測控綜合設(shè)計

1、測控技術(shù)綜合設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計任務(wù)1、應(yīng)用檢測實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)臺上的電器元件，設(shè)計一種位移檢測裝置，給出詳細(xì)的設(shè)計原理、具體的設(shè)計方案，繪制元件間的接線圖，并在實(shí)驗(yàn)臺上實(shí)現(xiàn)所設(shè)計的方案。2、完成一個小型課題的設(shè)計，課題應(yīng)是“以檢測為目的的檢測系統(tǒng)”或“以檢測和控制為目的的測控系統(tǒng)”。設(shè)計完成后繪制圖紙、編寫程序、書寫設(shè)計報告。整個課題由學(xué)生獨(dú)立完成，教師進(jìn)行指導(dǎo)和檢查。二、可參考的設(shè)計題目1、熱電偶溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計（基于MAX6675芯片）2、超聲波傳感器測距系統(tǒng)設(shè)計3、輪胎壓力檢測報警系統(tǒng)設(shè)計4、煤氣泄漏檢測系統(tǒng)設(shè)計5、換熱站溫度壓力檢測系統(tǒng)設(shè)計（基于熱電阻、壓力變送器和西門子200PLC）三、設(shè)

2、計計劃課程設(shè)計共計2周內(nèi)完成。具體的安排過程為：第12天：完成設(shè)計任務(wù)1。第59天完成設(shè)計任務(wù)2。第10天：整理設(shè)計說明書，上交給老師進(jìn)行批閱指導(dǎo)。答辯（時間另行確定）。四、設(shè)計要求 1、 獨(dú)立完成設(shè)計，不得抄襲。如報告雷同，成績不及格。2、 報告內(nèi)容完整、設(shè)計方案闡述清晰、具體設(shè)計過程表述清楚。 3、答辯時需制作答辯PPT，否則成績中及以下。測控技術(shù)綜合設(shè)計 專 業(yè) 班 級 ：測控102 學(xué) 生 姓 名 ：羅麗嬌 學(xué) 號 : 120103107056 指 導(dǎo) 老 師 ：王玉昆測控技術(shù)綜合設(shè)計·設(shè)計簡介測控技術(shù)及儀器專業(yè)在我國應(yīng)用廣泛，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，對技術(shù)型，應(yīng)用型人才的需

3、求量很大，越來越得到國家及社會的高度重視。創(chuàng)新是測控技術(shù)及儀器專業(yè)的根本原則，在創(chuàng)新中求發(fā)展，在社會發(fā)展中謀求后備軍的發(fā)展，培養(yǎng)人才。隨著科學(xué)的發(fā)展，超聲波將在側(cè)距儀中應(yīng)用越來廣泛。這是一個正在蓬勃發(fā)展的而有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，超聲波測距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各個方面都有很大的發(fā)展空間，將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求。如聲納的發(fā)展趨勢基本為：研制具有更高定位精度的潛艇拖拽線陣列聲納，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動探測和識別；研制更適合于海上工作的潛艇聲納。隨著測距儀的的技術(shù)進(jìn)步，測距儀將從具有單純的判斷能力發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，在新世紀(jì)里，面貌一新的測

4、距儀將發(fā)揮更大的作用。超聲波是指頻率高于200HZ的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接受超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，超聲波傳感器具有發(fā)送和接受器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用，超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在接受回波的時候，將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波測距器，可用于汽車倒車、建筑工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深的測量場合。要求測量范圍在0.4-7.0m，測量精度在1cm，測量時與被測物體無直接接觸，能清晰的顯示測量結(jié)果。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消

5、耗緩慢，在介質(zhì)中傳播較遠(yuǎn)，因而超聲波常用于距離的測量，如測距儀和物位儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實(shí)時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的引用。一、設(shè)計題目（一）金屬箔式應(yīng)變片測位移性能系統(tǒng)設(shè)計1、設(shè)計目的：了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，單臂電橋工作原理和性能。2、設(shè)計原理：應(yīng)變片是最常用的測力傳感元件，當(dāng)用應(yīng)變片測試時，應(yīng)變片要牢固地粘貼在測試體表面，當(dāng)測件受力發(fā)生形變, 應(yīng)變片的敏感柵隨同變形，其電阻值也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。通過測量電路，轉(zhuǎn)換成電信號輸出顯示。電橋電路是最常見的非電量電測電路中

