基于單片機(jī)的LVDT位移測量傳感器設(shè)計(jì)

0 引言

常規(guī)的測試儀器儀表和控制裝置被更先進(jìn)的智能儀器所取代，使得傳統(tǒng)的電子測量儀器在遠(yuǎn)離、功能、精度及自動化水平定方面發(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，用匯編語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，硬件則以差動變壓器式(LVDT)位移傳感器為主，測量0~10mm.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。

1 設(shè)計(jì)目的

差動變壓器式(LVDT)位移傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場和測試領(lǐng)域，如過程檢測和自動控制、形變測量等，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)與傳感器配套的測量裝置 研制開發(fā)的位移測量裝置適用于工業(yè)現(xiàn)場和多種測試領(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同時顯示1-4路測量值;零點(diǎn)值重置等功能。 通過本文夫人設(shè)計(jì)，達(dá)到以下三點(diǎn)：

(1)通過本次課程設(shè)計(jì)加深對差動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。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)采用內(nèi)含4KB程序存儲器的8位單片微型計(jì)算機(jī)89C51,其內(nèi)部4KB程 序存貯器可以滿足本系統(tǒng)的需求，同時可以較大限度地減少外圍器件;按照有效量程和精度，本系統(tǒng)選用國內(nèi)廠家的配套產(chǎn)品 AC-LVDT傳感器;使用四組(每組5個)LED七段數(shù)碼管同時顯示四路測量值;用于過程控制的信號采樣應(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、圖2所示。

圖1主程序流程圖

圖2系統(tǒng)原理圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1傳感器的工作原理

差動變壓器由一只初級線圈和二只次線圈及一個鐵芯組成，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)差動變壓器隨著被測體移動時差動變壓器的鐵芯也隨著軸向位移，從而使初級線圈和次級線圈之間的互感發(fā)生變化促使次級線圈感應(yīng)電勢產(chǎn)生變化，一只次級感應(yīng)電勢增加，另一只感應(yīng)電勢則減少，將兩只 次級反向串接(同名端連接)，就引出差動電勢輸出。利用兩個線圈之間互感的變化引起感應(yīng)電勢的變化，來獲得與被測量成一定函數(shù)關(guān)系的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)非電量的測量。應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1~100(mm)范圍內(nèi)的機(jī)械位移、150HZ

以下的低頻振動、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。

圖3測量原理框圖

本次差動變壓器的原理是建立在CSY2000型傳感器實(shí)訓(xùn)臺的基礎(chǔ)上的。差動變壓器電感傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越、測量精度高、靈敏度高和價格合理等優(yōu)點(diǎn)。

3.2差動變壓器傳感器安裝

(1)將差動變壓器和測微頭(參照附：測微頭使用)安裝在實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓闹Ъ茏?，如下圖4所示。

圖4差動變壓器傳感器安裝示意圖

(2)差動變壓器的原理圖已印刷在實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳?，L1為初級線圈;L2、L3為次級線圈;*號為同名端。按圖2-3接線，差動變壓器的原邊L1的激勵電壓必須從主機(jī)箱中音頻振蕩器的Lv端子引入，檢查接線無誤后合上總電源開關(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率為4-5KHz(可用主機(jī)箱的頻率表輸入Fin來監(jiān)測);調(diào)節(jié)輸出幅度峰峰值為Vp-p=2V(可用示波器監(jiān)測：X軸為0.2ms/div)。

圖5差動變壓器性能實(shí)驗(yàn)安裝、接線圖

3.3放大電路的設(shè)計(jì)

傳感器輸出電壓為0~50mV,而A/D轉(zhuǎn)換器所能處理的電壓是0~5V,所以必須在A/D轉(zhuǎn)換器前加入一個前置差動放大電路以實(shí)現(xiàn)電壓的放大，放大倍數(shù)為100倍，使輸出電壓為0~5V. 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6所示，圖中 RG為增益調(diào)節(jié)電阻，整個芯片僅R5為外接電阻，而運(yùn)放A1 為增益為100的差動輸入放大器。

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R2和 R1的比值來改變放大倍數(shù)。

量程的確定：轉(zhuǎn)動20圈 進(jìn)給10mm 電壓變化 0.52V

靈敏度：

根據(jù)電壓得量程是 +1.7V ~-1.7V 可以由上面公式得出距離d得量程是 +16.35mm~-16.35mm.[!--empirenews.page--]

圖6放大電路硬件原理圖

3.4采集電路的設(shè)計(jì)

(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)，他對整個系統(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。

圖7數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)框圖

(2)數(shù)據(jù)采樣保持器

進(jìn)行模數(shù)變換時，從啟動變換到變換結(jié)束的數(shù)字量輸出，需要一定的時間，即A/D轉(zhuǎn)換的孔徑時間。當(dāng)輸入信號頻率較高，由于孔徑時間的存在，會造成較大的轉(zhuǎn)換誤差;為了防止誤差需在中間加一個功能器件采樣/保持器，進(jìn)行有效、正確的數(shù)據(jù)采集。 采樣/保持器通常由保持電容器、模擬開關(guān)和運(yùn)算放大器組成。采樣保持器的原理：如圖8,當(dāng)開關(guān)閉合時，V1通過限電流電阻向電容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斷開時，由于電容C有一定的容量，此時輸出V0保持輸入信號再開斷開瞬間的電平值。

圖8采樣保持原理圖

(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的輸入模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。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9AD0809的原理圖

當(dāng)啟動信號作用后，時鐘信號在控制邏輯作用下。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)Vin³Vo,則保留D3=1,再對下一位D2進(jìn)行比較，同樣先使D2=1,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.

4 軟件的設(shè)計(jì)

4.1數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理子程序是整個程序的核心。主要用來調(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。

4.1.1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)這一過程。

數(shù)制轉(zhuǎn)換：數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換：在二進(jìn)制數(shù)制中，每向左移 一位表示數(shù)乘二倍。以每四位作為一組對數(shù)分組，當(dāng)?shù)谒奈幌虻谖逦贿M(jìn)位時，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?？梢姅?shù)制之間的轉(zhuǎn)換可以通過移位的方法實(shí)現(xiàn)。其中，移出數(shù)據(jù)的保存可以通過自乘再加進(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)。

圖10數(shù)據(jù)處理原理框圖

4.2數(shù)據(jù)采集子程序的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集用A/D0809芯片來完成，主要分為啟動、讀取數(shù)據(jù)、延時等待轉(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)幾個步驟。ADC0809初始化后，就具有了將某一通道輸入的0~5模擬信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量00H-FFH,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?，延時等待方式和中斷方式。

圖11 數(shù)據(jù)采樣原理框圖

5 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。而傳感器作為測控系統(tǒng)中對象信息的入口，越來越受到人們的關(guān)注。本文所設(shè)計(jì)的位移測量儀就是在以上儀器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成的，適用于工業(yè)現(xiàn)場和多種測試領(lǐng)域。