一種手持式數字測力計的設計與實現

李慶楠，宋 丫，嚴 琳

（中航工業西安航空計算技術研究所，西安 710065）

繼電器作為自動和遠距離操縱用的電器，起著控制、檢測、保護和調節等功能，廣泛應用于民用、航空、航天和軍事等各個領域，在現代電氣裝置中起著重要的作用[1]。對于軍用繼電器，生產廠家在調節其觸點預壓力等力參數時通過測量—調節—測量的重復過程來使力參數符合要求。然而，測量過程仍主要采用機械式儀表，該儀表分辨率低、讀數誤差大。因此，設計一種高分辨率、高精度的數字式測力計具有重要意義。

1 系統總體方案設計

1.1 功能及技術指標

1.1.1 功能

（1）具有峰值獲取功能；

（2）能夠捕捉繼電器常閉觸點預壓力；

（3）具有485半雙工總線接口；

（4）具有參數保存功能；

（5）具有校準功能；

（6）具有電量指示功能；

（7）具有長時間無操作自動關機功能。

1.1.2 技術指標

（1）量程為-100～100mN；

（2）顯示分辨率1mN；

（3）力值相對誤差不大于1%；

（4）力值重復性相對誤差不大于1%。

1.2 總體方案設計

測力計總體設計方案框圖如圖1所示。測力計采用鋰電池供電，可通過micro USB口進行充電。鋰電池輸出的電壓經穩壓器后向傳感器、測力計控制及采集電路供電。力傳感器將外部受力轉換為電信號，微控制器通過模數轉換器對其進行采集，并將處理后的結果顯示和發送至上位機。

測力計設有兩個按鍵，開關按鍵和清零按鍵。其中，清零按鍵為復用按鍵，可通過長按的方式進入功能菜單。在功能菜單中，有正常測量、峰值獲取、預壓力捕捉、參數設置、校準、退出6個選項，可通過左右撥動測力計撥針來上下移動菜單選項，通過按下清零按鍵確定選擇。對于預壓力捕捉功能，它測量的是測力計撥針勻速撥動繼電器動觸點使動、靜觸點恰好分斷時的力，本文通過外部中斷的方式來實現該功能。

微控制器通過自身AD對電池電壓進行監測，以獲取測力計剩余電量，同時微控制器對無操作時間進行計時，當連續無操作時間達到閾值時，通過接通/關斷控制器來關閉電源輸出，達到自動關機的目的。

圖1 總體方案框圖

2 硬件電路設計

為防止電池過充和過放，選擇LTC4054作為充電管理芯片，最大充電電流600mA。電池輸出電壓經低噪聲穩壓器（型號：LD3985）穩壓到3.3V，為傳感器和控制器采集電路提高穩定、可靠的供電。

出于功耗和體積方面的考慮，本文以8位控制器（型號：STM8S105K4T6）為控制核心，該控制器集成有1KB EEPROM，可以滿足測力計保存參數的需求；出于成本、響應時間、線性度的考慮，選擇懸臂梁式力傳感器將外部受力轉換為0～10mV差分電壓信號；微控制器通過內部集成可編程增益放大器的24位模數轉換器（型號：AD7192）對差分信號直接采集，以提高力信號分辨率、降低信號調理電路的復雜性，縮小電路板體積和降低功耗[2]；為保證顯示的清晰度和亮度，選擇0.96寸的OLED作為顯示屏；為實現TTL電平與485電平的轉換，選擇SP3485作為電平轉換芯片。

3 軟件設計

微控制器軟件按功能可劃分為初始化模塊、測量模塊、按鍵檢測模塊、監測模塊及輸出顯示模塊五個部分，結構框圖如圖2所示。

測力計上電后首先進入初始化模塊，對其自身時鐘、IO口、串口、定時器、SPI總線、外部中斷進行初始化；然后讀取EEPROM中參數信息初始化相關參數，同時對數據緩沖區、電池電量、顯示界面進行初始化；最后對AD芯片進行軟件復位及內部校準。初始化完成后，測力計進入正常測量功能狀態。

對于測量模塊，測力計軟件中設有三種測量模式。在正常測量模式下，測力計實時刷新測量值；在峰值獲取模式下，只有當本周期測力值大于上周期測力值時才更新顯示值；在預壓力捕捉模式下，測力計實時刷新測量值，當外部中斷觸發時，測力計測量此時的力信號并將測量結果和觸發標識保持顯示1.5s，然后取消觸發標識，恢復刷新顯示。

對于按鍵監測模塊，測力計工作過程中，周期性地對按鍵狀態進行檢測，當清零按鍵按下時間超過3s時，測力計顯示功能設置菜單，根據用戶選擇的選項進入相應功能。

對于監測模塊，測力計周期性檢測電池電量，并刷新電池余量圖標；另外，還對用戶的按鍵操作和外部力的測量值進行監測，若半小時內按鍵無操作，且力的測量值無變化則自動關機，以節省電量。

圖2 軟件功能結構框圖

4 結束語

經過實驗驗證，本文設計的測力計能夠滿足功能和技術指標要求，具有精度高、使用方便、功能完備的特點。同時，在硬件不改動的條件下，只需更換傳感器，調整軟件中的放大倍數就可改變測力計的量程，為其他基于電壓輸出型傳感器儀表的設計提供了有效參考。