《工程測試技術》課程設計基于單片機的LVDT位移測量傳感器設計說明書

1、工程測試技術課程設計目錄第一章 總體方案設計31.1設計目的 41.2總體方案設計 4第二章 硬件電路設計 52.1傳感器的選擇 52.2差動變壓器傳感器安裝 62.3放大電路的設計 72.4采集電路的設計 72.5輸入通道設計 82.6顯示電路的設計 9第三章 軟件的設計 103.1數(shù)據(jù)處理子程序的設計 103.2數(shù)據(jù)采集子程序的設計 103.3數(shù)據(jù)顯示子程序的設計 113.4地址空間的分配的設計11第四章 設計總結(jié) 12參考文獻 13附總電路圖 13附總程序 13隨著時代科技的迅猛發(fā)展，微電子學和計算機等現(xiàn)代電子技術的成就給傳統(tǒng)的電子測量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命性的影響。常規(guī)的測試儀器

2、儀表和控制裝置被更先進的智能儀器所取代，使得傳統(tǒng)的電子測量儀器在遠離、功能、精度及自動化水平定方面發(fā)生了巨大變化，并相應的出現(xiàn)了各種各樣的智能儀器控制系統(tǒng)，使得科學實驗和應用工程的自動化程度得以顯著提高。本文設計的電子秤以單片機為主要部件，用匯編語言進行軟件設計，硬件則以差動變壓器式(lvdt)位移傳感器為主,測量010mm。傳感器輸出的電量是模擬量，數(shù)值比較小達不到a/d轉(zhuǎn)換接收的電壓范圍。所以送a/d轉(zhuǎn)換之前要對其進行前端放大、整形濾波等處理。然后，a/d轉(zhuǎn)換的結(jié)果才能送單片機進行數(shù)據(jù)處理并顯示。第一章 總體方案設計1.1設計目的差動變壓器式(lvdt)位移傳感器廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場和測試領

3、域，如過程檢測和自動控制、形變測量等，適用于油污、光照等惡劣環(huán)境。這種傳感器可靠而耐用，但選用它監(jiān)控機械位移量，還需設計與傳感器配套的測量裝置研制開發(fā)的位移測量裝置適用于工業(yè)現(xiàn)場和多種測試領域。按照使用的要求，系統(tǒng)可實現(xiàn):有效量程10mm，精度0.0lmm; led同時顯示1-4路測量值;零點值重置等功能。通過本次課程設計，達到以下三點：（1）.通過本次課程設計加深對差動變壓器電感傳感器在工程實踐中的應用的了解； （2）.掌握用這種傳感器組成位移測量系統(tǒng)的原理和方法； （3）.進一步掌握這種傳感器的性能特點和工程應用。1.2總體方案設計本系統(tǒng)采用內(nèi)含4kb程序存儲器的8位單片微型計算機89c5

4、1，其內(nèi)部4kb程序存貯器可以滿足本系統(tǒng)的需求，同時可以 圖1.2.1 主程序流程圖較大限度地減少外圍器件;按照有效量程和精度，本系統(tǒng)選用國內(nèi)廠家的配套產(chǎn)品ac-lvdt傳感器;使用四組(每組5個)led七段數(shù)碼管同時顯示四路測量值;用于過程控制的信號采樣應較快，應采用較高速的a/d轉(zhuǎn)換器。主程序流程圖、系統(tǒng)原理圖分別如圖1.2.1、圖1.2.2所示。 圖1.2.2 系統(tǒng)原理第二章 硬件電路設計2.1傳感器的工作原理差動變壓器由一只初級線圈和二只次線圈及一個鐵芯組成，根據(jù)內(nèi)外層排列不同，有二段式和三段式，本實驗采用三段式結(jié)構(gòu)。當差動變壓器隨著被測體移動時差動變壓器的鐵芯也隨著軸向位移，從而使初

5、級線圈和次級線圈之間的互感發(fā)生變化促使次級線圈感應電勢產(chǎn)生變化，一只次級感應電勢增加，另一只感應電勢則減少，將兩只次級反向串接（同名端連接），就引出差動電勢輸出。利用兩個線圈之間互感的變化引起感應電勢的變化，來獲得與被測量成一定函數(shù)關系的輸出電壓，實現(xiàn)非電量的測量。應用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1100(mm)范圍內(nèi)的機械位移、150hz以下的低頻振動、加速度、應變、比重、張力、厚度、稱重等一、切能引起機械位移變化的非電物理量。 本次差動變壓器的原理是建立在csy2000型傳感器實訓臺的基礎上的。差動變壓器電感傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越、測量精度高、靈敏度高和價格合理等優(yōu)點。2.

