電感式位移傳感器的設(shè)計(jì)

1、 電感式傳感器測量電路設(shè)計(jì) 學(xué)院：信自學(xué)院 姓名：xxxxx 學(xué)號(hào)：2010104013專業(yè)：自動(dòng)化班級：103班 2012年12月26日 目錄 摘要 3 1.緒論.511 引言 .512 傳感器介紹5 13 研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題7 2整體的方框圖與工作原理.8 3各個(gè)單元電路設(shè)計(jì).8 31 8051單片機(jī)簡介.8 32 電感式位移傳感器的基本原理.1333 電感測頭的結(jié)構(gòu).15 34 正弦波電路的設(shè)計(jì).16 35 零點(diǎn)殘余電壓的調(diào)整18 36 交流放大電路2037 相敏檢波電路2238 A/D轉(zhuǎn)換及顯示電路284軟件部分的設(shè)計(jì) .3041本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程序流程圖.3042單片機(jī)80

2、51的C語言程序清單315、參考文獻(xiàn)33 摘 要 隨著現(xiàn)代制造業(yè)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，自動(dòng)化程度愈來愈高。要保證產(chǎn)品質(zhì)量，對產(chǎn)品的檢測和質(zhì)量管理都提出了更高的要求。我們?yōu)榇艘O(shè)計(jì)一種精度的檢測位移的儀器。電感測微儀是一種分辨率極高、工作可靠、使用壽命很長的測量儀,應(yīng)用于微位移測量已有比較長的歷史.國外生產(chǎn)的電感測微儀產(chǎn)品比較成熟,精度高、性能穩(wěn)定,但價(jià)格昂貴.國內(nèi)生產(chǎn)的電感測微儀存在漂移大、工作可靠性不高、高精度量程范圍小等問題,一直與國外的傳感器水平保持一定的差距.在超精密加工技術(shù)迅猛發(fā)展的今天,這種測量精度越來越顯得不適應(yīng)加工技術(shù)發(fā)展的需求.該文針對這些問題,對電感傳感器測量電路進(jìn)行了一定的設(shè)計(jì)

3、和改進(jìn).對電感測微儀的正弦波生成電路、交流放大電路、帶通濾波電路、相敏檢波電路等進(jìn)行了分析和相應(yīng)的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞: 正弦波發(fā)生器，相敏檢波，零點(diǎn)殘余電壓。 電感式位移傳感器實(shí)例電感式位移傳感器實(shí)例 1 緒 論 1.1引言 測量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超精加工的前提和基礎(chǔ)。精密加工和超精密加工過程中不僅要對工件和表面質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，而且要檢驗(yàn)加工設(shè)備和基礎(chǔ)元部件的精度，如果沒有權(quán)威性的測控技術(shù)和儀器，就不能證實(shí)所達(dá)到的加工質(zhì)量。加工和檢測是不可分的，測量是對加工的支持，無論多么精密的加工，都必須用更為精密的測量技術(shù)作保障。因此，位移測量的精密和超精密測量已經(jīng)成為整個(gè)超精密加工體系中一項(xiàng)至為關(guān)鍵的技術(shù)。檢測技術(shù)和

4、裝置是自動(dòng)化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。任何生產(chǎn)過程都可以看作是“物流”和“信息流”組合而成，反映物流的數(shù)量、狀和趨向的信息流則是人們管理和控制物流的依據(jù)。人們?yōu)榱擞心康牡剡M(jìn)行控制，首先必須通過檢測獲取有關(guān)信息，然后才能進(jìn)行分析判斷以便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。所謂自動(dòng)化，就是用各種技術(shù)工具與方法代替人來完成檢測、分析、判斷和控制工作。一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)通常由多個(gè)環(huán)節(jié)組成，分別完成信息獲取、信息轉(zhuǎn)換、信息處理、信息傳送及信息執(zhí)行等功能。在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的過程中，信息的獲取與轉(zhuǎn)換是極其重要的組成環(huán)節(jié)，只有精確及時(shí)地將被控對象的各項(xiàng)參數(shù)檢測出來并轉(zhuǎn)換成易于傳送和處理的信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)才能正常地工作。因此，自動(dòng)檢測與轉(zhuǎn)換是

5、自動(dòng)化技術(shù)中不可缺少的組成部分。檢測系統(tǒng)或檢測裝置目前正迅速地由模擬式、數(shù)字式向智能化方向發(fā)展。帶有微處理機(jī)的各種智能化儀表已經(jīng)出現(xiàn)，這類儀表選用微處理機(jī)做控制單元，利用計(jì)算機(jī)可編程的特點(diǎn)，使儀表內(nèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)自動(dòng)地協(xié)調(diào)工作，并且具有數(shù)據(jù)處理和故障診斷功能，成為一代嶄新儀表，把檢測技術(shù)自動(dòng)化推進(jìn)到一個(gè)新水平。 1.2傳感器介紹 傳感器是獲取被測量信息的元件，其質(zhì)量和性能的好壞直接影響到測量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確度，衡量其質(zhì)量的特性有許多，主要包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面。當(dāng)被測量不隨時(shí)間變化或變化很慢時(shí)，可以認(rèn)為輸入量和輸出量都和時(shí)間無關(guān)。表示它們之間關(guān)系的是一個(gè)不含時(shí)間變量的代數(shù)方程，在這種關(guān)系的基礎(chǔ)上

