力传感器与数字放大器与单片机的搭配使用

微位移检测的基本原理有很多种，如：光、磁、电感应、电容、压电等，但是这类方法大多不适合于机器人进行多维力和位移信息的获取。为使技术成熟的多维力敏传感器用于微位移信息的采集，中科院合肥智能所机器人传感实验室在对其结构参数进行了改进，最大限度地利用了单片机的许多新特性，如它自带的8路24位高精度=-△A/D转换器.程控增益放大(PGA)、滤波器等。它可以实现位移与力的高精度测量。本论文主要从微型机的应用角度出发，希望对提高传感器的集成度.分辨率.稳定性以及人机交互能力有一定的帮助。

力传感器的特性。

微位移传感器结构主要借鉴了实验室机器人六维腕力传感器的结构特点，设计中也采用了双E型膜片结构。该方法先利用改进的二维力敏元件，在XY和Y两个维度上分别检测力信息，并把它们转换为平面位移信息。为了获得力场、位移等微量信息，通过改变机器人六维力矩传感器的结构参数，改变相应的结构参数，以获得力场、位移等。

单片机是高精度微位移传感器电路模块的核心。实现弱信号的多路切换.信号缓冲.PGA程序放大.24比特=A/D转换.数字滤波.数据处理.信号校正及UART通讯等功能。下面是结合使用的微型位移传感器。

数字放大器的快速构建有三种.sinc2或sinc3，另外还有自动模式。自动模式会根据输入通道或PGA变化将sinc滤波器调整为最合适的选择。将快速建立滤光片在切换到一个新的通道后进行下两次转换，放弃其中的第一个转换。接下来，使用sinc2.之后使用sinc3滤波器改善噪音性能。该运算可将sinc3滤波器的低噪声优点与快速恢复滤波器的快速响应结合起来。sinc在数字滤波器中是FIR滤波器的一种，常用于△1=的ADC。如果输入通道突然改变，输出需要花费一定的时间才能正确地表示新的输入。花费的时间依赖于使用滤光器的类型。sinc2通常表示需要2个数据输出时间，sinc3表示需要3个周期的数据输出时间，另一些则需要1周的数据输出时间。从一般意义上讲，如果采用sinc3滤波器，输入通道改变后，3个首先采样输出的数据不可用，应弃掉第四个输出数据。

数字放大器可以同时使用内部基准电压和外基准电压。基准电压启动配置为内部2.5V。基准电压可通过ADCON0寄存器选择。该试验采用内部基准电压，通过设置ADCON0.4(VREFH)选取1.25v。应该指出，启用内部VREF并不能消除外部连接需求。REFOUT管脚必须仍然连接到VREF+，而VREF-必须仍然连接到AGND，以使内部的VREF可以正常工作。

感应器硬件构成。

单片机的高度集成性使其硬件系统结构非常简洁。应变电阻器通过一种特殊的方法，贴在E型膜的表面，并将其连接成由两组自动解耦的惠斯通全桥电路，作为原始力信息的模拟输出。将小线路板放置在圆孔内的小孔中。

试验系统主要由传感器本体、数字放大器核、串口通信电路和PC机等部分组成。正如前面所述，一组桥梁输出接数字放大器ADC的AIN0和AIN1，它们是一路差分输入；另一组桥路输出分别接数字放大器ADC的AIN2和AIN3，作为第二路差分输入。数字放大器通过RS232与上位机通讯，实现数字放大器信息显示及控制。

数字放大器数据采集系统的软件设计。

单片机中各个控制字的设置将大大影响传感器的最终分辨率和稳定性。举例来说，输入缓冲器是否被使用.可编程放大器增益的选择.调制器时钟速度的选择(确定模拟取样速率，以及选择滤波器型号)，这些参数并非一次完成，有些则需要反复结合.尝试，最后获得满意的结果。为避免每一次修改后需要重新下载到FLASH程序存储器，对其ADC的初始化工作完全由PC机完成。在数字放大器的基础上，首先，PC将各种必要的控制信息通过串口传输到数字放大器，以此为基础对ADC进行初始化。具体来说，PC机向数字放大器发送6个字节，这6个字节包含滤波器类型.ACLK.ADCON2和ADCON3寄存器中的采样值.修改模拟输入通道后的延迟值.必须丢弃的数据输出周期和可编程放大器增益。数字放大器将开始ADC的初始化工作。在进入正常工作状态之后，如果发现当前的输出周期数超过一个预先设定的必须放弃的输出周期，数字放大器就会认为此输出数据和随后的输出数据是有效的，但是，它不会立即把数据发送到PC上，而是立即对模拟的输入通道进行修改，使上一个通道的输出无效，随后进入下一次数据输出循环。MSCl210的工作流程可以简单地用图4表示。PC机除了对数字放大器ADC进行初始化控制外，还主要负责MSCl210通过RS232串口发送的数据，以可视化的图形实时显示在窗口的适当位置。每一次数字放大器都发送4字节到PC机。定义如下所示：第一个字节代表传感器的通道号，0代表AIN0输入值，也就是X维的信息，1代表AIN2和AIN3的差分输入。最后三个字节是24位二进制输出数据的表示，是数字放大器ADC的转换结果。上位机处理进程检测到超过4个字节后，从缓冲区读取数据，同时清空输入缓冲区。按照第一个字节识别通道之后，将数据转换成电压值后显示到适当的位置(单位：mV)，窗口中打开了两个图形显示区域，分别在X轴和y轴上实时显示信号变化。该过程提供了图形的放大显示功能，以便更好地观察到信号的细微变化。为便于使用，可以选择12.5倍或125倍的放大倍数。

经多次试验，结合实际需要，最终将微位位移传感器的数据输出速率控制在10Hz，分辨率15位，具有较高的稳定性，获得了较好的效果。

该传感器体积小，分辨率高，稳定性好，目前国内已有相关研究小组利用多维力传感器技术开发出一种基于多维力传感器的微位移传感器。数字放大器单片机是功能强大的数据采集芯片，在仪器、仪表、测控、导航等方面具有广阔的应用前景。

深圳市力准传感技术有限公司是一家专业研发生产高品质、高精度力传感器的厂家。截至目前已自主研发生产传感器千余款，产品可广泛应用于多种新型和智能化高端领域，包括工业自动化生产线、3C、新能源、机器人、机械制造、医疗、纺织、汽车、冶金以及交通等领域。

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