6、2、差動變壓器傳感器安裝1.將差動變壓器和測微頭(參照附：測微頭使用)安裝在實驗模板的支架座上，如下圖2.2.1。圖2.2.1差動變壓器傳感器安裝示意圖2、差動變壓器的原理圖已印刷在實驗模板上，l1為初級線圈；l2、l3為次級線圈；號為同名端。按圖2-3接線，差動變壓器的原邊的激勵電壓必須從主機箱中音頻振蕩器的lv端子引入，檢查接線無誤后合上總電源開關，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率為45khz（可用主機箱的頻率表輸入fin來監(jiān)測）；調(diào)節(jié)輸出幅度峰峰值為vp-p2v（可用示波器監(jiān)測：x軸為0.2ms/div）。圖2.2.2差動變壓器性能實驗安裝、接線圖2.3放大電路的設計傳感器輸出電壓為050mv，而a

7、/d轉(zhuǎn)換器所能處理的電壓是05v，所以必須在a/d轉(zhuǎn)換器前加入一個前置差動放大電路以實現(xiàn)電壓的放大，放大倍數(shù)為100倍，使輸出電壓為05v。由于單運放在應用中要求外圍電路匹配精度高、增益調(diào)整不便、差動輸入阻抗低，故采用三運放結(jié)構(gòu)。三運放結(jié)構(gòu)具有差動輸入阻抗高、共膜抑制比高、偏置電流低等優(yōu)點，且有良好的溫度穩(wěn)定性，低噪單端輸出和和增益調(diào)整方便，適于在傳感器電路中應用。如圖2-2所示，圖中 rg為增益調(diào)節(jié)電阻，整個芯片僅r5為外接電阻，而運放a1 為增益為100的差動輸入放大器。電壓的放大倍數(shù)：可由公式得出倍數(shù)。因此我們可以改變r2和r1的比值來改變放大倍數(shù)。量程的確定：轉(zhuǎn)動20圈 進給10mm

8、電壓變化 0.52v 靈敏度 s= =0.104v/mm(8)根據(jù)電壓得量程是 1.7v 1.7v可以由公式8得出距離d得量程是 16.35mm16.35mm. 圖2.3.1放大電路硬件原理圖2.4采集電路的設計2.4.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心是計算機，他對整個系統(tǒng)進行控制和數(shù)據(jù)處理，他由采樣/保持器，放大器，a/d轉(zhuǎn)換器，計算機組成。 2.4.1 數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)框圖2.4.2數(shù)據(jù)采樣保持器進行模數(shù)變換時，從啟動變換到變換結(jié)束的數(shù)字量輸出，需要一定的時間，即a/d轉(zhuǎn)換的孔徑時間。當輸入信號頻率較高，由于孔徑時間的存在，會造成較大的轉(zhuǎn)換誤差；為了防止誤差需在中間加一個功能器件采樣/

9、保持器，進行有效、正確的數(shù)據(jù)采集。采樣/保持器通常由保持電容器、模擬開關和運算放大器組成。采樣保持器的原理：如圖2.4.2，當開關閉合時，v1通過限電流電阻向電容c充電，在電容值合理的情況下，v0隨vi的變化而變化；當k斷開時，由于電容c有一定的容量，此時輸出v0保持輸入信號再開斷開瞬間的電平值。32647851u2ad62032647851u3ad620輸入高阻輸入模擬開關輸出c41u圖2.4.2 采樣保持原理圖2.4.3 ad0809的工作原理與連接ad轉(zhuǎn)換器與8031單片機相連接，將in0的輸入模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。從而可以輸入8031進行下一步處理。采用逐位逼近式的ad轉(zhuǎn)換器。其原理

10、如下圖： 圖 2.4.3 ad0809的原理圖當啟動信號作用后，時鐘信號在控制邏輯作用下。首先是寄存器的最高位d3=1 ，其余為0，此數(shù)字量1000經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換器換成模擬量8，送到比較器輸入端與被轉(zhuǎn)換地模擬量進行比較控制邏輯根據(jù)比較器輸出進行判斷，當vinvo，則保留d3=1,再對下一位d2進行比較，同樣先使d21，與d3一起即1100進入d/a轉(zhuǎn)換器，進行比較，以此進行比較，到最后一位d0。 adc0809轉(zhuǎn)換器8031單片機2.5輸入通道設計2.6顯示電路的設計顯示部分可以將處理得出的信號在顯示器上顯示，讓人們直觀的看到被測體的質(zhì)量，也可以進行報警提示。本設計采用的顯示模塊是12864點陣

