基于stm32控制器的lvdt位移測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)本科論文

圖4所示。圖SEQ圖\*ARABIC4LVDT傳感器的測(cè)量原理與電路設(shè)計(jì)LVDT傳感器的測(cè)量原理 差動(dòng)變壓器(LVDT)的原理比較簡(jiǎn)單。它就是在一個(gè)線圈骨架(1)上均勻繞制一個(gè)一次線圈(2)作勵(lì)磁。再在兩側(cè)繞制兩個(gè)二次線圈(3與4)，與線圈同軸放置一個(gè)鐵芯(5)，通過(guò)測(cè)桿(6)與可移動(dòng)的物體連接。線圈外側(cè)還有一個(gè)磁罩(7)作屏蔽，如圖5所示。 圖SEQ圖\*ARABIC5 圖SEQ圖\*ARABIC6 在未引入鐵芯以前，一次線圈通入交流電流后產(chǎn)生一個(gè)左右對(duì)稱的沿軸向分布的交變磁場(chǎng)。交變磁場(chǎng)在兩個(gè)對(duì)稱放置的二次線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)當(dāng)然相等，引入鐵芯后，鐵芯在一次交變磁場(chǎng)的激勵(lì)下，產(chǎn)生沿鐵芯中心軸（當(dāng)然也是線圈的中心軸）分布并與鐵芯對(duì)稱的交變磁場(chǎng)。這樣，線圈中心軸上的磁感應(yīng)強(qiáng)度就成為鐵芯位置的軸向分布函數(shù)，于是兩個(gè)二次線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Es1與Es2也成了鐵芯位置的函數(shù)。如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，兩者可成為線性函數(shù)關(guān)系。將兩個(gè)二次線圈差接后，即可獲得與鐵芯位移成線性關(guān)系的二次輸出:Es=Es1-Es2。這就是LVDT的簡(jiǎn)單工作原理（如圖6示）。LVDT傳感器電路的設(shè)計(jì)LVDT是一種機(jī)電換能器，它的輸入為磁芯機(jī)械位移，而輸出為一對(duì)與磁芯位移成比例的AC電壓信號(hào)，而我們所需要的是DC電壓信號(hào)，所以還要用到AD598信號(hào)調(diào)理器來(lái)調(diào)制信號(hào)，下圖是AD598的功能圖：圖SEQ圖\*ARABIC7 AD598為L(zhǎng)VDT提供激勵(lì)電源，檢測(cè)LVDT次級(jí)繞組的輸出電壓，并提供一個(gè)與可動(dòng)磁性位置成比例的DC輸出電壓。AD598由正弦波振蕩器（OSC）、用來(lái)驅(qū)動(dòng)LVDT初級(jí)繞組的功率放大器（AMP）、用來(lái)確定LVDT兩個(gè)次級(jí)繞組輸出電壓之差與和的比例關(guān)系的解調(diào)器、濾波器（FILTER）和輸出放大器（AMP）組成。 由于設(shè)計(jì)要求為位移量程為38mm，精度0.5%，經(jīng)過(guò)比較選擇SchaevitzHR1000型LVDT（±1inch、0.25%）。下圖是AD598采用±15雙電源時(shí)與SchaevitzHR1000圖SEQ圖\*ARABIC8確定LVDT位移測(cè)量子系統(tǒng)所要求的帶寬fSUBSYSTEM小于10HZ，取f=10HZ；選擇LVDT激勵(lì)頻率約為2.5KHZ； 選擇工作范圍在2.5KHZ的LVDT，實(shí)例中選擇的SchaevitzHR1000型LVDT工作在400HZ~5KHZ，所以符合要求；確定LVDT次級(jí)繞組電壓VA和VB之和。根據(jù)生產(chǎn)商的數(shù)據(jù)手冊(cè)VPRI=3Vrms，調(diào)節(jié)磁芯到中間位置，此時(shí)有VA=VB，測(cè)量的兩個(gè)之和VA+VB=2.80Vrms。 確定LVDT的最佳激勵(lì)電壓VEXC，對(duì)于AD598的最大線性度和最小噪聲敏感系數(shù)來(lái)說(shuō)，AD598輸入信號(hào)VSEC的范圍為1~3.5Vrms，所以選擇VSEC=3Vrms。