基于單片機(jī)的LVDT位移測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)說明書

1、目錄第一章總體方案設(shè)計(jì)3設(shè)計(jì)目的4總體方案設(shè)計(jì)4第二章硬件電路設(shè)計(jì)5傳感器的選擇5差動(dòng)變壓器傳感器安裝62.3 放大電路的設(shè)計(jì)72.4 采集電路的設(shè)計(jì)72.5 輸入通道設(shè)計(jì)82.6 顯示電路的設(shè)計(jì)9第三章軟件的設(shè)計(jì)103.1 數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計(jì)103.2 數(shù)據(jù)采集子程序的設(shè)計(jì)103.3 數(shù)據(jù)顯示子程序的設(shè)計(jì)113.4 地址空間的分配的設(shè)計(jì)11第四章設(shè)計(jì)總結(jié)12參考文獻(xiàn)1313附總電路圖13附總程序序存貯器可以滿足本系統(tǒng)的需求，同時(shí)可以圖主程序流程圖隨著時(shí)代科技的迅猛開展，微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測(cè)量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命性的影響。常規(guī)的測(cè)試儀器儀表和控制裝置被更

2、先進(jìn)的智能儀器所取代，使得傳統(tǒng)的電子測(cè)量儀器在遠(yuǎn)離、功能、精度及自動(dòng)化水平定方面發(fā)生了巨大變化，并相應(yīng)的出現(xiàn)了各種各樣的智能儀器控制系統(tǒng)，使得科學(xué)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用工程的自動(dòng)化程度得以顯著提高。本文設(shè)計(jì)的電子秤以單片機(jī)為主要部件，用匯編語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，硬件那么以差動(dòng)變壓器式（LVDT）位移傳感器為主,測(cè)量010mm傳感器輸出的電量是模擬量，數(shù)值比擬小達(dá)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(duì)其進(jìn)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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示。第一章總體方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目的差動(dòng)變壓器式（LVDT）位移傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和測(cè)試領(lǐng)域，如過程檢測(cè)和自動(dòng)控制、

3、形變測(cè)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(jī)械位移量，還需設(shè)計(jì)與傳感器配套的測(cè)量裝置研制開發(fā)的位移測(cè)量裝置適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和多種測(cè)試領(lǐng)域。按照使用的要求，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn):有效量程10mm,精度0.0lmm;LED同時(shí)顯示1-4路測(cè)量值；零點(diǎn)值重置等功能。通過本次課程設(shè)計(jì)，到達(dá)以下三點(diǎn)：1.通過本次課程設(shè)計(jì)加深對(duì)差動(dòng)變壓器電感傳感器在工程實(shí)踐中的應(yīng)用的了解；2.掌握用這種傳感器組成位移測(cè)量系統(tǒng)的原理和方法；3.進(jìn)一步掌握這種傳感器的性能特點(diǎn)和工程應(yīng)用?？傮w方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用內(nèi)含4KB程序存儲(chǔ)器的8位單片微型計(jì)算機(jī)89C51,其內(nèi)部4KB程較大限度地減少外圍器件；按照有效

4、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(gè)）LED七段數(shù)碼管同時(shí)顯示四路測(cè)量值；用于過程控制的信號(hào)采樣應(yīng)較快，應(yīng)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、圖.2所小。曰曰曰曰曰、林麗中斷£皆等A/D轉(zhuǎn)換器4選I祺擬開獎(jiǎng)選電拴中圖1.2.2系統(tǒng)原理 M 一 一PU組圾卻$管"1 AC-LVO r 調(diào)#41.岬調(diào)故k及5佃號(hào)諭再電即U V他廨制第二章硬件電路設(shè)計(jì)傳感器的工作原理差動(dòng)變壓器由一只初級(jí)線圈和二只次線圈及一個(gè)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(shí)驗(yàn)采用三段式 結(jié)構(gòu)。當(dāng)差動(dòng)變壓器隨著被測(cè)體移動(dòng)時(shí)差動(dòng)

5、 變壓器的鐵芯也隨著軸向位移，從而使初級(jí) 線圈和次級(jí)線圈之間的互感發(fā)生變化促使次級(jí)線圈感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生變化，一只次級(jí)感應(yīng)圖2.1則吊，I理框圖電勢(shì)增加，另一只感應(yīng)電勢(shì)那么減少，將兩只次級(jí)反向申接同名端連接，就引出差動(dòng)電勢(shì)輸出。利用兩個(gè)線圈之間互感的變化引起感應(yīng)電勢(shì)的變化，來獲得與被測(cè)量成一定函數(shù)關(guān)系的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)非電量的測(cè)量。應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量1100（mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移、150Hz以下的低頻振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、比重、張力、厚度、稱重等一、切能引起機(jī)械位移變化的非電物理量。本次差動(dòng)變壓器的原理是建立在CSY200Cffl傳感器實(shí)訓(xùn)臺(tái)的根底上的。差動(dòng)變壓器電感傳感器具有結(jié)

