一種基于FlexiForce的多點(diǎn)陣列式壓力采集系統(tǒng)

肖雨琳 張立成 楊楠

關(guān)鍵詞： FlexiForce; 壓力采集; 多路選擇; VC++; 薄膜式壓力傳感器; 放大電路

中圖分類號(hào)： TN722?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）04?0019?04

A multi?point array pressure acquisition system based on FlexiForce

XIAO Yulin， ZHANG Licheng， YANG Nan

（Changan University， Xian 710000， China）

Abstract： A multi?point array acquisition system based on the FlexiForce thin?film pressure sensor is designed. The system can convert the resistance output by the FlexiForce thin?film pressure sensor into voltage signals with a certain amplification. Meanwhile， the system can support the multichannel selection function and realize 8×8 channel pressure acquisition. The VC++ is used to compile for the software interface of the upper computer， so as to display pressure data and image. The data is exported to evaluate and analyze the performance of the whole system. The experimental results show that the voltage value of the system decreases with the increase of pressure， phenomena like jump and mutation do not occur as the pressure increases or decreases steadily， the voltage maintains at 5 V when the pressure is zero， the minimum voltage value maintains at about 1 V， and the calculation results show that all the final errors are below 1%， which meets the error scope of the FleixForce thin?film pressure sensor.

Keywords： FlexiForce; pressure acquisition; multichannel selection; VC++; thin?film pressure sensor; amplifying circuit

壓力采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、汽車、家居用品、服裝、工業(yè)檢測(cè)及科研等領(lǐng)域，綜合微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)，其發(fā)展得力于相關(guān)技術(shù)的最新發(fā)展成就[1]。順應(yīng)壓力采集系統(tǒng)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、高精度等發(fā)展趨勢(shì)，本文設(shè)計(jì)一種基于FlexiForce的多點(diǎn)陣列式壓力采集系統(tǒng)。系統(tǒng)電路能夠?qū)⒈∧な綁毫鞲衅鬏敵龅淖柚底兓優(yōu)殡妷盒盘?hào)并具有一定的放大作用，同時(shí)支持多路選擇功能[2]，實(shí)現(xiàn)了8×8=64路壓力采集，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、安裝使用方便和性價(jià)比高等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景和借鑒價(jià)值。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

針對(duì)薄膜式壓力傳感器構(gòu)成的網(wǎng)格陣列，無(wú)法使用電橋方式進(jìn)行電阻與電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換，且多點(diǎn)數(shù)據(jù)無(wú)法同時(shí)采集問(wèn)題，本文的目的在于提供一種基于FlexiForce薄膜式壓力傳感器多點(diǎn)陣列式壓力采集系統(tǒng) ，包括薄膜式壓力傳感器、信號(hào)驅(qū)動(dòng)板、數(shù)字控制模擬電子開(kāi)關(guān)、A/D模塊、處理器、USB轉(zhuǎn)TTL模塊和電源，系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1，各個(gè)傳感器輸出的摸擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大調(diào)理模/數(shù)轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為數(shù)字量傳送給單片機(jī)，運(yùn)用標(biāo)定、計(jì)算、零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)忍幚矸椒ㄌ幚砗?，在顯示模塊顯示，同時(shí)經(jīng)過(guò)串行接口傳送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要由電源電路、單片機(jī)MSP430F149、多點(diǎn)網(wǎng)格陣列壓力傳感器、采樣放大電路、多路選擇電路和USB轉(zhuǎn)串口電路組成。

2.1 ?薄膜壓力傳感器A201

電阻式傳感器和驅(qū)動(dòng)電路相連，所選電阻式傳感器是一種薄膜型[3]，具有紙一樣薄的結(jié)構(gòu)，是目前世界上最好的觸力/壓力測(cè)量的傳感器，簡(jiǎn)單易用、準(zhǔn)確、成本低、體積小，易于集成在各種運(yùn)用中。無(wú)負(fù)載施加時(shí)，具有高于5 MΩ的阻抗，在其有效區(qū)域施加負(fù)載時(shí)，電阻值隨著負(fù)載的增大而變小，從校準(zhǔn)圖上可以看出，壓力與電導(dǎo)近似線性關(guān)系，通過(guò)最小二乘擬合法得出壓力與電導(dǎo)的關(guān)系[4]。

