【基于電渦流傳感器的厚度測(cè)量9000字（論文）】

第三章硬件設(shè)計(jì)PAGEIII基于電渦流傳感器的厚度測(cè)量6362第一章緒論 1324671.1課題研究背景 159141.2課題研究現(xiàn)狀 1223001.3課題研究主要內(nèi)容 21603第二章總體方案設(shè)計(jì) 4200252.1總體方案設(shè)計(jì) 4197802.2厚度測(cè)量系統(tǒng)工作原理 514882.2.1電渦流效應(yīng) 5194142.2.2電渦流傳感器的工作原理 514515第三章硬件設(shè)計(jì) 7193263.1渦流傳感器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 711293.2渦流傳感器電路設(shè)計(jì) 7198223.2.1系統(tǒng)外部供電電路的設(shè)計(jì) 8327673.2.2渦流傳感器拾取電路的設(shè)計(jì) 9175663.2.3厚度測(cè)量電路的設(shè)計(jì) 1046693.3數(shù)據(jù)處理和顯示模塊的電路設(shè)計(jì) 1114363.3.1單片機(jī)最小系統(tǒng) 11191303.3.2顯示電路 12168623.3.3存儲(chǔ)電路 12236553.3.4時(shí)鐘電路 1221148第四章軟件設(shè)計(jì) 1434574.1測(cè)厚程序總流程 14305844.2各模塊初始化子程序 14204954.3AT24C04的讀寫程序 163975第五章系統(tǒng)調(diào)試 1739275.1硬件調(diào)試 17182915.2軟件調(diào)試 17250685.3綜合調(diào)試 1719913第六章總結(jié)與展望 1933986.1總結(jié) 19263006.2展望 1917110參考文獻(xiàn) 21第一章緒論1.1課題研究背景在我們的日常生活中常見(jiàn)的厚度測(cè)量工具有直尺、卷尺和三角尺等，這些測(cè)量工具的測(cè)量精度都是厘米級(jí)別的，在一些高精度制造領(lǐng)域，測(cè)量精度需要毫米級(jí)的，在生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)，需要測(cè)量產(chǎn)品的精度來(lái)保證產(chǎn)品的質(zhì)量。例如：在五金行業(yè)里，生產(chǎn)工件需要保證所生產(chǎn)的工件達(dá)到預(yù)期的精度，如果所生產(chǎn)的工件不能達(dá)到預(yù)期的精度要求，那么這件產(chǎn)品相當(dāng)于一件廢品，為了測(cè)量出產(chǎn)品的尺寸來(lái)判斷工件是否符合要求，這時(shí)候就需要用到精確測(cè)量工具，而傳統(tǒng)的卡尺有讀數(shù)麻煩、讀數(shù)容易出錯(cuò)和工作效率低等缺點(diǎn)。因此高精度測(cè)量裝置是工業(yè)生產(chǎn)中使用最頻繁和最重要的測(cè)量工具之一，現(xiàn)在的測(cè)量裝置的發(fā)展已經(jīng)趨向于數(shù)字顯示和電子化，在市面上已經(jīng)出現(xiàn)了很多這系列的產(chǎn)品，其中最常見(jiàn)的測(cè)量裝置是利用電渦流式傳感器和容柵傳感器制作，優(yōu)點(diǎn)是：測(cè)量范圍大、精度和靈敏度高等。雖然市面上有很多不同種類的厚度測(cè)量裝置，但它們的控制器主要是利用51或52單片機(jī)作為控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。所以為了方便讀數(shù)記錄數(shù)據(jù)、減少讀數(shù)失誤、提高工作效率，同時(shí)提高對(duì)專業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，本文研究設(shè)計(jì)了一款基于電渦流傳感器的厚度測(cè)量裝置，該裝置測(cè)量數(shù)據(jù)是直接通過(guò)顯示模塊來(lái)顯示厚度測(cè)量所得的數(shù)據(jù)，不需人工計(jì)算數(shù)據(jù)，避免讀數(shù)出錯(cuò)，可以節(jié)省人力及大大提高工作效率。1.2課題研究現(xiàn)狀（1）國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀80年代我國(guó)開(kāi)始對(duì)電渦流技術(shù)進(jìn)行研究，并將渦流傳感器和渦流無(wú)損檢測(cè)的具體應(yīng)用作為研究重點(diǎn)。2015年，浙江大學(xué)呂云騰等人研究了環(huán)境溫度對(duì)渦流傳感器檢測(cè)線圈阻抗的影響，并設(shè)計(jì)出能夠在500℃的工作環(huán)境下工作的渦流傳感器。電子科技大學(xué)的陳超就測(cè)量材料的適用性進(jìn)行分析，研制出一種適用于任何金屬材料的電渦流傳感器。