基于壓電加速度計(jì)速度測(cè)量信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 題目 基于單片機(jī)的壓電加速度傳感器 低頻信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2014-2015 第二學(xué)期 專業(yè)班級(jí) 2012級(jí)電氣5班 姓 名 趙 倩 學(xué) 號(hào) 201295014196 指導(dǎo)教師 馬 鳴 教學(xué)單位 電子電氣工程學(xué)院 2015年 7月 6日課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書1設(shè)計(jì)目的： 掌握電子系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程；并完成加速器低頻信號(hào)的理論設(shè)計(jì)。 掌握應(yīng)用電路的multisim等軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真，通過仿真結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，完成電路設(shè)計(jì)。2設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計(jì)要求等）：壓電式加速度傳感器作為一種微型傳感器，其輸出信號(hào)比較微弱，通

2、常為幾十個(gè)毫伏或幾百個(gè)微伏。所以有必要對(duì)其輸出電壓進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。主要包括電源模塊、放大模塊、濾波模塊等組成。3設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求： （1）查閱相關(guān)資料，完成系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)； （2）完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)； （3）對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真； （4）按照要求撰寫設(shè)計(jì)說明書；一、壓電式加速度傳感器的概要4二、信號(hào)采集系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)方案5三、信號(hào)采集系統(tǒng)分析61、電荷轉(zhuǎn)換部分:62、適調(diào)放大部分63、低通濾波部分:74、輸出放大部分75、積分器部分：8四、單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)8五、Multisim仿真分析101仿真電路圖102.仿真波形及分析11六、誤差分析111、連接電纜的固定112、接地點(diǎn)選擇123、濕

3、度的影響124、環(huán)境溫度的影響12七、改進(jìn)措施12六、心得體會(huì)12七、參考文獻(xiàn)13前言 在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，NI作為虛擬儀器技術(shù)的開創(chuàng)者和領(lǐng)導(dǎo)者，也是基于PC的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的領(lǐng)導(dǎo)者，為用戶提供了最為廣泛的數(shù)據(jù)采集設(shè)備選擇。但配備NI公司的數(shù)據(jù)采集硬件及軟件比較昂貴，并且對(duì)于本文中在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的壓電加速度傳感器信號(hào)的采集，其輸出模擬量為緩變低頻信號(hào)，采用總線型。 壓電式加速度傳感器是以壓電原材料為轉(zhuǎn)換元件，輸出與加速度成正比的電荷或電壓量的裝置。由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等性能，目前已成為沖擊振動(dòng)測(cè)試技術(shù)中使用廣泛的一種傳感器。世界各國作為量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)的高頻和中頻基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器，都是壓電式

4、的。本文基于上述特點(diǎn)對(duì)壓電加速度傳感器低頻信號(hào)進(jìn)行了分析，同時(shí)在參閱大量文獻(xiàn)資料的情況下設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的壓電加速度傳感器低頻信號(hào)的采集系統(tǒng)。基于單片機(jī)的壓電加速度傳感器低頻信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一、壓電式加速度傳感器的概要 壓電式加速度傳感器是一種典型的自發(fā)式傳感器，又稱壓電加速度計(jì)，它也屬于慣性式傳感器。它是以某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的電壓效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測(cè)加速度成正比。其主要電路由五部分組成，分別為電荷轉(zhuǎn)換部分，適調(diào)放大部分，低通濾波部

5、分，高通濾波和同相放大部分與積分器部分。 壓電加速度傳感器的組成框圖如圖1所示，原理如圖2所示。彈性輔助電源測(cè)量電路轉(zhuǎn)換元件待測(cè)加速度輸出信號(hào)圖1 加速度傳感器的組成框圖壓電元件質(zhì)量塊輸出引線支座圖2 壓電加速度傳感器原理圖實(shí)際測(cè)量時(shí)，將圖中的支座與待測(cè)物剛性地固定在一起。當(dāng)待測(cè)物運(yùn)動(dòng)時(shí)，支座與待測(cè)物以同一加速度運(yùn)動(dòng)，壓電元件受到質(zhì)量塊與加速度相反方向的慣性力的作用，在晶體的兩個(gè)表面上產(chǎn)生交變電荷。當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷與作用力成正比。電信號(hào)經(jīng)前置放大器放大，即可由一般測(cè)量儀器測(cè)試出電荷大小，從而得出物體的加速度。 低頻信號(hào)采集系統(tǒng)是以低頻信號(hào)的測(cè)量為主，具有較強(qiáng)