2.2 ?電源電路

本系統(tǒng)使用的是3.3 V設(shè)計(jì)，電源電路的設(shè)計(jì)方案選擇5 V轉(zhuǎn)3.3 V供電的方案，使用LM1117?3.3線性穩(wěn)壓電源進(jìn)行穩(wěn)壓;5 V供電可以使用PC的USB作為供電線。本電源模塊可以在給單片機(jī)供電的同時(shí)也給其他外設(shè)進(jìn)行供電，方便其他電路的設(shè)計(jì)。圖4為電源電路設(shè)計(jì)圖。

2.3 ?放大電路

信號(hào)驅(qū)動(dòng)板集成放大芯片采用通用集成運(yùn)放LM358，該芯片支持兩路電壓放大，在薄膜壓力傳感器將非線性電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓變化后，通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)反饋電阻的大小實(shí)現(xiàn)一定比例的增益，將電壓信號(hào)處理到適合ADC采集的范圍內(nèi)。放大電路采用同相比例放大電路設(shè)計(jì)，其單路放大[5]原理如圖5所示。

根據(jù)電路原理，同相放大器主要由反饋電阻Rf和R1組成深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，R2為同相端補(bǔ)償電阻，其取值為R2=R1//Rf。設(shè)Ui為輸入電壓，Uo為放大后的電壓輸出信號(hào)，即圖5中的1腳電位，根據(jù)運(yùn)放“虛斷路”特點(diǎn)[4]，[iR1=iRf]，即[-u-R1=（u-uo）Rf]，得[u0=1+RfR1u-=1+RfR1ui]。于是同向比例運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)為Auf=1+[RfR1]。輸入的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)平衡電阻由運(yùn)放同相端進(jìn)入放大器，輸出后并聯(lián)一個(gè)1 mF的電容，濾去高頻噪聲。

2.4 ?多路選擇電路

因?yàn)锳DC通道數(shù)有限，所以需要使用多路選擇電路進(jìn)行循環(huán)選擇讀取多組電壓信號(hào)[6]，選擇電路使用CD4051模擬選通開(kāi)關(guān)，將放大電路的輸出端Vout 與數(shù)字控制模擬電子開(kāi)關(guān)輸入相連，通過(guò)CD4051的3個(gè)二進(jìn)制控制輸入端以及INH片選端進(jìn)行選擇通道。8片8選1模擬選通開(kāi)關(guān)CD4051的OUT/INx引腳分別輸入64個(gè)采樣電路的輸出端，而8片CD4051的公共端COM端分別連接到MSP430單片機(jī)的8個(gè)12位ADC，通過(guò)地址線I_ADDR_x和CD4051的片選引腳INH_x分別選中每一片模擬選通開(kāi)關(guān)的模擬電壓輸入[7]。CD4051芯片引腳連接如圖6所示。

2.5 ?USB轉(zhuǎn)串口

本文所設(shè)計(jì)的多點(diǎn)網(wǎng)格陣列壓力采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)最終將經(jīng)過(guò)處理發(fā)送到PC進(jìn)行顯示與儲(chǔ)存，單片機(jī)與PC通信的方式有很多，但最常用的還是串口通信的方式。MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部硬件集成了UART串口通信模塊，通過(guò)軟件調(diào)用相關(guān)寄存器即可輕松使用UART串口與PC機(jī)進(jìn)行通信[8]，所以本設(shè)計(jì)采用串口通信的方式將數(shù)據(jù)回傳至PC端。圖7為USB轉(zhuǎn)串口與USB接口電路設(shè)計(jì)圖。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，采用VC++編程，整個(gè)程序由參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等子程序模塊組成，對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行多通道采集[9]。

數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集壓力數(shù)據(jù)，用戶先進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集，之后采用USB轉(zhuǎn)串口發(fā)送到PC端，顯示電壓值，繪制壓力變化曲線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化。同時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行雙重備份有效地防止數(shù)據(jù)丟失。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)專門的界面查看歷史數(shù)據(jù)，如圖8所示，根據(jù)用戶需要，后期可導(dǎo)出到Excel進(jìn)行分析處理[10]。系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)提供快速響應(yīng)，保證系統(tǒng)有條不紊的工作。系統(tǒng)軟件流程圖如圖9所示。電壓采集圖像如圖10所示。

