基于單片機(jī)的LVDT位移測量傳感器設(shè)計說明書

1、渤t工工咅:*金之江學(xué)院項(xiàng)目類型： 指導(dǎo)老師： 作 者: 班 級: 聯(lián)系電話： 電子信箱：基于單片機(jī)的LVDTm移測量傳感器設(shè)計說明書測試技術(shù)課程設(shè)計 朱根興 張建中機(jī)自401(2007-7-23)目錄第一章 總體方案設(shè)計設(shè)計目的總體方案設(shè)計第二章 硬件電路設(shè)計傳感器的選擇差動變壓器傳感器安裝放大電路的設(shè)計采集電路的設(shè)計輸入通道設(shè)計顯示電路的設(shè)計第三 章 軟件的設(shè)計10數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計10數(shù)據(jù)采集子程序的設(shè)計10 數(shù)據(jù)顯示子程序的設(shè)計11地址空間的分配的設(shè)計11第四章 設(shè)計總結(jié)參考文獻(xiàn)附總電路圖13附總程序1312隨著時代科技的迅猛發(fā)展，微電子學(xué)和計算機(jī)等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子 測

2、量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命性的影響。常規(guī)的測試儀器儀表和控制裝置被更先 進(jìn)的智能儀器所取代，使得傳統(tǒng)的電子測量儀器在遠(yuǎn)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(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) 用工程的自動化程度得以顯著提高。本文設(shè)計的電子秤以單片機(jī)為主要部件，用匯編語言進(jìn)行軟件設(shè)計，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(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)計設(shè)計目的差動

3、變壓器式(LVDT位移傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場和測試領(lǐng)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(jī)械位移量，還需設(shè)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(lǐng)域。按照使用的要求，系統(tǒng) 可實(shí)現(xiàn):有效量程10mm，精度；LED同時顯示1-4路測量值；零點(diǎn)值重置等功能。通過本次課程設(shè)計，達(dá)到以下三點(diǎn)：(1) .通過本次課程設(shè)計加深對差動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)用總體方案設(shè)計本系統(tǒng)采用內(nèi)含4

4、KB程序存儲器的8位單片微型計算機(jī)89C51，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-LVD傳感器;使用四組(每組5個兒ED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(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1.2.1、 圖所示。欖痕用愉入斗選I權(quán)拉幵提A/D輕抵! 器AK9C5 一單片機(jī)sbsbSsbshhBSBBSS圖1.2.2系統(tǒng)原理組數(shù)爐、營1 AC-L.VO r 洞#4 I5信號誠艸申席y v賓曲料第二章硬件電路設(shè)計傳感器的工作原

5、理Q I o C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(shí)驗(yàn)采用三段式 結(jié)構(gòu)。當(dāng)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(yīng)電勢產(chǎn)生變化，一只次級感應(yīng)電勢增加，另一只感應(yīng)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(yīng)電勢的變化，來獲得與被測量成一定函數(shù)關(guān)系的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)非電量的測量。應(yīng) 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(jī)械位移、150HZ以下的低頻振動、加速度、應(yīng)變、比重、張

6、力、厚度、稱重等一、切能引起機(jī)械位移變化 的非電物理量。本次差動變壓器的原理是建立在 CSY2000型傳感器實(shí)訓(xùn)臺的基礎(chǔ)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(diǎn)。、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(shí)驗(yàn)?zāi)０宓闹Ъ茏?，如下圖2.2.1。埜動變広2B 換獨(dú)測畫架 測微圖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(shí)驗(yàn)?zāi)０迳?，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L1的激勵電壓必須從主機(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)

7、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來圖2.3.1放大電路硬件原理圖圖222差動變壓器性能實(shí)驗(yàn)安裝、接線圖放大電路的設(shè)計傳感器輸出電壓為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)換器前加入一個前置差動放大電路以實(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，