6、構(gòu)簡單、性能優(yōu)越、測(cè)量精度高、靈敏度高和價(jià)格合理等優(yōu)點(diǎn)。2.2 、差動(dòng)變壓器傳感器安裝1 .將差動(dòng)變壓器和測(cè)微頭（參照附：測(cè)微頭使用）安裝在實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓闹Ъ茏?，如下列圖2.2.1。圖2.2.1差動(dòng)變壓器傳感器安裝示意圖2、差動(dòng)變壓器的原理圖已印刷在實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳?，L1為初級(jí)線圈；L2、L3為次級(jí)線圈；*號(hào)為同名端。按圖2-3接線，差動(dòng)變壓器的原邊L1的鼓勵(lì)電壓必須從主機(jī)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(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率為4-5KHz可用主機(jī)箱的頻率表輸入Fin來監(jiān)測(cè)；調(diào)節(jié)輸出幅度峰峰值為Vp-p=2V可用示波器監(jiān)測(cè)：X軸為0.2ms/div。不酒鴕寓 W普壓圖2差動(dòng)變

7、壓器性能實(shí)驗(yàn)安裝、接線圖2.3 放大電路的設(shè)計(jì)傳感器輸出電壓為050mV,而A/D轉(zhuǎn)換器所能處理的電壓是05V,所以必須在A/D轉(zhuǎn)換器前參加一個(gè)前置差動(dòng)放大電路以實(shí)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(yùn)放在應(yīng)用中要求外圍電路匹配精度高、增益調(diào)整不便、差動(dòng)輸入阻抗低，故采用三運(yùn)放結(jié)構(gòu)。三運(yùn)放結(jié)構(gòu)具有差動(dòng)輸入阻抗高、共膜抑制比高、偏置電流低等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用。如圖2-2所示，圖中RG為增益調(diào)節(jié)電阻，整個(gè)芯片僅R5為外接電阻，而運(yùn)放A1為增益為100的差動(dòng)輸入放大器。3卷心戶=一當(dāng)電壓的放大倍數(shù)：可由公式尺1得出

8、入1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)。量程確實(shí)定：轉(zhuǎn)動(dòng)20圈進(jìn)給10mm電壓變化0.52V靈敏度S=-U=052V(8)d5mm根據(jù)電壓得量程是+1.7V可以由公式8得出距離d得量程是十一.圖2.放大電路硬件原理圖2.4采集電路的設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)，他對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)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(jì)算機(jī)組成H傳感部單危機(jī)一2.4.1數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)框圖2.4.2 數(shù)據(jù)采樣保持器進(jìn)行模數(shù)變換時(shí)，從啟動(dòng)變換到變換結(jié)束白數(shù)字量輸出，需要一定的時(shí)間，即A/D轉(zhuǎn)換的孔徑時(shí)間。當(dāng)輸入信號(hào)頻率較高，由于孔徑時(shí)間的存在，會(huì)造成較

9、大的轉(zhuǎn)換誤差；為了防止誤差需在中間加一個(gè)功能器件采樣/保持器，進(jìn)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(guān)和運(yùn)算放大器組成。采樣保持器的原理：如圖2.4.2,當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，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(dāng)K斷開時(shí)，由于電容C有一定的容量，此時(shí)輸出V0保持輸入信號(hào)再開斷開瞬間的電平值。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(jī)相連接，將IN0的輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。從而可以輸入8031進(jìn)行下一步處理。采用逐位逼近式的AD轉(zhuǎn)換器。其原理如下列圖:反饋電壓圖2AD0809的原

10、理圖當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)作用后，時(shí)鐘信號(hào)在控制邏輯作用下。首先是存放器的最高位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,送到比擬器輸入端與被轉(zhuǎn)換地模擬量進(jìn)行比擬控制邏輯根據(jù)比擬器輸出進(jìn)行判斷，當(dāng)VinVo,那么保存D3=1，再對(duì)下一位D2進(jìn)行比擬，同樣先使D2=1,與D3一起即1100進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行比擬，以此進(jìn)行比擬，到最后一位D。時(shí)鐘頻率8031單片機(jī)ADC0809轉(zhuǎn)換器輸入通道設(shè)計(jì)2.6顯示電路的設(shè)計(jì)顯示局部可以將處理得出的信號(hào)在顯示器上顯示，讓人們直觀的看到被測(cè)體的質(zhì)量,也可以進(jìn)行報(bào)警提示。IJ1本設(shè)計(jì)采用的顯示模塊是128X64點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢

