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基于单片机的LVDT位移测量传感器设计说明书.doc

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.49M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    之江学院 基于单片机的LVDT位移测量传感器 设 计 说 明 书 项目类型： 测试技术课程设计 指导老师： 朱根兴 作 班 者： 张建中 级： 机自 401 联系电话： 13989466*** 电子信箱： zjz012@126.com （2007-7-23）
    《工程测试技术》课程设计 目录 第一章 总体方案设计………………………………………………3 1.1 设计目的 …………………………………………………………………4 1.2 总体方案设计 ……………………………………………………………4 第二章 硬件电路设计 ………………………………………………5 2.1 传感器的选择 ……………………………………………………………5 2.2 差动变压器传感器安装 …………………………………………………6 2.3 放大电路的设计 …………………………………………………………7 2.4 采集电路的设计 …………………………………………………………7 2.5 输入通道设计 ……………………………………………………………8 2.6 显示电路的设计 …………………………………………………………9 第三章 软件的设计 …………………………………………………10 3.1 数据处理子程序的设计 ………………………………………………10 3.2 数据采集子程序的设计 …………………………………………………10 3.3 数据显示子程序的设计 …………………………………………………11 3.4 地址空间的分配的设计…………………………………………………11 第四章 设计总结 ……………………………………………………12 参考文献 ……………………………………………………………13 附总电路图 …………………………………………………………13 附总程序 ……………………………………………………………13 2
    《工程测试技术》课程设计 随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子 测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。常规的测试仪器仪表和控制装置被更先 进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方 面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应 用工程的自动化程度得以显著提高。 本文设计的电子秤以单片机为主要部件，用汇编语言进行软件设计，硬件则以差动 变压器式(LVDT)位移传感器为主,测量 0～10mm。传感器输出的电量是模拟量，数值比较 小达不到 A/D 转换接收的电压范围。所以送 A/D 转换之前要对其进行前端放大、整形滤 波等处理。然后，A/D 转换的结果才能送单片机进行数据处理并显示。 第一章 总体方案设计 1.1 设计目的 差动变压器式(LVDT)位移传感器广泛应用于工业现场和测试领域，如过程检测和自 动控制、形变测量等，适用于油污、光照等恶劣环境。这种传感器可靠而耐用，但选用 它监控机械位移量，还需设计与传感器配套的测量装置 研制开发的位移测量装置适用于工业现场和多种测试领域。按照使用的要求，系统 可实现:有效量程10mm，精度0.0lmm; LED同时显示1-4路测量值;零点值重置等功能。 通过本次课程设计，达到以下三点： （1）.通过本次课程设计加深对差动变压 器电感传感器在工程实践中的应用的了解； （2）.掌握用这种传感器组成位移测量系 统的原理和方法； （3）.进一步掌握这种传感器的性能特点 和工程应用。 1.2 总体方案设计 本系统采用内含 4KB 程序存储器的 8 位单片微型计算机 89C51，其内部 4KB 程 序存贮器可以满足本系统的需求，同时可以 图 1.2.1 主程序流程图 较大限度地减少外围器件;按照有效量程和精度，本系统选用国内厂家的配套产品 3
    《工程测试技术》课程设计 AC-LVDT 传感器;使用四组(每组 5 个)LED 七段数码管同时显示四路测量值;用于过程控 制的信号采样应较快，应采用较高速的 A/D 转换器。主程序流程图、系统原理图分别如 图 1.2.1、图 1.2.2 所示。 图1.2.2 系统原理 第二章 硬件电路设计 2.1 传感器的工作原理 差动变压器由一只初级线圈和二只次 线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不 同，有二段式和三段式，本实验采用三段式 结构。当差动变压器随着被测体移动时差动 变压器的铁芯也随着轴向位移，从而使初级 线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使 次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应 电势增加，另一只感应电势则减少，将两只 次级反向串接（同名端连接），就引出差动电势输出。利用两个线圈之间互感的变化引 起感应电势的变化，来获得与被测量成一定函数关系的输出电压，实现非电量的测量。 应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量 1～100(mm)范围内的机械位移、150HZ 4