8、整個芯片僅R5為外接電阻，而運(yùn)放A1為 增益為100的差動輸入放大器。% 二-辛幾 =電壓的放大倍數(shù)：可由公式出1 得出丘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)。量程的確定：轉(zhuǎn)動20圈 進(jìn)給10mm 電壓變化靈敏度 S=U = 0.52V =mm（8）d 5mm根據(jù)電壓得量程是+-可以由公式8得出距離d得量程是 + 16.35mm一16.35mm.采集電路的設(shè)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(jī)，他對整個系統(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，計算機(jī)組成fr單 片 忸241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，從啟

9、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(dāng)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/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，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，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。圖2.4.2采樣保持原理圖243 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的輸入模擬信號轉(zhuǎn)換

10、成數(shù)字信號。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。其原理如下圖：反饋電壓圖2.4.3 AD0809的原理圖當(dāng)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(jìn)行比較控制邏輯根據(jù)比較器輸出進(jìn)行判斷，當(dāng)Vin Vo,貝M呆留D3=1,再對下一位D2進(jìn)行比較，同樣先使 D2= 1,與D3一起即1100進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行比較，以此進(jìn) 行比較，到最后一位D。時鐘頻率8031單片機(jī)ADC0809轉(zhuǎn)換器輸入通道設(shè)計顯示電路的設(shè)計顯示部分可以將處理得出的信號在顯示器上顯

11、示，讓人們直觀的看到被測體的質(zhì)量，也可以進(jìn)行報警提示。本設(shè)計采用的顯示模塊是128X64點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及 圖形，內(nèi)置8192個中文漢字（16X16點(diǎn)陣）、128個字符（8X16點(diǎn)陣）及64X256點(diǎn)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(jī)：8-位并行及串行兩種連接方式。pcPJil篙常需sffinFu 1 c -J 4 M .b nliaa?|43&153&IT4L735iaaeis對a7-S.亠斗L3LA17910卻 813(EsnI JHtwd r muNb- I t -hhv &- fl 2 s E- EU2hjnng&ci

12、屮*C4PCSIT FAB鬥輯FA3刑epi7407-II- 1-IIEDSsannaEES圖2.6.1顯示電路圖第三章軟件的設(shè)計tO*1訐書對nt? i卩&苻南內(nèi)rr數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)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R7-R7-I-甌両的條性存入3田単元作冷 百位謫已貼高位A51H作低位存人32H惟Kb作為小按點(diǎn)侑恵+R3主移一比尺2石後位型RIA/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 對應(yīng)的是，為十六進(jìn)制向十進(jìn)制 轉(zhuǎn)換方便，將系數(shù)放大 100 倍

13、。并用小數(shù)點(diǎn)位置的變化體現(xiàn)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 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(dāng)?shù)谒奈幌虻谖逦贿M(jìn)位時，數(shù)由 8 變 到 16，若按十進(jìn)制數(shù)制規(guī)則讀數(shù)，則丟失 6，所以應(yīng)進(jìn)行加六調(diào)整。 DA 指令可完成這一 調(diào)整。可見數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換可以通過移位的方法實(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，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(jìn)位位中，所以能實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集子程序的設(shè)計數(shù)據(jù)采集用 A/D0809 芯片來完成，主要分為啟動、

14、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(yīng)的數(shù)字量 OOH 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?，延時等 待方式和中斷方式。啟動盒rD轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換完成詁*數(shù)據(jù)顯喬*圖321數(shù)據(jù)采樣原理框圖數(shù)據(jù)顯示子程序的設(shè)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(dāng)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

15、表與系統(tǒng)出 現(xiàn)異常情況時顯示管理軟件應(yīng)及時調(diào)用顯示驅(qū)動程序模塊，以更新當(dāng)前的顯示數(shù)據(jù)顯示 符號。DIR MOV R0,#79H;置顯示緩沖區(qū)首地址MOV R3,#01H;置位選碼初值MOV A,R3LOOP: MOV DPTR,#7F01H; DPTR-PA口地址;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MOVXDPTR,AINC DPTRMOV A,R0ADD A,#0DHMOVC A,A+PCDIR1: MOVXDPTR,A ;輸出顯示代碼ACALLTIM2INC R0；延時；指向下一個顯示數(shù)據(jù)MOV A,R3JB ,LOOP1RL A；判斷 6 位是否顯

