《工程測(cè)試技術(shù)》課程設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的LVDT位移測(cè)量傳感器設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、目錄第一章 總體方案設(shè)計(jì)31.1設(shè)計(jì)目的 41.2總體方案設(shè)計(jì) 4第二章 硬件電路設(shè)計(jì) 52.1傳感器的選擇 52.2差動(dòng)變壓器傳感器安裝 62.3放大電路的設(shè)計(jì) 72.4采集電路的設(shè)計(jì) 72.5輸入通道設(shè)計(jì) 82.6顯示電路的設(shè)計(jì) 9第三章 軟件的設(shè)計(jì) 103.1數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計(jì) 103.2數(shù)據(jù)采集子程序的設(shè)計(jì) 103.3數(shù)據(jù)顯示子程序的設(shè)計(jì) 113.4地址空間的分配的設(shè)計(jì)11第四章 設(shè)計(jì)總結(jié) 12參考文獻(xiàn) 13附總電路圖 13附總程序 13隨著時(shí)代科技的迅猛發(fā)展，微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測(cè)量與儀器帶來(lái)了巨大的沖擊和革命性的影響。常規(guī)的測(cè)試儀器儀表和控制裝置被更先

2、進(jìn)的智能儀器所取代，使得傳統(tǒng)的電子測(cè)量?jī)x器在遠(yuǎn)離、功能、精度及自動(dòng)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(dòng)化程度得以顯著提高。本文設(shè)計(jì)的電子秤以單片機(jī)為主要部件，用匯編語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，硬件則以差動(dòng)變壓器式(lvdt)位移傳感器為主,測(cè)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(duì)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(jì)1.1設(shè)計(jì)目的差動(dòng)變壓器式(lvdt)位移傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和測(cè)試領(lǐng)域，如過(guò)程檢測(cè)和自動(dòng)

3、控制、形變測(cè)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(jì)與傳感器配套的測(cè)量裝置研制開(kāi)發(fā)的位移測(cè)量裝置適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和多種測(cè)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0.0lmm; led同時(shí)顯示1-4路測(cè)量值;零點(diǎn)值重置等功能。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，達(dá)到以下三點(diǎn)：（1）.通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)加深對(duì)差動(dòng)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(cè)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。1.2總體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用內(nèi)含4kb程序存儲(chǔ)器的8位單片微型計(jì)算機(jī)89c51，其內(nèi)部4kb程序

4、存貯器可以滿足本系統(tǒng)的需求，同時(shí)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(guó)內(nèi)廠家的配套產(chǎn)品ac-lvdt傳感器;使用四組(每組5個(gè))led七段數(shù)碼管同時(shí)顯示四路測(cè)量值;用于過(guò)程控制的信號(hào)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1.2.2所示。 圖1.2.2 系統(tǒng)原理第二章 硬件電路設(shè)計(jì)2.1傳感器的工作原理差動(dòng)變壓器由一只初級(jí)線圈和二只次線圈及一個(gè)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(dòng)變壓器隨著被測(cè)體移動(dòng)時(shí)差動(dòng)變壓器的鐵芯也隨著軸向位移，從而使初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間

5、的互感發(fā)生變化促使次級(jí)線圈感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生變化，一只次級(jí)感應(yīng)電勢(shì)增加，另一只感應(yīng)電勢(shì)則減少，將兩只次級(jí)反向串接（同名端連接），就引出差動(dòng)電勢(shì)輸出。利用兩個(gè)線圈之間互感的變化引起感應(yīng)電勢(shì)的變化，來(lái)獲得與被測(cè)量成一定函數(shù)關(guān)系的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)非電量的測(cè)量。應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量1100(mm)范圍內(nèi)的機(jī)械位移、150hz以下的低頻振動(dòng)、加速度、應(yīng)變、比重、張力、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(dòng)變壓器的原理是建立在csy2000型傳感器實(shí)訓(xùn)臺(tái)的基礎(chǔ)上的。差動(dòng)變壓器電感傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越、測(cè)量精度高、靈敏度高和價(jià)格合理等優(yōu)點(diǎn)。2.2、差動(dòng)變壓器傳感器

6、安裝1.將差動(dòng)變壓器和測(cè)微頭(參照附：測(cè)微頭使用)安裝在實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓闹Ъ茏?，如下圖2.2.1。圖2.2.1差動(dòng)變壓器傳感器安裝示意圖2、差動(dòng)變壓器的原理圖已印刷在實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳?，l1為初級(jí)線圈；l2、l3為次級(jí)線圈；號(hào)為同名端。按圖2-3接線，差動(dòng)變壓器的原邊的激勵(lì)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(wú)誤后合上總電源開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率為45khz（可用主機(jī)箱的頻率表輸入fin來(lái)監(jiān)測(cè)）；調(diào)節(jié)輸出幅度峰峰值為vp-p2v（可用示波器監(jiān)測(cè)：x軸為0.2ms/div）。圖2.2.2差動(dòng)變壓器性能實(shí)驗(yàn)安裝、接線圖2.3放大電路的設(shè)計(jì)傳感器輸出電壓為050mv，而a/d轉(zhuǎn)換器所能處理的