    《工程测试技术》课程设计 以下的低频振动、加速度、应变、比重、张力、厚度、称重等一、切能引起机械位移变 化的非电物理量。 本次差动变压器的原理是建立在 CSY2000 型传感器实训台的基础上的。差动变压器 电感传感器具有结构简单、性能优越、测量精度高、灵敏度高和价格合理等优点。 2.2、差动变压器传感器安装 1.将差动变压器和测微头(参照附：测微头使用)安装在实验模板的支架座上，如下图 2.2.1。 图 2.2.1 差动变压器传感器安装示意图 2、差动变压器的原理图已印刷在实验模板上，L1 为初级线圈；L2、L3 为次级线圈；＊号为同 名端。按图 2-3 接线，差动变压器的原边Ｌ１的激励电压必须从主机箱中音频振荡器的 Lv 端子引入， 检查接线无误后合上总电源开关，调节音频振荡器的频率为 4－5KHz（可用主机箱的频率表输入 Fin 来监测）；调节输出幅度峰峰值为 Vp-p＝2V（可用示波器监测：X 轴为 0.2ms/div）。 图 2.2.2 差动变压器性能实验安装、接线图 5
    《工程测试技术》课程设计 2.3 放大电路的设计 传感器输出电压为 0～50mV，而 A/D 转换器所能处理的电压是 0～5V，所以必须在 A/D 转换器前加入一个前置差动放大电路以实现电压的放大，放大倍数为 100 倍，使输 出电压为 0～5V。 由于单运放在应用中要求外围电路匹配精度高、增益调整不便、差动输入阻抗低， 故采用三运放结构。 三运放结构具有差动输入阻抗高、共膜抑制比高、偏置电流低等优点，且有良好的 温度稳定性，低噪单端输出和和增益调整方便，适于在传感器电路中应用。 如图 2-2 所示，图中 RG 为增益调节电阻，整个芯片仅 R5 为外接电阻，而运放 A1 为 增益为 100 的差动输入放大器。 电压的放大倍数：可由公式 得出 倍数。因此我们可以改变 R2 和 R1 的比值来改变放大倍数。 量程的确定：转动 20 圈 进给 10mm 电压变化 0.52V 灵敏度 S= U  d  = 52.0 V 5 mm =0.104V/mm…………………………(8) 根据电压得量程是 ＋1.7V ～－1.7V 可以由公式 8 得出距离 d 得量程是 ＋16.35mm～－16.35mm. 图 2.3.1 放大电路硬件原理图 2.4 采集电路的设计 2.4.1 数据采集系统的组成 6
    《工程测试技术》课程设计 数据采集系统的核心是计算机，他对整个系统进行控制和数据处理，他由采样/保 持器，放大器，A/D 转换器，计算机组成。 2.4.1 数据采样系统框图 2.4.2 数据采样保持器 进行模数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即 A/D 转换的孔径时间。当输入信号频率较高，由于孔径时间的存在，会造成较大的转换误差； 为了防止误差需在中间加一个功能器件采样/保持器，进行有效、正确的数据采集。 采样/保持器通常由保持电容器、模拟开关和运算放大器组成。采样保持器的原理： 如图 2.4.2，当开关闭合时，V1 通过限电流电阻向电容 C 充电，在电容值合理的情况下， V0 随 Vi 的变化而变化；当 K 断开时，由于电容 C 有一定的容量，此时输出 V0 保持输 入信号再开断开瞬间的电平值。 7 1 U2 6 输入 3 2 4 8 5 高阻输入 AD620 模拟开关 3 2 7 1 U3 6 4 8 5 AD620 C4 1u 输出 图 2.4.2 采样保持原理图 2.4.3 AD0809 的工作原理与连接 AD 转换器与 8031 单片机相连接，将 IN0 的输入模拟信号转换成数字信号。从而可 以输入 8031 进行下一步处理。采用逐位逼近式的 AD 转换器。其原理如下图： 7
    《工程测试技术》课程设计 反馈电压 比较 器 模拟量 输入 启动 转换器 数字量 输出锁 存器 控制时序和逻辑电路 逐位逼近寄 存器（ ） 图 2.4.3 AD0809 的原理图 当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下。首先是寄存器的最高位 D3=1 ， 其余为 0，此数字量 1000 经 D/A 转换器换成模拟量 8，送到比较器输入端与被转换地模 拟量进行比较控制逻辑根据比较器输出进行判断，当 Vin  Vo，则保留 D3=1,再对下一位 D2 进行比较，同样先使 D2＝1，与 D3 一起即 1100 进入 D/A 转换器，进行比较，以此进 行比较，到最后一位 D0。 时钟频率 欧 复位电路 2.5 输入通道设计 8031 单片机 ADC0809 转换器 位移 传感器 电路 转换器 单片机 显示 2.6 显示电路的设计 显示部分可以将处理得出的信号在显示器上显示，让人们直观的看到被测体的质量， 8
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