16、示完畢；形成下一個位代碼MOV R3,AAJMP LOOPLOOP1:RETDB 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 顯示原理框圖地址空間的分配：0000H3FFFH實(shí)驗(yàn)機(jī)上的擴(kuò)展后 8031上的RAM,數(shù)據(jù)存儲空間。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8000H

17、BFFFH為138譯碼器的地址，用戶對實(shí)驗(yàn)機(jī)上的 AD芯片的片選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(shí)驗(yàn)機(jī)上的固定地址的I/O 口。第四章 設(shè)計總結(jié)隨著集成電路和計算機(jī)技術(shù)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(jī)，因其極高的性價比 得到廣泛的應(yīng)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(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 輸出的器件。本次課設(shè)中的位移

18、測量儀就是在以上儀器的基礎(chǔ)上設(shè)計而成的。因此，只 有充分了解有關(guān)智能儀器、單片機(jī)、傳感器以及各部分之間的關(guān)系才能達(dá)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(zhǔn)確度。課設(shè)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(jìn)行量化、采集，主要分 為信號放大、采集，然后進(jìn)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(jìn) 行放大時，應(yīng)選取合適的運(yùn)算放大電路。最好是預(yù)先計算好應(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，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

19、社， 20072 馮凱昉 工程測試技術(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 趙茂泰 . 智能儀器原理及應(yīng)用 .電子工業(yè)出版社， 2004：9 張毅剛 .MCS-51 單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計 . 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 2003：10 賈伯年，俞樸 .傳感器技術(shù) .東南大學(xué)出

20、版社， 2000：11 單成祥 .傳感器理論設(shè)計基礎(chǔ)及其應(yīng)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(shè)計 .武漢大學(xué)出版社， 2000：附總電路圖ADC0BQ?SWT亠車1圭A DPORTEQUSOOH0809丄a主；:-當(dāng)需常篇nmrtt霊10斶515ItJdHllJllJlLJJfiJliJ1JFl廟5031Z8279EQU0FF82H;8279 狀態(tài) /命令口地址D8279EQU0FF80H;8279 數(shù)據(jù)口地址LEDMODEQU10H;右端輸入 八位字符顯示; 外部譯碼鍵掃描方式 , 雙鍵互鎖LEDFEQEQU38H;掃描速率LEDCLS EQU0D

21、1H;清除LEDWR0EQU80H;設(shè)定的將要寫入的顯示 RAM 地址ORG0000HAJMPSTARTORG0003HLJMPINT_0ORG0040HMOVR7,#00HMOVR0,#60H;MOVSP,#80HSETBIT0SETBEASTART:SETB EX0LCALL INIT8279;初始化 8279A_D:MOV R0,#00H;通道數(shù)MOV A,R0MOV DPTR,#A_DPORTORL DPL,A MOVX DPTR,A ;MOV P1,#00H CJNE R7,#00H,$MOV A,B;啟動 A_D;等待 A_D 轉(zhuǎn)換結(jié)束MOV P1,ALCALL BCD_SORT;

22、MOV R7,#0FFH;清讀數(shù)標(biāo)志MOV R6,A MOV R4 ,#01H LCALL DISLEDMOV R4 ,#00HDEC R3;LCALL DISLEDINT_0:LCALL DELAY_LO;AJMPA_DMOVXMOVA,DPTRB,A;讀 A_D 數(shù)據(jù)MOVR7,#00H;置讀數(shù)標(biāo)志RETIBCD_SORT:MOV A,B;RL A;MOV B,#0AH;DIV AB;INIT8279:RET;8279 初始化子程序PUSHDPH;保存現(xiàn)場PUSHDPLPUSHACCLCALLDELAY;延時MOVDPTR ,#Z8279MOVA,#LEDMOD;置 8279 工作方式MOVXDPTR,AMOVA,#LEDFEQ;置鍵盤掃描速率MOVXDPTR,AMOVA,#LEDCLS;清除 LED 顯示MOVXDPTR,ALCALLDELAY;延時MOVDPTR,#Z8279MOVA,#90HMOVDPTR,#D8279MOVA,#40HMOVXDPTR,AMOV A,#40HMOVX DPTR,AMOV