来源：《电子技术应用》

摘要：以研制的机器人多指灵巧手微型五维指尖力／力矩传感器为基础，基于单片机ａｔ８９ｃ５２设计了高性能的数据采集系统和数据处理系统，实现了与主计算机的ｒｓ４２２串行通讯，从而构成了一套完整的智能化的五维力／力矩测量系统。 关键词：传感器 单片机 数据采集 串行通讯

多维力传感器的发展已经有几十年的历史。以机器人的腕力传感器为主要应用背景，国内外的很多公司制造了多种规格的多维力传感器[１，２]。为了满足医疗仪器、航空航天等领域对于微型多维力传感器的需求，以研制的机器人多指灵巧手微型五维指尖力／力矩传感器为基础，研制了一种基于单片机ａｔ８９ｃ５２的智能微型五维力传感器测量系统。

本文将首先介绍我们所研制的五维指尖力／力矩传感器的本体和应用表面封装技术设计的信号调理电路，然后着重介绍基于微处理器ａｔ８９ｃ５２的数据采集系统、数据处理系统和ｒｓ４２２串行通讯系统。

１ 五维指尖力／力矩传感器及信号调理电路简介

为多指灵巧手所研制的微型五维指尖力／力矩传感器基于电阻应变原理。利用有限元方法，设计了具有很小尺寸的传感器弹性体结构（应变梁的厚度只有０．３５ｍｍ）。将ｂｌｈ公司生产的微型高阻金属应变片ｓｒ－４贴在应变梁上组成五个应变半桥，用高精度的＋５ｖ电压调节器给电桥供电，由此将传感器所受的五维力（包括ｘ，ｙ，ｚ方向的力ｆｘ，ｆｙ和 ｆｚ以及ｘ，ｙ两个方向的力矩ｍｘ，ｍｙ）转换成五路电压输出。采用表面贴装技术设计了传感器的信号调理电路，将小电路板内置于传感器本体之中，实现了传感器体积的微型化，整个传感器的外形尺寸只有φ１９ｍｍ×１２．５ｍｍ。三维力ｆｘ，ｆｙ和ｆｚ的测量范围是１０ｎ，二维力矩ｍｘ和ｍｙ 的测量范围是０．２ｎ·ｍ。

用有限元方法对传感器的弹性体进行应力分析，可以计算出，在＋５ｖ恒压源供电的情况下，每路电压输出值不超过±２５ｍｖ。因此，信号必须经过高性能的信号调理电路，才能达到较好地测量精度；同时，必须将电路板就近地放置在传感器的本体之中，以避免噪声的引入。为此，我们应用表面贴装技术设计制作了以精密仪表放大器ａｄ６２３为核心的信号调理电路板，通过高性能元器件的选择、电路的高质量滤波以及电路板的合理布线，将五路电桥的输出电压信号放大到数据采集系统所要求的输入范围：０～５ｖ。为了实现单电源供电的ａｄ６２３对双极性传感器输出电压的放大，在ａｄ６２３的参考电压端加上２．５ｖ的参考电压，实现双极性电压的直流偏置。为了测量环境的温度以便对传感器的输出进行温度补偿，在信号调理电路板上还放置了三脚ｓｏｔ封装的集成温度传感器ｌｍ５０ｂ。

２ 基于单片机ａｔ８９ｃ５２的传感器数据采集系统和串行通讯系统的电路设计

为了实现五维指尖力／力矩传感器的智能化，使之成为一个完整的力测量系统，选用了ａｔｍｅｌ公司生产的ａｔ８９ｃ５２微处理器作为传感器数据采集和处理系统的核心。ａｔ８９ｃ５２的管脚和指令与传统的ｍｃｓ－５１系列单片机完全兼容，并且芯片内部集成了８ｋ的可编程ｆｌａｓｈ内存。对于本系统而言，只需很少的外围芯片就可以构成一个单片机应用系统。

为了实现传感器信号调理电路七路输出信号（包括五路应变输出信号、温度输出信号和参考电压信号）的数据采集，我们选用了ｍａｘｉｍ公司生产的ｍａｘ１９７ａ作为ａ／ｄ转换芯片。ｍａｘ１９７ａ是１２位的快速ａ／ｄ转换芯片，它有几个显著特点：单＋５ｖ电源供电；有八个模拟电压输入通道，每个输入通道的量程范围可用软件独立地设定；芯片内部集成了５ｍｈｚ带宽的采样保持电路；有两种节电工作方式，可以实现很低的功耗等。