4 ?系統(tǒng)測(cè)試與分析

本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)單點(diǎn)采集模塊的設(shè)計(jì)測(cè)試，繪制多點(diǎn)網(wǎng)格陣列式原理圖，焊接制板。然后進(jìn)行程序編寫(xiě)，功能測(cè)試，連接各個(gè)子模塊，反復(fù)調(diào)試和修改，最終實(shí)現(xiàn)8×8路壓力采集、圖像繪制、數(shù)據(jù)分析等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)電壓值隨著壓力的增加而下降，壓力平穩(wěn)增加和降低時(shí)不會(huì)出現(xiàn)跳躍、突變等現(xiàn)象，零壓力時(shí)電壓保持在5 V，最小電壓值保持在1 V左右，經(jīng)過(guò)計(jì)算，最終誤差均滿足FlexiForce薄膜壓力傳感器1%的誤差范圍[11]。試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種基于FlexiForce薄膜式壓力傳感器多點(diǎn)陣列式壓力采集系統(tǒng)。采用A201薄膜壓力傳感器，設(shè)計(jì)針對(duì)陣列信號(hào)處理電路，完成通道選擇、A/D轉(zhuǎn)換、放大調(diào)理，最終傳送給PC機(jī)，以采集壓力實(shí)時(shí)變化，分析壓力數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有高精度、高靈敏度、實(shí)用性強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以根據(jù)要求改變成不同的形狀，應(yīng)用到汽車、家居用品、服裝、工業(yè)檢測(cè)及科研等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景和一定的借鑒價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 李國(guó)柱.基于單片機(jī)和USB接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（4）：65?67.

LI Guozhu. Design of data acquisition system based on single chip computer and USB interface [J]. Modern electronics technique， 2009， 32（4）： 65?67.

[2] ZANG Yaping， DI Chongan， ZHU Daoben. Flexible suspended gate organic thin?film transistors for multi?functional applications [C]// Proceedings of the 6th International Conference on Nanoscience & Technology. Beijing： [s.n.]， 2015： 355?356.

[3] 宋敬衛(wèi)，付廣春，馬獻(xiàn)國(guó).基于STM32的多路電壓采集研究[J].電子世界，2013（12）：55?56.

SONG Jingwei， FU Guangchun， MA Xianguo. Voltage acquisition research based on STM32 [J]. Electronics world， 2013（12）： 55?56.

[4] 徐科軍.傳感器的線性度指標(biāo)綜述[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38（4）：70?71.

XU Kejun. An overview for linearity indexes of sensors [J]. Journal of electrical & electronic education， 2016， 38（4）： 70?71.

[5] YOU Minghui， YU Xinyu， SUN Qixiang， et al. Analysis and design of amplifying circuit resisting temperature disturbance of the food material electric heating equipment [C]// Proceedings of the 4th International Conference on Machinery， Materials and Information Technology Applications. Hampton： Atlantic Press， 2016： 842?845.

[6] 鄧重一.基于MPX2100型壓力傳感器的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].傳感器世界，2005，11（3）：29?33.

DENG Chongyi. Design of high accuracy data collecting system based on MPX2100 type pressure sensor [J]. Sensor world， 2005， 11（3）： 29?33.

[7] 葉洪海，李麗敏.基于單片機(jī)的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，26（4）：545?547.

YE Honghai， LI Limin. Design and realization of multi?channel data acquisition system based on single?chip microcomputer [J]. Journal of Jiamusi University （Natural science edition）， 2008， 26（4）： 545?547.

[8] 郭亨禮，林友德.傳感器實(shí)用電路[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1992.

GUO Hengli， LIN Youde. Practical circuit of sensor [M]. Shanghai： Shanghai Scientific & Technical Publishers， 1992.

[9] 唐德禮，王襄.單片機(jī)學(xué)習(xí)機(jī)及編程器的設(shè)計(jì)與制作[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28（12）：117?120.

TANG Deli， WANG Xiang. Designing on single chip microcomputer learning machine and programmer [J]. Modern electronics technique， 2005， 28（12）： 117?120.

[10] 唐國(guó)紅.基于VC++的單片機(jī)編程器軟件的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（8）：126?128.

TANG Guohong. The software design of single chip programmer based on VC++ [J]. Modern electronics technique， 2007， 30（8）： 126?128.

[11] 王夢(mèng)，葛斌，徐明哲，等.基于單片機(jī)的多通道足底壓力采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技，2017，30（9）：30?33.

WANG Meng， GE Bin， XU Mingzhe， et al. Design of multi?channel thin film pressure sensor system based on PIC18F4550 platform [J]. Electronic science and technology， 2017， 30（9）： 30?33.