智能按鍵開關(guān)參數(shù)測量儀*

姚 蕾

(成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 610041)

在批量生產(chǎn)按鍵開關(guān)的過程中，質(zhì)量檢測這個環(huán)節(jié)相當(dāng)重要，傳統(tǒng)的檢測采用“按鍵開關(guān)荷重位移曲線儀”進(jìn)行樣品抽測，它是二緯坐標(biāo)以X 軸為行程，以Y 軸為感應(yīng)力的大小變化形成的曲線測試儀器，專門來測量各種開關(guān)，按鍵，彈片及一些帶有彈性的東西?！鞍存I開關(guān)荷重位移曲線儀”的功能強(qiáng)大，整個受力過程通過曲線來表示，非常直觀，能同時測出23個參數(shù)，最小顯示行程已經(jīng)可以達(dá)到0.001 mm，最小顯示荷重達(dá)到0.01 g 精度，且所有資料皆可儲存(試驗條件、荷重曲線圖、測試結(jié)果、檢查報表等)，測量曲線圖由電腦記憶，可隨時放大、縮小。但是針對于按鍵開關(guān)的專業(yè)生產(chǎn)的廠家，不需要同時測量幾十種參數(shù)，只需要測量很少的參數(shù)，依據(jù)開關(guān)動作的荷重曲線，就可以用于生產(chǎn)線上檢測全部開關(guān)的良品和不良品，不需要在生產(chǎn)線上使用價格較為昂貴的“按鍵開關(guān)荷重位移曲線儀”。

1 按鍵開關(guān)的工作原理

按鍵上的金屬彈片位于軟性線路板板上的導(dǎo)電部位，當(dāng)受到按壓時，彈片的中心點(diǎn)下凹，接觸到PCB 上的線路，從而形成回路，電流通過，整個產(chǎn)品就得以正常工作。按鍵開關(guān)從按下去到復(fù)位，這個過程也叫一個開關(guān)動作。按鍵開關(guān)形變過程如圖1所示，彈片自由狀態(tài)時，支撐點(diǎn)為P1，當(dāng)外力F 開始向下施力時，彈片開始變形及位移，此時開始產(chǎn)生曲線。在以P1為支撐點(diǎn)時，外力F 造成彈片變形，會產(chǎn)生最小的R1，此時的外力F 即為彈片的OF值，過了彈片OF值位置時，支撐點(diǎn)P1會開始向P2位移，只要P1一位移，則R1又會變大，造成OF值變小，此時曲線即產(chǎn)生向下曲線(CK)。當(dāng)達(dá)到P2時，即為P2支撐之最大R2，此時即達(dá)到彈片的BP點(diǎn)(最小OD點(diǎn))。若此時外力F 繼續(xù)施力，則曲線又會向上產(chǎn)生曲線，上述過程如圖2所示，X 軸為行程，單位mm;Y 軸為感應(yīng)力，單位g。圖中有兩個極值點(diǎn)，一個極大值OF，一個極小值OD，CK為操作變化比例，即CK=(OF－OD)/OD×100%，這三個值作為判斷按鍵開關(guān)質(zhì)量好壞的重要參數(shù)。

圖1 按鍵開關(guān)形變過程示意圖

圖2 一個開關(guān)動作的簡化荷重曲線

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)分為機(jī)械按鍵動作裝置和高速A/D 采集處理電路，機(jī)械按鍵動作裝置主要作用是模擬按鍵開關(guān)的動作過程，使按鍵按下去的速度和受力都均勻，這樣按鍵開關(guān)一個按鍵動作所形成的壓力變化曲線是穩(wěn)定且準(zhǔn)確的，倘若不用機(jī)械裝置，用手按按鍵開關(guān)的話，每次按按鍵開關(guān)的受力和速度都不均勻，可能導(dǎo)致在A/D 采樣區(qū)間內(nèi)采集不到準(zhǔn)確的極值點(diǎn)，造成誤判。高速A/D 采集處理電路主要是設(shè)置相關(guān)參數(shù)、顯示相關(guān)數(shù)據(jù)、控制A/D 進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集和判斷按鍵開關(guān)的好壞，系統(tǒng)框圖如圖3所示，主要包括機(jī)械按鍵動作裝置、壓力傳感器、高速A/D 數(shù)據(jù)采集、按鍵電路、液晶顯示、六路繼電開關(guān)，串口數(shù)據(jù)通訊模塊。OF、CK、OD值的設(shè)定、存儲和壓力傳感器校準(zhǔn)。測量前，先觸發(fā)系統(tǒng)的外部中斷，同時對液晶屏清屏，表示可以進(jìn)行A/D 采集，此時打開機(jī)械按鍵動作裝置的開關(guān)按鈕，裝置的連桿壓臂以均勻的速度下壓，完成一個開關(guān)動作以后，機(jī)械裝置會自動恢復(fù)原始位置，單片機(jī)開始處理A/D 采集的數(shù)據(jù)，處理的結(jié)果同時在液晶上顯示，并根據(jù)測量結(jié)果使相應(yīng)的繼電器閉合，同時也通過串口往PC 機(jī)上發(fā)送相關(guān)指令，用于生產(chǎn)線上良品和不良品的分揀。