2017年，東南大學(xué)的秦慶研究了雙線圈傳感器，創(chuàng)建了Loops模型。并運(yùn)用MATLAB仿真，改進(jìn)了線圈結(jié)構(gòu)，得到了探頭直徑為25mm的傳感器，其線性測(cè)量范圍為18mm，比市場(chǎng)上的產(chǎn)品提高了5.5mm。2019年，中國(guó)科技大學(xué)的Zhao等人專注于提高渦流傳感器的測(cè)量精度，并取得了非常大的突破，他們?cè)O(shè)計(jì)出一種能夠抑制勵(lì)磁電壓噪聲的高Q無(wú)源LC帶通濾波器，擁有超高分辨率，該傳感器的測(cè)量范圍為20μm，分辨率由0.35提高到0.05。目前，國(guó)產(chǎn)渦流傳感器還存在著量程小、非線性誤差大、穩(wěn)定性差、產(chǎn)品智能化程度低等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)高校對(duì)渦流傳感器的研究也大多處于理論或?qū)嶒?yàn)階段，尚未應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。因此，我國(guó)的渦流傳感器產(chǎn)品低端產(chǎn)品居多，還處在依托進(jìn)口來(lái)滿足高性能領(lǐng)域要求的階段。（2）國(guó)外研究現(xiàn)狀21世紀(jì)初期，美國(guó)、日本、東歐以及亞太地區(qū)等地區(qū)就已經(jīng)擁有了先進(jìn)的傳感器技術(shù)，這些地區(qū)不僅發(fā)展迅猛，應(yīng)用范圍還廣，尤其是美國(guó)，傳感器技術(shù)遙遙領(lǐng)先于世界。在1992年，ADI公司將MEMS傳感器技術(shù)與機(jī)械傳感器測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了ADSL001工業(yè)振動(dòng)和沖擊式轉(zhuǎn)速傳感器。其最大的亮點(diǎn)就是加入新技術(shù)產(chǎn)生新應(yīng)用。2003年，日本發(fā)明了一種光電標(biāo)簽測(cè)速的方法，這個(gè)方法雖然操作難度較大，但其具有測(cè)量精度高并且應(yīng)用空間廣泛的優(yōu)勢(shì)。光電標(biāo)簽測(cè)速法根據(jù)紅外線收發(fā)時(shí)差的原理，安裝在HR-5500手握式轉(zhuǎn)速表上，其測(cè)量量程可達(dá)150000轉(zhuǎn)，非接觸測(cè)測(cè)量范圍為55mm-1000mm。在2010年，MAGIC公司開(kāi)發(fā)出一種能夠測(cè)量齒輪轉(zhuǎn)速的新型傳感器，這種新型傳感器占據(jù)很大部分的市場(chǎng)份額，但其應(yīng)用市場(chǎng)相對(duì)分散并且不平衡。國(guó)產(chǎn)傳感器遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界領(lǐng)先水平，僅有一些軍工用品的相關(guān)零件和低端產(chǎn)品采用國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，國(guó)外傳感器在應(yīng)用市場(chǎng)上還是占據(jù)主導(dǎo)和壟斷地位的。國(guó)外對(duì)渦流傳感器的研究較早，許多知名企業(yè)擁有相關(guān)的核心技術(shù)和成熟流程，其產(chǎn)品也具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。例如，本特利公司的3300和3300xl系列渦流傳感器采用了最新的工藝技術(shù)和元器件，靈敏度高，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，可在350℃以上的高溫下工作；德州儀器公司的ldc1000是世界上第一款感應(yīng)式數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。目前同類產(chǎn)品中，ldc1614的效率最高。在解決功耗低、封裝小等問(wèn)題上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它只需要外部感應(yīng)的諧振電容來(lái)測(cè)量LC網(wǎng)絡(luò)的感應(yīng)和電阻。廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、汽車、計(jì)算機(jī)等行業(yè)。除企業(yè)外，國(guó)外高校和機(jī)構(gòu)也對(duì)渦流傳感器進(jìn)行了研究，并在建模、分析和仿真方面取得了很大進(jìn)展，為渦流測(cè)試技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步做出了許多貢獻(xiàn)。