shè)計了具有很小尺寸的傳感器彈性體結(jié)構(gòu)(應(yīng)變梁的厚度只有0.35mm)。將BLH公司生產(chǎn)的微型高阻金屬應(yīng)變片SR－4貼在應(yīng)變梁上組成五個應(yīng)變半橋，用高精度的+5V電壓調(diào)節(jié)器給電橋供電，由此將傳感器所受的五維力(包括X，Y，Z方向的力Fx，F(xiàn)y和 Fz以及X，Y兩個方向的力矩Mx，My)轉(zhuǎn)換成五路電壓輸出。采用表面貼裝技術(shù)設(shè)計了傳感器的信號調(diào)理電路，將小電路板內(nèi)置于傳感器本體之中，實現(xiàn)了傳感器體積的微型化，整個傳感器的外形尺寸只有Φ19mm×12.5mm。三維力Fx，F(xiàn)y和Fz的測量范圍是10N，二維力矩Mx和My 的測量范圍是0.2N·m。
用有限元方法對傳感器的彈性體進(jìn)行應(yīng)力分析，可以計算出，在+5V恒壓源供電的情況下，每路電壓輸出值不超過±25mV。因此，信號必須經(jīng)過高性能的信號調(diào)理電路，才能達(dá)到較好地測量精度；同時，必須將電路板就近地放置在傳感器的本體之中，以避免噪聲的引入。為此，我們應(yīng)用表面貼裝技術(shù)設(shè)計制作了以精密儀表放大器AD623為核心的信號調(diào)理電路板，通過高性能元器件的選擇、電路的高質(zhì)量濾波以及電路板的合理布線，將五路電橋的輸出電壓信號放大到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所要求的輸入范圍：0～5V。為了實現(xiàn)單電源供電的AD623對雙極性傳感器輸出電壓的放大，在AD623的參考電壓端加上2.5V的參考電壓，實現(xiàn)雙極性電壓的直流偏置。為了測量環(huán)境的溫度以便對傳感器的輸出進(jìn)行溫度補償，在信號調(diào)理電路板上還放置了三腳SOT封裝的集成溫度傳感器LM50B。
2 基于單片機AT89C52的傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
和串行通訊系統(tǒng)的電路設(shè)計
為了實現(xiàn)五維指尖力/力矩傳感器的智能化，使之成為一個完整的力測量系統(tǒng)，選用了ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52微處理器作為傳感器數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的核心。AT89C52的管腳和指令與傳統(tǒng)的MCS－51系列單片機完全兼容，并且芯片內(nèi)部集成了8K的可編程Flash內(nèi)存。對于本系統(tǒng)而言，只需很少的外圍芯片就可以構(gòu)成一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)。
為了實現(xiàn)傳感器信號調(diào)理電路七路輸出信號(包括五路應(yīng)變輸出信號、溫度輸出信號和參考電壓信號)的數(shù)據(jù)采集，我們選用了MAXIM公司生產(chǎn)的MAX197A作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。MAX197A是12位的快速A/D轉(zhuǎn)換芯片，它有幾個顯著特點：單+5V電源供電；有八個模擬電壓輸入通道，每個輸入通道的量程范圍可用軟件獨立地設(shè)定；芯片內(nèi)部集成了5MHz帶寬的采樣保持電路；有兩種節(jié)電工作方式，可以實現(xiàn)很低的功耗等。
為了實現(xiàn)AT89C52與上位機的串行通訊從而將傳感器的測量數(shù)據(jù)傳送給上位PC機，我們利用MAX491構(gòu)成RS422串行通訊接口。與傳統(tǒng)的RS232C接口相比，RS422是差分傳輸，具有數(shù)據(jù)傳輸速率高(最大傳輸速率為10MB/s)和傳送距離長(在最大傳輸速率的情況下，電纜允許長度可達(dá)120m)等優(yōu)點。數(shù)據(jù)傳輸率的提高對減少整個測量系統(tǒng)的響應(yīng)時間是至關(guān)重要的。
為了保證微處理器AT89C52的正常工作，我們使用了MAXIM公司生產(chǎn)的MAX708來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的硬件監(jiān)控。MAX708有以下幾個主要功能：實現(xiàn)AT89C52的上電自動復(fù)位和手動復(fù)位；芯片內(nèi)部集成有獨立的“看門狗”電路，這可以保證系統(tǒng)的可靠運行；內(nèi)部有電源電壓監(jiān)視電路，可以用來實現(xiàn)系統(tǒng)的掉電保護(hù)。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和RS422串行通訊系統(tǒng)的電路原理框圖如圖1所示。
為了提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度，在電路板的設(shè)計中，將模擬地與數(shù)字地分開，在主要芯片的電源端就近地放置濾波電容，這些措施取得了很好的效果。
3 基于單片機AT89C52的微型五維力/力矩傳感器的軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計方法，共分為四個模塊：系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和串行通訊模塊。主程序流程圖如圖2所示。
3.1 系統(tǒng)初始化模塊
系統(tǒng)初始化模塊包括串行通訊接口波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位個數(shù)等的初始化，A/D轉(zhuǎn)換器MAX197的初始化，MAX491接收、發(fā)送使能的初始化。
3.2 數(shù)據(jù)采集模塊
在系統(tǒng)初始化完成以后，等待上位機的開始工作命令，接收到開始命令以后，單片機系統(tǒng)開始數(shù)據(jù)采集，采集到的結(jié)果放入AT89C52的內(nèi)部RAM中，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理模塊。需要說明的是，對A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取是通過中斷方式來進(jìn)行的，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和微處理器的利用效率。
3.3 數(shù)據(jù)處理模塊
數(shù)據(jù)處理模塊的組成框圖如圖3所示。
我們用采集到的五路力傳感器輸出電壓減去同時采集到的2.5V參考電壓，實現(xiàn)了對參考電壓的實時補償，然后通過低通數(shù)字濾波進(jìn)一步提高對噪聲的抑制能力，得到的數(shù)據(jù)根據(jù)當(dāng)時的溫度情況進(jìn)行補償。傳感器的溫度特性表離線測量后存儲在AT89C52的Flash存儲器中，查表后經(jīng)過線性插值得到溫度修正值，經(jīng)過修正以后的測量值乘以標(biāo)定矩陣得到五維力和力矩。標(biāo)定矩陣是由離線的靜態(tài)標(biāo)定所得到的，也保存在AT89C52的Flash存儲器中。
3.4 串行通訊模塊
由數(shù)據(jù)處理模塊得到的五維力數(shù)據(jù)通過串行通訊傳輸給上位機。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠準(zhǔn)確的傳輸，我們采取了以下措施：對每個數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶校驗；對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行累加和校驗。實驗表明，這些協(xié)議的采用取得了很好的效果。
為了進(jìn)行整個系統(tǒng)的實驗，我們在PC機上利用可視化編程語言VC++的串行通訊控件編制了數(shù)據(jù)采集和串行通訊軟件。
實驗表明，該系統(tǒng)具有較好的精度和很強的可靠性，實現(xiàn)了設(shè)計要求。今后，在改進(jìn)多指手指尖力傳感器彈性體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我們將從硬件和軟件兩個方面進(jìn)一步提高測量系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，使之更好地滿足實際使用要求。
參考文獻(xiàn)
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