CN201387366Y - 一种无线测力装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无线测力装置，包括测力箱体，测力箱体包括电源、电压比较电路和依次连接的应变式力传感器、硬件滤波电路、信号放大器、模数转换模块、微控制单元，还包括可控稳压电源模块I、可控稳压电源模块II和具有休眠功能的微功率无线数传模块，可控稳压电源模块I与电源、电压比较电路、微控制单元、微功率无线数传模块相连，可控稳压电源模块II与应变式力传感器、信号放大器、模数转换模块、电源、微控制单元连接，微功率无线数传模块与微控制单元连接。本实用新型的优点是：通过检测显示仪表远程控制测力箱体在不工作时软关机，需要测力箱体工作时同样通过监测显示仪表远程将其开机。

Description

一种无线测力装置

技术领域

本实用新型涉及一种无线测力装置。

背景技术

无线测力装置通常由测力箱体和监测显示仪表组成。测力箱体通过两头的勾环直接串接在钢丝绳里进行测力，检测到的数据以射频方式无线传送到仪表。测力箱体主要由传力机构、应变式力传感器、信号处理电路板、微功率无线数传模块和电池组成。仪表部分包括微功率无线数传模块、按键、显示器、电路板、微型针式打印机、电池和硬开关等。

现有的测力装置只进行单向的数据传输，即测力箱体将检测到的数据通过微功率无线数传模块连续不断地传送到仪表显示，使用完毕后用户手动切断测力箱体和仪表的电池供电。在某些场合，用户需要间歇使用测力装置，但每次使用完毕后要把测力箱体取下来手动切断电池供电非常不方便，所以用户通常会选择让测力箱体电源一直开着，直到电池耗尽才被迫将测力箱体取下来更换后备电池或充电。这样，在不需要测力装置工作期间，测力箱体里电池的电就被白白浪费掉了，这无疑也缩短了测力箱体中电池每次充满电后的有效工作时间。事实上，这些场合测力箱体与显示仪表工作时的距离往往还比较远，所选用的微功率无线数传模块功率相对会较大，也就比较耗电，这个问题就会显得更加突出。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种无线测力装置，能够有效解决现有无线测力装置的测力箱体不使用时需要手动切断电源，电池过渡放电的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种无线测力装置，包括测力箱体，所述测力箱体包括电源、电压比较电路和依次连接的应变式力传感器、硬件滤波电路、信号放大器、模数转换模块、微控制单元，还包括可控稳压电源模块I、可控稳压电源模块II和具有休眠功能的微功率无线数传模块，所述可控稳压电源模块I与电源、电压比较电路、微控制单元、微功率无线数传模块相连，所述可控稳压电源模块II与应变式力传感器、信号放大器、模数转换模块、电源、微控制单元连接，所述微功率无线数传模块与微控制单元连接。

优选的，所述电源与其他模块之间设置有硬开关；可以在需要时用硬开关关闭整个测力箱体的电源。

优选的，所述信号放大器和模数转换模块集成在CS5532芯片中；所述微控制单元为一块AT89C2051芯片；提高整体集成度，减小故障率，性能可靠稳定的芯片。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：通过对测力箱体的电路改进，实现通过检测显示仪表远程控制测力箱体在不工作时软关机，此时测力箱体内的微控制单元和微功率无线传输模块都进入长时间休眠加短时间工作状态，其他元件电源全部切断，需要测力箱体工作时同样通过监测显示仪表远程将其开机；能自动检测测力箱体内的电池电量，在电量不足的时候自动关闭所有电源，保护电池不过放电而损害寿命。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

图1为监测显示仪表原理框图；

图2为现有测力箱体原理框图；

图3为本实用新型的测力箱体原理框图；

图4为本实用新型电压比较电路图；

图5为本实用新型的测力箱体电路图。

具体实施方式

参阅图3为本实用新型一种无线测力装置的实施例，一种无线测力装置，包括测力箱体，所述测力箱体包括电源7、电压比较电路9和依次连接的应变式力传感器1、硬件滤波电路2、信号放大器3、模数转换模块4、微控制单元5，还包括可控稳压电源模块I 11、可控稳压电源模块II 10和具有休眠功能的微功率无线数传模块6，所述可控稳压电源模块I 11与电源7、电压比较电路9、微控制单元5、微功率无线数传模块6相连，所述可控稳压电源模块II 10与应变式力传感器1、信号放大器3、模数转换模块4、电源7、微控制单元5连接，所述微功率无线数传模块6与微控制单元5连接，所述电源7与其他模块之间设置有硬开关8。