6、確定的性能參數(shù)為靜態(tài)特性；當(dāng)被測量隨時(shí)間變化很快時(shí)，就必須考慮輸人量和輸出量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。這時(shí)，表示它們之間關(guān)系的是一個(gè)含有時(shí)間變量的微分方程，與被測量相對應(yīng)的輸出響應(yīng)特性稱為動(dòng)態(tài)特性。 位移傳感器主要有以下幾種：電容式位移傳達(dá)室感器、差動(dòng)式電感受式位移傳感器和電阻應(yīng)變式位移傳感器一般用于小位移的測量（幾微米至毫米）；差動(dòng)變壓器用于中等位移的測量，這種傳感在工業(yè)測量中應(yīng)用得最多；電阻電位器式傳感器適用于較大范圍位移的測量，但精度高；感應(yīng)同步器、光柵、磁柵、激光位移傳感器等用于精密檢測系統(tǒng)的位移的測量，測量精度高（可達(dá)1pm )量程也可大到幾米。 電容式位移傳感器根據(jù)被測物體的位移變化轉(zhuǎn)換為電

7、容變化的一種傳感器，一般用于高頻振動(dòng)微小位移的測量，與電位式、電感式等多種位移傳感器相比，它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單；能實(shí)現(xiàn)非接觸測量，只要極小的輸入力就能使支極板移動(dòng)，并且在移動(dòng)過程中沒有摩擦和反作用力；靈敏度高、分辨力強(qiáng)，能敏感±0.01um甚至更小的位移；動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；能在惡劣環(huán)境中（高、低溫，各種形式的輻射等）工作。但它也存在著一些缺點(diǎn)，主要是輸出特性的非線性和對絕緣電阻要求比較高，為了克服寄生電容的影響，降低電容的內(nèi)阻，要求對傳感器及輸出導(dǎo)線采取屏蔽措施和采用較高的電源頻率等。 光柵是一種新型的位移檢測元件，是把位移變?yōu)閿?shù)字量的位移-數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置。它主要用于高精度直線位移和角位移的

8、數(shù)字檢測系統(tǒng)。其測量精確度高（可達(dá)1um）光柵傳感器具有抗電磁干擾、耐久性好、準(zhǔn)分布式傳感、絕對測量、尺寸小、靈敏度高、精度高、頻帶寬、信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，是結(jié)構(gòu)局部健康監(jiān)測最理想的智能傳感元件之一，可以直接或間接（通過某種封裝或靈巧裝置）監(jiān)測應(yīng)變、溫度、裂縫、位移、振動(dòng)、腐蝕、應(yīng)力等物理量，部分取代傳統(tǒng)的測試手段，廣泛用于土木工程、航空航天工業(yè)、船舶工業(yè)、電力工業(yè)、石油化工、核工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。 電感式位移傳感器是把被測移量轉(zhuǎn)換為線圈的自感或互感的變化，從而實(shí)現(xiàn)位移的測量的一類傳感器。它具有靈敏度高、分辨力大，能測出±0.1um甚至更小的線性位移變化和0.1度的角位移,輸出信號(hào)比較大,

9、電壓靈敏度一般每毫米可達(dá)幾百毫伏,因此有利于信號(hào)的傳輸.測量范圍為±25um-50mm,測量精度與電容式位移傳達(dá)室感器差不多,但是它的頻率響應(yīng)較低,不宜于高頻動(dòng)態(tài)測量。 1.3研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題： 該智能電感測微儀的硬件電路主要包括電感式傳感器、正弦波振蕩器、放大器、相敏檢波器及單片機(jī)系統(tǒng)。正弦波振蕩器為電感式傳感器和相敏檢波器提供了頻率和幅值穩(wěn)定的激勵(lì)電壓，正弦波振蕩器輸出的信號(hào)加到測量頭中。工件的微小位移經(jīng)電感式傳感器的測頭帶動(dòng)兩線圈內(nèi)銜鐵移動(dòng)，使兩線圈內(nèi)的電感量發(fā)生相對的變化。當(dāng)銜鐵處于兩線圈的中間位置時(shí)，兩線圈的電感量相等，電橋平衡。當(dāng)測頭帶動(dòng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí)，若