釜山大學(xué)的LeeHyoRyeol教授開(kāi)發(fā)出了外徑為10mm，線性度和靈敏度都很好的渦流傳感器。亮點(diǎn)在于兩個(gè)重要部件的設(shè)計(jì)：薄膜和線圈。實(shí)驗(yàn)表明，膜厚0.2mm、膜寬1.05mm的渦流傳感器可以測(cè)量10MPa的壓力，測(cè)量誤差小于0.16%。君士坦丁大學(xué)的Abderraoufbouloudenine設(shè)計(jì)了一種圓形陣列渦流傳感器，將旋轉(zhuǎn)矩形傳感器的原理應(yīng)用到一對(duì)線圈上，用工作臺(tái)模擬了一種可用于光纖缺陷檢測(cè)的圓形陣列傳感器。隨著全球傳感器市場(chǎng)的拓展和創(chuàng)新，傳感器技術(shù)也在不斷的拓展和完善，只有不斷提高傳感器的生產(chǎn)水平，降低生產(chǎn)成本，才能使測(cè)速信息更快、更準(zhǔn)確、更穩(wěn)定。1.3課題研究主要內(nèi)容傳統(tǒng)的厚度測(cè)量裝置主要依靠直尺、卷尺和三角尺，稍微先進(jìn)一點(diǎn)的有游標(biāo)卡尺等，但是這些測(cè)量裝置都不夠智能化，同時(shí)讀數(shù)需要人工進(jìn)行，也增加了讀數(shù)誤差環(huán)節(jié)，這明顯與現(xiàn)代生產(chǎn)理念相悖，因此需要設(shè)計(jì)一款智能化的厚度測(cè)量裝置，本設(shè)計(jì)基于電渦流傳感器原理，能準(zhǔn)確的測(cè)量物體厚度，并且通過(guò)單片機(jī)控制模塊以及液晶顯示屏，準(zhǔn)確的顯示物體厚度測(cè)量數(shù)值，給現(xiàn)代加工生產(chǎn)提供便利。據(jù)此，本文一共分為六個(gè)章節(jié)，具體結(jié)構(gòu)安排如下：第1章緒論，主要對(duì)課題研究的背景及意義、傳感器測(cè)量裝置在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和課題研究的主要內(nèi)容進(jìn)行闡述，并對(duì)論文的結(jié)構(gòu)安排做簡(jiǎn)要說(shuō)明。第2章總體方案設(shè)計(jì)，主要提出設(shè)計(jì)目標(biāo)，并進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)。第3章為硬件設(shè)計(jì)，主要介紹電渦流傳感器、單片機(jī)、液晶顯示屏等硬件模塊，并對(duì)硬件模塊進(jìn)行選型分析，同時(shí)對(duì)用到的功能引腳作簡(jiǎn)要說(shuō)明。第4章軟件設(shè)計(jì)，這章主要說(shuō)明軟件設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思想，并畫出程序流程圖。第5章調(diào)試，主要闡述軟硬件和系統(tǒng)的綜合調(diào)試，以及測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)誤差進(jìn)行分析。第6章總結(jié)，最后一章介紹該測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)了哪些功能和所能達(dá)到的效果，指出該設(shè)計(jì)的不足并提出解決的方案，最后是課題的展望。第二章總體方案設(shè)計(jì)2.1總體方案設(shè)計(jì)如圖2.1所示，厚度測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)應(yīng)包括信號(hào)模塊、厚度模塊、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊和報(bào)警電路。首先通過(guò)厚度測(cè)量模塊通過(guò)線圈將轉(zhuǎn)動(dòng)量等效轉(zhuǎn)換為電流量，再通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊將電流信號(hào)等效轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并將其濾波、放大發(fā)送給C8051F120進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后將厚度等數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上或發(fā)送到上位機(jī)中。圖2-1厚度測(cè)量系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)圖厚度測(cè)量模塊由探頭、延伸電纜和被測(cè)體構(gòu)成。探頭和后續(xù)的信號(hào)變換器通過(guò)延長(zhǎng)電纜連接和延長(zhǎng)，探頭主要由線圈和不銹鋼外殼組成，是渦流傳感器的傳感單元。