一种手持式数字测力计的设计与实现

李庆楠，宋 丫，严 琳

（中航工业西安航空计算技术研究所，西安 710065）

继电器作为自动和远距离操纵用的电器，起着控制、检测、保护和调节等功能，广泛应用于民用、航空、航天和军事等各个领域，在现代电气装置中起着重要的作用[1]。对于军用继电器，生产厂家在调节其触点预压力等力参数时通过测量—调节—测量的重复过程来使力参数符合要求。然而，测量过程仍主要采用机械式仪表，该仪表分辨率低、读数误差大。因此，设计一种高分辨率、高精度的数字式测力计具有重要意义。

1 系统总体方案设计

1.1 功能及技术指标

1.1.1 功能

（1）具有峰值获取功能；

（2）能够捕捉继电器常闭触点预压力；

（3）具有485半双工总线接口；

（4）具有参数保存功能；

（5）具有校准功能；

（6）具有电量指示功能；

（7）具有长时间无操作自动关机功能。

1.1.2 技术指标

（1）量程为-100～100mN；

（2）显示分辨率1mN；

（3）力值相对误差不大于1%；

（4）力值重复性相对误差不大于1%。

1.2 总体方案设计

测力计总体设计方案框图如图1所示。测力计采用锂电池供电，可通过micro USB口进行充电。锂电池输出的电压经稳压器后向传感器、测力计控制及采集电路供电。力传感器将外部受力转换为电信号，微控制器通过模数转换器对其进行采集，并将处理后的结果显示和发送至上位机。

测力计设有两个按键，开关按键和清零按键。其中，清零按键为复用按键，可通过长按的方式进入功能菜单。在功能菜单中，有正常测量、峰值获取、预压力捕捉、参数设置、校准、退出6个选项，可通过左右拨动测力计拨针来上下移动菜单选项，通过按下清零按键确定选择。对于预压力捕捉功能，它测量的是测力计拨针匀速拨动继电器动触点使动、静触点恰好分断时的力，本文通过外部中断的方式来实现该功能。

微控制器通过自身AD对电池电压进行监测，以获取测力计剩余电量，同时微控制器对无操作时间进行计时，当连续无操作时间达到阈值时，通过接通/关断控制器来关闭电源输出，达到自动关机的目的。

图1 总体方案框图

2 硬件电路设计

为防止电池过充和过放，选择LTC4054作为充电管理芯片，最大充电电流600mA。电池输出电压经低噪声稳压器（型号：LD3985）稳压到3.3V，为传感器和控制器采集电路提高稳定、可靠的供电。

出于功耗和体积方面的考虑，本文以8位控制器（型号：STM8S105K4T6）为控制核心，该控制器集成有1KB EEPROM，可以满足测力计保存参数的需求；出于成本、响应时间、线性度的考虑，选择悬臂梁式力传感器将外部受力转换为0～10mV差分电压信号；微控制器通过内部集成可编程增益放大器的24位模数转换器（型号：AD7192）对差分信号直接采集，以提高力信号分辨率、降低信号调理电路的复杂性，缩小电路板体积和降低功耗[2]；为保证显示的清晰度和亮度，选择0.96寸的OLED作为显示屏；为实现TTL电平与485电平的转换，选择SP3485作为电平转换芯片。

3 软件设计

微控制器软件按功能可划分为初始化模块、测量模块、按键检测模块、监测模块及输出显示模块五个部分，结构框图如图2所示。

测力计上电后首先进入初始化模块，对其自身时钟、IO口、串口、定时器、SPI总线、外部中断进行初始化；然后读取EEPROM中参数信息初始化相关参数，同时对数据缓冲区、电池电量、显示界面进行初始化；最后对AD芯片进行软件复位及内部校准。初始化完成后，测力计进入正常测量功能状态。

对于测量模块，测力计软件中设有三种测量模式。在正常测量模式下，测力计实时刷新测量值；在峰值获取模式下，只有当本周期测力值大于上周期测力值时才更新显示值；在预压力捕捉模式下，测力计实时刷新测量值，当外部中断触发时，测力计测量此时的力信号并将测量结果和触发标识保持显示1.5s，然后取消触发标识，恢复刷新显示。

对于按键监测模块，测力计工作过程中，周期性地对按键状态进行检测，当清零按键按下时间超过3s时，测力计显示功能设置菜单，根据用户选择的选项进入相应功能。

对于监测模块，测力计周期性检测电池电量，并刷新电池余量图标；另外，还对用户的按键操作和外部力的测量值进行监测，若半小时内按键无操作，且力的测量值无变化则自动关机，以节省电量。

图2 软件功能结构框图

4 结束语

经过实验验证，本文设计的测力计能够满足功能和技术指标要求，具有精度高、使用方便、功能完备的特点。同时，在硬件不改动的条件下，只需更换传感器，调整软件中的放大倍数就可改变测力计的量程，为其他基于电压输出型传感器仪表的设计提供了有效参考。