6、的一種，當(dāng)電橋平衡時，橋路對臂電阻乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四個電阻R1、R2、R3、R4中，電阻的相對變化率分別為，當(dāng)使用一個應(yīng)變片時，；當(dāng)二個應(yīng)變片組成差動狀態(tài)工作，則有；用四個應(yīng)變片組成二個差動對工作，且。根據(jù)戴維南定理可以得出測試電橋的輸出電壓近似等于1/4 E R，電橋靈敏度，于是對應(yīng)于單臂、半橋、全橋的電壓靈敏度分別為1/4E、1/2E和E。由此可知，當(dāng)E和電阻相對變化一定時，電橋及電壓靈敏度與各橋臂阻值的大小無關(guān)，單臂、半橋、全橋電路的靈敏度依次增大。 應(yīng)變式傳感器安裝示意圖3、所需器件：直流穩(wěn)壓電源、差動放大器、電橋、FV表、應(yīng)變片、主、副電源。4、實(shí)物連接：5、設(shè)計步驟：

7、（1）直流穩(wěn)壓電源打到±2V檔，F(xiàn)V表打到2V檔，差動放大器增益打到最大。（2）按照步驟（1）將差動放大器調(diào)零后，關(guān)閉主、副電源。（3）根據(jù)下圖接線，R1、R2、R3為電橋單元的固定電阻，R4為應(yīng)變片；將穩(wěn)壓電源的切換開關(guān)置±4V檔，F(xiàn)V表置20V檔。開啟主、副電源，調(diào)節(jié)電橋平衡網(wǎng)絡(luò)中的W1，使FV表顯示為零，等待數(shù)分鐘后將FV表置2V檔，螺旋測微器調(diào)到15mm ，再調(diào)電橋W1（慢慢地調(diào)），使FV表顯示為零。（4）將螺旋測微器向上(下)調(diào)0.5mm，記下此時的電壓數(shù)值，然后每上（下）調(diào)0.5mm記下一個數(shù)值并將這些數(shù)值填入下表。位移（mm）00.511.522.533.54

8、4.55電壓（mV）09172836485667768394位移（mm）0-0.5-1-1.5-2-2.5-3-3.5-4-4.5-5電壓（mV）0-8-16-29-38-47-59-66-74-85-93（5）描出X-V曲線 U/V 1009080 706050 40 30 20 10-5-4.5 -4-3.5 -3-2.5 -2 -1.5-1-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 X/mm-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100（二）超聲波傳感器測距系統(tǒng)設(shè)計1、設(shè)計原理：超聲波是指頻率高于200HZ的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測手段，

9、必須產(chǎn)生超聲波和接受超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，超聲波傳感器具有發(fā)送和接受器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用，超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在接收回波的時候，將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。其系統(tǒng)框圖如圖所示。基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)框圖超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，在乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源到障礙物間的距離。由于超聲波的指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方

10、便，計算處理也比較簡單，而且在精度方面也能達(dá)到要求。超聲波測距是一種非接觸式的檢測方式。與其它方法相比，如電磁或光學(xué)的方法，它不受光線、被測對象顏色等影響。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測量、機(jī)械手控制、車輛自動導(dǎo)航、物體識別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高;而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號處理可靠等特點(diǎn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實(shí)時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)

11、用的要求。測距離的方法有很多種，短距離可以用尺，遠(yuǎn)距離可以用激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)的空氣中的傳播速度為331.45M/S，由單片機(jī)負(fù)責(zé)記時，單片機(jī)使用12.0M晶振，所以次系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級。超聲波在空氣中的傳播速度隨溫度變化，其對應(yīng)值如表1-1 ，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離( s ) ，即: s = v t / 2 。聲速與溫度的關(guān)系溫度()3020100102030100聲速(m/s)315317324325337345348385超聲波測距時序圖2、超聲波傳感器（1）超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器是一種用