因此LVDT的激勵(lì)電壓為：VEXC=VSEC*VTR=4.97Vrms VTR為L(zhǎng)VDT的電壓轉(zhuǎn)換率：V VSEC為用典型驅(qū)動(dòng)電平VPRI驅(qū)動(dòng)LVDT，并且磁芯到期滿刻度時(shí)，次級(jí)繞組輸出信號(hào)到最大時(shí)的輸出電壓。對(duì)于輸入電壓為±15V時(shí)，根據(jù)下圖來(lái)確定激勵(lì)信號(hào)幅值的電阻R1=6KΩ；圖SEQ圖\*ARABIC9激勵(lì)電壓VEXC與R1的關(guān)系圖選擇確定激勵(lì)頻率的電容C1：C1=35fSUBSYSTEM= C2、C3、C4是AD598構(gòu)成的位移測(cè)量子系統(tǒng)帶寬的函數(shù)，它們的取值應(yīng)該相等：C2=C3=C4=10-4fSUBSYSTEM 為了計(jì)算AD598增益和滿刻度輸出范圍調(diào)節(jié)電阻R2，，需要了解以下幾點(diǎn)信息：LVDT的靈敏度 S=0.39mV/V/mils；滿刻度可動(dòng)磁芯位移 d=1inch；生產(chǎn)商推薦的初級(jí)驅(qū)動(dòng)電平VPRI和VA+VB的值； 對(duì)于滿刻度的d的位移來(lái)說(shuō)，AD598的輸出電壓按下式來(lái)計(jì)算：VVout測(cè)量要相對(duì)與信號(hào)Pin17進(jìn)行，如連接圖，又由AD598手冊(cè)，Vout=22V。求出R2=52.6KΩ。 針對(duì)上例，Vout與d的關(guān)系如下所示：圖圖SEQ圖\*ARABIC10d（inch）Vout（V）+11+1-11-1顯示模塊 系統(tǒng)采用的芯片為MAX7219。MAX7219是一個(gè)高性能的多位LED顯示驅(qū)動(dòng)器,可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰極LED或64個(gè)獨(dú)立的LED。MAX7219采用串行接口方式,只需LOAD、DIN、CLK三個(gè)管腳便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。DIN管腳上的16位串行數(shù)據(jù)包不受LOAD狀態(tài)的影響,在每個(gè)CLK的上升沿被移入到內(nèi)部16位移位寄存器中。[2] MAX7219的串行數(shù)據(jù)標(biāo)記為D15~D0,其中低8位表示顯示數(shù)據(jù)本身,最高的4位D15~D12未使用,尋址內(nèi)部寄存器的地址位占用D11~D8,選擇14個(gè)內(nèi)部寄存器。[3] MAX7219內(nèi)部具有14個(gè)可尋址數(shù)字和控制寄存器。其中的8個(gè)數(shù)字寄存器由一個(gè)片內(nèi)8×8雙端口SRAM實(shí)現(xiàn)。具體電路如圖11所示：圖圖SEQ圖\*ARABIC11串口通信模塊位移測(cè)量系統(tǒng)需要與PC端進(jìn)行通訊[4]。在這里我們采用MAXRS232作為串口。由于RS232信號(hào)的電平和單片機(jī)串口信號(hào)的電平不一致，必須進(jìn)行二者之間的電平轉(zhuǎn)換。MAX232由單一的+5V電源供電，只需配5個(gè)高精度10UF／50V的鉭電容即可完成電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的串行信號(hào)TXD，RXD直接與上位機(jī)的串口連接采用電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232實(shí)現(xiàn)TTL邏輯電平和RS232電平間的相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換之后的串行信號(hào)TXDRXD直接與PC機(jī)的串口連接MAXRS232的接口電路設(shè)計(jì)圖如圖12所示[5]圖SEQ圖\*ARABIC12存儲(chǔ)模塊在設(shè)計(jì)中,為了防止掉電數(shù)據(jù)丟失的情況發(fā)生，需要這樣一種存儲(chǔ)器，它既能寫(xiě)入數(shù)據(jù)，又能在掉電情況下將數(shù)據(jù)保存下來(lái)，經(jīng)過(guò)查閱資料，我們選擇了E2PROM，也就是可用電信號(hào)擦除的可編程ROM。