7、電壓是05v，所以必須在a/d轉(zhuǎn)換器前加入一個(gè)前置差動(dòng)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(dòng)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(dòng)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，整個(gè)芯片僅r5為外接電阻，而運(yùn)放a1 為增益為100的差動(dòng)輸入放大器。電壓的放大倍數(shù)：可由公式得出倍數(shù)。因此我們可以改變r(jià)2和r1的比值來(lái)改變放大倍數(shù)。量程的確定：轉(zhuǎn)動(dòng)20圈 進(jìn)給10mm 電壓變化 0.52v

8、 靈敏度 s= =0.104v/mm(8)根據(jù)電壓得量程是 1.7v 1.7v可以由公式8得出距離d得量程是 16.35mm16.35mm. 圖2.3.1放大電路硬件原理圖2.4采集電路的設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)，他對(duì)整個(gè)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(jì)算機(jī)組成。 2.4.1 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(shí)，從啟動(dòng)變換到變換結(jié)束的數(shù)字量輸出，需要一定的時(shí)間，即a/d轉(zhuǎn)換的孔徑時(shí)間。當(dāng)輸入信號(hào)頻率較高，由于孔徑時(shí)間的存在，會(huì)造成較大的轉(zhuǎn)換誤差；為了防止誤差需在中間加一個(gè)功能器件采樣/保持器，進(jìn)行有效、正

9、確的數(shù)據(jù)采集。采樣/保持器通常由保持電容器、模擬開(kāi)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(kāi)關(guān)閉合時(shí)，v1通過(guò)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(kāi)時(shí)，由于電容c有一定的容量，此時(shí)輸出v0保持輸入信號(hào)再開(kāi)斷開(kāi)瞬間的電平值。32647851u2ad62032647851u3ad620輸入高阻輸入模擬開(kāi)關(guān)輸出c41u圖2.4.2 采樣保持原理圖2.4.3 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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。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： 圖 2.4

10、.3 ad0809的原理圖當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)作用后，時(shí)鐘信號(hào)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)vinvo，則保留d3=1,再對(duì)下一位d2進(jìn)行比較，同樣先使d21，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d0。 adc0809轉(zhuǎn)換器8031單片機(jī)2.5輸入通道設(shè)計(jì)2.6顯示電路的設(shè)計(jì)顯示部分可以將處理得出的信號(hào)在顯示器上顯示，讓人們直觀的看到被測(cè)體的質(zhì)量，也可以進(jìn)行報(bào)警提示。本設(shè)計(jì)采用的顯示模塊是12864點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示

11、模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)中文漢字（16x16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8x16點(diǎn)陣）及64x256點(diǎn)陣顯示ram（gdram）?？膳ccpu直接接口，提供兩種界面來(lái)連接微處理機(jī)：8-位并行及串行兩種連接方式。圖2.6.1顯示電路圖第三章 軟件的設(shè)計(jì)3.1數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理子程序是整個(gè)程序的核心。主要用來(lái)調(diào)整輸入值系數(shù)，使輸出滿足量程要求。另外完成a/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(duì)應(yīng)的是5.0v，為十六進(jìn)制向十進(jìn)制轉(zhuǎn)換方便，將系數(shù)放大100倍。并用小數(shù)點(diǎn)位置的變化體現(xiàn)這一過(guò)程。3.1.2數(shù)制轉(zhuǎn)換

12、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(duì)數(shù)分組，當(dāng)?shù)谒奈幌虻谖逦贿M(jìn)位時(shí)，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?？梢?jiàn)數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換可以通過(guò) 移位的方法實(shí)現(xiàn)。其中，移出數(shù)據(jù)的保存可以通過(guò)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(guò)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)。3.2數(shù)據(jù)采集子程序的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集用a/d0809芯片來(lái)完成，主要分為啟動(dòng)、讀取數(shù)據(jù)、延時(shí)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）