11、字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)中文漢字16X16點(diǎn)陣、128個(gè)字符8X16點(diǎn)陣及64X256點(diǎn)陣顯示RAMGDRAM可與CPUft接接口，提供兩種界面來連接微處理機(jī)：8-位并行及串行兩種連接方式。)jI/JiUMU晨R7-R7 !R3左移一位.只2右耨一路R3存W證二港制的喙兒位.RJ存體位二制的高人蛇“ 刖濟(jì)蜴整后的低再饞器* 存中間兩位.R4薦高兩位一日日日書日日日?qǐng)D2.6.1顯示電路圖第三章軟件的設(shè)計(jì)3.1 數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計(jì)Rl R5. R4保次保存移入值小 并會(huì)刑進(jìn)行,整國艮4的假位存入nH單元作為. 百位信息.R5高隹序人望日作一 為十位倡息，低位存A 32H肉井* -btiRft 位

12、作用小放點(diǎn)信息.圖數(shù)據(jù)處理原理框圖數(shù)據(jù)處理子程序是整個(gè)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(jìn)制數(shù)向十進(jìn)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(duì)應(yīng)的是5.0V,為十六進(jìn)制向十進(jìn)制轉(zhuǎn)換方便，將系數(shù)放大100倍。并用小數(shù)點(diǎn)位置的變化表達(dá)這一過程。3.1.2 數(shù)制轉(zhuǎn)換數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換：在二進(jìn)制數(shù)制中，每向左移一位表示數(shù)乘二倍。以每四位作為一組對(duì)數(shù)分組，當(dāng)?shù)谒奈幌虻谖逦贿M(jìn)位時(shí)，數(shù)由8變到16,假設(shè)按十進(jìn)制數(shù)制規(guī)那么讀數(shù)，那么喪失6,所以應(yīng)進(jìn)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

13、實(shí)現(xiàn)。其中，移出數(shù)據(jù)的保存可以通過自乘再加進(jìn)的方法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槌硕硎咀笠埔晃?，左移后，低位進(jìn)一，那么需加一。否那么，加零。而通過移位已將要移入的尾數(shù)保存在了進(jìn)位位中，所以能實(shí)現(xiàn)。3.2 數(shù)據(jù)采集子程序的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集用A/D0809芯片來完成，主要分為啟動(dòng)、讀取數(shù)據(jù)、延時(shí)等待轉(zhuǎn)換結(jié)束、讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果、存入指定內(nèi)存單元、繼續(xù)轉(zhuǎn)換退出幾個(gè)步驟。ADC0809初始化后，就具有了將某一通道輸入的05模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量00H-FFH,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?，延時(shí)等待方式和中斷方式。開始一,啟動(dòng)啟Q轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換完成數(shù)據(jù)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)顯不，圖數(shù)據(jù)采

14、樣原理框圖3.3 數(shù)據(jù)顯示子程序的設(shè)計(jì)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(shí)子程序當(dāng)輸入通道采集了一個(gè)新的過程參數(shù)，或儀表操作人員鍵入一個(gè)參數(shù)，或儀表與系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)顯示管理軟件應(yīng)及時(shí)調(diào)用顯示驅(qū)動(dòng)程序模塊，以更新當(dāng)前的顯示數(shù)據(jù)顯示符號(hào)。DIR MOV R0,#79HMOV R3,#01H;置顯示緩沖區(qū)首地址;置位選碼初值MOVA,R3LOOP:MOVDPTR,#7F01H;DPTR-PA口地址MOVXDPTR,AINC DPTRMOV A,R0ADD A,#0DHMOVC A,A+PCDIR1

15、: MOVXDPTR,AACALLTIM2;輸出位選碼;指向PB 口;取被顯示的數(shù)據(jù);形成查表的偏移地址;求出顯示代碼;輸出顯示代碼;延時(shí)INC R0；指向下一個(gè)顯示k據(jù)MOV A,R3JB ACC.5,LOOP1RL A;判斷6位是否顯示完畢;形成下一個(gè)位代碼拉不珞布迭拓用ijN-%Y，1是否為曰N，是否為D，是否為a返回，圖3.3.1顯示原理框圖8031上的RAM ,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間MOVR3,AAJMPLOOPLOOP1:RETDB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DHDB7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CHDB39H,5EH,79H,71HTIM2:MOVR7,#04HD