這是一種可擦除的可編程ROM（PROM），其中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以擦除重寫(xiě)，因而在LVDT位移測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中它便成為一種比較理想的器件。24C02是一個(gè)2K串行CMOSE2PROM，內(nèi)部含有256個(gè)8位字節(jié)，該器件通過(guò)I2C總線接功能列表。I2C總線是兩線式串行總線，是提供集成電路之間同步通信的一種特殊形式，通過(guò)串行數(shù)據(jù)（SDA）線和串行時(shí)鐘（SCL）線在連接到總線的器件間傳遞信息，是一個(gè)雙向的兩線連續(xù)總線，暨I2C總線，I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在單片機(jī)與被控IC之間，最高傳送速率100kbps。對(duì)于I2C總線的描述見(jiàn)附錄2。 管腳名稱功能A0﹑A1﹑A2這三個(gè)引腳用于多個(gè)器件同時(shí)使用時(shí)設(shè)置區(qū)分器件地址，當(dāng)這些引腳懸空時(shí)默認(rèn)0。在同一總線中最多可同時(shí)使用8個(gè)24C02器件。如果總線只有一個(gè)24C02器件被尋址，這三個(gè)地址可懸或接地。SDA雙向串行數(shù)據(jù)/地址管腳，用于器件所有數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收，SDA是一個(gè)開(kāi)漏輸出管腳。SCL串行時(shí)鐘。串行時(shí)鐘輸入管腳用于產(chǎn)生器件所有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時(shí)鐘，這是一個(gè)輸入管腳。WP寫(xiě)保護(hù)引腳。當(dāng)WP引腳連接到VCC時(shí)芯片里面的內(nèi)容為只讀內(nèi)容而不能進(jìn)行寫(xiě)操作。而當(dāng)WP引腳連接到VSS時(shí)芯片里面的內(nèi)容可進(jìn)行正常的讀/寫(xiě)操作。VCC+1.8V~6.0V工作電壓VSS接地表格SEQ表格\*ARABIC1電路連接圖如圖所示：圖SEQ圖\*ARABIC13總結(jié)與體會(huì)在這次課程設(shè)計(jì)中，我們小組合作，完成了關(guān)于數(shù)字式流量測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中我負(fù)責(zé)的是串口設(shè)計(jì)。這也是比較簡(jiǎn)單的一部分。由于系統(tǒng)要求，我通過(guò)查閱資料以及參考以前學(xué)過(guò)的課程內(nèi)容發(fā)現(xiàn)了RS232并不能直接連接上位機(jī)，需要一個(gè)中間接口來(lái)完成工作，就是MAX232并在同學(xué)和老師的幫助下采用專門的軟件進(jìn)行了電路連接圖的繪制工作，并將基本原理分析與匯總，達(dá)到了課程設(shè)計(jì)要求，并最終與大家合作完成了本次課程設(shè)計(jì)。這次課程設(shè)計(jì)中，一開(kāi)始我對(duì)于ad軟件的使用不是很熟練，后來(lái)通過(guò)同學(xué)的指點(diǎn)和網(wǎng)上查閱資料才基本掌握了操作，即便如此我畫(huà)的電路圖也經(jīng)過(guò)了很多次修改才最終完成。我還在網(wǎng)絡(luò)上尋找了RS232與MAX232的連接線路圖，通過(guò)學(xué)習(xí)對(duì)此有了初步的了解。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我深刻的體會(huì)到了“紙上得來(lái)終覺(jué)淺”的道理，書(shū)本上教給我們的知識(shí)和實(shí)際運(yùn)用的知識(shí)是存在很大差距的，我們要將壓力轉(zhuǎn)換為動(dòng)力，努力踐行實(shí)踐精神，將學(xué)習(xí)和實(shí)踐真正的結(jié)合在一起。