圖3 系統(tǒng)框圖

3 硬件電路設(shè)計

3.1 壓力傳感器采集和放大電路

應(yīng)變計箔柵測量精度較高，成本低，但是響應(yīng)速度過慢，不適用與生產(chǎn)線上的高速采集，故使用高靈敏合金鋼S 型拉壓力傳感器，其具有較強(qiáng)的抗扭、抗側(cè)和抗偏載能力，響應(yīng)速度小于2 ms，測量精度高、穩(wěn)定性能好、溫度漂移小、輸出對稱性好、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。S 型拉壓力傳感器采用四線制輸出，綠色線S+為信號線的正極，黃色線GNO為電源負(fù)極，橙色線S－為信號線的負(fù)極，紅色線為電源線的正極VCC，信號線接到INA126 的差分輸入，具體連接如圖4所示，壓力傳感器的供電電壓為10 V。

圖4 壓力傳感器電路圖

對壓力傳感器進(jìn)行測試，壓力傳感器的輸出信號非常小，最大輸出只有11 mV 左右，直接用A/D 采集的數(shù)據(jù)變化太小，幾乎分辨不出來壓力的變化，所以要把信號放大。考慮到測量按鍵壓力變化不需要很大的測量范圍，最大量程800 g 已經(jīng)可以滿足，所以把放大倍數(shù)調(diào)到1 000倍。采用具有很低的輸入失調(diào)、輸入漂移和極好的共模抑制比的精密儀表放大器INA126，其1腳、8腳之間跨接增益電阻Rg，其增益G可由G=5+80 kΩ/Rg確定。輸出電壓Vo為G×(VIN+－VIN－)。為了降低噪聲，在電源輸入端4腳、7腳與地接入0.1μF～0.47μF 的去耦電容。輸出參考端Ref與負(fù)載共地，以提高共模抑制能力。INA126 在絕大部分應(yīng)用中，由于失調(diào)電壓很小，所以不需要對失調(diào)電壓進(jìn)行調(diào)整。Rg采用100Ω 的可調(diào)電位器，調(diào)整Rg≈80.4Ω，使得G=1 000，滿足設(shè)計要求。

3.2 A/D 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路

圖5 ADS7816 電路圖

3.3 液晶顯示和按鍵電路

設(shè)計使用的液晶模塊是12864 圖形點(diǎn)陣液晶，顯示模塊設(shè)計主要是將主機(jī)處理后的數(shù)據(jù)顯示出來，該模塊與單片機(jī)連接簡單，只需單片機(jī)的三位I/O 口分別與液晶模塊的SCLK、SID、CS 相接。在系統(tǒng)中，為了布線簡單及驅(qū)動能力更強(qiáng)，分別用單片機(jī)PD4、PD5、PD6 接液晶顯示器的CS、SID、SCLK 端，具體電路如圖6所示。為了節(jié)省端口，系統(tǒng)采用了四個獨(dú)立鍵盤作為調(diào)整參數(shù)的人機(jī)設(shè)置界面，如圖7所示。K3按鍵和單片機(jī)PA0 相連主要功能是清零，K2按鍵和單片機(jī)PA5 相連主要功能是上下菜單選擇，K4按鍵和單片機(jī)PA7 相連主要功能是位選，K5按鍵和單片機(jī)PA6 相連主要功能確認(rèn)設(shè)置。

圖6 液晶和單片機(jī)連接電路圖

圖7 獨(dú)立式按鍵電路圖

3.4 串行數(shù)據(jù)通信電路

系統(tǒng)采用的控制芯片MAX232 完成兩路TTL/RS－232 電平的轉(zhuǎn)換，MAX232 的9、10 引腳是TTL電平端，用來連接單片機(jī)，具體電路連接如圖8所示。在實(shí)際應(yīng)用中，器件對電源噪聲很敏感。故VCC 必須要對地加去耦電容C5，其值為0.1μF。電容C1、C2、C3和C4取1.0μF，以提高抗干擾能力，在連接時必須盡量靠近器件。下半部分為發(fā)送和接收部分，T1IN和T2IN 直接接TTL/CMOS 電平的單片機(jī)的串口發(fā)送端TXD;R1OUT和R2OUT 直接接TTL/CMOS 電平的單片機(jī)的串口接收端RXD;T1OUT和T2OUT 直接接PC 機(jī)的RS－232 串口的接收端RXD;R1IN和R2IN 直接接PC 機(jī)的RS－232串口發(fā)送端TXD。