对测力箱体中的电路做了改进，增加了对应变式力传感器1、信号放大器3和模数转换模块4供电的单独开关控制，定义了一组仪表对测力箱体的控制命令，它包括激活命令和休眠命令，由测力箱体上的微控制单元5识别并执行。

改进后测力装置中测力箱体部分电路原理框图可参见附图3。

应变式力传感器1将测力箱体所受到的拉力依力值大小按比例地转换成直流电压信号输出。硬件滤波电路2采用无源器件滤波，所以无须稳压电源7供电，它滤除电路中一些高频的干扰信号，主要由微功率无线数传模块6引起。滤波后的信号辐值较小，需经信号放大器3放大才能被后面的模数转换模块4处理。模数转换模块4将连续的模拟信号转换成与其大小成比例的一组二进制代码。微功率无线数传模块6以有线串行方式与微控制单元5进行全双工数据通讯，同时以无线串行方式与仪表里的微功率无线数传模块进行半双工数据通讯，其作用就是保证测力箱体里的微控制单元5与仪表里的微控制单元能进行可靠的无线数据传输。可控稳压电源模块可以看成带受控开关的直流稳压电源模块，当开关合上时，它能将输入的较高且可能有一定波动的电压转换成稳定的直流电压，当开关断开时输出浮空，即没有电压输出。电压比较电路9将电池输出电压V1与可控稳压电源模块I 11输出电压V2各按一定比例分压后的值通过比较器进行比较以监测电池电量，参阅附图4。当电池电量比较充足时，V1不会低于电池电压额定值，但当电池电量释放将尽时，V1也会逐渐变低，而只要电池输出电压大于可控稳压电源模块I 11允许的最低输入电压，V2是一个恒定不变的常数值，从附图4可以看出，当V1*R34/(R2+R34)＞V2*R6/(R5+R6)时比较器输出V0为逻辑1，当V1*R34/(R2+R34)＜V2*R6/(R5+R6)时比较器输出V0为逻辑0，只要选择合适的分压电阻R2、R34、R5、R6就可以确定使比较器输出V0突变的临界电池电压：V2*R6*(R2+R34)/(R34*(R5+R6))，当电池输出电压高于该值，比较器输出逻辑1，当电池输出电压低于该值，比较器输出逻辑0。微控制单元5是整个电路的核心，它控制模数转换模块4的采样并适时读取相应的反映力值大小的数据，它控制可控稳压电源模块II 10、可控稳压电源模块I11是否输出稳定的直流电压，它读取电压比较电路9的输出值，以了解电源7电压情况，当电池电压比较低时，它会把该信息与力值信息一起打包发送给显示仪表，以提示用户注意，当电池电压过低以至于会影响电池的使用寿命时，它会自动执行关机程序使可控稳压电源模块II 10和可控稳压电源模块I 11都输出断开，此时电池基本上就不需要输出电流，微控制单元5还会把需要传输的数据发送给微功率无线数传模块6，并可控制微功率无线数传模块6工作或转入低功耗的休眠状态。硬开关8指实物电气开关，只有当其合上时，测力箱体中的电路才能工作，当其断开，电池将不供电。无论测力箱体处于开机工作状态或软关机状态，其都必须合上。

参阅附图2，与现有测力装置不同，本测力装置对应变式力传感器1、放大器和模数转换的供电采用了独立的可控稳压电源模块II 10，并采用了具有休眠功能的微功率无线数传模块6。当箱体测力时，可控稳压电源模块II 10和可控稳压电源模块I 11均输出稳定的直流电压。当测力装置停止工作时，用户可以通过仪表按键操作实现软关机，参见附图1，仪表的微控制单元在启动本身软关机即向输出可开关控制稳压电源模块发出输出断开命令前，会在接收到测力箱体发来的一帧测力信息后自动立即向测力箱体发出一串软关机命令，该命令除了要求测力箱体实施软关机的命令字节外还包含有测力箱体软关机时休眠时间参数，而该参数可由用户按键操作实现软关机时一并输入。在发出软关机命令后，仪表的微控制单元继续监测仪表的微功率无线数传模块是否收到测力箱体发来的测力信息，若接收到测力信息就立即向测力箱体发软关机命令，直到持续若干时间没有收到信息，认为测力箱体已接收到软关机命令，不再发送信息，才将仪表的输出可开关控制的稳压电源模块输出断开。而对于测力箱体中的电路，其微控制单元5在正常工作——不断启动模数转换不断向微功率无线数传模块6发送数据的同时，还时刻监测模块是否收到仪表发来的软关机命令，若接收到命令则启动测力箱体电路软关机程序，其首先使可控稳压电源模块II 10输出断开，这样应变式力传感器1、信号放大器3和模数转换模块4因为没有电源7供电也停止工作，从而减小了电池的功耗，另外微控制单元5本身及微功率无线数传模块6转入间隙的工作方式，即它们处于长时间的休眠状态和短时间的工作状态，周而复始，只有在工作状态监测到仪表发来的开机激活命令才会转入持续的开机工作状态。当测力箱体处于软关机时，如欲重新启动测力装置工作，需首先打开仪表，然后通过仪表按键操作，使仪表微控制单元5通过微功率无线数传模块6向测力箱体发送开机激活命令，发送命令后，仪表微控制单元5会监测微功率无线数传模块6是否接收到测力箱体发来的测力信息，若等待一段固定时间后没有收到信息，仪表微控制单元5将再次重复发送开机激活命令、监测是否收到测力信息的过程，直到收到测力信息，仪表微控制单元5才转入只接收显示测力值的工作程序。

