來源：《電子技術(shù)應(yīng)用》

摘要：以研制的機(jī)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(jī)ａｔ８９ｃ５２設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了與主計(jì)算機(jī)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(cè)量系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：傳感器 單片機(jī) 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(jī)器人的腕力傳感器為主要應(yīng)用背景，國(guó)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(jī)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(jī)ａｔ８９ｃ５２的智能微型五維力傳感器測(cè)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(jì)的信號(hào)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(hào)調(diào)理電路簡(jiǎn)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?cè)�。利用有限元方法，設(shè)計(jì)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(gè)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，ｆｙ和 ｆｚ以及ｘ，ｙ兩個(gè)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(jì)了傳感器的信號(hào)調(diào)理電路，將小電路板內(nèi)置于傳感器本體之中，實(shí)現(xiàn)了傳感器體積的微型化，整個(gè)傳感器的外形尺寸只有φ１９ｍｍ×１２．５ｍｍ。三維力ｆｘ，ｆｙ和ｆｚ的測(cè)量范圍是１０ｎ，二維力矩ｍｘ和ｍｙ 的測(cè)量范圍是０．２ｎ·ｍ。

用有限元方法對(duì)傳感器的彈性體進(jìn)行應(yīng)力分析，可以計(jì)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(hào)必須經(jīng)過高性能的信號(hào)調(diào)理電路，才能達(dá)到較好地測(cè)量精度；同時(shí)，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(jì)制作了以精密儀表放大器ａｄ６２３為核心的信號(hào)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(hào)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(shí)現(xiàn)單電源供電的ａｄ６２３對(duì)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(shí)現(xiàn)雙極性電壓的直流偏置。為了測(cè)量環(huán)境的溫度以便對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在信號(hào)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(jī)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(jì)

為了實(shí)現(xiàn)五維指尖力／力矩傳感器的智能化，使之成為一個(gè)完整的力測(cè)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(jī)完全兼容，并且芯片內(nèi)部集成了８ｋ的可編程ｆｌａｓｈ內(nèi)存。對(duì)于本系統(tǒng)而言，只需很少的外圍芯片就可以構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)調(diào)理電路七路輸出信號(hào)（包括五路應(yīng)變輸出信號(hào)、溫度輸出信號(hào)和參考電壓信號(hào)）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(gè)顯著特點(diǎn)：?jiǎn)危担鲭娫垂╇�；有八個(gè)模擬電壓輸入通道，每個(gè)輸入通道的量程范圍可用軟件獨(dú)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(shí)現(xiàn)很低的功耗等。