力學(xué)傳感器與單片機(jī)硬件平臺(tái)的連接方法探究

賴輝平，林敏

（集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

力學(xué)信號(hào)的測(cè)量、記錄和描繪在科研和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)了科研和工業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高。在實(shí)際的力學(xué)信號(hào)采集過程中，力學(xué)傳感器要對(duì)力量信號(hào)進(jìn)行有效的接收和轉(zhuǎn)化，將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再對(duì)其進(jìn)行一定的處理。信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號(hào)的處理工作主要由單片機(jī)系統(tǒng)完成，為了提高信號(hào)的處理工作質(zhì)量，就要確保力學(xué)傳感器與單片機(jī)之間進(jìn)行有效的連接。在實(shí)際工作過程中，會(huì)受到外界各種不良因素的影響，進(jìn)而對(duì)連接的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響，導(dǎo)致連接失效，無法進(jìn)行正常的信號(hào)傳遞，影響到生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行。因此，為了確保生產(chǎn)的順利進(jìn)行，就要對(duì)力學(xué)傳感器與單片機(jī)之間的連接進(jìn)行科學(xué)合理的分析，進(jìn)而采取有效的措施，提高兩者之間的連接穩(wěn)定性。

1 拉力壓力傳感器及輸出模式的選擇

能夠同時(shí)進(jìn)行拉力和壓力測(cè)量的傳感器通常都采用S型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在實(shí)際力學(xué)傳感器的優(yōu)選過程中，要結(jié)合測(cè)量的特點(diǎn)進(jìn)行有效的選擇，在本文中所選擇的力學(xué)傳感器由合金材料構(gòu)成，并具有良好的密封性、較高的抗扭強(qiáng)度以及良好的抗偏載能力，其能夠承受的最大過載量為最大值的1.5倍。在力學(xué)傳感器的實(shí)際工作環(huán)境中，存在著非常多的噪聲和干擾信號(hào)，進(jìn)而造成信號(hào)的傳輸質(zhì)量下降，甚至導(dǎo)致信號(hào)失真。當(dāng)采用電壓模擬信號(hào)作為載體傳輸模擬信號(hào)時(shí)，在實(shí)際的信號(hào)傳輸過程中，信號(hào)就會(huì)受到外界不良因素的嚴(yán)重影響，進(jìn)而造成信號(hào)失真的幅度大大增加。而采用電流模擬信號(hào)作為載體，在傳輸模擬信號(hào)時(shí)，就會(huì)大大降低信號(hào)傳輸過程中受到的干擾，確保信號(hào)能夠進(jìn)行順利的傳輸，從而較好的保留初始采集信號(hào)的信息特征。

2 單片機(jī)芯片的選擇

為了與力學(xué)傳感器進(jìn)行有效的連接，就要有針對(duì)性的優(yōu)選性能優(yōu)良的單片機(jī)，進(jìn)而為連接的有效性提供可靠保障。本文所選擇的單片機(jī)為Freescale公司生產(chǎn)的S12系列的16位微控制器MC9512DG128，其具有集成度高、片內(nèi)資源豐富、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)字化轉(zhuǎn)換處理主要是由單片機(jī)上功能強(qiáng)大的A/D轉(zhuǎn)化模塊實(shí)現(xiàn)，在S12單片機(jī)中一共設(shè)置了2個(gè)10位/8位的A/D模塊，即ATD0和ATD1，統(tǒng)稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ATD）。在S12之中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，在其內(nèi)部設(shè)置有相應(yīng)的多路器，其精度能夠達(dá)到+2LSB。

3 傳感器和單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)

