1 枪械簧力测量系统的技术指标

1．1 测量系统的组成 如图1所示，该测量工作台主要由光电编码器、精密丝杠、活动横梁、弹簧压盘、拉杆、拉/压力传感器、驱动电机、支脚和电控箱等组成。

1.2 主要技术指标

弹簧力测量范围：0－100Kg个；

精度：100g个；

电机转速：10～400mm/min。

2 力测量系统的硬件原理

力测量系统硬件由力传感器、放大电路和A/D转换器组成。以下分别对它们的原理进行分析、介绍。

2.1 力传感器原理 传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量装置。

2.2 放大和数据采集的原理

2.2.1 放大电路原理

①实际应用中常采用含有集成运算放大器的电路。

运算放大器的组成 运算放大器由差动输入级、中间级、输出级以及为各级提供合适工作点的偏置电路四个部分组成，如图2所示。

②本系统采用的放大电路设计。本次放大电路的设计采用含有UA741的差分放大电路。741是一款通用型的集成运算放大器。它包含了24个BJT、10个电阻和一个电容。741有10个管脚和8个管脚两种类型，在这里用到的是8管脚的器件。

在本次设计中，差分放大器的电路类似于减法器的设计电路。传感器的输出信号有正有负，因此要求放大电路对正负信号有相同的放大倍数。放大器电路图如图3。

图中■=■，输出信号：U0=■（U■-U■）

差分电路对零漂和共模信号有抑制作用。可有效地提高放大性能。

2.2.2 数据采集的原理

A/D转换器概述：A/D转换器是将模拟量（主要是电压）转换为数字量的器件，它是与计算计相连的数据采集装置、数控装置或数字化测量仪器中非常重要的环节。根据不同的要求，常采用的A/D转换器有：逐次逼进A/D转换器、积分A/D转换器等、并行A/D转换器及改进型四类。

3 利用单片机控制实现的过程

3.1 硬件设计

CPU与MC14433 A/D转换器的连接：

本设计所采用Motorola公司的A/D转换器芯片MC14433。MC14433是采用CMOS工艺、具有零漂补偿的3■位（BCD码）单片双积分式A/D转换器，该电路只需外加二个电容和二个电阻就能实现A/D转换功能。

MC14433采用24脚双列直插式封装，各引脚定义如下：

VDD，VEE，VSS：VDD、VEE为正、负电源端，VSS为公共接地端，电压范围为±4.5V～±8V，一般取±5V。为提高电源抗干扰能力，正负电源端应分别与Vss端跨接去耦电容。

Ui：被测信号输入端，其对应地端为UAG（模拟地）。

UR：基准电压输入端，其对应地端为UAG。基准电压

+2V或+200mV，可由MC1403通过分压提供。

CLK1，CLK0：时钟端，用于外接时钟电阻RC。当RC=470kΩ时；

R1，C1，R1/C1：外接积分电阻R1，积分电容C1端。R1，C1的估算公式如下：

R■=■×■

式中Uiman——输入电压满量程值；

△U——积分电容上允许充电电压的最大幅度，其值为：△U=UDD-Uimax-0.5V

T——积分时间，其值为T=■=4000×■

按上式计算，若C1=0.1μF，UDD=5V，fCLK=66kHz，

则当Uxmax=2V时，R1=480kΩ。

C01，C02：外接失调补偿电容端。补偿电容一般取值0.1μF。

EOC：转换结束标志端，每一转换周期结束后，该端输出一脉宽为1/2时钟周期的正脉冲。

DU：转换更新控制端。当向该端输入一个正脉冲时，则当前转换周期的转换结果将被送入到输出锁存器，否则输出锁存器将保留原来的数据。若DU和EOC连接，则每一次转换结果都将被自动送出。

■：溢出标志端。平时为高电平，当Ui＞UR时，输出低电平。

Q0、Q1、Q2、Q3：A/D转换结果输出端。采用BCD码，其中Q0为LSB，Q3为MSB。

DS1、DS2、DS3、DS4：多路调制选通脉冲信号输出端。

3.2 软件设计 单片机系统的软件程序采用模块化设计，主要包括主程序、读取量化的数据模块以及与PC上位机的通信模块。以下对读取量化的数据模块、与PC上位机的通信模块两大子部分做详细的说明。