當(dāng)高頻電流引入線圈時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，此時(shí)，被測(cè)導(dǎo)體靠近該磁場(chǎng)，導(dǎo)體內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生渦流。渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，所以會(huì)削弱線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度，而降低線圈的電感量。當(dāng)被測(cè)物體的厚度發(fā)生變化時(shí)，此時(shí)傳感器探頭與線圈的距離發(fā)生變化，相應(yīng)的，線圈電感量也隨之發(fā)生變化，因此線圈的電感量變化可以等效為被測(cè)物體的厚度變化。信號(hào)調(diào)理與傳輸模塊包括信號(hào)提取、信號(hào)分離和信號(hào)變換電路三部分。當(dāng)被測(cè)體的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微弱的電流信號(hào)，然而由于采集來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度太弱，不能直接輸出到單片機(jī)中，還需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，信號(hào)調(diào)理主要包括采集、放大和濾波這三個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)三運(yùn)放的儀表放大器進(jìn)行初級(jí)放大，再通過(guò)低通濾波器進(jìn)行次級(jí)放大。數(shù)據(jù)處理和顯示模塊包括C8051F120單片機(jī)主控芯片和LDC1602液晶顯示。處理過(guò)的電壓信號(hào)將輸入到C8051F120中進(jìn)行融合處理，存儲(chǔ)到AT24C04中，最后將測(cè)得的厚度顯示在LCD模塊上。簡(jiǎn)單講，本系統(tǒng)的工作過(guò)程可以概括為：被測(cè)體厚度反生變化時(shí)，探頭和被測(cè)體之間的距離發(fā)生規(guī)律性的變化，進(jìn)而使線圈阻抗也隨之周期性變化，在經(jīng)過(guò)放大電路、濾波電路、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路處理后，最終形成周期信號(hào)輸入到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。2.2厚度測(cè)量系統(tǒng)工作原理2.2.1電渦流效應(yīng)所謂電渦流，就是由磁場(chǎng)變化引起的感應(yīng)“環(huán)形電流”在被測(cè)體內(nèi)部形成閉合回路，其所在平面與磁場(chǎng)方向垂直。圖2-2為電渦流效應(yīng)示意圖。圖2-2電渦流效應(yīng)向線圈中通入交流電時(shí)，線圈內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)弱隨電流大小成線性變化。當(dāng)導(dǎo)體靠近線圈時(shí)，其表面就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流，因?yàn)樵撾娏飨皲鰷u一樣是旋轉(zhuǎn)的、封閉的，人們形象地稱之為電渦流。電渦流會(huì)使線圈內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)相反方向的交變磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)在一定程度上也就阻抗了外部磁場(chǎng)的變化，我們稱這一現(xiàn)象為電渦流效應(yīng)。因此，我們只要測(cè)量線圈電阻抗的變化值，就可以得到如位移、速度、厚度等其他的物理量，渦流傳感器就是跟據(jù)這一原理而制成的。2.2.2電渦流傳感器的工作原理電渦流傳感器主要由探頭線圈，被測(cè)導(dǎo)體和信號(hào)處理電路組成。將金屬導(dǎo)體放入變化的磁場(chǎng)中，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電渦流，電渦流激發(fā)出另一個(gè)反向磁場(chǎng)，來(lái)改變探頭線圈的電阻，電感和品質(zhì)因數(shù)，將這些變量處理后即便可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量。