12、于產(chǎn)生并向超聲換能器提供超聲能量使之工作于諧振頻率的裝置，根據(jù)其激勵方式可以分為兩種：一種是他激式，一種是自激式。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。（2）壓電式超聲波發(fā)生器原理壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-3所示它有兩個壓電晶片和一個共振板當(dāng)他的兩極外加脈沖信號，器頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作共振，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電信號，這時它就成為超聲波接受器了。

13、超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)（3）單片機(jī)超聲波測距系統(tǒng)構(gòu)成單片機(jī)控制系統(tǒng)以AT89S51為核心，發(fā)出40KHZ左右的方波脈沖信號，由于單片機(jī)端口輸出功率很弱，為了使測量距離達(dá)到要求，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖定信號啟動單片機(jī)中斷程序，內(nèi)部計時器停止計時讀出時間t，由系統(tǒng)軟件對其計算分析后，相應(yīng)的計算結(jié)果送至LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。開始測量超聲波信號開定時器關(guān)定時器數(shù)據(jù)運(yùn)算顯示器接收檢測電聲換能器電聲換能器驅(qū)動電路超聲波測距系統(tǒng)框圖3、設(shè)計方案根據(jù)本系統(tǒng)的功能需求，初步確定設(shè)計系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊

14、共四個模塊組成。發(fā)射電路由單片機(jī)輸出端直接驅(qū)動超聲波發(fā)送。根據(jù)設(shè)計要求決定采用AT89S51單片機(jī)作為主控制器，用動態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)值顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機(jī)的定時器完成。超聲波測距系統(tǒng)超聲波接收模塊超聲波發(fā)射模塊單片機(jī)控制系統(tǒng)（AT89S51）顯示模塊鍵盤模塊供電單元系統(tǒng)設(shè)計框圖（1）AT89S51單片機(jī)AT89S51是一個低功耗，高性能的CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4Kbytes ISP的可以反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序儲存器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性儲存技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和IPS Fl

15、ash存儲單位，功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。（2）超聲波測距系統(tǒng)構(gòu)成本系統(tǒng)主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分。采用AY89S51來實(shí)現(xiàn)對CX20106A紅外接受芯片和超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機(jī)通過P1.0引腳經(jīng)反向器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測TNT0引腳，當(dāng)TNT0引腳的電平變?yōu)榈推綍r就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算可以得到傳感器與障礙物之間的距離。軟件部分包括主程序，超聲波發(fā)生子程序，超聲波中斷子程序以及顯示子程序。1）超聲波測距單片機(jī)系統(tǒng)超聲波測距單

16、片機(jī)系統(tǒng)主要由：AT89S51單片機(jī)、晶振、復(fù)位電路、電源濾波部份構(gòu)成。由K1，K2組成測距系統(tǒng)的按鍵電路。用于設(shè)定超聲波測距報警值。超聲波測距單片機(jī)系統(tǒng)2）超聲波發(fā)射、接收電路利用壓電晶體諧振工作，內(nèi)部結(jié)構(gòu)上它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動振板振動產(chǎn)生超聲波，這是它就是一超聲波發(fā)生器，如沒加電壓，當(dāng)共振板接受到超聲波是，將壓迫壓電振蕩器作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這是它就成為了超聲波接收轉(zhuǎn)換器。接受換能器晶片接受到超聲波垂直作用后，因諧振而形成逐步加強(qiáng)的機(jī)械振動。因?yàn)閴弘娦?yīng)晶片兩面出現(xiàn)交變的等量異號電荷

17、，電荷量很少，只能提供微笑奧交變電壓信號，而不能提供電流信號。接收電路的任務(wù)是將這一微小的交變電壓信號充分凡達(dá)，同時考慮可能出現(xiàn)的干擾信號，放大同時加入濾波電路，驅(qū)動后面的比較器輸出電位跳變，作為確定收到信號的時刻。 超聲波測距發(fā)送電路圖 超聲波測距接收電路圖3）顯示電路本系統(tǒng)采用三位一體L E D 數(shù)碼管顯示所測距離值。數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示，段碼輸出端口為單片機(jī)的P2口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的P3.4、P3.2、P3.3口,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用PNP三極管S9012三極管驅(qū)動。 顯示電路圖4）供電電路本測距系統(tǒng)的工作電流約為30-45mA，采用LED數(shù)字顯示，為了保證系統(tǒng)的正常工作供電電壓為