在测力箱体处于软关机时，除了将可控稳压电源模块II 10输出断开外，微控制单元5本身和微功率无线数传模块6转入长时间(以下简称t1)休眠加短时间(以下简称t2)工作的周期性状态中。在休眠时间段电池消耗的功率是极低的，休眠时间t1是由用户确定从仪表传送过来的，而工作时间t2是固定的。在转入周期状态时，首先由微控制单元5将微功率无线数传模块6置成休眠状态，然后设置并启动单元里的定时器工作，最后将微控制单元5本身置成休眠待机方式。一旦时间t1到，定时器将唤醒微控制单元5，然后由微控制单元5将微功率无线数传模块6也置成工作状态，也即转入短时间工作状态，在这段时间里测力箱体微控制单元5不断监测微功率无线数传模块6是否接收到仪表发来的有效的开机命令，若接收到，则测力箱体将转入开机工作状态，微控制单元5将使可控稳压电源模块I 11和可控稳压电源模块II 10均输出电压，在对模数转换器件做必要的初始化后就可以不断地采集测力值然后通过微功率无线数传模块6发送出去，若没收到且t2计时已到，则测力箱体将继续转入长时间的休眠加短时间工作的周期性状态。

事实上，测力箱体微控制单元5里定时器每次最长定时时间要小于t1，所以采用了定时计数的方法，即将定时器的定时时间设为一固定值，不断定时并计数。显然固定的定时时间乘以计数值即为总的定时时间。这样，在t1时间段内微控制单元5并不是连续休眠，而是有一些极短时间的工作碎片，在这些碎片时间段上，微控制单元5被其本身定时器唤醒，通过加1计数发现定时时间未到t1，所以对定时器作必要的设置后，马上将自身置成休眠待机方式。如果不考虑这些时间碎片段上，微控制单元5工作和休眠待机方式消耗电能的差别，设微控制单元5工作时消耗的功率为P1，休眠待机时消耗的功率为P1′，微功率无线数传模块6工作时消耗的功率为P2，休眠时消耗的功率为P2′。则测力箱体处于软关机时消耗的平均功率＝((P1′+P2′)*t1+(P1+P2)*t2)/(t1+t2)＝(P1′+P2′)/(1+t2/t1)+(P1+P2)/(1+t1/t2)，由于t1＞＞t2，所以可以认为1+t2/t1≈1，1+t1/t2≈t1/t2即平均功耗≈P1′+P2′+(P1+P2)*t2/t1，因为P1′+P2′＜＜P1+P2，t2/t1＜＜1，所以测力箱体处于软关机时，微控制单元5和微功率无线数传模块6消耗的平均功率要比测力箱体开机这两个器件消耗的平均功率P1+P2小许多，同时t2/t1值的大小对测力箱体处于软关机时的平均功耗有较大的影响，t2/t1越小，软关机时测力箱体的平均功耗也就越低。工作时间t2是固定不变的，但它的取值并不是可以任意的小，而是受一定条件制约的，这是因为仪表微控制单元5发送一帧开机激活命令到测力箱体微控制单元5接收到该命令是需要一定时间的，这取决于开机激活命令帧的长度、微控制单元5与微功率无线数传模块6间的数据传输波特率和微功率无线数传模块6处理开机激活命令帧的延时，另外仪表中的微控制单元5也不是连续发送开机激活命令的，而是周期性的，每发送完一帧命令后要等待若干时间查看测力箱体是否有测力数据发送过来，若有则停止，否则继续发开机激活命令。t2的取值必须保证在该时间窗口内，测力箱体微控制单元5至少可以收到仪表微控制单元5发来的一帧完整的命令。t1是测力装置关机时由用户在仪表上操作确定的，当其取值较大时，测力箱体在软关机时电池平均功耗比较低，但开机时用户等待激活的时间会比较长。一般情况下当软关机后待机时间较长时，t1可以选得大些，反之，t1可选得小些。总之，本装置所采用的测力箱体软关机时休眠时间可选的技术方法，可使用户在电池功耗和开机等待时间之间作出一个平衡的选择。