如圖2-3所示，當(dāng)線圈內(nèi)存在交流電流I1或交流電壓U1時(shí)，線圈周圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場(chǎng)B1，在被測(cè)物體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流I2，即渦流。根據(jù)楞次定律，B2與B1相反，導(dǎo)致線圈阻抗的相互作用和變化。圖2-3電渦流傳感器工作原理圖改變線圈與被測(cè)物體之間的距離，線圈阻抗隨之改變，進(jìn)而可以測(cè)量厚度。令被測(cè)體與線圈之間的距離為x，磁導(dǎo)率為μ，線圈的內(nèi)半徑R1，厚度h，外半徑R2，被測(cè)目標(biāo)的電導(dǎo)率為σ，線圈激勵(lì)頻率為f，則線圈的阻抗為其中某個(gè)單獨(dú)的量發(fā)生變化，即可通過(guò)阻抗得到。因此，電渦流傳感器就能夠測(cè)量被測(cè)體厚度、速度、電阻率和電導(dǎo)率等。第三章硬件設(shè)計(jì)3.1渦流傳感器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3-1，渦流傳感器由延伸電纜、敏感探頭以及變換器組合而成，采用分體式結(jié)構(gòu)。探頭由探頭罩、敏感線圈、磁芯和探頭座組成（圖3-1中1～4），是傳感器的傳感單元。同軸電纜用來(lái)連接探頭和信號(hào)變換器并延長(zhǎng)它們之間的距離，通常使用耐高溫射頻電纜。前置器是一個(gè)集成電路系統(tǒng)（圖3-1中7～10），用來(lái)處理傳感器信號(hào)，一般安裝在封閉式金屬殼體中，并用環(huán)氧樹脂灌封，這樣不僅可以保護(hù)傳感器的電路系統(tǒng)，還可以屏蔽電磁干擾。探頭線圈將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再通過(guò)電路組件將該信號(hào)放大、濾波、整形，最后通過(guò)電連接器輸出脈沖信號(hào)。1-探頭罩2-線圈3-磁芯4-探頭座5-同軸電纜6-連接器組件7-殼體8-上蓋9-電路組件10-連線11-電連接器圖3-1傳感器整體結(jié)構(gòu)圖3.2渦流傳感器電路設(shè)計(jì)傳感器內(nèi)部測(cè)量電路由穩(wěn)頻穩(wěn)幅振蕩器、濾波器、脈沖轉(zhuǎn)換三部分構(gòu)成，如圖3-2所示?？拷袷幤鹘蛔兇艌?chǎng)附近被測(cè)物體表面會(huì)形成渦流場(chǎng)，振蕩器的振幅與被測(cè)體距離成反比。經(jīng)過(guò)檢測(cè)、濾波、脈沖轉(zhuǎn)換等電路，電流信號(hào)產(chǎn)生與厚度成正比的頻率信號(hào)。圖3-2傳感器功能框圖當(dāng)測(cè)量物體厚度時(shí)，線圈將探頭與被測(cè)體之間的距離變化等效為阻抗變化，線圈電感L和電容C并聯(lián)，構(gòu)成諧振電路。被測(cè)體在遠(yuǎn)離線圈的過(guò)程中，諧振電路會(huì)出現(xiàn)最大阻抗，此時(shí)的輸出電壓達(dá)到最大值。被測(cè)體靠近線圈的過(guò)程，會(huì)影響線圈的電感L，形成回路不平衡，電壓下降。由此可見(jiàn)，L的大小與被測(cè)體和線圈的距離x有關(guān)，從而得出輸出電壓也與距離有關(guān)。最后，對(duì)輸出電壓進(jìn)行放大和濾波，調(diào)整到下一個(gè)電路可以接受的電平，圖3-3為調(diào)幅式電路原理圖。圖3-3調(diào)幅式電路原理圖3.2.1系統(tǒng)外部供電電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用直流電壓進(jìn)行外部供電，由于系統(tǒng)體積小、功耗低，所以本文選用LM117作為供電電路的電源。LM117是一個(gè)可調(diào)正輸出穩(wěn)壓器，可在一定范圍內(nèi)線性調(diào)節(jié)輸出電壓。本系統(tǒng)使用兩個(gè)LM117進(jìn)行兩次電壓轉(zhuǎn)換。電壓從24伏降至17伏，然后降至5伏。這樣即使外部電源電壓變化再大，仍能為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓。如圖3-4所示，LM117的輸出端VOUT接一個(gè)1μF的鉭電容，能改善負(fù)載的高頻響應(yīng)；在輸入端VIN接一個(gè)0.1μF的鉭電容，可以改善紋波電壓，抑制輸入瞬態(tài)過(guò)載電流。圖3-4LM117管腳功能與典型電路渦流電流傳感器的供電電路如圖3-5所示。圖中添加鉭電容E1、E2、E3和E4可以減少引入的低頻干擾。添加電容C1、C2、C3、C4、C11、C12、C13和C14可以補(bǔ)償頻率、抑制電路中的高頻干擾，防止控制器產(chǎn)生高頻自激振蕩。如果在輸入或輸出有短路，D1和D4二極管提供一個(gè)放電路徑到電容，這可以防止穩(wěn)壓器損壞。圖3-5傳感器供電電路3.2.2渦流傳感器拾取電路的設(shè)計(jì)信號(hào)拾取電路原理如圖3-6所示，主要包括拾取、放大和濾波這三個(gè)環(huán)節(jié)?？