（1）模擬信號(hào)的模式轉(zhuǎn)換。在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，所用到的力學(xué)傳感器輸出的信號(hào)一般都是在4～20mA范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，但是在MC9512DG128單片機(jī)上的A/D轉(zhuǎn)換器能夠輸入的模擬信號(hào)，往往是介于0～5V的電壓信號(hào)。因此，在實(shí)際的信號(hào)傳輸過程中，為了有效提高信號(hào)傳輸過程中的穩(wěn)定性，需要將力學(xué)傳感器所輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行一定程度的轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓信號(hào)，進(jìn)而大大提高信號(hào)傳輸過程中的穩(wěn)定性，進(jìn)而有效避免受到外界的干擾。本文中所涉及到的變送裝置其供電電壓為12V，并根據(jù)其實(shí)際的工作要求，將其設(shè)置在單片機(jī)的平臺(tái)上，進(jìn)而大大縮短電壓信號(hào)的傳輸時(shí)間，讓經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后的電壓信號(hào)能夠盡快進(jìn)入到A/D模塊之中，盡量縮短信號(hào)傳輸過程中暴露在外受干擾的時(shí)間，進(jìn)而確保信號(hào)能夠穩(wěn)定傳輸，提高信號(hào)傳輸過程中的穩(wěn)定性，降低信號(hào)發(fā)生誤差的概率，為工業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行提供可靠的數(shù)據(jù)支持。在變送器的另一端，設(shè)置有應(yīng)力信號(hào)的接收裝置，能夠?qū)鬏敹鴣淼碾娦盘?hào)進(jìn)行有效的接收處理，通過導(dǎo)線與力學(xué)傳感器進(jìn)行有效連接，同時(shí)，導(dǎo)線還能為力學(xué)傳感器提供必要的電能供應(yīng)。

（2）A/D保護(hù)電路。在實(shí)際的工作過程中，電路板上MC9512DG128單片機(jī)的A/D參考電壓端口要接入相應(yīng)的參考電壓值，本文中接入的參考電壓介于0～5V之間。當(dāng)輸入的模擬量值超過參考電壓最大值很多時(shí)，就會(huì)給轉(zhuǎn)換器帶來嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)，甚至造成芯片上的A/D轉(zhuǎn)換器燒毀無法正常工作的嚴(yán)重后果。因此，為了確保轉(zhuǎn)換器能夠始終處于良好的工作狀態(tài)，就要采取有針對(duì)性的保護(hù)措施，通過設(shè)置有效的保護(hù)電路對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行可靠的保護(hù)，保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 A/D保護(hù)電路示意圖

通過圖1的保護(hù)電路就能對(duì)MCU芯片進(jìn)行良好的保護(hù)，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)而確保應(yīng)力信號(hào)能夠有效傳輸。A/D保護(hù)電路的工作原理是：設(shè)二極管D1和D2中的導(dǎo)通電壓為0.3V，當(dāng)輸入端的電壓值Uin1大于5.3V時(shí)，二極管D1被導(dǎo)通，則Uout1=5.3V；當(dāng)輸入端的電壓值Uin1小于0.3V時(shí)，二極管D2被導(dǎo)通，則Uout1=-0.3V。因此，就能有效的將輸入電壓控制在-0.3～5.3V之間，進(jìn)而避免輸入電壓過大，對(duì)MCU芯片造成不同程度的損壞。

（3）MCU的A/D模塊設(shè)置。在本文中所使用的嵌入式系統(tǒng)程序是應(yīng)用CodewarirorIDE軟件進(jìn)行編寫，該軟件是由Metrowerks公司開發(fā)的一種集成式的編程軟件。本文主要涉及到力學(xué)傳感器與單片機(jī)之間的有效連接，兩者之間穩(wěn)定連接的關(guān)鍵在于MCU芯片上的A/D模塊設(shè)置是否科學(xué)合理，唯有合理的設(shè)置才能確保MCU芯片始終工作在理想的模式下，進(jìn)而大大提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。按照MCU芯片模式寄存器的設(shè)置規(guī)則和芯片結(jié)構(gòu)的參數(shù)說明，設(shè)置的A/D初始化和工作標(biāo)準(zhǔn)C源程序如下所示。

A/D初始化：

{ATD0CTL2=0xC0；//AD模塊上電，快速清零，無等待模式，禁止外部觸發(fā)，中斷禁止。

ATD0CTL3=0x20；//每 個(gè) 序 列4次 轉(zhuǎn) 換，NoFIFO，F(xiàn)reeze模式下繼續(xù)轉(zhuǎn)換。

ATD0CTL4=0x83；//8位 精 度，2個(gè) 時(shí) 鐘，ATDClock=[BusClock?0.5]/[PRS+1]；PRS=3，divider=8。