附图5是本测力箱体实施电路图，图中未标出而实际采用的电源7是6V/4AH的镍氢电池组。在图中RX1~RX4为应变式力传感器1，L2、CX2、L3、CX3组成T型硬件滤波电路2，CS5532集成块涵盖了信号放大器3和模数转换模块4的功能，HAC-uAn480L05PC为具有休眠功能的微功率无线数传模块6，PQ05RD21为可控稳压电源模块I 11的核心，这是一种低压差输入、输出压差最低可至0.5V、低功耗的稳压集成块，集成块Vi脚为电压输入端，Vo脚为电压输出端，正常情况下输出电压为5V，GND脚接地，CON脚为输出开关控制端，当该脚接高电平时集成块输出+5V电压，接低电平输出断开。R2、R3、R4、R5、R6和LM339的N3C、N3D组成两路电压比较电路9，当电池电量充足时，LM339的V3o和V4o脚均输出高电平，当电池电压比较低时V4o脚输出变低电平，V3o脚仍维持高电平，当电池电压低到会影响电池使用寿命时，V3o、V4o脚均输出低电平。R13、R14、R15、T1、T2、HT7550、C11构成可控稳压电源模块II 10，HT7550是一款低压差、低功耗、小功率的三端稳压块，T1、T2构成电子开关。当T1基集输入高电平时T1、T2均饱和导通，即T2的发射极与集电极之间的压差很小基本可以忽略，相当于电池电压直接三端稳压块HT7550上，HT7550的输出电压Vcc为5V，当T1基集输入低电平时T1、T2均截止，此时HT7550输入浮空，输出Vcc为0V。AT89C2051为微控制单元5。

仪表和测力箱体内微控制单元5与微功率无线数传模块6间均以1200波特率、1位起始位8位数据位无奇偶校验位方式串行。仪表使测力箱体由开机工作状态转入软关机状态仪表发送四个字节命令，首先发字符S的ASCII码83，再发字符L的ASCII码76，再发休眠时间参数X，最后发校验和。这里X为8位二进制数，取值范围0到255，最后发的校验和为83+76+X除以256后的余数。仪表发送该命令后若连续2秒未再收到测力箱体发来的测力信息，即认为测力箱体已收到命令。仪表使测力箱体由软关机状态转入开机工作状态也发送四个字节命令，首先发字符A的ASCII码65，再发送字符C的ASCII码67，再发送字符T的ASCII码84，最后发送字符V的ASCII码86。测力箱体工作时发送六个字节的测力信息，第1个字节固定为255，第2到第4共3个字节为24位二进制A/D转换码，第5个字节为0或1，取值1表示测力箱体电池电压正常，否则表示欠电压，第6个字节为校验和，即前面5个字节相加后除以256后的余数。测力箱体软关机时休眠时间为(X+1)*2秒，这里的X即为接收到的仪表发过来的休眠时间参数，工作时间固定为400毫秒。

以上所述仅为本实用新型最佳的具体实施例，但本实用新型的结构特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本实用新型的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本实用新型的专利范围之中。

Claims (4)

1.一种无线测力装置，包括测力箱体，所述测力箱体包括电源(7)、电压比较电路(9)和依次连接的应变式力传感器(1)、硬件滤波电路(2)、信号放大器(3)、模数转换模块(4)、微控制单元(5)，其特征在于：还包括可控稳压电源模块I(11)、可控稳压电源模块II(10)和具有休眠功能的微功率无线数传模块(6)，所述可控稳压电源模块I(11)与电源(7)、电压比较电路(9)、微控制单元(5)、微功率无线数传模块(6)相连，所述可控稳压电源模块II(10)与应变式力传感器(1)、信号放大器(3)、模数转换模块(4)、电源(7)、微控制单元(5)连接，所述微功率无线数传模块(6)与微控制单元(5)连接。

2.如权利要求1所述的一种无线测力装置，其特征在于：所述电源(7)与其他模块之间设置有硬开关(8)。

3.如权利要求1所述的一种无线测力装置，其特征在于：所述信号放大器(3)和模数转换模块(4)集成在CS5532芯片中。

4.如权利要求1所述的一种无线测力装置，其特征在于：所述微控制单元(5)为一块AT89C2051芯片。

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