10、上線圈的電感量增加，下線圈的電感量則減少；若上線圈的電感量減少，下線圈的電感量則增加。交流阻抗相應(yīng)地變化，電橋失去平衡從而輸出了一個(gè)幅值與位移成正比，頻率與振蕩器頻率相同，相位與位移方向相對應(yīng)的調(diào)制信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)放大，由相敏檢波器鑒出極性，得到一個(gè)與銜鐵位移相對應(yīng)的直流電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器輸入到單片機(jī)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理進(jìn)行顯示。電感式傳感器測位移時(shí)，由于線圈中的電流不為零，因而銜鐵始終承受電磁吸力，會(huì)引起附加誤差，而且非線性誤差較大；另外，外界的干擾(如電源電壓頻率的變化，溫度的變化)也會(huì)使輸出產(chǎn)生誤差。所以在實(shí)際工作中常采用差動(dòng)形式，這樣既可以提高傳感器的靈敏度，又可以減小測量誤差。兩個(gè)完全

11、相同的單個(gè)線圈的電感式傳感器共用一個(gè)活動(dòng)銜鐵就構(gòu)成了差動(dòng)式電感傳感器。采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等也基本上可以相互抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。零點(diǎn)殘余電壓也是反映差動(dòng)變壓器式傳感器性能的重要指標(biāo)。理想情況是在零點(diǎn)時(shí)，兩個(gè)次級線圈感應(yīng)電壓大小相等方向相反，差動(dòng)輸出電壓為零實(shí)際情況是兩組次級線圈的不對稱鐵心的B-H曲線的非線性，以及激勵(lì)電源存在的高次諧波等因素引起零點(diǎn)處U0知。其數(shù)值約為零點(diǎn)幾毫伏，有時(shí)甚至可達(dá)幾十毫伏，并且無論怎樣調(diào)節(jié)銜鐵的位置均無法消除。零點(diǎn)殘余電壓的存在，使傳感器的靈敏度降低，分辨率變差和測量

12、誤差增大。克服辦法主要是提高次級兩繞組的對稱性(包括結(jié)構(gòu)和匝數(shù)等)，另外輸出端用相敏檢測和采用電路補(bǔ)償方法，可以減小零點(diǎn)殘余電壓影響。 2整體的方框圖與工作原理 電感式位移傳感器元件由靜止的螺管線圈和可在線圈上移動(dòng)的銜鐵測頭組成,它依據(jù)電磁感應(yīng)原理工作.當(dāng)線圈由高頻電源驅(qū)動(dòng)時(shí),其兩路引出端將輸出兩個(gè)感應(yīng)電勢,這些信號(hào)經(jīng)信號(hào)檢出電路綜合后,形成在幅值及相位上隨測頭位置而變的電壓信號(hào),代表了位移量的大小和方向.此信號(hào)再經(jīng)放大、濾波及整形等初步調(diào)理后，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字量送入微控制器。微控制器對它進(jìn)行信號(hào)處理、存儲(chǔ)以及顯示，獲得較高精度的測量結(jié)果，然后按系統(tǒng)組成態(tài)設(shè)定的輸出方式，以要求的

13、信號(hào)形式將測量結(jié)果輸出。系統(tǒng)的整體方框圖如圖1所示。 帶通放大相敏檢波變壓器電橋測頭信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換 正弦波發(fā)生器單片機(jī)顯示器 圖1系統(tǒng)的整體方框圖 3各個(gè)單元電路的設(shè)計(jì) 31 8051單片機(jī)簡介 目前，8051單片機(jī)在工業(yè)檢測領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，因此我們可以在許多單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中，配接各種類型的語音接口，構(gòu)成具有合成語音輸出能力的綜合應(yīng)用系統(tǒng)，以增強(qiáng)人機(jī)對話的功能。89C51是Intel公司生產(chǎn)的一種單片機(jī)，在一小塊芯片上集成了一個(gè)微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)組成部分。每一個(gè)單片機(jī)包括：一個(gè)8位的微型處理器CPU；一個(gè)256K的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM；片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM；四個(gè)8位并行的I/O接口P0-

14、P3，每個(gè)接口既可以輸入，也可以輸出；兩個(gè)定時(shí)器/記數(shù)器；五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個(gè)全雙工UART的串行I/O口；片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高允許振蕩頻率是12MHZ。以上各個(gè)部分通過內(nèi)部總線相連接。下面簡單介紹下其各個(gè)部分的功能。 中央處理器CPU是單片微型計(jì)算機(jī)的指揮、執(zhí)行中心，由它讀人用戶程序，并逐條執(zhí) 行指令，它是由8位算術(shù)邏輯運(yùn)算部件(簡稱ALu)、定時(shí)控制部件，若干寄存器A、B、 B5w、5P以及16位程序計(jì)數(shù)器(Pc)和數(shù)據(jù)指針寄存器(DM)等主要部件組成。算術(shù)邏輯單元的硬件結(jié)構(gòu)與典型微型機(jī)相似。它具有對8位信息進(jìn)行+、-、x、/ 四則運(yùn)算和邏