紤]到通過(guò)渦流傳感器線圈采集到的信號(hào)較微弱且易受外界干擾，因此要對(duì)微弱的信號(hào)進(jìn)行一系列的處理，從而輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)。圖3-6信號(hào)拾取電路原理框圖對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)要注意：1）在采集過(guò)程中，盡量保持信號(hào)的穩(wěn)定性，減少其他的干擾；2）放大時(shí)應(yīng)抑制共模信號(hào)，放大差模信號(hào)；3）在濾波過(guò)程中，用低頻濾波電路消除高頻干擾。（1）初級(jí)放大電路.本文采用三運(yùn)放的儀表放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行初級(jí)放大，通過(guò)疊加放大微弱信號(hào)來(lái)降低噪聲，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)差模信號(hào)的放大和共模信號(hào)的抑制。本文選用1.2MHZ帶寬的LM124運(yùn)算放大器，因?yàn)樗哂辛己玫念l率響應(yīng)。如圖3-7所示，本文是由兩級(jí)運(yùn)算放大器放大：左側(cè)的U2B和U2C是第一階段對(duì)稱的差動(dòng)放大電路輸入阻抗高、漂移電壓和共模輸出電壓是相等的，而且u2a第二階段差動(dòng)放大電路。該電路具有差分模電壓增益高、共模抑制功率強(qiáng)、輸出漂移電壓低的優(yōu)點(diǎn)。圖3-7初級(jí)放大電路（2）信號(hào)的濾波整形干擾信號(hào)主要由無(wú)線電波、高頻器件、電源和電子元器件引起的干擾組成，如圖3-8所示，次級(jí)放大電路，即低通濾波電路，它不僅可以對(duì)不必要的高頻信號(hào)進(jìn)行濾波，也可以放大所需的信號(hào)。圖3-8次級(jí)濾波整形電路3.2.3厚度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)本文選用的LDC1000電感傳感芯片外接電感和諧振電容即可工作，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)LC網(wǎng)絡(luò)電感和阻抗的測(cè)量。其典型工作結(jié)構(gòu)圖如圖3-9所示：圖3-9LDC1000系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3-10所示，LDC1000具有可以連續(xù)輸出掃頻信號(hào)的內(nèi)部高頻振蕩器。當(dāng)外部LC網(wǎng)絡(luò)諧振時(shí)，LC諧振電路的阻抗達(dá)到峰值，輸出電壓也隨之達(dá)到峰值。因此，為了保持LC網(wǎng)絡(luò)的諧振，可以將輸出引腳處的電壓保持在一定的峰值。圖中右下角是外部電感和諧振電容的等效電路，L201表示電感的電感值，C201是外接的諧振電容。圖3-10測(cè)厚原理圖3.3數(shù)據(jù)處理和顯示模塊的電路設(shè)計(jì)3.3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3-11所示，包括調(diào)試口、濾波電路、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。左側(cè)P101是一個(gè)程序下載接口，分別連接在單片機(jī)的1~5端口；下面是一個(gè)濾波電路，共12個(gè)電容，一個(gè)高電容和一個(gè)低電容為一組可以濾除電源的雜波；U102是11.0592M的有源晶振，為外設(shè)的時(shí)鐘源，接在26和28端口；U103為復(fù)位電路，外接在RST，為低電平且給處理器的信號(hào)時(shí)間需大于兩個(gè)機(jī)器周期，復(fù)位過(guò)程37、38引腳接后備電源，確保RAM的存儲(chǔ)信息不會(huì)丟失。圖3-11單片機(jī)最小系統(tǒng)圖3.3.2顯示電路本文顯示模塊選取液晶LCD1602顯示模塊，可以達(dá)到系統(tǒng)要求顯示的內(nèi)容，顯示的內(nèi)容非常的直觀，電路里的電阻可以調(diào)節(jié)液晶的背光程度作為，操作方式分為串行或者并行，可以有效的利用單片機(jī)的IO口，硬件設(shè)計(jì)如圖3-12所示。圖3-12顯示電路圖3.3.3存儲(chǔ)電路存儲(chǔ)電路選用4KB可擦除內(nèi)存芯片at24c04。它使用二線串行總線與單片機(jī)通信的標(biāo)稱電流是1mA，最低電壓為2.5V，靜態(tài)電流10uA(5.5V)，芯片中的數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在很長(zhǎng)一段時(shí)間甚至在停電的情況下，采用8腳的DIP封裝，使用起來(lái)非常方便。