CN110764448A - 手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统，单电容测量模块、电阻测量模块和基于MPU‑6050六轴运动数据测量模块均与单片机模块信号连接；单片机模块通过串口模块和蓝牙无线传输模块与上位机信号连接。本发明还提供一种手持电动工具运行参数的多传感器信息采集方法，构建出一种手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统。本发明解决了加速度计和陀螺仪间的组装误差问题，可实现传感器的数据采集与融合，有利于单片机对两者数据一次性完成读取。

Description

手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统及方法

技术领域

本发明涉及一种采集系统及方法，具体涉及一种手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统及方法。

背景技术

手持电动工具实现了手工操作机械化，大大降低工作强度，提高劳动效率，因而广泛应用在建筑、机械、桥梁等领域。由于功率大转速高等特点，其安全性能一向是研究的重点。传统的对机械伤害的安全方法主要是加装防护罩，其弊端是在工具处于失控状态时效果较差，且较难通过动态实验进行检测与优化。因此研究一种手持工具运行参数(例如握持压力、运动速度与姿态等)的检测仪器尤为重要，为后期判断角磨机处于握持不稳、脱手飞出、切削部分离人体过近等危险情况预警设计提供技术基础通过其可以便捷准确的测量原本不直观的参数，为检验、研究提供了很大的便利。而构建手持电动工具运行参数(压力数值、电容数值、加速度等)的多传感器信息采集系统，是后期为判断角磨机处于握持不稳、脱手飞出、切削部分离人体过近等危险情况预警设计的技术基础，目前有关手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统的研究国内尚未见报道。

因此，需要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高效的手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统：包括反映手持电动工具位移及距人体距离等运行参数的基于555时基电路的单电容测量模块；反映手持电动工具手握持压力的内置A/D转换器电阻测量模块；反映手持电动工具的空中姿态和运动状态的基于MPU-6050六轴运动数据测量模块；原始数据读取单片机模块；将经过滤波、换算的信号发送至上位机的串口模块；蓝牙无线传输模块；解析数据和实时显示的上位机模块；