18、交流6-9V同時為了系統(tǒng)的調(diào)試方便我們采用了用USB口直接用電腦供電，6V交流電流經(jīng)過二極管整流成脈動直流后經(jīng)濾波電容C1慮波后形成直流電，為保證單片機(jī)系統(tǒng)的可電，供電路中由5伏的三端稱壓集成電路進(jìn)行穩(wěn)壓后輸出5伏的真流電供整個系統(tǒng)用電，為進(jìn)一步提高電源質(zhì)量，5伏的直流電再次經(jīng)過C3、C4濾波。供電電路圖二、總結(jié)三、程序#include<AT89X51.H>#include<intrins.h>/*數(shù)碼管為共陰數(shù)碼管*/sbit s0=P27;/個位選通sbit s1=P26;/十位選通sbit s2=P25;/百位選通sbit s3=P24;/千位選通sbit dp=

19、P07;/小數(shù)點(diǎn)sbit in=P32;/外部中斷,接CX20106的腳sbit csb=P33;/40KHz方波輸出腳#define seg P0 /數(shù)碼管的數(shù)據(jù)口為P1口#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define nop _nop_()/*/void init(void);/初始化void delay_nms(uint n);/延時nmsvoid delay100us();/延時usvoid display(uint dat);/4位數(shù)碼管顯示函數(shù),只用了位void tran(void);/超聲波測量函數(shù)/*/ui

20、nt dis,H=100,L=20;uchar flag=0,high_time,low_time,m=0;uchar leddata= 0x3F, /"0"0x06, /"1"0x5B, /"2"0x4F, /"3"0x66, /"4"0x6D, /"5"0x7D, /"6"0x07, /"7"0x7F, /"8"0x6F, /"9"0x77, /"A"0x7C, /&quo

21、t;B"0x39, /"C"0x5E, /"D"0x79, /"E"0x71, /"F"0x76, /"H"0x38, /"L"0x37, /"n"0x3E, /"u"0x73, /"P"0x5C, /"o"0x40, /"-"0x00, /熄滅0x00 /自定義;void delay100us() uchar i; for(i=0;i<50;i+) ;/*函數(shù)

22、名稱:主函數(shù)修改日期:入口參數(shù):無返回值: 無*/void main(void)init();while(1) /循環(huán)測量并顯示tran();/發(fā)送超聲波信號測距display(dis);/顯示距離/*函數(shù)名稱:初始化函數(shù)修改日期:入口參數(shù):無返回值: 無*/void init(void)TMOD=0x01;/定時器方式用于計時TH0=0;TL0=0; /* 設(shè)定T0的工作模式為*/EA=1;IT0=1;/下降沿有效,左傳感器/*函數(shù)名稱:延時函數(shù)修改日期:入口參數(shù):n返回值: 無*/void delay_nms(uint n)uchar i; while(n-)for(i=123;i>

23、0;i-);/*函數(shù)名稱:顯示函數(shù)修改日期:入口參數(shù):data返回值: 無*/void display(uint dat)uchar i,j,k;/分別為百十個位的緩存i=dat/100;/百位j=dat%100/10;/十位k=dat%100%10;/個位s3=1;s2=0;s1=1;s0=1;seg=leddatai;dp=0;delay_nms(2);dp=1;s2=1;s3=1;s2=1;s1=0;s0=1;seg=leddataj;delay_nms(2);s1=1;s3=1;s2=1;s1=1;s0=0;seg=leddatak;delay_nms(2);s0=1;/*函數(shù)名稱:超聲波測量函數(shù)修改日期:入口參數(shù):無返回值: 無*/void tran(void)uchar i;float temp;TH0=0;TL0=0;/清定時TR0=1;/開定時for(i=8;i>0;i-)csb=!csb;nop;nop;nop;