力学传感器与单片机硬件平台的连接方法探究

赖辉平，林敏

（集美大学机械与能源工程学院，福建 厦门 361021）

力学信号的测量、记录和描绘在科研和工业生产领域得到了非常广泛的应用，促进了科研和工业生产水平的不断提高。在实际的力学信号采集过程中，力学传感器要对力量信号进行有效的接收和转化，将电信号转变为数字信号，再对其进行一定的处理。信号的模数转换和数字信号的处理工作主要由单片机系统完成，为了提高信号的处理工作质量，就要确保力学传感器与单片机之间进行有效的连接。在实际工作过程中，会受到外界各种不良因素的影响，进而对连接的稳定性造成严重影响，导致连接失效，无法进行正常的信号传递，影响到生产工作的顺利进行。因此，为了确保生产的顺利进行，就要对力学传感器与单片机之间的连接进行科学合理的分析，进而采取有效的措施，提高两者之间的连接稳定性。

1 拉力压力传感器及输出模式的选择

能够同时进行拉力和压力测量的传感器通常都采用S型的结构设计，在实际力学传感器的优选过程中，要结合测量的特点进行有效的选择，在本文中所选择的力学传感器由合金材料构成，并具有良好的密封性、较高的抗扭强度以及良好的抗偏载能力，其能够承受的最大过载量为最大值的1.5倍。在力学传感器的实际工作环境中，存在着非常多的噪声和干扰信号，进而造成信号的传输质量下降，甚至导致信号失真。当采用电压模拟信号作为载体传输模拟信号时，在实际的信号传输过程中，信号就会受到外界不良因素的严重影响，进而造成信号失真的幅度大大增加。而采用电流模拟信号作为载体，在传输模拟信号时，就会大大降低信号传输过程中受到的干扰，确保信号能够进行顺利的传输，从而较好的保留初始采集信号的信息特征。

2 单片机芯片的选择

为了与力学传感器进行有效的连接，就要有针对性的优选性能优良的单片机，进而为连接的有效性提供可靠保障。本文所选择的单片机为Freescale公司生产的S12系列的16位微控制器MC9512DG128，其具有集成度高、片内资源丰富、适应能力强等优点。对模拟信号的数字化转换处理主要是由单片机上功能强大的A/D转化模块实现，在S12单片机中一共设置了2个10位/8位的A/D模块，即ATD0和ATD1，统称为模数转换器（ATD）。在S12之中的模数转换器是一种逐次逼近型A/D转换器，在其内部设置有相应的多路器，其精度能够达到+2LSB。

3 传感器和单片机的接口设计

（1）模拟信号的模式转换。在实际的工业生产中，所用到的力学传感器输出的信号一般都是在4～20mA范围内的标准电流信号，但是在MC9512DG128单片机上的A/D转换器能够输入的模拟信号，往往是介于0～5V的电压信号。因此，在实际的信号传输过程中，为了有效提高信号传输过程中的稳定性，需要将力学传感器所输出的模拟信号进行一定程度的转换，将其转变为相应的电压信号，进而大大提高信号传输过程中的稳定性，进而有效避免受到外界的干扰。本文中所涉及到的变送装置其供电电压为12V，并根据其实际的工作要求，将其设置在单片机的平台上，进而大大缩短电压信号的传输时间，让经过转换处理后的电压信号能够尽快进入到A/D模块之中，尽量缩短信号传输过程中暴露在外受干扰的时间，进而确保信号能够稳定传输，提高信号传输过程中的稳定性，降低信号发生误差的概率，为工业生产的正常进行提供可靠的数据支持。在变送器的另一端，设置有应力信号的接收装置，能够对传输而来的电信号进行有效的接收处理，通过导线与力学传感器进行有效连接，同时，导线还能为力学传感器提供必要的电能供应。

（2）A/D保护电路。在实际的工作过程中，电路板上MC9512DG128单片机的A/D参考电压端口要接入相应的参考电压值，本文中接入的参考电压介于0～5V之间。当输入的模拟量值超过参考电压最大值很多时，就会给转换器带来严重的负担，甚至造成芯片上的A/D转换器烧毁无法正常工作的严重后果。因此，为了确保转换器能够始终处于良好的工作状态，就要采取有针对性的保护措施，通过设置有效的保护电路对转换器进行可靠的保护，保护电路的结构如图1所示。