圖8 單片機(jī)與PC 通信電路圖

3.5 六路繼電開關(guān)電路

六路繼電開關(guān)分別對應(yīng)著OF、CK、OD 的上、下限報警值，一旦高于最高值或者低于最低值繼電器都會閉合，同時指示燈會亮，表示該路繼電器閉合?？刂七@六路繼電器開關(guān)是用單片機(jī)PC0至PC5 六個IO 口控制的，具體電路連接如圖9所示。

圖9 繼電開關(guān)電路圖

3.6 電源電路設(shè)計

系統(tǒng)壓力傳感器需要用到10 V 的工作電壓源，儀表放大器要用±10 V 的工作電源，單片機(jī)需要用到5 V 電源。圖10 是+10 V 輸出電源電路連接圖，工頻變壓器把220 V 交流電降至交流12 V，交流12 V 經(jīng)過整流橋之后轉(zhuǎn)換為直流電壓，再經(jīng)過電容濾波輸出比較穩(wěn)定的直流電壓，作為LM317 的輸入調(diào)整電壓，經(jīng)過LM317 調(diào)整為比較穩(wěn)定的10V 電壓。LM317 輸出電壓與R3、R6存在如下關(guān)系:

取R3=180Ω，若Vout=10 V，則算得R6=1 260Ω，所以電位器R6至少要1 260Ω，電位器R6最終取2 kΩ，電路焊接好后，通上電源，用萬用表測LM317 的輸出，同時調(diào)整R6電位器，使得輸出為10.00 V，為了防止使用過程中不小心碰到電位器導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生變化，調(diào)整好后應(yīng)用固體膠固封住電位器R6。

圖10 +10 V 電源電路圖

選用了ICL7660 作為電源轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)－10 V的電壓源，－10 V 電源轉(zhuǎn)換電路連接如圖11所示，單片機(jī)電源用LM7805 轉(zhuǎn)換，LM7805 的輸入接+10 V 電壓源的輸出，具體電路如圖12所示。

圖11 －10 V 電源轉(zhuǎn)換電路

圖12 +5 V 電源電路圖

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)使用AVR Studio 作為其開發(fā)工具，采用C51語言編寫。軟件系統(tǒng)包括壓力數(shù)據(jù)采集部分、串口數(shù)據(jù)發(fā)送部分、按鍵處理部分、數(shù)據(jù)結(jié)果處理和換屏顯示部分。首先需對液晶顯示器進(jìn)行初始設(shè)置，然后將壓力傳感器采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐壕э@示器能夠識別的ASCⅡ碼值，顯示出來。在主程序中還設(shè)計了按鍵處理程序，分別用來對OF、OD、CK 上、下限值進(jìn)行設(shè)定。設(shè)置完成后，當(dāng)采集處理的數(shù)值等于設(shè)定參數(shù)的上、下限時，報警電路觸發(fā)。詳細(xì)的系統(tǒng)主程序流程圖見圖13。系統(tǒng)中，只有在外部觸發(fā)中斷的時候才能夠開始A/D 采集處理，外部中斷觸發(fā)方式為上升沿觸發(fā)。當(dāng)標(biāo)志位V為1 時表示可以進(jìn)行A/D 采集處理，V為0 時不進(jìn)行采集處理。

圖13 主程序流程圖

需要設(shè)置的參數(shù)比較多，按鍵使用4個，為了使人機(jī)界面更容易操作，系統(tǒng)選擇了菜單欄設(shè)置方式。在主設(shè)置界面會顯示有7 項設(shè)置內(nèi)容，用1、2 一直到7 表示，當(dāng)按下“?”鍵時就可以進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面。參數(shù)設(shè)置界面有7 項，分別為:①“H_OF值”、②“L_OF值”、③“H_CK值”、④“L_CK值”、⑤“CK_%”、⑥“校準(zhǔn)”、⑦“退出”。按“?”鍵可選擇需要調(diào)整項(反白表示選中)。按如下所示操作步驟進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。按“* ”鍵表示確認(rèn)并進(jìn)入下一步。