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,2008,(10)

附錄1MAX7219內(nèi)部寄存器說(shuō)明A、譯碼方式選擇寄存器地址：09H賦值：FFH表示使用MAX7219內(nèi)部的BCD譯碼器00H表示不使用MAX7219內(nèi)部的BCD譯碼器B、亮度調(diào)節(jié)寄存器地址：0AH賦值：00H~0FH可改變MAX7219所驅(qū)動(dòng)的LED的亮度，其變化范圍在1/32~31/32之間C、掃描位數(shù)設(shè)定寄存器地址：0BH賦值：00H所有位不顯示01H~07H依次對(duì)應(yīng)于1~8位及前面位全部顯示（即需顯示的位應(yīng)為“1”）D、待機(jī)模式開(kāi)關(guān)寄存器地址：0CH賦值：00HLED全滅01HLED正常顯示E、顯示器測(cè)試寄存器地址：0FH賦值：00HLED為正常顯示狀態(tài)01HLED測(cè)試狀態(tài)，即LED全亮F、8位LED顯示數(shù)據(jù)寄存器地址：01H~08H對(duì)這些寄存器賦值（即需顯示的內(nèi)容），就會(huì)在對(duì)應(yīng)的1~8位LED數(shù)碼管上顯示出來(lái)MAX7219的外部引腳分配管腳描述管腳名稱功能1DIN串行數(shù)據(jù)輸入端口。在時(shí)鐘上升沿時(shí)數(shù)據(jù)被載入內(nèi)部的16位寄存器。2,3,5-8,10,11DIG0~DIG7八個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)線路置顯示器共陰極為低電平。關(guān)閉時(shí)7219此管腳輸出高電平。4,9GND地線

（4腳和9腳必須同時(shí)接地）12LOAD載入數(shù)據(jù)。連續(xù)數(shù)據(jù)的后16位在LOAD端的上升沿時(shí)被鎖定。13CLK時(shí)鐘序列輸入端。最大速率為10MHz.在時(shí)鐘的上升沿，數(shù)據(jù)移入內(nèi)部移位寄存器。

下降沿時(shí)，數(shù)據(jù)從DOUT端輸出。14-17,20-23SEGA~SEGG,DP7段和小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)，為顯示器提供電流。當(dāng)一個(gè)段驅(qū)動(dòng)關(guān)閉時(shí)，7219的此端呈低電平。18SET通過(guò)一個(gè)電阻連接到VDD來(lái)提高段電流。19

V+正極電壓輸入，+5V24DOUT

串行數(shù)據(jù)輸出端口，從DIN輸入的數(shù)據(jù)在16.5個(gè)時(shí)鐘周期后在此端有效。

附錄2I2C總線一﹑I2C總線數(shù)據(jù)的傳送規(guī)則 1.開(kāi)始信號(hào)：在I2C總線工作過(guò)程中，當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，定義為起始信號(hào)，起始信號(hào)由主控機(jī)產(chǎn)生。如圖所示（開(kāi)始信號(hào)） 2.停止信號(hào)：當(dāng)SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，定義為停止信號(hào)，此信號(hào)也只能由主控機(jī)產(chǎn)生。如圖5-22所示。

（停止信號(hào)）3.應(yīng)答信號(hào)與非應(yīng)答信號(hào)：I2C總線傳送的每個(gè)字節(jié)為8位，受控的器件在接收到8位數(shù)據(jù)后，在第9個(gè)脈沖必須輸出低電平作為應(yīng)答信號(hào)，同時(shí)，要求主控器在第9個(gè)時(shí)鐘脈沖位上釋放SDA線，以便受控器發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，將SDA拉低，表示接收數(shù)據(jù)的應(yīng)答（如圖所示）。若果在第9個(gè)脈沖收到受控器的非應(yīng)答信號(hào)（如圖5-24所示），則表示停止數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收。（應(yīng)答信號(hào)）（非應(yīng)答信號(hào)）其次，每啟動(dòng)一次總線，傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)沒(méi)有限制。主控件和受控器件都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)?？偩€必須由主器件控制，也就是說(shuō)必須由主控器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)﹑起始信號(hào)﹑停止信號(hào)。在時(shí)鐘信號(hào)為高電平期間，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)必須保特穩(wěn)定，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)狀態(tài)僅在時(shí)鐘為低電平的期間才能改變，而當(dāng)時(shí)鐘線為高電平的期間，數(shù)據(jù)線狀態(tài)的改變被用來(lái)表示起始和停止條件。（數(shù)據(jù)的有效性）圖為總線的完整時(shí)序[7]，在這里有一點(diǎn)要加以說(shuō)明的，當(dāng)主控器接收數(shù)據(jù)時(shí)，在最后一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，必須發(fā)送一個(gè)非應(yīng)答信號(hào)，使受控器釋放數(shù)據(jù)線，以便主控器產(chǎn)生一個(gè)停止信號(hào)來(lái)終止總線的數(shù)據(jù)傳送。（總線的完整時(shí)序）下面我們來(lái)看一下關(guān)于I2C總線的讀操作與寫(xiě)操作：\l"blogid=62efabea0100r4qq&