15、輯與、或、異或、取反、清“0”等運(yùn)算，并具有判跳、轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)傳送等功能，此外還提供存放中間結(jié)果及常用數(shù)據(jù)寄存器。控制器部件是由指令寄存器、程序計(jì)數(shù)器Pc、定時(shí)與控制電路等組成的。指令寄存器中存放指令代碼。枷執(zhí)行指令時(shí)，從程序存儲(chǔ)器中取來經(jīng)譯碼器譯碼后，根據(jù)不同指令由定時(shí)與控制電路發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，送到存儲(chǔ)器、運(yùn)算器或Io接口電路，完成指令功能。程序計(jì)數(shù)器Pc 程序計(jì)數(shù)器Pc用來存放下一條將要執(zhí)行的指令，共16位可對以K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器直接尋址c指令執(zhí)行結(jié)束后，Pc計(jì)數(shù)器自動(dòng)增加，指向下一條要執(zhí)行的指令地址。 CPU功能，總的來說是以不同的方式，執(zhí)行各種指令。不同的指令其功自略異。有的指令涉及

16、到枷各寄存器之間的關(guān)系；有的指令涉及到單片機(jī)核心電路內(nèi)部各功能部件的關(guān) 系；有的則與外部器件如外部程序存儲(chǔ)器發(fā)生聯(lián)系。事實(shí)上，cRJ是通過復(fù)雜的時(shí)序電路完 成不同的指令功能。所謂cRJ的時(shí)序是指控制器控照指今功能發(fā)出一系列在時(shí)間上有一定 次序的信號(hào)，控制和啟動(dòng)一部分邏輯電路，完成某種操作。 一時(shí)序 1 時(shí)鐘電路 8051片內(nèi)設(shè)有一個(gè)由反向放大器所構(gòu)成的振蕩電路，XTALI和XTAL2分別為振蕩電路的輸入端和輸出端。時(shí)鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。采用內(nèi)部方式時(shí)，在C1和C2引腳上接石英晶體和微調(diào)電容可以構(gòu)成振蕩器， 振蕩頻率的選擇范圍為1212MHZ在使用外部時(shí)鐘時(shí)，XTAL2用來輸入外

17、部時(shí)鐘信號(hào)，而XTALI接地。 2 時(shí)序 MGL5l單片機(jī)的一個(gè)執(zhí)器周期由6個(gè)狀態(tài)(s1s6)組成，每個(gè)狀態(tài)又持續(xù)2個(gè)接蕩周期，分為P1和P2兩個(gè)節(jié)拍。這樣，一個(gè)機(jī)器周期由12個(gè)振蕩周期組成。若采用12MHz的晶體振蕩器，則每個(gè)機(jī)器周期為1us，每個(gè)狀態(tài)周期為16us；在一數(shù)情況下，算術(shù)和邏輯操作發(fā)生在N期間，而內(nèi)部寄存器到寄存器的傳輸發(fā)生在P2期間。對于單周期指令，當(dāng)指令操作碼讀人指令寄存器時(shí)，使從S1P2開始執(zhí)行指令。如果是雙字節(jié)指令，則在同一機(jī)器周期的s4讀人第二字節(jié)。若為單字節(jié)指令，則在51期間仍進(jìn)行讀，但所讀入的字節(jié)操作碼被忽略，且程序計(jì)數(shù)據(jù)也不加1。在加結(jié)束時(shí)完成指令操作。多數(shù)Mc

18、s51指令周期為12個(gè)機(jī)器周期，只有乘法和除法指令需要兩個(gè)以上機(jī)器周期的指令，它們需4個(gè)機(jī)器周期。 對于雙字節(jié)單機(jī)器指令，通常是在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)從程序存儲(chǔ)器中讀人兩個(gè)字節(jié)，但Movx指令例外，Movx指令是訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的單字節(jié)雙機(jī)器周期指令，在執(zhí)行Movx指令期間，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器被訪問且被選通時(shí)跳過兩次取指操作。 二引腳極其功能 MCS51系列單片機(jī)的40個(gè)引腳中有2個(gè)專用于主電源引腳，2個(gè)外接晶振的引腳，4個(gè)控制或與其它電源復(fù)用的引腳，以及32條輸入輸出I/O引腳。 下面按引腳功能分為4個(gè)部分?jǐn)⑹鰝€(gè)引腳的功能。 1、電源引腳Vcc和Vss Vcc（40腳）：接+5V電源正端； Vss（

19、20腳）：接+5V電源正端。 2、外接晶振引腳XTAL1和XTAL2 XTAL1（19腳）：接外部石英晶體的一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成采用外部時(shí)鐘時(shí)，對于HMOS單片機(jī)，該引腳接地；對于CHOMS單片機(jī)，該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。 XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，接至片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)，對于HMOS單片機(jī)，該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。對于CHMOS芯片，該引腳懸空不接。 3、控制信號(hào)或與其它電源復(fù)用引腳 控制信號(hào)或與其它電源復(fù)用引腳有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4種形式。