所述单电容测量模块、电阻测量模块和基于MPU-6050六轴运动数据测量模块均与单片机模块信号连接；

所述单片机模块通过串口模块和蓝牙无线传输模块与上位机信号连接。

作为对本发明手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统的改进：

所述单电容测量模块是通过将单电容传感器电容Cx接入555时基电路构成一个多谐振荡器来实现的。

作为对本发明手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统的进一步改进：

电阻测量模块是利用基准电阻与待测电阻串联，将分压通过数模转换作为输出来实现的。

作为对本发明手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统的进一步改进：

基于MPU-6050六轴运动数据测量模块是通过四元数法与6轴运动处理器MPU-6050相结合来实现的。

本发明还提供一种手持电动工具运行参数的多传感器信息采集方法：包括以下步骤：

1)、配置系统参数；执行步骤2；

2)、初始化单片机模块的键盘接口、ADC、计时器；执行步骤3；

3)、初始化单片机模块的IIC接口；执行步骤4；

4)、初始化基于MPU-6050六轴运动数据测量模块；执行步骤5；

5)、判断基于MPU-6050六轴运动数据测量模块是否初始化成功；是，则执行步骤6；否，则执行步骤3；

6)、配置基于MPU-6050六轴运动数据测量模块中的陀螺仪的参数；执行步骤7；

7)、配置基于MPU-6050六轴运动数据测量模块中的加速度计的参数；执行步骤8；

8)、初始化串口模块；执行步骤9；

9)、初始化蓝牙无线传输模块；执行步骤10；

10)、判断蓝牙无线传输模块是否初始化成功；是，则执行步骤11；否，则执行步骤8；

11)、测量模式置为电容测量；执行步骤12；

12)、判断是否选择电容测量模式；是，则执行步骤13；否，则执行步骤14；

13)、切换测量模式；执行步骤14；

14)、进行模式判断，电容测量模式执行步骤15；电阻测量模式执行步骤20；姿态测量模式执行步骤22；

15)、进入电容测量模式，执行步骤16；

16)、判断是否选择电阻测量模式；是，则执行步骤17；否，则执行步骤18；

17)、切换量程a、b、c，执行步骤18；

18)、依据预判量程选择单电容测量模块电阻对R1和R2；执行步骤19；

19)、计时器计数测频，得到电路的震荡频率f；执行步骤25；

20)、进入电阻测量模式；执行步骤21；

21)、读取AD值，执行步骤25；

22)、进入姿态测量模式；执行步骤23；

23)、通过基于MPU-6050六轴运动数据测量模块读取角速度值和加速度值；执行步骤24；

24)、对角速度值和加速度值进行解算；执行步骤26；

25)、对电路的震荡频率和AD值解算，得到重量和电容；执行步骤26；

26)、测量值经串口模块通过蓝牙无线传输模块输出至上位机；重新执行步骤12。

作为对本发明多传感器信息采集方法的改进：

步骤24为：对角速度值和加速度值进行滤波后解算。

作为对本发明多传感器信息采集方法的进一步改进：

时域积分的测量模式时，上位机软件通过傅里叶变换算法，实现在频域内进行积分后再逆变换回时域信号。

本发明手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统的技术优势为：

本发明的555时基电路是一种模拟、数字混合型的中规模集成电路，使用方便灵活，用途广泛。通过外部配接少量阻容元件可构成施密特触发器，单稳态触发器，多谐振荡器等脉冲产生与变换电路。555时基电路与TTL及CMOS数字电路兼容的接口电平，能输出一定功率，驱动微电机，指示灯，扬声器等小功率电压负载，该特征可应用脉冲波形的产生与变换、测量与控制等领域。整合性轴运动处理组器MPU-6050，集成了加速度计和陀螺仪，解决了加速度计和陀螺仪间的组装误差问题，可实现传感器的数据采集与融合，有利于单片机对两者数据一次性完成读取。因此本发明以上述两原理为基础，构建出一种手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统的结构示意图；

图2为单电容测量模块的电路图；

图3为分压采样电路图；

图4为加入运放的采样电路图；

图5为上位机控制软件设计架构图；

图6为电动工具平动自由落体过程检测结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统，如图1-6所示。

该系统含有以下7个模块组成：反映手持电动工具位移及距人体距离等运行参数的基于555时基电路的单电容测量模块；反映手持电动工具手握持压力的内置A/D转换器电阻测量模块；反映手持电动工具的空中姿态和运动状态的基于MPU-6050六轴运动数据测量模块；原始数据读取单片机模块(可设置各项参数以及协调各模块运行，让各测量模块根据键盘输入信号切换工作模式、量程)；将经过滤波、换算的信号发送至上位机的串口模块；蓝牙无线传输模块；电脑或手机与软件构成的上位机模块(进一步解析数据和实时显示)。

本发明手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统总体框图如图1所示。

整个系统除上位机模块以外，其他模块均作为附属物安装在手持电动工具上，随之一同运动，上位机由手机或一般电脑担任。单片机模块将各测量数据通过蓝牙无线传输模块(HC-05模块)通过蓝牙无线传输到上位机，在电脑或手机的软件界面上实时更新。信号的采集和分析处理由单片机模块(基于STC12C5A60S2增强型51单片机)的基本系统实现，该系统包括了STC12C5A60S2和运行所需要的电源模块、时钟模块、键盘模块。单片机使用普通IO口模拟IIC时序的方法驱动基于MPU-6050六轴运动数据测量模块的IIC接口，直接读取原始数据；单片机模块使用集成ADC处理电阻测量模块回传的数据；使用集成计数器测量单电容测量模块回传的数据。单片机模块并使用串口模块将经过滤波、换算的信号通过蓝牙无线传输模块发送至上位机，期间经过蓝牙无线传输模块(蓝牙模块HC-05)则可实现信号的无线传输，跳过HC-05用导线直接连接亦可进行等价的有线通信。同时单片机模块也是下位机的主控制器，系统启动时完成IIC接口、无线串口的初始化，复位基于MPU-6050六轴运动数据测量模块，设置各项参数以及系统运行过程中协调各模块运行，根据键盘输入信号切换工作模式、量程。

一、基于555时基电路的单电容测量模块构建(反映电动工具的位移及离距离)：

将单电容传感器电容C_x接入555时基电路构成一个多谐振荡器，电路原理结构如图2所示。

电路的震荡频率为：

因此，选择恰当的电阻对R₁和R₂，就可以得到期望占空比的输出脉冲。

又因为平行板电容器所具有的电容量(单电容传感器电容C_x)为：

其中ε₀＝8.85×10^-12F/m为真空介电常数，ε_r为极板间介质的相对介电常数，S为极板相对面积，d₀为两极板初始距离，d为两极板瞬时距离，Δd为极板间距变化量。

