劉洪君，孫盛坤

(海軍裝備部駐天津地區(qū)軍事代表局，北京100073)

0 引言

張力檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用在現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)生活中起著重要的作用。特別是在制造領(lǐng)域，需要對(duì)張力進(jìn)行嚴(yán)格的控制，以保證系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。例如造紙行業(yè)的生產(chǎn)過程中，必須實(shí)時(shí)檢測(cè)紙張的張力，然后相應(yīng)地調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，防止紙張的收縮和卷曲，以保證生產(chǎn)的質(zhì)量;紡織行業(yè)的生產(chǎn)過程中，需嚴(yán)格控制紗線的送給速度，以滿足產(chǎn)品所需的不同的松緊度。

該文設(shè)計(jì)了一種智能張力檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)將張力值轉(zhuǎn)換為壓力傳感器的壓力值。在無線繩送給時(shí)，不同的線繩要保持不同的張力值，以保證線繩效果最佳;在線繩送給時(shí)，線繩的張力值與數(shù)據(jù)的采樣頻率處于協(xié)調(diào)狀態(tài)，如果張力值大及送給速度快，則將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的電路(AD)的采樣頻率就高;如果張力值小及送給速度慢時(shí)，AD的采樣頻率低，從而準(zhǔn)確地顯示出不同情況時(shí)的張力狀態(tài)。對(duì)各情況下的張力值的檢測(cè)通過壓力傳感器的壓力值來實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路分為4大部分:張力傳感裝置、調(diào)理電路、單片機(jī)電路以及藍(lán)牙模塊，通過4部分的調(diào)制與整合，可有效地將有用信號(hào)傳送至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

如圖1所示，該張力檢測(cè)系統(tǒng)分別由滾輪式壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、C8051F020單片機(jī)、藍(lán)牙傳輸模塊和上位機(jī)5部分組成。由壓力傳感器采集運(yùn)動(dòng)中的線繩對(duì)傳感器的壓力值，經(jīng)過放大，將原信號(hào)調(diào)整為可被單片機(jī)識(shí)別的有效信號(hào)，經(jīng)AD采樣，由單片機(jī)設(shè)置通用異步接收/發(fā)送裝置 (UART)與藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，由藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)。該系統(tǒng)采用C8051F020單片機(jī)，內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)可編程轉(zhuǎn)換率，最大100 KPS，高速的8051微控制器內(nèi)核速度可達(dá)25 MIPS。

圖1 張力檢測(cè)系統(tǒng)

1.2 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用變尺度算法［1］，對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，由相鄰2次采樣值的相對(duì)變化趨勢(shì)，判斷張力的變化規(guī)律?？紤]到橫機(jī)在運(yùn)動(dòng)開始和結(jié)束時(shí)，力的變化狀態(tài)急速，其他時(shí)刻，運(yùn)動(dòng)速度趨于平穩(wěn)。因此，在急速變化狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)提高采樣頻率，以更好地辨別其變化的規(guī)律。

上電啟動(dòng)后，首先初始化各項(xiàng)參數(shù)，包括系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化和端口的設(shè)置，并設(shè)置好波特率以及數(shù)據(jù)格式，判斷AD的數(shù)據(jù)標(biāo)志位AD0INT是否置1，若沒有采集到數(shù)據(jù)，單片機(jī)繼續(xù)等待;若檢測(cè)到數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊傳到上位機(jī)進(jìn)行顯示，并與上一次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得差值M。若M值為負(fù)則將其取反，始終保持M為正值，根據(jù)M值的取值區(qū)間不同，相應(yīng)選擇Fre值，經(jīng)過運(yùn)算，通過調(diào)整程序中的延時(shí)函數(shù)，改變AD的采樣速率，進(jìn)而針對(duì)AD采樣值變化的趨勢(shì)不斷改善采樣的效率，以達(dá)到高效的采集效果。軟件流程如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 張力傳感裝置

該系統(tǒng)采用三滾輪法［2］，壓力傳感器上分別有3個(gè)一字并排的滾輪，并在傳感器的上下兩端分別安置一個(gè)足以讓線繩穿過的鐵環(huán)，將線繩繞行穿過3個(gè)滾輪，并穿過上下2個(gè)鐵環(huán)［3］，如圖3所示。

圖3 三滾輪法原理圖

左右兩側(cè)分別為固定輪B、C，中間位A輪，只有A輪可產(chǎn)生位置變化，即A輪為傳感器的觸點(diǎn)。左右分別固定2個(gè)鐵環(huán)，使整個(gè)裝置的包圍角是一定值，即壓力值與拉力值成線性關(guān)系。