20、 （A）RST/VPD（9腳）：RST即為RESET，VPD為備用電源，所以該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。當(dāng)單片機(jī)振蕩器工作時(shí)，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，使單片機(jī)復(fù)位到初始狀態(tài)。 當(dāng)VCC發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值或掉電時(shí)，該引腳可接上備用電源VPD（+5V）為內(nèi)部RAM供電，以保證RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。 （B）ALE/ P （30腳）：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（允許地址鎖存信號(hào)）以每機(jī)器周期兩次的信號(hào)輸出，用于鎖存出現(xiàn)在P0口的低 （C）PSEN(29腳):片外程序存儲(chǔ)器讀選通輸出端,低電平有效。當(dāng)從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令或常數(shù)期間，每個(gè)機(jī)器周期PE

21、SN兩次有效，以通過數(shù)據(jù)總線口讀回指令或常數(shù)。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間，PESN信號(hào)將不出現(xiàn)。 （D）EA/Vpp（31腳）：EA為訪問外部程序儲(chǔ)器控制信號(hào)，低電平有效。當(dāng)EA端保持高 電平時(shí)，單片機(jī)訪問片內(nèi)程序存儲(chǔ)器4KB（MS52子系列為8KB）。若超出該范圍時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的程序。當(dāng)EA端保持低電平時(shí)，無論片內(nèi)有無程序存儲(chǔ)器，均只訪問外部程序存儲(chǔ)器。對于片內(nèi)含有EPROM的單片機(jī)，在EPROM編程期間，該引腳用于接21V的編程電源Vpp。 4.輸入/輸出（I/O）引腳P0口、P1口、P2口及P3口 (A).P0口（39腳22腳）：P0.0P0.7統(tǒng)稱為P0口。當(dāng)不接外部存儲(chǔ)

22、器與不擴(kuò)展I/O接口時(shí)，它可作為準(zhǔn)雙向8位輸入/輸出接口。當(dāng)接有外部程序存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O口時(shí)，P0口為地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用口。它分時(shí)提供8位雙向數(shù)據(jù)總線。 對于片內(nèi)含有EPROM的單片機(jī)，當(dāng)EPROM編程時(shí)，從P0口輸入指令字節(jié)，而當(dāng)檢驗(yàn)程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。 (B).P1口（1腳8腳）：P1.0P1.7統(tǒng)稱為P1口，可作為準(zhǔn)雙向I/O接口使用。對于MCS52子系列單片機(jī)，P1.0和P1.1還有第2功能：P1.0口用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)脈沖輸入端T2；P1.1用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部控制端T2EX。對于EPROM編程和進(jìn)行程序校驗(yàn)時(shí)，P0口接收輸入的低8位地址。 (C).P2口（21腳

23、28腳）：P2.0P2.7統(tǒng)稱為P2口，一般可作為準(zhǔn)雙向I/O接口。當(dāng)接有外部程序存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O接口且尋址范圍超過256個(gè)字節(jié)時(shí)，P2口用于高8位地址總線送出高8位地址。對于EPROM編程和進(jìn)行程序校驗(yàn)時(shí)，P2口接收輸入的8位地址。 (D).P3口（10腳17腳）：P3.0P3.7統(tǒng)稱為P3口。它為雙功能口，可以作為一般的準(zhǔn)雙向I/O接口，也可以將每1位用于第2功能，而且P3口的每一條引腳均可獨(dú)立定義為第1功能的輸入輸出或第2功能。P3口的第2功能見下表 單片機(jī)P3.0管腳含義 引腳第2功能 P3.0 RXD（串行口輸入端0） P3.1 TXD（串行口輸出端） P3.2 INT0（部中斷0

24、請求輸入端，低電平有效）P3.3 INT1（中斷1請求輸入端，低電平有效） P3.4 T0（時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖端）P3.5 T1（時(shí)器/計(jì)數(shù)器1數(shù)脈沖端） P3.6 WR（部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)輸出端，低電平有效） P3.7 RD（部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效） 綜上所述，MCS51系列單片機(jī)的引腳作用可歸納為以下兩點(diǎn)： 1).單片機(jī)功能多，引腳數(shù)少，因而許多引腳具有第2功能； 2) .單片機(jī)對外呈3總線形式，由P2、P0口組成16位地址總線；由P0口分時(shí)復(fù)用作為數(shù)據(jù)總線。 3.2電感式位移傳感器的基本原理 根據(jù) 磁 路 的基本知識(shí)，線圈的自感可按下式計(jì)算 L=N2/Rm 其中

25、N 線圈的匝數(shù) ,Rm - 磁路總磁阻數(shù),在氣隙厚度較小的情況下，可以認(rèn)為磁場是均勻的，其中L為線圈自感，N為各 段 導(dǎo) 磁體的磁導(dǎo)率線圈的電感跟氣隙厚度、氣隙的面積、導(dǎo)磁體的長度等有關(guān)。根據(jù)改變空氣隙的厚度、空氣隙的面積、磁體的長度來實(shí)現(xiàn)電感的變化，從而實(shí)現(xiàn)測量的作原理，自感式電感傳感器可分為氣隙型、截面型、螺管型。 氣隙型傳感器靈敏度高，對后續(xù)測量電路的放大倍數(shù)要求低，它的缺點(diǎn)是非線性嚴(yán)重，為了限制非線性，示值范圍只能較小，由于銜鐵在運(yùn)動(dòng)方向上受鐵心的限制，故自由行程小。截面型具有較好的線性，自由行程較大，制造裝配比較方便，但靈敏度較低。螺管型則結(jié)構(gòu)簡單，制造裝配容易:由于空氣隙大，磁路的