(1)“H_OF值” 這項是設(shè)定“OF”上限值的，按“?”鍵到這項反白后表示選中，然后按“* ”鍵確認(rèn)，進(jìn)入第二層菜單，上面顯示“H_OF值:0000g”，這時按“→”鍵可以選中需要調(diào)整的位(反白到的位表示選中)，之后按“?”鍵可以對選中的位進(jìn)行調(diào)整，每按一次“?”鍵加1，加到9 后再按一次就返回0;調(diào)整好“OF”上限值后按“* ”鍵確認(rèn)(此時上限值會自動保存在EEPROM 里面，下次開機(jī)不用重新設(shè)置，具有斷電保存功能)，并且返回主菜單。

(2)“L_OF值” 這項是設(shè)定“OF”下限值的，此項設(shè)置步驟與(1)相同。

(3)“H_CK值” 這項是設(shè)定“CK”上限值的，此項設(shè)置步驟與(1)相同。

(4)“L_CK值” 這項是設(shè)定“CK”下限值的，此項設(shè)置步驟與(1)相同。

(5)“CK_%” 這項是設(shè)定“CK”顯示百分比的(默認(rèn)100%)，此項設(shè)置步驟與(1)相同。

(6)“校準(zhǔn)” 這項是傳感器校準(zhǔn)的設(shè)置。在主菜單下反白選中這項后，按“* ”確認(rèn)進(jìn)入到校準(zhǔn)設(shè)置界面，上面第1 行顯示“CAL ZERO”(零位校準(zhǔn));第2 行顯示“CAL FLOOD:0000g”(滿量程校準(zhǔn));第3 行顯示“實(shí)測值:0000g”。進(jìn)入此菜單項后先按“?”鍵，反白選中第1 項，此時按“* ”鍵確認(rèn)，之后會顯示“……”表示正在校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完畢后會返回菜單，此時繼續(xù)按“?”鍵，反白選中第2 項，再按“→”鍵可反白選中需要調(diào)整的位，這時按“?”鍵可調(diào)整加載的力值(單位g)調(diào)整好數(shù)值之后再按“* ”確認(rèn)，等進(jìn)度條滿之后表示校準(zhǔn)結(jié)束，同時顯示實(shí)際測量的力值，此時可通過對比加載力值與實(shí)測值來確定校準(zhǔn)的程度，1.5 s 之后自動返回主菜單。

(7)“退出”:這項是退出主菜單設(shè)置，進(jìn)入測試按鍵界面。

按鍵處理程序流程圖如圖14所示。A/D 轉(zhuǎn)換芯片在前2個時鐘周期對反饋信號進(jìn)行采樣，然后隨后的12個時鐘周期將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)依次按照從高到低的順序從Dout 送到單片機(jī)對應(yīng)的口里面，同步數(shù)據(jù)傳輸與每個位元被傳送鎖存在DCLOCK 下降沿。

圖14 按鍵處理程序流程圖

5 系統(tǒng)測試與結(jié)束語

測試中，機(jī)械按鍵動作裝置主要作用是模擬按鍵開關(guān)的動作過程，使按鍵按下去的速度和受力都均勻，這樣按鍵開關(guān)一個按鍵動作所形成的壓力變化曲線是穩(wěn)定而且準(zhǔn)確。主電機(jī)采用電容分相可逆爪極式永磁同步電機(jī)，該電機(jī)特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速緩慢，速度勻稱，力度均勻，正反兩個方向可控。經(jīng)過模塊化的硬件電路調(diào)試和組裝測試，最終實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)系統(tǒng)的壓力數(shù)據(jù)采集功能、液晶初步顯示功能、按鍵上、下限設(shè)定功能、PC 機(jī)的串口數(shù)據(jù)接收功能、壓力數(shù)據(jù)處理顯示功能。該智能按鍵開關(guān)測量儀在實(shí)際工作中具有很好的效果，表1為該裝置在實(shí)驗所采集數(shù)據(jù)中的一部分，通過與標(biāo)準(zhǔn)的“按鍵開關(guān)荷重位移曲線儀”測試結(jié)果對比分析，誤差不超過±5%，完全可以滿足生產(chǎn)線對于按鍵開關(guān)質(zhì)量的檢測。

表1 測量對比結(jié)果分析數(shù)據(jù)表

智能按鍵開關(guān)參數(shù)測量儀采用AVR 單片機(jī)ATmega32 作為主控芯片，以高靈敏合金鋼S 型拉壓力傳感器和12 bit模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS7816 采集按鍵開關(guān)的一次動作，測量和計算出OF、OD和CK值與設(shè)定值比較，判別按鍵開關(guān)的質(zhì)量，分辨良品和不良品。采用12864 液晶顯示，軟件實(shí)現(xiàn)菜單欄設(shè)置、傳感器校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理等。系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性、可靠性和實(shí)用性以及良好的測量精度，在生產(chǎn)線按鍵開關(guān)質(zhì)量檢測環(huán)節(jié)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

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