图1 A/D保护电路示意图

通过图1的保护电路就能对MCU芯片进行良好的保护，提高整个系统的稳定性，进而确保应力信号能够有效传输。A/D保护电路的工作原理是：设二极管D1和D2中的导通电压为0.3V，当输入端的电压值Uin1大于5.3V时，二极管D1被导通，则Uout1=5.3V；当输入端的电压值Uin1小于0.3V时，二极管D2被导通，则Uout1=-0.3V。因此，就能有效的将输入电压控制在-0.3～5.3V之间，进而避免输入电压过大，对MCU芯片造成不同程度的损坏。

（3）MCU的A/D模块设置。在本文中所使用的嵌入式系统程序是应用CodewarirorIDE软件进行编写，该软件是由Metrowerks公司开发的一种集成式的编程软件。本文主要涉及到力学传感器与单片机之间的有效连接，两者之间稳定连接的关键在于MCU芯片上的A/D模块设置是否科学合理，唯有合理的设置才能确保MCU芯片始终工作在理想的模式下，进而大大提高整个系统的稳定性。按照MCU芯片模式寄存器的设置规则和芯片结构的参数说明，设置的A/D初始化和工作标准C源程序如下所示。

A/D初始化：

{ATD0CTL2=0xC0；//AD模块上电，快速清零，无等待模式，禁止外部触发，中断禁止。

ATD0CTL3=0x20；//每 个 序 列4次 转 换，NoFIFO，Freeze模式下继续转换。

ATD0CTL4=0x83；//8位 精 度，2个 时 钟，ATDClock=[BusClock⋆0.5]/[PRS+1]；PRS=3，divider=8。

ATD0CTL5=0xA0；//右对齐无符号，单通道采样，通道0。

ATD0DIEN=0x00；//禁止数字输入}

A/D工作程序：

for(;;){SCI0SR1_TDRE=1；

while(！ATD0STAT1_CCF0)；//等待转换结束

PORTB=(byte)ATD0DR0；//在B口显示转换值

SCI0DRH=0X00；

SCI0DRL=(byte)ATD0DR0；

delay(50)；//等待发送}

其中，delay(m)延时程序可根据具体的实际情况进行有针对性的设置。

4 系统测试

（1）传感器量程设定。在力学传感器与单片机硬件平台的实际连接过程中，为了测定对接接口是否处于正常的工作状态中，就要对其进行一定的实验。要对力学传感器的量程进行科学合理的设定，根据本文中所使用的传感器，将其最大拉力设定为250N，最大压力也设定为250N。通过测试发现，当力学传感器受到250N的拉力时，在变送器上就会相应显示出0V的电压值；当力学传感器受到250N的压力时，在变送器上就会相应的显示出5V的电压值；当力学传感器没有受到任何外力时，在变送器上就会相应显示出2.5V的电压值。当变送器上显示的电压值介于0～2.5V时，表示力学传感器受到一定的拉力；当变送器上显示的电压值介于2.5～5V时，表示力学传感器受到一定的压力。因此，根据变送器上显示的电压值就能判断出力学传感器受到何种形式的外力。

（2）硬件搭接测试。力学传感器与单片机接口模块的性能对于确保连接的稳定性具有十分重要的现实意义，因此，需要对接口模块的工作状态进行系统全面的测试。通过借助232串口将力学传感器的单片机硬件平台与PC终端进行有效的连接，通过PC对接口模块的运行状态进行实时的监控测试。其具体的硬件连接方式如下所示，力学传感器通过变送器与AD保护电路之间进行有效的连接，信号经由保护电路输出后，通过A/D接口有效的连接到MCU芯片上。

（3）测试结果。根据测试要求，在PC上安装相应的应力测试应用程序。通过此程序，能够在电脑终端由串行口自动读取力学信息的数字量化数据，同时，还能够对整个测试过程中的应力变化进行全面的记录，并根据记录数据绘制出相应的应力变化曲线，为测试提供充足的资料支持。图像能够比较准确的反应出应力的性质以及整个测试过程的变化情况。通过测试证明，力学传感器与单片机硬件平台之间的连接方法比较稳定，能够真实的反应出实际应力的性质和大小变化的情况，从而证明了力学传感器和单片机的这种连接方案能很好的完成信号采集的任务。

5 结语

本文提出了一种将力学传感器与单片机进行连接的方式，通过系统全面的测试表明，其具有良好的连接性能，并且还具有抗干扰能力强、稳定性高以及精确性高等优点，能够应用于对应力测量精度高并且要求工作稳定等特定场合，进而为应力测量工作的顺利进行提供可靠保障，促进应力测量水平的不断提高。

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