6、通用性的，比較完整的低成本、高性能測(cè)試系統(tǒng)。在硬件結(jié)構(gòu)上，它主要由單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、多路開關(guān)和PC機(jī)組成。在軟件結(jié)構(gòu)上，它主要由多路信號(hào)采集、數(shù)字濾波、采樣頻率調(diào)整、PC機(jī)與單片機(jī)通訊、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示和數(shù)據(jù)處理及保存等程序模塊組成。二、信號(hào)采集系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)方案對(duì)數(shù)據(jù)采樣過程采集時(shí)域信號(hào)，而計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，故需要將用調(diào)理器和轉(zhuǎn)換器來進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。具體轉(zhuǎn)換過程：壓電加速度傳感器輸出的是信號(hào)非常小的電荷信號(hào)，這種信號(hào)需要經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行放大且濾波處理，實(shí)現(xiàn)電荷信號(hào)和電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并過濾掉干擾信號(hào)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)所以經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。再經(jīng)過

7、相關(guān)過程送及上位機(jī)，最后由LaVIEW軟件讀取、轉(zhuǎn)換和顯示信號(hào)。信號(hào)調(diào)理器傳感器 震動(dòng) 結(jié)果輸出顯示信號(hào)分析與處理信號(hào)采集與控制硬件系統(tǒng)框圖 3單片機(jī)TTL-RS-232電平轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)（LaVIEW）A/D轉(zhuǎn)換電路信號(hào)調(diào)理電路壓電加速度傳感器具體的采集系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖4圖4：采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 在進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣過程中，采集的一半為時(shí)域信號(hào)，而計(jì)算機(jī)是對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理的，故需要將信號(hào)經(jīng)過各種調(diào)理器和轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。具體轉(zhuǎn)換過程圖4種可以看出：壓電加速度傳感器輸出的為電荷信號(hào)，因?yàn)樾盘?hào)非常小，所以需要經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路放大且濾波轉(zhuǎn)換成可以測(cè)量的電壓信號(hào)，并將一部分干擾信號(hào)濾波過濾，再經(jīng)由A

8、/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)。三、信號(hào)采集系統(tǒng)分析1、電荷轉(zhuǎn)換部分:電荷轉(zhuǎn)換部分是整個(gè)電荷放大器的核心部分，這部分的作用是將壓電傳感器的輸出電荷信號(hào)Q轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)V。它是由運(yùn)算放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成，同時(shí)為了保證電路的增益,反饋電容不能太大,考慮到壓電加速度傳感器的輸出電荷量,反饋電容Cf一般不超過10000PF,但是反饋電容也不可以選的太小,一般Cf不小于100PF。電路如圖5所示：圖5：電荷轉(zhuǎn)換部分電路原理圖 參數(shù)確定：C1=220nF，C2=20pF,R1=2K,R2=2K。放大器供電電源為：±15V。2、適調(diào)放大部分這部分的作用是當(dāng)被測(cè)非電量(加速度或

9、速度)一定時(shí),用不同靈敏度的傳感器去測(cè)量時(shí),有相同的輸出,以便處理記錄下來的圖形和數(shù)據(jù)。其電路原理圖如圖6所示： 圖6：適調(diào)放大電路原理圖 假定傳感器的電荷靈敏度Sq=Qi/g,電荷轉(zhuǎn)換部分的增益為Kq=Vi/Qi,適調(diào)部分的增益為Ki=Vo/Vi,則總的傳遞系數(shù)為三者的乘積:3、低通濾波部分:壓電加速度傳感器的幅頻特性的高頻段有一個(gè)很高的共振峰,因此需在放大器中采用低通濾波器,以補(bǔ)償傳感器引起的高頻幅頻特性。由于濾波器的阻抗頻率特性沒有隨頻率而極具改編的諧振性能,為了克服這個(gè)缺點(diǎn),在RC網(wǎng)絡(luò)上加上運(yùn)算放大器等有源元件,組成有源RC低通濾波器。有源RC低通濾波器在通帶內(nèi)不僅可以沒有衰減,還可以

10、有一定的增益。我們采用的是二階RC有源濾波器,其電路原理圖如圖7所示:圖7：低通濾波部分電路原理圖4、輸出放大部分：這部分電路包括兩個(gè)部分：高通濾波和同相電壓放大。當(dāng)Rf一定時(shí)，在切換增益檔位時(shí)，電流直流放大倍數(shù)變化很大，輸出零點(diǎn)跳動(dòng)較大，并且為了減少直流漂移影響，所以在低通濾波器后面又加了一個(gè)高通濾波器，將滯留部分去掉。本設(shè)計(jì)的高通濾波器由一階RC電路和運(yùn)算放大器組成，其電路原理圖如圖8所示： 圖8：輸出放大部分電路原理圖5、積分器部分： 壓電加速度計(jì)的輸出信號(hào)是代表加速度信號(hào)電壓信號(hào),將加速度電壓信號(hào)積分后,會(huì)得到速度電壓信號(hào)。我們用積分器實(shí)現(xiàn)這一功能，無源RC積分電路衰減大，頻率范圍較窄