13、幾個(gè)步驟。adc0809初始化后，就具有了將某一通道輸入的05模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量00hffh，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(shí)等待方式和中斷方式。圖3.2.1 數(shù)據(jù)采樣原理框圖3.3數(shù)據(jù)顯示子程序的設(shè)計(jì)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(guò)程中一定要調(diào)用延時(shí)子程序。當(dāng)輸入通道采集了一個(gè)新的過(guò)程參數(shù)，或儀表操作人員鍵入一個(gè)參數(shù)，或儀表與系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)顯示管理軟件應(yīng)及時(shí)調(diào)用顯示驅(qū)動(dòng)程序模塊，以更新當(dāng)前的顯示數(shù)據(jù)顯示符號(hào)。dir mov r0,#79h

14、 ；置顯示緩沖區(qū)首地址mov r3,#01h ；置位選碼初值mov a,r3 loop: mov dptr,#7f01h ；dptr-pa口地址movxdptr,a ；輸出位選碼inc dptr ；指向pb口mov a,r0 ；取被顯示的數(shù)據(jù)add a,#0dh ；形成查表的偏移地址movc a,a+pc ；求出顯示代碼dir1: movxdptr,a ；輸出顯示代碼acalltim2 ；延時(shí)inc r0 ；指向下一個(gè)顯示數(shù)據(jù) mov a,r3jb acc.5,loop1 ；判斷6位是否顯示完畢rl a ；形成下一個(gè)位代碼mov r3,aajmp looploop1:retdb 3fh,06h

15、,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3.4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(chǔ)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8000hbfffh:為138譯碼器的地址，用戶對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)上的ad芯片的片選cs/相連，則該輸

16、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(jì)總結(jié)隨著集成電路和計(jì)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(jià)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(cè)控系統(tǒng)中對(duì)象信息的入口，越來(lái)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(cè)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(hào)輸出的器件。本次課設(shè)中的位移測(cè)量?jī)x就是在以上儀器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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

17、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(shí)由于傳感器發(fā)出的信號(hào)不是很穩(wěn)定，所以測(cè)量時(shí)誤差很大。其次是數(shù)據(jù)采集處理階段，此階段是對(duì)傳感器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行量化、采集，主要分為信號(hào)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(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大時(shí)，應(yīng)選取合適的運(yùn)算放大電路。最好是預(yù)先計(jì)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(shí)，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)出版社， 20072馮凱昉 工程測(cè)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(jì)算機(jī)控制

18、技術(shù)及工程應(yīng)用.北京：國(guó)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(cè)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(jì).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)出版社，2000： 11單成祥.傳感器理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用.國(guó)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(jì).武漢大學(xué)出版社，2000：附總電路圖附

19、總程序a_dport equ 8100h ;0809 口地址z8279 equ 0ff82h ;8279 狀態(tài)/命令口地址d8279 equ 0ff80h ;8279 數(shù)據(jù)口地址ledmod equ 10h ;右端輸入 八位字符顯示; 外部譯碼鍵掃描方式,雙鍵互鎖ledfeq equ 38h ;掃描速率ledcls equ 0d1h ;清除ledwr0 equ 80h ;設(shè)定的將要寫入的顯示ram地址 org 0000h ajmp start org 0003h ljmp int_0 org 0040hstart:mov r7,#00hmov r0,#60h; mov sp,#80h setb

20、 it0 setb ea setb ex0 lcall init8279 ;初始化8279 a_d: mov r0,#00h ;通道數(shù) mov a,r0 mov dptr,#a_dport orl dpl,a movx dptr,a ;啟動(dòng) a_d ;mov p1,#00h cjne r7,#00h,$ ;等待 a_d 轉(zhuǎn)換結(jié)束 mov a,b mov p1,a lcall bcd_sort; mov r7,#0ffh ;清讀數(shù)標(biāo)志 mov r6,a mov r4 ,#01h lcall disled mov r6,b mov r4 ,#00h dec r3; ;lcall disled lc

21、all delay_lo; ajmp a_dint_0: movx a,dptr ;讀 a_d 數(shù)據(jù) mov b,a mov r7,#00h ;置讀數(shù)標(biāo)志 reti bcd_sort:mov a,b;rl a;mov b,#0ah;div ab;retinit8279: ;8279初始化子程序 push dph ;保存現(xiàn)場(chǎng) push dpl push acc lcall delay ;延時(shí) mov dptr ,#z8279 mov a,#ledmod ;置8279工作方式 movx dptr,a mov a,#ledfeq ;置鍵盤掃描速率 movx dptr,a mov a,#ledcls ;清除 led 顯示 movx dptr,a lcall delay ;延時(shí) mov dptr,#z8279 mov a,#90h mov dptr,#d8279 mov a,#40h movx dptr,a mov a,#40h movx dptr,a mov a,#0h movx dptr,a mov a,#0h movx dptr,a mov a,#0efh movx dptr,a mov a,#27h movx dptr,a mov a,#5bh movx dptr,