3.2.1 读取量化数据的软件流程图 系统中MC14433完成模拟量到数字量的转换。作为8031的一个外部中断源，在启动时CPU先开中断；

设置外部中断为边沿触发方式，转换结果存缓冲器2EH和2FH中，存储格式如表1。

3.2.2 与PC上位机的通信的软件流程图

PC机内装有异步通信适配器板，其主要器件为8250UART芯片，它使PC有能力与其它标准RS-232串行通信接口的计算机或仪器设备通信，而MCS-51单片机本身具有全双工的串行接口。因此直接为使其连接RS-232，MCS-51直接与MAX232相接就可实现电平匹配。

数据的接受和发送都采用中断方法。串口方式1工作，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验码、波特率加倍。主机、从机用同一种波特率和串行口方式。

4 LABVIEW实现上位机界面的设计过程、LABVIEW实现数据处理的过程

4.1 关于LabVIEW的简介 LabVIEW是美国国家仪器公司（NI）公司推出的一套著名的虚拟仪器开发软件平台。

LABVIEW是一个高效的图形化程序设计环境，也是一个功能强大而又灵活地仪器和分析软件应用开发工具。

4.2 LabVIEW显示界面及数据处理 本设计运用了LabVIEW做枪械簧力测量系统的力值数据接收界面，并实现数据处理功能。首先，对力值测量系统采集的数据进行数字滤波处理，用于消除有效信号中的干扰成分，抑制随机误差。然后，对采集的数据进行曲线拟合，以消除系统误差。最终得到位移－力曲线图。

4.2.1 前面板设计

①放置波形输出控件；LabVIEW推出7.0以后新增了XY波形记录控件的建立模块，更方便地建立XY波形记录控件。具体设计步骤如下。

②放置数值量输出控件；

③放置装饰控件；

4.2.2 流程图设计 从Windows菜单下选择Show Diagram功能打开框图程序窗口。在流程图编辑窗口中，LabVIEW已经自动创建了与前面板控件对应的端口图标，如图4所示。

点击框图程序窗口的空白处，弹出功能模板，从弹出的菜单中选择所需的对象。本程序用到下面的对象：

①放置从文件读取字符子VI与分离数据子VI：

将功能模板中的文件I/O模板下从文件读取字符子VI■放到合适位置，用于读取采集数据。选择功能模板中的Select a VI，在弹出的对话框中选择LabVIEW安装目录下的＼examples＼general＼string.llb文件，在弹出的对话框中选择Extract Numbers.vi■。用于将读取的数据字符串分离成数组形式。

②置数组函数：

从功能模板中选择数组模板下的数组大小控件，用于返回采集数据的个数信息；以及转制输入的2维数组模块它把二维数组转换成以列为分界的二维数组，这样在写入数据文件时它就会以列的形式显示。

③加数字滤波器控件：

从功能模板中选择分析模板（Analyze）下的信号处理（Signal Processing）子模板，从中选取中值滤波器■（Median Filter），放置到框图程序窗口中的合适位置。用于对输入序列进行滤波处理

④曲线拟合控件：

从功能模板中选择分析模板（Analyze）下的数据分析（Mathematics）子模板，从中选取多项式拟合控件■（General Polynomial Fit.Vi），放置到框图程序窗口中的合适位置。把数据拟合为多项式函数。然后添加波形显示控件，用于输出滤波处理后的波形。

4.2.3 数据流编程

用工具模板中的连线工具根据设计要求连接各个端口和功能图标，即可完成数据流编程，完成的框图程序如图5所示。

4.2.4 功能检验 单击运行按钮，运行虚拟位移－力测量，检验设计的功能是否已完全实现。

4.2.5 保存文件 在前面板设计窗口或流程图设计窗口选择文件/保存命令，将弹出文件保存对话框，选择合适的路径，键入文件名保存文件。