11、，積分誤差大，一般采用運(yùn)算放大器組成的有源積分電路。四、單片機(jī)軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī)程序采用匯編語言編寫，主要包括初始化程序“MAIN:和中斷服務(wù)子程序“INTO”。程序流程圖如圖10所示: 圖10：程序流程圖 “MAIN“初始化主程序主要用來對(duì)單片機(jī)的串行通信初始化和定時(shí)中斷初始化。串行通信初始化包括波特率，串口工作方式的初始化；定時(shí)中斷初始化包括定時(shí)器的初始化和開中斷。對(duì)于本文所用51單片機(jī)，需要對(duì)定時(shí)器工作方式控制寄存器TMOD和串行控制寄存器SCON進(jìn)行設(shè)置。 中斷服務(wù)子程序“Into“包括數(shù)據(jù)采集模塊”RD-AD“和數(shù)據(jù)傳輸模塊”SEND“，根據(jù)TLC2543的順序，在時(shí)鐘的下降沿開始數(shù)據(jù)

12、采集。 下面給出初始化程序段和中斷服務(wù)程序段：MAIN: MOV TMOD,#21H ; MOV TH1,#OFDH ; MOV TL1,#OFDHMOV SCON,#50H ; SETB TR1 MOV TH0,#OECHMOV TL0,#078HSETB TROSETB ETOSETB EASJMP $INTO: MOV TH0,#OECHMOV TL0,#078HAC ALL ADACALL SENDRETIAD: MOV R7, #8 CLR CS CLR CK NOP SEYB CK NOP NOP CLR CK NOP NOP SETB CK NOP NOPLOOP: CLR CK

13、 MOV C, DO RLC A SETB CK NOP NOP DJNZ R7,LOOP SETB CS MOV R5,A RETSEND: MOV A,R5MOV SBUF,AL2: JNB T1,L2CLK TIRETEND五、Multisim仿真分析1仿真電路圖仿真電路圖如圖11所示：圖11:仿真電路原理圖2.仿真波形及分析輸入信號(hào)為方波，仿真波圖形如圖12所示：圖12：仿真波形圖仿真結(jié)果顯示，輸出波形為三角波，即輸出輸入滿足積分運(yùn)算關(guān)系。當(dāng)輸入信號(hào)為正弦信號(hào)，波形圖如圖13所示：圖13：仿真波形圖仿真結(jié)果顯示，輸出波形也為正弦波，相位超前輸入90度，即輸出輸入滿足積分運(yùn)算關(guān)系。六、誤

14、差分析1、連接電纜的固定連接的電纜雖然是低噪音電纜，但若固定不當(dāng)，也會(huì)產(chǎn)生一些噪音，電纜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)會(huì)引起電纜電容和電荷的變化，主要是低頻噪音，所以在實(shí)驗(yàn)室時(shí)應(yīng)在傳感器近端，把電纜固定，使電纜在傳感器近端盡可能平直。2、接地點(diǎn)選擇當(dāng)電荷放大器與壓電加速度傳感器，記錄儀器組成測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，往往由于接地點(diǎn)選擇不當(dāng)，引入很大的干擾，嚴(yán)重時(shí)使測(cè)量無法進(jìn)行。其原因是各點(diǎn)地電位不相等，如果在不同接觸點(diǎn)與連接電纜間形成對(duì)地的回路電流，此電流就形成了一個(gè)干擾源。因此測(cè)量系統(tǒng)最好只有一個(gè)接地點(diǎn)。接地點(diǎn)位置的選擇往往需要用實(shí)測(cè)方法決定，但一般來說最好選在記錄和讀出裝置上。3、濕度的影響 環(huán)境濕度對(duì)壓電式傳感器性能的影

15、響也很大。如果其長期在高濕度的環(huán)境下工作，其絕緣電阻將會(huì)減小，低頻響應(yīng)變壞。因此本設(shè)計(jì)的傳感器盡量不要工作在高濕度的環(huán)境下。4、環(huán)境溫度的影響環(huán)境溫度的變化對(duì)壓電材料的壓電系數(shù)和介電常數(shù)的影響都很大，它將使傳感器靈敏度發(fā)生變化。人工極化的壓電陶瓷受溫度的影響比石英的大的多，當(dāng)溫度低于400°C時(shí)，其壓電系數(shù)和介電常數(shù)都很穩(wěn)定。七、改進(jìn)措施由于上述磁電式速度傳感器存在響應(yīng)頻率范圍小，機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件容易損壞，傳感器質(zhì)量大造成附加質(zhì)量大等缺點(diǎn)，近年發(fā)展了，壓電式速度傳感器，即在壓電式加速度傳感器的基礎(chǔ)上，增加了積分電路，實(shí)現(xiàn)了速度輸出。同樣，這種傳感器也全部實(shí)現(xiàn)了內(nèi)置，具有替換磁電式速度傳感器的趨向。六、心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，通過這次課程設(shè)計(jì)，讓我更加深刻了解課本知識(shí)，和以往對(duì)知識(shí)的疏忽得以補(bǔ)充，也培養(yǎng)了我如何去做一件事情，在設(shè)計(jì)過程中，與同學(xué)相互探討