16、LT1:MOVR6,#0FFHDLT2:DJNZR6,DLT2DJNZR7,DLT1RET地址空間的分配：0000H3FFFH:實(shí)驗(yàn)機(jī)上的擴(kuò)展后000H7F3FH:實(shí)驗(yàn)機(jī)上的RAM區(qū)，用作程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)7F40H7FFFH:實(shí)驗(yàn)機(jī)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(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)上的AD芯片的片選CS/相連，那么該輸出腳的譯碼地址即為AD芯片的編程地址。FE00HFFFFH:實(shí)驗(yàn)機(jī)上的固定地址的I/O口。第四章設(shè)計(jì)總結(jié)隨著集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速開展，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(jī)，因其

17、極高的性價(jià)比得到廣泛的應(yīng)用與開展，從而加快了智能儀器的開展。而傳感器作為測(cè)控系統(tǒng)中對(duì)象信息的入口，越來越受到人們的關(guān)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(cè)量信息物理量、化學(xué)量、生物量等按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)輸出的器件。本次課設(shè)中的位移測(cè)量儀就是在以上儀器的根底上設(shè)計(jì)而成的。因此，只有充分了解有關(guān)智能儀器、單片機(jī)、傳感器以及各局部之間的關(guān)系才能到達(dá)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(zhǔn)確度。課設(shè)時(shí)由于傳感器發(fā)出的信號(hào)不是很穩(wěn)定，所以測(cè)量時(shí)誤差很大。其次是數(shù)據(jù)采集處理階段，此階段是對(duì)傳感器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行量化、采集，主要分為信號(hào)放大、采集，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)

18、換。該階段需注意的地方是對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，應(yīng)選取適宜的運(yùn)算放大電路。最好是預(yù)先計(jì)算好應(yīng)放大的倍數(shù)，以便選取。還有就是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，選取適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系數(shù)，使輸出滿足量程要求。參考文獻(xiàn)1 霍孟友單片機(jī)原理與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20072 馮凱昉工程測(cè)試技術(shù).陜西：西北工業(yè)大學(xué)出版社，19943 林敏丁金華田濤計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及工程應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社，20064 秦曾煌電工學(xué).北京：高等教育出版社，20055 黃賢武傳感器技術(shù).蘇州：蘇州大學(xué)出版社，19936 常健生檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19927 賈伯年俞樸傳感器技術(shù).南京：東南大學(xué)出版社，19908

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20、8HLEDCLSEQU0D1HLEDWR0EQU80HORG0000H;8279數(shù)據(jù)口地址;右端輸入八位字符顯示;外部譯碼鍵掃描方式,雙鍵互鎖;掃描速率;去除;設(shè)定的將要寫入的顯示RAM地址AJMPSTARTORG0003HLJMPINT_0ORG0040HSTART:MOVR7,#00HMOVR0,#60H;MOVSP,#80HSETBIT0SETBEASETBEX0LCALLINIT8279;初始化8279A_D:MOVR0,#00H;通道數(shù)MOVA,R0MOVDPTR,#A_DPORTORLDPL,AMOVXDPTR,A;啟動(dòng)A_D;MOVP1,#00HCJNER7,#00H,$;等待A

21、_D轉(zhuǎn)換結(jié)束MOVA,BMOVP1,ALCALLBCD_SORT;MOVR7,#0FFH;清讀數(shù)標(biāo)志MOVR6,AMOVR4,#01HLCALLDISLEDMOVR6,BMOVR4,#00HDECR3;LCALLDISLEDLCALLDELAY_LO;AJMPA_DINT_0:MOVXA,DPTRMOVB,AMOVR7,#00HRETIBCD_SORT:MOVA,B;RLA;MOVB,#0AH;DIVAB;RETINIT8279:PUSHDPHPUSHDPLPUSHACCLCALLDELAYMOVDPTR,#Z8279MOVA,#LEDMODMOVXDPTR,AMOVA,#LEDFEQMOVXDPTR,AMOVA,#LEDCLSMOVXDPTR,ALCALLDELAYMOVDPTR,#Z8279MOVA,#90H; 讀 A_D 數(shù)據(jù); 置讀數(shù)標(biāo)志;8279初始化子程序; 保存現(xiàn)場(chǎng); 延時(shí);置 8279工作方式; 置鍵盤掃描速率; 去除 LED 顯示; 延時(shí)MOVDPTR,#D8279MOVA,#40HMOVXDPTR,AMOVA,#40HMOVXDPTR,AMOVA,#0HMOVXDPTR