圖3-13存儲(chǔ)電路3.3.4時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路選擇渦流充電時(shí)鐘芯片DS1302，其設(shè)計(jì)電路比較簡(jiǎn)單。根據(jù)通信協(xié)議，我們可以通過(guò)三個(gè)引腳獲得芯片內(nèi)部寄存器的值，從而獲得分秒數(shù)據(jù)信息，顯示在液晶上。圖3-14時(shí)鐘電路第四章軟件設(shè)計(jì)第四章軟件設(shè)計(jì)4.1測(cè)厚程序總流程因?yàn)楸粶y(cè)信號(hào)頻率較低，本文選用晶振為11.0592MHZ的單片機(jī)，能準(zhǔn)確地檢測(cè)出低頻信號(hào)。同時(shí)，為了保證測(cè)量精度采用了測(cè)周法。圖4-1為測(cè)厚系統(tǒng)主要流程圖。圖4-1測(cè)厚系統(tǒng)主程序流程圖先初始化單片機(jī)的中斷和顯示并對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)時(shí)，本文采用跳沿觸發(fā)式計(jì)數(shù)器T0，第一個(gè)脈沖到達(dá)，計(jì)數(shù)器T0開(kāi)始計(jì)數(shù)，定時(shí)器T1開(kāi)始計(jì)時(shí)。為了提高測(cè)量精度，在信號(hào)板上放置了四塊小磁鐵，被測(cè)體每旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)將產(chǎn)生四個(gè)脈沖。當(dāng)T0口計(jì)滿四個(gè)脈沖時(shí)就會(huì)發(fā)生中斷，大約每50毫秒發(fā)生一次中斷，從而計(jì)算出厚度并發(fā)送至顯示程序。厚度數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)，數(shù)據(jù)也會(huì)完整的保存在AT24C04中。4.2各模塊初始化子程序在程序開(kāi)始之前，需要給寄存器分配初始化值以保證程序的正常運(yùn)行，考慮到初始化過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)意外中斷的情況，因此會(huì)在初始化后打開(kāi)總中斷。各模塊初始化程序框架如下圖4-2所示：圖4-2系統(tǒng)各部分初始化流程圖在程序開(kāi)始時(shí)，定時(shí)器和終端寄存器初始化方式如下：（1）對(duì)TMOD賦值0X01，來(lái)確定定時(shí)器0的工作方式為1（2）計(jì)算初值，并將初值寫入THO=(65536-45872)/256，TL0=（62236-45872）/256（3）選擇中斷形式，將給ET0設(shè)定為1，開(kāi)啟定時(shí)中斷（4）使TR0置位為1，啟動(dòng)定時(shí)器0開(kāi)始定時(shí)表4-1寄存器TMOD工作方式M1M0工作方式00方式0為13位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器01方式1，為16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器10方式2，8位初值自動(dòng)重裝的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器11方式3，僅適用于T0，分為兩個(gè)8位計(jì)數(shù)器I2C可以同步傳輸數(shù)據(jù)，其總線接口由SCL和SDA構(gòu)成，在傳輸信息時(shí)要注意，當(dāng)SCL=0時(shí)，SDA信號(hào)可以改變，當(dāng)SCL=1時(shí)，SDA數(shù)據(jù)不能改變。單片機(jī)主芯片與串行口通信時(shí)，需要初始化單邊機(jī)與串行口相關(guān)的一些主寄存器，包括傳輸比特率T1和控制寄存器SCON的中斷設(shè)置。具體操作如下：1）設(shè)置一個(gè)TMOD寄存器；2）計(jì)算出TH1和TL1的數(shù)值，并放入定時(shí)器3）打開(kāi)定時(shí)器，并對(duì)TR1賦值4）設(shè)置SCON寄存器中的SM0和SM15）在中斷程序開(kāi)始前，編輯相的關(guān)寄存器4.3AT24C04的讀寫程序AT24C04選擇字節(jié)寫入方式的讀寫操作時(shí)序，主MCU在一個(gè)數(shù)據(jù)幀中只能訪問(wèn)一個(gè)E2PROM單元。MCU發(fā)送一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)和一個(gè)單字節(jié)命令字，然后發(fā)送字節(jié)存儲(chǔ)單元的子地址，在接收到E2PROM信息后，創(chuàng)建一個(gè)停止條件，最后一個(gè)1位的停止信號(hào)作為截止點(diǎn)。