此裝置可將線繩的拉力值轉(zhuǎn)換成傳感器的壓力值，由于包圍角的存在，壓力值必然小于拉力值，不至于對(duì)傳感器造成過多傷害，同時(shí)3個(gè)滾輪的設(shè)計(jì)，可準(zhǔn)確地測(cè)出線繩在靜止時(shí)和運(yùn)動(dòng)時(shí)的張力值，可有效地消除阻尼現(xiàn)象。

2.2 調(diào)理電路

由于傳感器輸出的是毫伏級(jí)差分信號(hào)，不能直接送入ADC中，故在此之前要進(jìn)行調(diào)理、放大，并轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，使其符合ADC的輸入要求，把數(shù)字信號(hào)送入微控制單元 (MCU)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理［4］。由于傳統(tǒng)運(yùn)放的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)會(huì)使共模抑制比較低，且可用于第1級(jí)的增益有限，輸出級(jí)誤差則反饋回輸入端，導(dǎo)致相對(duì)輸入的噪聲和補(bǔ)償誤差更大。為保證數(shù)據(jù)的正常放大以及系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此采用三儀表放大電路，如圖4所示電路。電路采用3個(gè)運(yùn)算放大器組成2級(jí):一級(jí)由兩運(yùn)放組成的前置放大器，根據(jù)運(yùn)算放大電路的基本分析方法，可得出放大結(jié)果為:

后一級(jí)為差分放大器，根據(jù)負(fù)反饋條件，得出最后的輸出電壓為:

前置放大器提供高輸入阻抗、低噪聲和增益。差分放大器抑制共模噪聲，還能在需要時(shí)提供一定的附加增益。

圖4 調(diào)理放大電路

2.3 單片機(jī)電路

R1單片機(jī)硬件電路原理如圖5所示，將調(diào)理電路輸出的單端模擬信號(hào)送入單片機(jī)的AIN0.0引腳，將地線接入AGND引腳，使整個(gè)系統(tǒng)共地，信號(hào)經(jīng)AIN0.0進(jìn)入單片機(jī)，由C8051F020內(nèi)置的12位為AD進(jìn)行相應(yīng)的處理，經(jīng)芯片SP223的轉(zhuǎn)換，由J5(即串口)［5］控制藍(lán)牙模塊，并由藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。

圖5 單片機(jī)硬件電路

3 性能測(cè)試結(jié)果分析

為了高效、準(zhǔn)確地檢測(cè)動(dòng)態(tài)下張力值的變化，該系統(tǒng)從壓輪裝置和程序的算法上做出了相應(yīng)的改進(jìn)，并對(duì)張力值進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2方面的測(cè)試。在靜態(tài)測(cè)試中，為測(cè)試傳感器輸出信號(hào)的速率和穩(wěn)定性，將砝碼按重量由小到大再由大到小一次懸掛于機(jī)械裝置的滾輪A，反復(fù)3次，得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)［6］，如表1所示。

表1 調(diào)理電路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

將表1繪制成圖，得到圖6。由圖6可以看出，3次測(cè)量數(shù)據(jù)均顯現(xiàn)出很好線性度。

圖6 張力傳感裝置線性度圖

動(dòng)態(tài)檢測(cè)以橫機(jī)為測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，紗線從線軸抽出后，按圖3所示穿過傳感裝置，信號(hào)輸出進(jìn)入調(diào)理電路，經(jīng)調(diào)理電路處理后，由AD采樣，經(jīng)單片機(jī)處理后傳至上位機(jī)，上位機(jī)由DELPHI［7］編寫。圖7為橫機(jī)運(yùn)行一個(gè)周期的尾聲所顯示的圖像［8］，經(jīng)過變尺度算法輸出的數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)時(shí)間軸做出相應(yīng)調(diào)整，可清晰地看出此周期紗線張力的變化，并可根據(jù)此數(shù)據(jù)對(duì)送給設(shè)備進(jìn)行的調(diào)整相應(yīng)。

圖7 上位機(jī)軟件運(yùn)行結(jié)果

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)將重點(diǎn)放在基于藍(lán)牙通信的智能張力檢測(cè)系統(tǒng)硬件和軟件的關(guān)鍵技術(shù)上。通過在硬件上使用三滾輪法提高傳感器測(cè)量靈敏度，在軟件中使用改進(jìn)的變尺度算法提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，經(jīng)過對(duì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，該智能張力檢測(cè)系統(tǒng)較原有系統(tǒng)大大提高了動(dòng)態(tài)張力檢測(cè)的效果。在各個(gè)領(lǐng)域中，張力檢測(cè)技術(shù)的重要性日益顯著，此智能張力檢測(cè)系統(tǒng)若配合多種設(shè)備進(jìn)行使用，可大大提升工作效率。

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