ATD0CTL5=0xA0；//右對(duì)齊無符號(hào)，單通道采樣，通道0。

ATD0DIEN=0x00；//禁止數(shù)字輸入}

A/D工作程序：

for(;;){SCI0SR1_TDRE=1；

while(！ATD0STAT1_CCF0)；//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束

PORTB=(byte)ATD0DR0；//在B口顯示轉(zhuǎn)換值

SCI0DRH=0X00；

SCI0DRL=(byte)ATD0DR0；

delay(50)；//等待發(fā)送}

其中，delay(m)延時(shí)程序可根據(jù)具體的實(shí)際情況進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)置。

4 系統(tǒng)測(cè)試

（1）傳感器量程設(shè)定。在力學(xué)傳感器與單片機(jī)硬件平臺(tái)的實(shí)際連接過程中，為了測(cè)定對(duì)接接口是否處于正常的工作狀態(tài)中，就要對(duì)其進(jìn)行一定的實(shí)驗(yàn)。要對(duì)力學(xué)傳感器的量程進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)定，根據(jù)本文中所使用的傳感器，將其最大拉力設(shè)定為250N，最大壓力也設(shè)定為250N。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)力學(xué)傳感器受到250N的拉力時(shí)，在變送器上就會(huì)相應(yīng)顯示出0V的電壓值；當(dāng)力學(xué)傳感器受到250N的壓力時(shí)，在變送器上就會(huì)相應(yīng)的顯示出5V的電壓值；當(dāng)力學(xué)傳感器沒有受到任何外力時(shí)，在變送器上就會(huì)相應(yīng)顯示出2.5V的電壓值。當(dāng)變送器上顯示的電壓值介于0～2.5V時(shí)，表示力學(xué)傳感器受到一定的拉力；當(dāng)變送器上顯示的電壓值介于2.5～5V時(shí)，表示力學(xué)傳感器受到一定的壓力。因此，根據(jù)變送器上顯示的電壓值就能判斷出力學(xué)傳感器受到何種形式的外力。

（2）硬件搭接測(cè)試。力學(xué)傳感器與單片機(jī)接口模塊的性能對(duì)于確保連接的穩(wěn)定性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，因此，需要對(duì)接口模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)全面的測(cè)試。通過借助232串口將力學(xué)傳感器的單片機(jī)硬件平臺(tái)與PC終端進(jìn)行有效的連接，通過PC對(duì)接口模塊的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控測(cè)試。其具體的硬件連接方式如下所示，力學(xué)傳感器通過變送器與AD保護(hù)電路之間進(jìn)行有效的連接，信號(hào)經(jīng)由保護(hù)電路輸出后，通過A/D接口有效的連接到MCU芯片上。

（3）測(cè)試結(jié)果。根據(jù)測(cè)試要求，在PC上安裝相應(yīng)的應(yīng)力測(cè)試應(yīng)用程序。通過此程序，能夠在電腦終端由串行口自動(dòng)讀取力學(xué)信息的數(shù)字量化數(shù)據(jù)，同時(shí)，還能夠?qū)φ麄€(gè)測(cè)試過程中的應(yīng)力變化進(jìn)行全面的記錄，并根據(jù)記錄數(shù)據(jù)繪制出相應(yīng)的應(yīng)力變化曲線，為測(cè)試提供充足的資料支持。圖像能夠比較準(zhǔn)確的反應(yīng)出應(yīng)力的性質(zhì)以及整個(gè)測(cè)試過程的變化情況。通過測(cè)試證明，力學(xué)傳感器與單片機(jī)硬件平臺(tái)之間的連接方法比較穩(wěn)定，能夠真實(shí)的反應(yīng)出實(shí)際應(yīng)力的性質(zhì)和大小變化的情況，從而證明了力學(xué)傳感器和單片機(jī)的這種連接方案能很好的完成信號(hào)采集的任務(wù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種將力學(xué)傳感器與單片機(jī)進(jìn)行連接的方式，通過系統(tǒng)全面的測(cè)試表明，其具有良好的連接性能，并且還具有抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高以及精確性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠應(yīng)用于對(duì)應(yīng)力測(cè)量精度高并且要求工作穩(wěn)定等特定場(chǎng)合，進(jìn)而為應(yīng)力測(cè)量工作的順利進(jìn)行提供可靠保障，促進(jìn)應(yīng)力測(cè)量水平的不斷提高。

[1]蓋超會(huì).基于單片機(jī)嵌入式的電機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)械,2017(05):42-44.

[2]陳家敏.分析如何實(shí)現(xiàn)嵌入式單片機(jī)對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的控制[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2017(09):14-16.