测控技术与仪器 毕业论文范文——位移测量装置的设计

位移测量装置的设计摘要：微小位移量的测量是测试技术中一个重要的课题.本文介绍了一种基于电涡流传感器及AVR单片机于一体的控制测量单元，采用电涡流位移传感器和ATmega8535L的信号采集与处理系统,应用传感器、与单片机内部A/D转换功能实现位移量、电信号、数字信号之间的转换，中断信号控制数据的传输，使计算机可以控制微小位移量的测量与显示,为分析数据结果提供了条件。另外电涡流传感器为多种方式的位移测量提供了一种低成本，高精确度的解决方案。关键字：电涡流传感器，ATmega8535L，A/D转换，并行传输The design of the displacement measurementAbstract：Small displacement of the measurement is testing technology an important issue in this paper, which is based on eddy current sensors and AVR microcontroller integrated in the control measurement unit, using eddy current displacement sensors and ATmega8535L signal acquisition and processing systems, applications Sensors, and microcontroller internal A/D converter functions to achieve displacement, signal, digital signal between the conversion, interrupt signal control the transmission of data so that the computer can control small displacement and the measurement, analysis of data results The conditions. Eddy Current sensors offer a low-cost, high-accuracy solution for many common displacement measurements.Key words: Eddy current sensor, ATmega8535L, A/D converter, parallel transmission, level translation1 绪论1.1 引言 21世纪，是人类全面进入信息电子化的时代。在这个信息技术(包括计算机技术、通信技术及传感器技术)高度发展的时代，如果说计算机是人的大脑，通信相当于人的神经，那么传感器就是人的器官。随着技术的进步，由各种传感器制作的测量装置已广泛地应用到各行各业，实现了对DWS型超精密振动-位移测量仪、纳米测量系统等。而位移测量仪基本上都离不开传感器，位移传感器有：数字电子位移传感器、光纤式位移传感器、非接触型直线位移传感器、电涡流位移传感器及基于磁场测量原理的非接触型直线位移传感器等。电子技术的飞跃进步，单片机的普及与推广，为位移测量的发展做出了贡献；高精度、简捷化、自动化的测量仪逐步出现。 电涡流传感器是一种非接触的线性化计量工具，在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数，如：轴的径向振动、振幅，轴向位置，偏心测量及胀差测量等1。电涡流传感器有如下特点：长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等。 本设计是利用传感器、单片机实现对模拟信号的采集和模数转化，并行传输到计算机显示采集结果。1.2 国内外测试技术发展 近年来国外在仪器与测量方面的研究热点和科技与工业发展对仪器及测量技术的要求越来越高，另外国外近年来在该领域的研究工作集中在传感器和信号处理上。同时测试计量领域最有代表性的时频测控技术的发展反映了仪器与测量技术与现代科学技术的最新成就之间存在着极为密切的关系。 在现代工业生产加工中，越来越高的技术指标和加工精度要求有新型、快速、柔性好、能直接在生产环境中进行非破坏性产品质量检测的传感器，所以传感器是测试领域中较为关键的一部分，而位移是工业产品的重要特征参数，以往典型的测位移方法靠的是机械接触，测量时存在着很多不便，现代的测量方法以其方便的安装、高精度的测量等特点替代了以往的机械接触式测量，开辟了测试技术得新时代。随着科学技术水平和工业生产的不断发展,微小位移量的检测在表面测量、材料测量、精密机械测量等众多应用领域起着越来越重要的作用。检测微小位移量,可以采用接触式测量法和非接触式测量法。传统的接触式测量方法有很多局限性,如无法精确测量软质材料的高精度表面,测量结果容易出现偏差，不精确等，所以微小位移的测量一般采用非接触式测量法。随着科学技术的发展，结构简单、结果准确的测量方法涌现出来：激光数字化位移测量仪、非接触DWS型超精密振动-位移测量仪、基于CPLD的高精度位移测量电路等2。从二十世纪七十年代以来，电涡流传感器得到迅速发展，它具有结构简单、灵敏度高、频率响应范围宽、有常驻油污等介质的影响、适用范围广、并能进行非接触测量等优点，已广泛用来测量位移、振动、厚度、转速、硬度等参数，以及用于无损探伤领域。其非接触式测量的特点使测量过程简单易操作，应用越来越广泛。1.3 位移测量装置的研究目的及意义 经上述介绍位移测量装置中使用的传感器多种多样，而且大多为非接触测量，在电子机械行业位移传感器可用于监视机械装置的运行情况，精密行业中也可用来检测某些物体表面的光滑平整度，甚至用于医药行业检测牙齿咀嚼度的应用，另外日常生活中位移传感器的应用也非常多，而电涡流传感器方便实用，可达到设计要求的精度，且电涡流传感器的测量属于非接触测量，这给使用和安装带来很大的方便，特别是用于测量运动的物体。