将(2)代入(1)式中可得：

对于变极距型电容传感器，极板面积一定，(3)式可简化为：

f＝f₀+K_fΔd (4)

其中

为初始状态的对应基准频率，

可作为敏感度系数使用，其中Δf为电路的震荡频率变化量。

由此可见，该电路输出脉冲信号的频率f与所测量电容值成线性关系，数据很方便处理，可精确反映电动工具的位移及离人体距离等。甚至通过合理选择R₁、R₂、S的参数，可以使k_f为10的整数次方，则输出频率只需补充合适单位即为所测值，大大降低了对后继电路的要求。

二、内置A/D转换器电阻测量模块构建(反映手持电动工具手握持压力)：

以应变式为代表的电阻式传感器具有重量轻、价格低廉、精度高、抗逆性强等特点，非常适合各类压力、扭矩测量场合。常用交直流电桥将应变片的微小电阻变化转化为电压电流以在仪表上读出。然而由于传感器本身的非线性，直接读出阻值的方法并不便于压力等非电量的测量，因此仍需将其输出进行进一步的处理。如单稳或电容充放规律(如上文的555构建的振荡器)将阻值转化为脉冲频率，或是利用基准电阻与待测电阻串联，将分压，再加以数模转换作为输出。这两种方案都便于与单片机系统信号兼容并进行进一步的换算。

由于拟采用单片机作为系统核心控制器，并负责与上位机通讯，且如今市面上常见的单片机多集成了各式数模转换器，可以胜任一些简单的电压测量任务，故本研究选择后一种方案，构建了内置A/D转换器测电阻模块，具体如下：

将电阻转化为模拟电压，由单片机内部ADC处理。其基本原理如图3所示，A/D转换后获得端电压，根据KVL可知端电压v₀为：

待测电阻阻值R_x为：

其中R₀为已知的基准电阻，V_CC为系统通用基准电压。

可见，V₀的变化在R_x较大时敏感度明显下降，这导致在不同量程精度差别较大。而且该电路还存在其他使得精度较低的缺陷。例如已知待测电阻的阻值区间，且该区间较小，将对ADC的采集范围产生较大的浪费，进而导致精度损失。故在对精度要求较高时，可以采用电桥法减小基准电阻本身误差带来的影响，并对量程进行适当分档，将端电压V₀通过一选择了与量程对应的放大倍数运算放大器电路，再输入单片机模块的ADC，从而更加有效的利用采集范围，实现对精度的显著提高，据此，对图3所示基本电路进行优化升级，获得图4所示电路，图4所示电路在量程范围内，既可以通过计算得到电阻R₁、R₃、R₄的关系和放大倍数m，再由此求出所测电阻R_x进行高精度测量；也可以根据固定电阻理论值进行快速测量，但精度会出现相应下降。这样，只需要保证电源的稳定，使得AD值准确，就可以保证较高的精度，同时仍具有较高的测量频率(主要受ADC性能影响)。

三、基于MPU-6050六轴运动数据测量模块构建(手持电动工具的空中姿态和运动状态)：

基于MPU-6050六轴运动数据测量模块集成了加速度计和陀螺仪，可实现传感器的数据采集与融合，数据的实时回传与分析消除了加速度计和陀螺仪组装误差，可实现单片机对两者信号一次性读取。基于此，本发明基于MPU-6050六轴运动数据测量模块，结合四元数法构建了六轴运动数据测定模块，具体如下：

四元数法可以只用四个参数线性组合表达出物体在三维空间中的姿态，即：Q＝q₀+q₁i+q₂j+q₃k。因此采用四元数法表示姿态能够有效的避免欧拉旋转造成的万向节死锁问题，同时具有计算量小的特点。同时因为四元数包含了全部的姿态信息，故可以通过四元数的微分方程解出新的四元数，保障姿态信息的及时更新与准确性。在对运动姿态测量要求较高的情况下，加入卡尔曼滤波算法即可显著降低噪声。而与磁力计进行信息融合则可以修正陀螺仪的积分误差。

上位机控制软件设计架构图如图5所示，最先开始配置系统参数如时钟等，再初始化外围电路，进行蓝牙匹配，完成后进入主循环。单片机负责根据按键输入设置测量模式，及根据设定的测量模式读取对应的传感器的状态并进行相对应的解算和输出。蓝牙模块负责读取单片机的数据输出并以无线的形式发送给上位机。上位机软件负责进一步解析数据和实时显示。