26、磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大;此外，螺管型還具有自由行程可任意安排、制造方便等優(yōu)點(diǎn)，在批量生產(chǎn)中的互換性較好，這給測量儀器的裝配、調(diào)試、使用帶來很大的方便，尤其在使用多個(gè)測微儀組合測量形狀的時(shí)候。因?yàn)槁莨苄偷倪@些優(yōu)點(diǎn)，所以我們采用螺管型差動(dòng)式電感測頭。 圖為螺管型電感式傳感器的結(jié)構(gòu)圖。螺管型電感傳感器的銜鐵隨被測對象移動(dòng)，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關(guān)。 設(shè)線圈長度為l、線圈的平均半徑為r、線圈的匝數(shù)為N、銜鐵進(jìn)入線圈的長度la、銜鐵的半徑為ra、鐵心的有效磁導(dǎo)率為m，則線圈的電感量L與銜鐵進(jìn)入線圈的長度la的關(guān)系可表示為

27、 交流電橋是電感式傳感器的主要測量電路，它的作用是將線圈電感的變化轉(zhuǎn)換成電橋電路的電壓或電流輸出。 前面已提到差動(dòng)式結(jié)構(gòu)可以提高靈敏度，改善線性，所以交流電橋也多采用雙臂工作形式。通常將傳感器作為電橋的兩個(gè)工作臂，電橋的平衡臂可以是純電阻，也可以是變壓器的二次側(cè)繞組或緊耦合電感線圈。圖二是交流電橋的幾種常用形式如圖3所示。 電阻平衡臂電橋如圖二a所示。Z1、Z2為傳感器阻抗。高;L1=L2=L;則有Z1=Z2=Z=R+jwL,另有R1=R2=R。由于電橋工作臂是差動(dòng)形式，則在工作時(shí)，Z1=Z+Z和Z2=ZZ，當(dāng)ZL時(shí)，電橋的輸出電壓為 3.3電感測頭的結(jié)構(gòu) 圖三是軸向式電感測頭的結(jié)構(gòu)圖。測頭1

28、0用螺釘寧在測桿8上，測桿8可在鋼球?qū)к?上作軸向運(yùn)動(dòng)。測桿上端固定在銜鐵3.線圈4放在圓筒形磁心2中，兩線圈差動(dòng)使用，當(dāng)銜鐵過零點(diǎn)上移時(shí)，上線圈電感增加，下線圈電感量減少，兩線圈輸出由引線1接至測量電路。測量時(shí)，測頭10與被測物體接觸，當(dāng)被測物體有微小位移時(shí)，側(cè)頭帶動(dòng)測桿8帶動(dòng)銜鐵3 在電感圈4中移動(dòng)，使線圈電感值變化，通過引線接入測量電路。彈簧5 產(chǎn)生的力，保證測頭與被測物體有效地接觸。防轉(zhuǎn)銷6限制測桿轉(zhuǎn)動(dòng)，密封套9防止灰塵進(jìn)入傳感器內(nèi)部。圖4電感測頭結(jié)構(gòu)圖3.4正弦波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)我設(shè)計(jì)及測試系統(tǒng)時(shí)，很多時(shí)候需要正弦波信號(hào)。在電感式位移傳感測量電路中，我需要一個(gè)頻率和幅值都穩(wěn)定的電路，否

29、則會(huì)造成測量部穩(wěn)定及很大的誤差。正弦波作為變壓器的橋源，其精度對電橋的輸出信號(hào)影響極大，對于其幅值和頻率的穩(wěn)定性都有很高的要求。由于傳感器的工作環(huán)境通常比較惡劣，竄入電源的隨機(jī)干擾不可避免，因此在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)該具有自動(dòng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)。由差動(dòng)電感傳感器的幅頻特性可知，傳感器的頻率選在平坦區(qū)域偏高點(diǎn)（提高靈敏度），頻率波動(dòng)將有可能改變傳感器的工作點(diǎn)，引起幅值的變化。而圖2.16傳感器的幅頻特性另一面，電路總體設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)峰一峰采樣，即采樣頻率和模擬信號(hào)頻率應(yīng)保持嚴(yán)格的兩倍關(guān)系，這兩個(gè)信號(hào)頻率都由標(biāo)準(zhǔn)振蕩電路給出。顯然，任一個(gè)信號(hào)頻率的波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致采不到峰值，帶來的測量誤差是很大的，所以對信號(hào)源頻率的要求