11、的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字（16x16點陣）、128個字符（8x16點陣）及64x256點陣顯示ram（gdram）。可與cpu直接接口，提供兩種界面來連接微處理機：8-位并行及串行兩種連接方式。圖2.6.1顯示電路圖第三章 軟件的設計3.1數(shù)據(jù)處理子程序的設計數(shù)據(jù)處理子程序是整個程序的核心。主要用來調(diào)整輸入值系數(shù)，使輸出滿足量程要求。另外完成a/d的采樣結(jié)果從十六進制數(shù)向十進制數(shù)形式轉(zhuǎn)化。3.1.1系數(shù)調(diào)整在in0輸入的數(shù)最大為10mm，要求的位移10mm對應的是5.0v，為十六進制向十進制轉(zhuǎn)換方便，將系數(shù)放大100倍。并用小數(shù)點位置的變化體現(xiàn)這一過程

12、。3.1.2數(shù)制轉(zhuǎn)換數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換：在二進制數(shù)制中，每向左移 圖3.1.2 數(shù)據(jù)處理原理框圖一位表示數(shù)乘二倍。以每四位作為一組對數(shù)分組，當?shù)谒奈幌虻谖逦贿M位時，數(shù)由8變到16，若按十進制數(shù)制規(guī)則讀數(shù)，則丟失6，所以應進行加六調(diào)整。da指令可完成這一調(diào)整?？梢姅?shù)制之間的轉(zhuǎn)換可以通過 移位的方法實現(xiàn)。其中，移出數(shù)據(jù)的保存可以通過自乘再加進 的方法實現(xiàn)，因為乘二表示左移一位，左移后，低位進一，則需加一。否則，加零。而通過移位已將要移入的尾數(shù)保存在了進位位中，所以能實現(xiàn)。3.2數(shù)據(jù)采集子程序的設計數(shù)據(jù)采集用a/d0809芯片來完成，主要分為啟動、讀取數(shù)據(jù)、延時等待轉(zhuǎn)換結(jié)束、讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果、存入指定內(nèi)存單

13、元、繼續(xù)轉(zhuǎn)換（退出）幾個步驟。adc0809初始化后，就具有了將某一通道輸入的05模擬信號轉(zhuǎn)換成對應的數(shù)字量00hffh，然后再存入8031內(nèi)部ram的指定單元中。在控制方面有所區(qū)別?？梢圆捎贸绦虿樵兎绞剑訒r等待方式和中斷方式。圖3.2.1 數(shù)據(jù)采樣原理框圖3.3數(shù)據(jù)顯示子程序的設計顯示子程序是字符顯示，首先調(diào)用事先編好的8279的鍵盤顯示子程序。 調(diào)用8279初始化命令，然后輸出寫顯示命令。在顯示過程中一定要調(diào)用延時子程序。當輸入通道采集了一個新的過程參數(shù)，或儀表操作人員鍵入一個參數(shù)，或儀表與系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時顯示管理軟件應及時調(diào)用顯示驅(qū)動程序模塊，以更新當前的顯示數(shù)據(jù)顯示符號。dir m

14、ov r0,#79h ；置顯示緩沖區(qū)首地址mov r3,#01h ；置位選碼初值mov a,r3 loop: mov dptr,#7f01h ；dptr-pa口地址movxdptr,a ；輸出位選碼inc dptr ；指向pb口mov a,r0 ；取被顯示的數(shù)據(jù)add a,#0dh ；形成查表的偏移地址movc a,a+pc ；求出顯示代碼dir1: movxdptr,a ；輸出顯示代碼acalltim2 ；延時inc r0 ；指向下一個顯示數(shù)據(jù) mov a,r3jb acc.5,loop1 ；判斷6位是否顯示完畢rl a ；形成下一個位代碼mov r3,aajmp looploop1:ret

15、db 3fh,06h,5bh,4fh,66h,6dhdb 7dh,07h,7fh,6fh,77h,7chdb 39h,5eh,79h,71htim2: mov r7,#04hdlt1: mov r6,#0ffhdlt2: djnz r6,dlt2djnz r7,dlt1ret圖3.3.1 顯示原理框圖3.4地址空間的分配：0000h3fffh:實驗機上的擴展后 8031上的ram，數(shù)據(jù)存儲空間。000h7f3fh :實驗機上的ram區(qū)，用作程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。7f40h7fffh: 實驗機上的 ram，有監(jiān)控占用，用戶不得使用8000hbfffh:為138譯碼器的地址，用戶對實驗機上的ad芯片的片