具体包括以下步骤：

1)、配置系统参数，如时钟等；执行步骤2；

2)、初始化单片机模块的键盘接口、ADC、计时器；执行步骤3；

3)、初始化单片机模块的IIC接口；执行步骤4；

4)、初始化基于MPU-6050六轴运动数据测量模块；执行步骤5；

5)、判断基于MPU-6050六轴运动数据测量模块是否初始化成功；是，则执行步骤6；否，则执行步骤3；

6)、配置基于MPU-6050六轴运动数据测量模块中的陀螺仪的参数；执行步骤7；

7)、配置基于MPU-6050六轴运动数据测量模块中的加速度计的参数；执行步骤8；

8)、初始化串口模块；执行步骤9；

9)、初始化蓝牙无线传输模块；执行步骤10；

10)、判断蓝牙无线传输模块是否初始化成功；是，则执行步骤11；否，则执行步骤8；

11)、测量模式置为1(测量模式置为电容测量)；执行步骤12；

测量模式1为电容测量；测量模式2为电阻测量；测量模式3为姿态测量。

12)、判断键盘上的键盘的按键1是否被按下(即为判断是否选择测量模式1电容测量)；是，则执行步骤13；否，则执行步骤14；

13)、切换测量模式1(电容测量)、2(电阻测量)、3(姿态测量)；执行步骤14；

14)、进行模式判断，电容测量模式执行步骤15；电阻测量模式执行步骤20；姿态测量模式执行步骤22；

15)、进入电容测量模式，执行步骤16；

16)、判断按键2是否被按下；是，则执行步骤17；否，则执行步骤18；

17)、切换量程a、b、c，执行步骤18；

例如可选三个量程：0～100pF，0.1nF～100nF，0.1μF～65μF

18)、依据预判量程选择单电容测量模块电阻对R1和R2；执行步骤19；

19)、计时器计数测频，得到电路的震荡频率f；执行步骤25；

20)、进入电阻测量模式；执行步骤21；

21)、读取AD值，执行步骤25；

22)、进入姿态测量模式；执行步骤23；

23)、通过基于MPU-6050六轴运动数据测量模块读取角速度值和加速度值；执行步骤24；

24)、对角速度值和加速度值进行滤波、解算；执行步骤26；

25)、对电路的震荡频率和AD值解算，得到重量和电容；执行步骤26；

26)、测量值(重量、电容、AD值角速度值和加速度值)经串口模块通过蓝牙无线传输模块输出至上位机；重新执行步骤12。

信号处理：

1、为了扣除被检测设备自身的振动及周边环境的潜在影响，消除传感器的采集信号中所含噪声信号，对获取到的信号进行高低通滤波(如步骤24中的滤波)，并进行一定补偿。

2、时域积分的测量模式时，为了消除在滤波、去趋势时可能导致信号强度降低进而使测量值小于真实值的问题，通过上位机软件中的傅里叶变换算法，实现在频域内进行积分后再逆变换回时域信号。

对压力、电容及加速度测量应用：

使用点阵式万能洞洞板制作了样品。利用上位机软件主要实现根据模式不同，分别显示出实时更新的压力数值、电容数值、加速度数据。

(1)采用了压阻式柔性薄膜传感器接入电阻传感器(电阻测量模块)接口，在其上方放置不同重量的重物，实际测试物体放入压力，测试数据结果见表1。由表1可知，该多传感器信息采集系统测定的不同的压力误差不超出1％，可见本发明多传感器信息采集系统对压力的测定精度高。

表1手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统压力(电阻)档测试数据

样品	测量值/g	相对误差
			标称1kg哑铃片	996	0.40％
标称2kg哑铃片	1983	0.85％
			标称5kg哑铃片	5974	0.52％
标称10kg哑铃片	9954	0.46％

(2)采用电容传感器接口使用插接口，接入已知固定电容进行模拟测试。电容测量模式包括三个可选量程即0～100pF，0.1nF～100nF，0.1μF～65μF，测试结果见表2，由表2可知，该多传感器信息采集系统测定的不同电容值误差不超出5％，可见该多传感器信息采集系统对电容值的测定精度高。