30、特點(diǎn)是單一穩(wěn)定。對于頻率單一穩(wěn)定的信號(hào)發(fā)生，最理想的事石英晶體振蕩器，石英的物理特性十分穩(wěn)定，而且品質(zhì)因數(shù)高，選頻特性好，波形失真小，在的范圍內(nèi)氣頻率的穩(wěn)定度可以達(dá)到所以電路采用了由石英晶振和MC14060分頻器構(gòu)成信號(hào)源，石英晶體振蕩器產(chǎn)生2.4567MHZ的穩(wěn)定方波信號(hào)和采樣的觸發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)峰-峰值采樣以及作為進(jìn)入I/O作為讀取波峰、波谷的參考信號(hào)。正弦波信號(hào)的幅值將直接影響傳感器的輸出，為保證正弦波信號(hào)幅值的穩(wěn)定性，在電路設(shè)計(jì)上采用了穩(wěn)幅電路進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。穩(wěn)幅電路的基本思路是將輸出的變化量取出，補(bǔ)償?shù)捷斎攵恕．?dāng)輸出增大時(shí)，補(bǔ)償?shù)淖饔檬秦?fù)反饋，使輸入信號(hào)被減少，當(dāng)輸出減少時(shí)，補(bǔ)償?shù)淖饔檬馆敵?/p>

31、信號(hào)增大，從而保持輸出不變。在實(shí)際的測試電路中，主要有直流比較（如圖6所示）和交流比較（如圖7所示）兩種典型電路。在圖5所示的直流比較電路中，輸出信號(hào)經(jīng)衰減和精密整流之后，與標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)進(jìn)行比較，誤差值經(jīng)放大后去控制乘法器的放大增益，從而改變放大電路的輸入幅值，使輸出穩(wěn)定。這種電路由于有積分環(huán)節(jié)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與輸出有偏差時(shí)，通過積分最后消除輸出誤差，所以直流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與交流輸出之間的線性極好，其缺點(diǎn)是對積分放大環(huán)節(jié)引起的波形失真沒有補(bǔ)償。在圖六所示的交流比較電路中，輸出的交流信號(hào)衰減后與給定的標(biāo)準(zhǔn)交流信號(hào)進(jìn)行比較，誤差直接交流放大后與標(biāo)準(zhǔn)交流信號(hào)相加減，從而穩(wěn)定輸出。這種電路線路相對比較簡單，由于

32、是交流瞬時(shí)值的比較，還可補(bǔ)償功率放大的波形失真，缺點(diǎn)是：標(biāo)準(zhǔn)交流信號(hào)與交流輸出信號(hào)之間有靜差，因此線性比較差。為保證正弦波的精度，我們選擇直流比較電路來提高波形精度。3.5零點(diǎn)殘余電壓的調(diào)整對于變壓器電橋，從理論來說，當(dāng)Z1=Z2時(shí)，電橋平衡，輸出電壓為零，但實(shí)際制作時(shí)要滿足兩電感線圈的等效參數(shù)完全相等是很難達(dá)到的，因此，即便是銜鐵位于平衡位置時(shí)，任然存在有一定的電壓輸出，稱為零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢的存在，使得傳感器的輸出特性在零點(diǎn)附近不靈敏，也對傳感器的線性度有一定的影響，給測量帶來誤差，此值的大小是衡量差動(dòng)表壓器性能好壞的重要指標(biāo)。所以在對變壓器電橋的設(shè)計(jì)和制作時(shí)有必要采用一定的措施

33、。差動(dòng)變壓器的輸出特性曲線如圖八所示，圖中E21、E22分別為兩個(gè)二次繞組的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢，E2為差動(dòng)輸出電動(dòng)勢x表示銜鐵偏離中心位置的距離。其中E2的實(shí)線表示理想的輸出特性，而虛線部分表示實(shí)際的輸出特性。E0為零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢，這是由于差動(dòng)變壓器制作上的不對稱以及鐵心位置等因素所贊成的。為減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢可采取以下方法：1、 盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路的對稱。磁性材料要經(jīng)過處理，消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能均勻穩(wěn)定。2、 選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路。即可判別銜鐵移動(dòng)方向雙可改善輸出特性，減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢。3、 采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢。在差動(dòng)變壓器二次側(cè)

34、串、并聯(lián)適當(dāng)數(shù)值的電阻電容元件，當(dāng)調(diào)整這些元件時(shí)，可使零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢減小。3.6交流放大電容在許多需要A/D轉(zhuǎn)換盒數(shù)字采集的單片機(jī)系統(tǒng)中，很多情況下，傳感器輸出的模擬信號(hào)都很微弱，必須通過一個(gè)模擬放大器對其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D專函其對輸入信號(hào)電平的要求，這種情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。儀表器的選型很多，我這里介紹一種用途非常廣泛的儀表放大器，其實(shí)就是典型的差動(dòng)放大器。它只需要三個(gè)廉價(jià)的普通運(yùn)算放大器和幾只電阻器，即可構(gòu)成性能優(yōu)越的儀表用放大器。交流放大電路的誤差主要由于集成運(yùn)放的輸入偏置電流、失調(diào)電流和失調(diào)電壓以及溫漂等參數(shù)不為零，電阻器阻值隨溫度的變化，外部電網(wǎng)電壓

