基于藍牙通信的智能張力檢測系統設計分析

劉洪君，孫盛坤

(海軍裝備部駐天津地區軍事代表局，北京100073)

0 引言

張力檢測系統的應用在現代社會生產生活中起著重要的作用。特別是在制造領域，需要對張力進行嚴格的控制，以保證系統的安全與穩定。例如造紙行業的生產過程中，必須實時檢測紙張的張力，然后相應地調整電機的轉速，防止紙張的收縮和卷曲，以保證生產的質量;紡織行業的生產過程中，需嚴格控制紗線的送給速度，以滿足產品所需的不同的松緊度。

該文設計了一種智能張力檢測系統，系統將張力值轉換為壓力傳感器的壓力值。在無線繩送給時，不同的線繩要保持不同的張力值，以保證線繩效果最佳;在線繩送給時，線繩的張力值與數據的采樣頻率處于協調狀態，如果張力值大及送給速度快，則將模擬信號轉換為數字信號的電路(AD)的采樣頻率就高;如果張力值小及送給速度慢時，AD的采樣頻率低，從而準確地顯示出不同情況時的張力狀態。對各情況下的張力值的檢測通過壓力傳感器的壓力值來實現。

1 系統總體設計

1.1 硬件設計

硬件電路分為4大部分:張力傳感裝置、調理電路、單片機電路以及藍牙模塊，通過4部分的調制與整合，可有效地將有用信號傳送至上位機進行實時顯示。

如圖1所示，該張力檢測系統分別由滾輪式壓力傳感器、信號調理電路、C8051F020單片機、藍牙傳輸模塊和上位機5部分組成。由壓力傳感器采集運動中的線繩對傳感器的壓力值，經過放大，將原信號調整為可被單片機識別的有效信號，經AD采樣，由單片機設置通用異步接收/發送裝置 (UART)與藍牙模塊進行通信，由藍牙模塊將數據傳至上位機。該系統采用C8051F020單片機，內置12位模數轉換(ADC)可編程轉換率，最大100 KPS，高速的8051微控制器內核速度可達25 MIPS。

圖1 張力檢測系統

1.2 軟件設計

該系統采用變尺度算法［1］，對傳感器的數據進行采樣，由相鄰2次采樣值的相對變化趨勢，判斷張力的變化規律?？紤]到橫機在運動開始和結束時，力的變化狀態急速，其他時刻，運動速度趨于平穩。因此，在急速變化狀態時，系統應自動提高采樣頻率，以更好地辨別其變化的規律。

上電啟動后，首先初始化各項參數，包括系統時鐘的初始化和端口的設置，并設置好波特率以及數據格式，判斷AD的數據標志位AD0INT是否置1，若沒有采集到數據，單片機繼續等待;若檢測到數據，將采集的數據通過藍牙模塊傳到上位機進行顯示，并與上一次采集的數據進行比較得差值M。若M值為負則將其取反，始終保持M為正值，根據M值的取值區間不同，相應選擇Fre值，經過運算，通過調整程序中的延時函數，改變AD的采樣速率，進而針對AD采樣值變化的趨勢不斷改善采樣的效率，以達到高效的采集效果。軟件流程如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

2 關鍵技術

2.1 張力傳感裝置

該系統采用三滾輪法［2］，壓力傳感器上分別有3個一字并排的滾輪，并在傳感器的上下兩端分別安置一個足以讓線繩穿過的鐵環，將線繩繞行穿過3個滾輪，并穿過上下2個鐵環［3］，如圖3所示。

圖3 三滾輪法原理圖

左右兩側分別為固定輪B、C，中間位A輪，只有A輪可產生位置變化，即A輪為傳感器的觸點。左右分別固定2個鐵環，使整個裝置的包圍角是一定值，即壓力值與拉力值成線性關系。

此裝置可將線繩的拉力值轉換成傳感器的壓力值，由于包圍角的存在，壓力值必然小于拉力值，不至于對傳感器造成過多傷害，同時3個滾輪的設計，可準確地測出線繩在靜止時和運動時的張力值，可有效地消除阻尼現象。

2.2 調理電路

由于傳感器輸出的是毫伏級差分信號，不能直接送入ADC中，故在此之前要進行調理、放大，并轉換為單端信號，使其符合ADC的輸入要求，把數字信號送入微控制單元 (MCU)進行數據處理［4］。由于傳統運放的不對稱結構會使共模抑制比較低，且可用于第1級的增益有限，輸出級誤差則反饋回輸入端，導致相對輸入的噪聲和補償誤差更大。為保證數據的正常放大以及系統的穩定，因此采用三儀表放大電路，如圖4所示電路。電路采用3個運算放大器組成2級:一級由兩運放組成的前置放大器，根據運算放大電路的基本分析方法，可得出放大結果為:

后一級為差分放大器，根據負反饋條件，得出最后的輸出電壓為:

前置放大器提供高輸入阻抗、低噪聲和增益。差分放大器抑制共模噪聲，還能在需要時提供一定的附加增益。

圖4 調理放大電路

2.3 單片機電路

R1單片機硬件電路原理如圖5所示，將調理電路輸出的單端模擬信號送入單片機的AIN0.0引腳，將地線接入AGND引腳，使整個系統共地，信號經AIN0.0進入單片機，由C8051F020內置的12位為AD進行相應的處理，經芯片SP223的轉換，由J5(即串口)［5］控制藍牙模塊，并由藍牙模塊將數據傳送至上位機。

圖5 單片機硬件電路

3 性能測試結果分析

為了高效、準確地檢測動態下張力值的變化，該系統從壓輪裝置和程序的算法上做出了相應的改進，并對張力值進行了靜態和動態2方面的測試。在靜態測試中，為測試傳感器輸出信號的速率和穩定性，將砝碼按重量由小到大再由大到小一次懸掛于機械裝置的滾輪A，反復3次，得到實測數據［6］，如表1所示。

表1 調理電路實測數據

將表1繪制成圖，得到圖6。由圖6可以看出，3次測量數據均顯現出很好線性度。

圖6 張力傳感裝置線性度圖

動態檢測以橫機為測試平臺進行動態分析，紗線從線軸抽出后，按圖3所示穿過傳感裝置，信號輸出進入調理電路，經調理電路處理后，由AD采樣，經單片機處理后傳至上位機，上位機由DELPHI［7］編寫。圖7為橫機運行一個周期的尾聲所顯示的圖像［8］，經過變尺度算法輸出的數據，同時對時間軸做出相應調整，可清晰地看出此周期紗線張力的變化，并可根據此數據對送給設備進行的調整相應。

圖7 上位機軟件運行結果

4 結束語

該系統設計將重點放在基于藍牙通信的智能張力檢測系統硬件和軟件的關鍵技術上。通過在硬件上使用三滾輪法提高傳感器測量靈敏度，在軟件中使用改進的變尺度算法提高系統穩定性，經過對測試實驗結果的分析，該智能張力檢測系統較原有系統大大提高了動態張力檢測的效果。在各個領域中，張力檢測技術的重要性日益顯著，此智能張力檢測系統若配合多種設備進行使用，可大大提升工作效率。

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