表2手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统电容档测试结果

(3)利用电动工具的自由落体活动(高度1米)测试了其运动过程和加速度变化、结果见图6，由图6可知0.96秒前曲线反映了电动工具脱手过程有0.96秒，0.96秒开始进入自由落体状态，0.96秒至1.42秒间曲线反映了电动工具处于自由落体状态，由h＝(gt^2)/2计算可知其位移了1.03米，误差率为3.0％，1.42秒之后曲线为电动工具与地面碰撞时的曲线特征。可见多传感器信息采集系统对电动工具的空中姿态和运动状态表征精度高。

同时测试中三项测量功能的回传数据刷新频率稳定，且均可达到20Hz左右，足够满足一般检测需求。可见该多传感器信息采集系统可较好的应用于手持电动工具运行参数的采集与测定。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统，其特征在于：包括反映手持电动工具位移及距人体距离等运行参数的基于555时基电路的单电容测量模块；反映手持电动工具手握持压力的内置A/D转换器电阻测量模块；反映手持电动工具的空中姿态和运动状态的基于MPU-6050六轴运动数据测量模块；原始数据读取单片机模块；将经过滤波、换算的信号发送至上位机的串口模块；蓝牙无线传输模块；解析数据和实时显示的上位机模块；

所述单电容测量模块、电阻测量模块和基于MPU-6050六轴运动数据测量模块均与单片机模块信号连接；

所述单片机模块通过串口模块和蓝牙无线传输模块与上位机信号连接。

2.根据权利要求1所述的手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统，其特征在于：

所述单电容测量模块是通过将单电容传感器电容Cx接入555时基电路构成一个多谐振荡器来实现的。

3.根据权利要求2所述的手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统，其特征在于：

电阻测量模块是利用基准电阻与待测电阻串联，将分压通过数模转换作为输出来实现的。

4.根据权利要求3所述的手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统，其特征在于：

基于MPU-6050六轴运动数据测量模块是通过四元数法与6轴运动处理器MPU-6050相结合来实现的。

5.利用如权利要求1-4任一所述的手持电动工具运行参数的多传感器信息采集系统的手持电动工具运行参数的多传感器信息采集方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)、配置系统参数；执行步骤2；

2)、初始化单片机模块的键盘接口、ADC、计时器；执行步骤3；

3)、初始化单片机模块的IIC接口；执行步骤4；

4)、初始化基于MPU-6050六轴运动数据测量模块；执行步骤5；

5)、判断基于MPU-6050六轴运动数据测量模块是否初始化成功；是，则执行步骤6；否，则执行步骤3；

6)、配置基于MPU-6050六轴运动数据测量模块中的陀螺仪的参数；执行步骤7；

7)、配置基于MPU-6050六轴运动数据测量模块中的加速度计的参数；执行步骤8；

8)、初始化串口模块；执行步骤9；

9)、初始化蓝牙无线传输模块；执行步骤10；

10)、判断蓝牙无线传输模块是否初始化成功；是，则执行步骤11；否，则执行步骤8；

11)、测量模式置为电容测量；执行步骤12；

12)、判断是否选择电容测量模式；是，则执行步骤13；否，则执行步骤14；

13)、切换测量模式；执行步骤14；

14)、进行模式判断，电容测量模式执行步骤15；电阻测量模式执行步骤20；姿态测量模式执行步骤22；

15)、进入电容测量模式，执行步骤16；

16)、判断是否选择电阻测量模式；是，则执行步骤17；否，则执行步骤18；

17)、切换量程a、b、c，执行步骤18；

18)、依据预判量程选择单电容测量模块电阻对R1和R2；执行步骤19；

19)、计时器计数测频，得到电路的震荡频率f；执行步骤25；

20)、进入电阻测量模式；执行步骤21；

21)、读取AD值，执行步骤25；

22)、进入姿态测量模式；执行步骤23；

23)、通过基于MPU-6050六轴运动数据测量模块读取角速度值和加速度值；执行步骤24；

24)、对角速度值和加速度值进行解算；执行步骤26；

25)、对电路的震荡频率和AD值解算，得到重量和电容；执行步骤26；

26)、测量值经串口模块通过蓝牙无线传输模块输出至上位机；重新执行步骤12。

6.根据权利要求5所述的手持电动工具运行参数的多传感器信息采集方法，其特征在于：

步骤24为：对角速度值和加速度值进行滤波后解算。

7.根据权利要求6所述的手持电动工具运行参数的多传感器信息采集方法，其特征在于：

时域积分的测量模式时，上位机软件通过傅里叶变换算法，实现在频域内进行积分后再逆变换回时域信号。

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