16、選cs/相連，則該輸出腳的譯碼地址即為ad芯片的編程地址。fe00hffffh: 實驗機上的固定地址的i/o 口。第四章 設計總結(jié)隨著集成電路和計算機技術的迅速發(fā)展，使電子儀器的整體水平發(fā)生巨大變化，傳統(tǒng)的儀器逐步的被智能儀器所取代。智能儀器的核心部件是單片機，因其極高的性價比得到廣泛的應用與發(fā)展，從而加快了智能儀器的發(fā)展。而傳感器作為測控系統(tǒng)中對象信息的入口，越來越受到人們的關注。傳感器好比人體“五官”的工程模擬物，它是一種能將特定的被測量信息（物理量、化學量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件。本次課設中的位移測量儀就是在以上儀器的基礎上設計而成的。因此，只有充分了解有關智能

17、儀器、單片機、傳感器以及各部分之間的關系才能達到要求。首先是傳感器的精密度，它將直接影響電子秤的稱重準確度。課設時由于傳感器發(fā)出的信號不是很穩(wěn)定，所以測量時誤差很大。其次是數(shù)據(jù)采集處理階段，此階段是對傳感器發(fā)出的信號進行量化、采集，主要分為信號放大、采集，然后進行a/d轉(zhuǎn)換。該階段需注意的地方是對傳感器輸出的信號進行放大時，應選取合適的運算放大電路。最好是預先計算好應放大的倍數(shù)，以便選取。還有就是進行數(shù)據(jù)處理時，選取適當?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系數(shù)，使輸出滿足量程要求。參考文獻1霍孟友 單片機原理與應用.北京：機械工業(yè)出版社， 20072馮凱昉 工程測試技術.陜西：西北工業(yè)大學出版社， 19943林敏 丁金

18、華 田濤 計算機控制技術及工程應用.北京：國防工業(yè)出版社，20064秦曾煌 電工學.北京：高等教育出版社，20055黃賢武 傳感器技術.蘇州：蘇州大學出版社，19936常健生 檢測與轉(zhuǎn)換技術.北京：機械工業(yè)出版社，19927賈伯年 俞樸 傳感器技術.南京：東南大學出版社，19908趙茂泰.智能儀器原理及應用.電子工業(yè)出版社，2004： 9張毅剛.mcs-51單片機應用設計.哈爾濱工業(yè)大學出版社，2003： 10賈伯年，俞樸.傳感器技術.東南大學出版社，2000： 11單成祥.傳感器理論設計基礎及其應用.國防工業(yè)出版社，1999： 12李道華，李玲，朱艷.傳感器電路分析與設計.武漢大學出版社，2

19、000：附總電路圖附總程序a_dport equ 8100h ;0809 口地址z8279 equ 0ff82h ;8279 狀態(tài)/命令口地址d8279 equ 0ff80h ;8279 數(shù)據(jù)口地址ledmod equ 10h ;右端輸入 八位字符顯示; 外部譯碼鍵掃描方式,雙鍵互鎖ledfeq equ 38h ;掃描速率ledcls equ 0d1h ;清除ledwr0 equ 80h ;設定的將要寫入的顯示ram地址 org 0000h ajmp start org 0003h ljmp int_0 org 0040hstart:mov r7,#00hmov r0,#60h; mov sp

20、,#80h setb it0 setb ea setb ex0 lcall init8279 ;初始化8279 a_d: mov r0,#00h ;通道數(shù) mov a,r0 mov dptr,#a_dport orl dpl,a movx dptr,a ;啟動 a_d ;mov p1,#00h cjne r7,#00h,$ ;等待 a_d 轉(zhuǎn)換結(jié)束 mov a,b mov p1,a lcall bcd_sort; mov r7,#0ffh ;清讀數(shù)標志 mov r6,a mov r4 ,#01h lcall disled mov r6,b mov r4 ,#00h dec r3; ;lcall

21、 disled lcall delay_lo; ajmp a_dint_0: movx a,dptr ;讀 a_d 數(shù)據(jù) mov b,a mov r7,#00h ;置讀數(shù)標志 reti bcd_sort:mov a,b;rl a;mov b,#0ah;div ab;retinit8279: ;8279初始化子程序 push dph ;保存現(xiàn)場 push dpl push acc lcall delay ;延時 mov dptr ,#z8279 mov a,#ledmod ;置8279工作方式 movx dptr,a mov a,#ledfeq ;置鍵盤掃描速率 movx dptr,a mov a,#ledcls ;清除 led 顯示 movx dptr,a lcall delay ;延時 mov dptr,#z8279 mov a,#90h mov dptr,#d8279 mov a,#40h movx dptr,a mov a,#40h movx dptr,a mov a,#0h movx dptr,a mov a,#0h movx dptr,a mov a,#0efh movx dptr,a mov a,#27h movx dptr,a mov a,#5bh movx dptr,a