AT24C04數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖4-3所示。圖4-3AT24C04數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖指定地址單元，并讀該地址的內(nèi)容，單片機(jī)啟動(dòng)后發(fā)出寫操作控制字，該控制字中包含片選地址，等待單片機(jī)確認(rèn)后發(fā)出小于2KB字節(jié)的指定單元地址，AT24C04接收后發(fā)出控制字，若AT24C04確認(rèn)，發(fā)送的地址信息的數(shù)據(jù)內(nèi)容將和SCL顯示在串行數(shù)據(jù)SDA中。第五章系統(tǒng)調(diào)試第五章系統(tǒng)調(diào)試5.1硬件調(diào)試為了驗(yàn)證渦流傳感器可以采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，需要將它連接在PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的測(cè)試。將傳感器的端口接到單片機(jī)開(kāi)發(fā)板上，用串口調(diào)試助手觀察采集到的位移數(shù)據(jù)，傳感器在串口調(diào)試助手的數(shù)據(jù)顯示如圖5-1所示：圖5-1傳感器在串口調(diào)試助手上的調(diào)試圖調(diào)好波特率和其他參數(shù)后，剛開(kāi)始打開(kāi)串口調(diào)試助手時(shí)，數(shù)據(jù)顯示為零，當(dāng)滑動(dòng)傳感器后，數(shù)據(jù)發(fā)生變化，而且變化的數(shù)據(jù)和滑動(dòng)的距離長(zhǎng)度一樣，說(shuō)明傳感器何以準(zhǔn)確采集到位移數(shù)據(jù)并能發(fā)送給PC端。5.2軟件調(diào)試本設(shè)計(jì)程序調(diào)試的編譯軟件采用KeiluVision5,編程語(yǔ)言采用C語(yǔ)言。通過(guò)編譯軟件先將各個(gè)模塊的程序進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試好之后將每個(gè)模塊的程序合并起來(lái)。雖然每個(gè)模塊的程序在合并之前編譯都沒(méi)有出錯(cuò)，但是合并之后難免會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，比如：主程序沒(méi)有調(diào)用顯示程序的函數(shù)；在修改程序的時(shí)候，容易忘記在程序的后面加分號(hào)等。最后根據(jù)設(shè)計(jì)好的程序流程圖，對(duì)程序進(jìn)行編寫，當(dāng)編譯出錯(cuò)時(shí)，查找出錯(cuò)誤的地方進(jìn)行修改，直到程序可以正常使運(yùn)行。5.3綜合調(diào)試完成前面的調(diào)試后，將編輯好的程序轉(zhuǎn)換成hex文件的格式，用燒錄軟件把程序下載到單片機(jī)，然后對(duì)設(shè)計(jì)的軟硬件進(jìn)行綜合測(cè)試。剛開(kāi)始調(diào)試時(shí)，oled顯示屏并沒(méi)有顯示出數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)程序的初始化重新配置之后，可以顯示出數(shù)據(jù)，但所顯示的數(shù)據(jù)發(fā)生了錯(cuò)亂，后面再修改中斷程序和顯示程序，不斷對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試，才能完成數(shù)據(jù)的顯示。電渦流傳感器的厚度測(cè)量實(shí)物調(diào)試如圖5-2所示：圖5-2電渦流傳感器厚度測(cè)量實(shí)物調(diào)如圖所示，用充電寶提供5V電源，在oled顯示屏最上方用漢字顯示設(shè)計(jì)的名稱，中間的數(shù)據(jù)為被測(cè)物體的長(zhǎng)度，由數(shù)據(jù)知被測(cè)物體的厚度為14.26mm，最右下方顯示的英文字母mm為數(shù)據(jù)的單位毫米。第六章總結(jié)與展望第六章總結(jié)與展望6.1總結(jié)本設(shè)計(jì)基于電渦流傳感器的厚度測(cè)量是為了測(cè)量物體的厚度，并能快速讀取被測(cè)物體的厚度。這個(gè)設(shè)計(jì)主要包括了電渦流傳感器數(shù)據(jù)采集、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理和顯示屏數(shù)據(jù)顯示。通過(guò)電渦流傳感器厚度測(cè)量裝置的研究，查閱了很多與該課題有關(guān)的資料，學(xué)習(xí)如何使用