35、、溫度和負(fù)載電流的選擇運(yùn)放和電阻器，合理地進(jìn)行布線和安裝元器件，對運(yùn)放仔細(xì)調(diào)零等。3.7相敏檢波電路在精密測量中，進(jìn)行測量電路的除了傳感器輸出的測量信號(hào)外，還往往有各種噪音。而傳感器的輸出信號(hào)一般又很微弱，將測量信號(hào)從耗油噪音的信號(hào)中分離出來是測量電路的一項(xiàng)重要任務(wù)。為了便于區(qū)別信號(hào)和噪聲，往往給測量信號(hào)賦以一定特征，這就是調(diào)制的主要功用。在將測量信號(hào)調(diào)制，并將它和噪聲分離，再經(jīng)放大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)中提取放映被測量值的測量信號(hào)，這一過程稱為解調(diào)。通過調(diào)制，對測量信號(hào)賦以一定的特征，使已調(diào)信號(hào)的頻帶在以載波信號(hào)頻率為中心的很窄的的范圍內(nèi)，而噪聲含有各種頻率，即近乎于白噪聲。這時(shí)可以

36、利用選頻放大器、濾波器等，只讓以載波頻率為中心的一個(gè)很窄的頻帶內(nèi)的信號(hào)通過，就可以有效地抑制噪聲。采用載波頻率作為參考信號(hào)進(jìn)行比較，也可抑制遠(yuǎn)離參考頻率的各種噪聲。圖11是一個(gè)采用了帶相敏整流的交流電橋。差動(dòng)電感式傳感器的兩個(gè)線圈作為交流電橋相鄰的兩個(gè)工作臂，指示儀表是中心為零刻度的直流電壓表或數(shù)字電壓表。設(shè)差動(dòng)電感傳感器的線圈阻抗分別為Z1和Z2。當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，Z1=Z2=Z,電橋處于平衡狀態(tài)，C點(diǎn)電位等于D點(diǎn)地位，電表指示為零。當(dāng)銜鐵上移，上部線圈阻抗增大，Z1=Z+Z。如果輸入交流電壓為正半周，則A點(diǎn)電位為正，B點(diǎn)為負(fù)，二極管V1V4導(dǎo)通，V2V3截止。在A-E-C-B支路中，C

37、點(diǎn)電位由于Z1增大而比平衡時(shí)D點(diǎn)的電位增高，所以D點(diǎn)電位高于C點(diǎn)電位，直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)。同樣可以得出結(jié)果：當(dāng)銜鐵下移時(shí)，電壓表總是反向偏轉(zhuǎn)，輸出為負(fù)。可見采用帶相敏整流的交流電橋，輸出信號(hào)既能反映位移大小又能反映位移的方向。3.8 A/D轉(zhuǎn)換及顯示電路在測量出信號(hào)之后送入單片機(jī)時(shí)要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器是測控系統(tǒng)中將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的重要器件。A/D轉(zhuǎn)換的技術(shù)主要有：計(jì)數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換；逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換; 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換；并進(jìn)行A/D、串/行A/D轉(zhuǎn)換及V/F變換等。在這些轉(zhuǎn)換中，主要區(qū)別是速度、精度和價(jià)格。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有分變率、量程、精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間。分辨率它

38、是表示轉(zhuǎn)換器對微小輸入量變化的敏感程度，通常用轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)來表示，目前常用芯片有8位、10位、12位、14位等。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指從發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令到轉(zhuǎn)換結(jié)束獲得整個(gè)數(shù)字信號(hào)為止在程序控制下對任意通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)只有一路信號(hào)輸入，因此地址A、B、C直接接地ADC0809外部引腳示于圖12，其引腳功能為：IN7 IN 0:8路模擬量輸入端，在多路開關(guān)控制下，任一時(shí)刻只能有一路模擬量實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。A、 B、C：多路開關(guān)地址選擇輸入端，當(dāng)取值000111時(shí)與A/D轉(zhuǎn)換對應(yīng)的通道為IN0IN7。ALE：地址鎖存輸入線，該信號(hào)的上升沿可將地址選擇信號(hào)A、B、C鎖入地址寄存器。START:啟動(dòng)轉(zhuǎn)換輸入線，其上升沿用以清除A/D內(nèi)部寄存器，其下降沿用以啟動(dòng)內(nèi)部控制邏輯，開始A/D轉(zhuǎn)換工作。EOC：轉(zhuǎn)換完畢輸出線，其上出現(xiàn)高電平時(shí)表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。(D7D0):為8位數(shù)據(jù)輸出端，可直接接入微型機(jī)的數(shù)據(jù)總路線。OE:允許輸出控制端，高電平有效。低電平時(shí)，數(shù)據(jù)輸出端為高阻態(tài)；高電平時(shí)，將A/D轉(zhuǎn)換后幕的8位數(shù)據(jù)送出。CLOCK：轉(zhuǎn)換定時(shí)脈沖輸入端。它的頻率決定了A/D轉(zhuǎn)換