他的应用没有特定的目标，没有固定的输入量，因此一切与涡流有关的因素都可以用于测量的目的。故该课题的研究步只针对位移的测量，当然在其他方面也可以应用此类装置3。 位移测量在国民经济的各个领域都是必不可少的，是工程中应用非常广泛的一个参数，因此掌握它有重要意义。由于电涡流传感器具有结构简单、体积小、频率响应宽、灵敏度高等特点，在测试技术中日益得到重视和推广应用。1.4 本设计要研究或解决的问题 在目前的市场中，位移测量装置大都采用传感器作为信号采集系统，其基本原理是接收到的信号转化成电压模拟信号，进行二次放大或缩小使其满足后续电路的电压范围，模数转换，输出数字量，最后显示成图像形式方便我们观察。由此带来的问题是：因为传输的是模拟信号，易受干扰，采集的信号传输时也会出现不稳定的情况，影响试验结果。 因为跟随装置可以起到稳定模拟信号的功能，所以可以在传感器之后加一个射极跟随器就可有效避免这一问题。 另外本文要实现以下三个目标： 1、稳定采集到的模拟信号及将其变换到后续电路所需要的范围保证总电路的正常工作； 2、单片机实现模数转换并进行传输； 3、上位机实现信号的采集及显示。1.5 论文章节分配 第一章 绪论：对国内外测试技术的发展作了简要说明，并简述了位移测量的发展状况及趋势。 第二章 位移测量装置的总体设计：介绍了该设计的设计要求，并对整个系统结构及各自的功能块做了总体的介绍。 第三章 位移测量装置的硬件实现：详细介绍该设计主要元器件的选择及该装置的硬件设计。 第四章 位移测量装置的软件设计：对单片机及计算机的工作过程进行了说明，画出了部分流程图。 第五章 总结与展望：整篇论文的总结。2 位移测量装置的总体设计2.1 总体方案概述 根据设计要求，该装置需要由六部分组成，传感器、调理电路、A/D转换器、单片机、计算机，首先是传感器接收金属物体振动时位移的变化将它转换成电信号，对此信号调理之后（使其符合A/D转换器的电压输入范围），再由A/D转换器将电信号转换成数字信号并存储起来，最后由VB程序控制计算机从单片机内读取信号并显示成图像形式4方便我们观察所设计的装置是否接收到我们期望的信号，即此设计是否合格。本着方便实用的原则选择电涡流传感器作为采集系统，它的非接触性避免了传统传感器依附在被测物体上测量的缺点，使信号采集更方便。 把原本单独的A/D电路，用AVR单片机内部功能实现，并通过中断实现数字信号的传输。同时，采用并行传输，利用25针口378H、379H、37AH各管脚功能实现与计算机间的通信。系统结构框图如图2.1所示： 传感器调理电路电平转换电路上位机单片机内置模数转换功能图2.1 位移测量装置系统框图功能实现：1）传感器实现位移信号的转化，将位移量转化成电信号； 2）调理电路将电信号放大或缩小使其满足A/D转换所要求的电压范围；3）单片机实现信号的模数转换及数据的传输； 4）上位机就是指计算机，计算机对单片机输出口进行不间断的检测，察看这些端口是否有数据，即采用查询方式对单片机的I/O口实行监测。如果检测到I/O口有数据则向单片机发出是否准备好的信号，若单片机准备好则计算机从输出口读取数据；若没有准备好则一直等待。5）计算机读取信号之后经由VB程序控制使数据以图形的形式显示出来。总的来说，该电路完成了对金属物体振动微位移的测量、模拟量与数字量之间的转化及PC机通过并行口对单片机读数的功能，实现了信号的采集与处理。2.2 系统工作原理 首先被测信号通过传感器部分转化为电信号。其中被测信号为金属物体振动信号：振动信号由电涡流传感器经过内部电路将物体的振动变化转换为电信号输出，从而完成将位移变换为电信号的过程。 然后，传感器输出的电信号经调理电路传至单片机，由单片机内部的A/D转换单元进行处理。这部分的主要工作是将信号缩放成适合A/D转换的电压范围，完成A/D转换，通过中断形式把信号送到单片机的输出口。 最后，计算机通过查询方式从单片机读取转换后的数字信号，并由VB进行处理。 除了以上两个主要功能外，上位机部分还可实现数据的更新补充，软件的调试等许多功能。3 位移测量装置的硬件实现3.1 基本电路介绍 位移测量装置的硬件连接电路，主要是传感器与调理单元的接口电路（信号转换单元），信号转换单元与单片机接口电路（信号处理单元），单片机输出信号经电平转换单元与计算机接口电路（显示单元）三个部分。 信号转换单元主要是完成将传感器测得的非电量信号（振动位移信号）转换成电信号，经稳压后由单片机对该信号进行采集、处理。 信号处理单元的设计主要是完成将传感器输入的电压信号进行A/D转换和信号传输等处理。 显示单元主要是计算机读取处理后的信号，经一定的程序处理后由显示在桌面上，便于我们观测。3.2 主要元器件的选择及功能介绍3.2.1 电涡流传感器1、引言中介绍的各种位移测量仪和位移传感器测量精度较高，本课题要求设计一非接触式的金属微位移测量装置，根据设计要求选择电涡流位移传感器即可，它是一种常用的位移测量装置，其特点是：非接触测量、结构简单、频响宽、灵敏度高、分辨率高、抗干扰能力强、测量线性范围大等，且成本不高5。电涡流传感器是转换成电信号输出的非电量电测装置。它由探头（传感器）、延伸电缆和变换器（前置器）组成，具有频响宽，线性测量范围宽，体积小，抗干扰能力强，安装使用方便，能长期连续稳定地工作等优点。它能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。是一种非接触的线性化计量工具。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析、振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数，如轴的径向振动、振幅，轴向位置，偏心测量及胀差测量等。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用6 7。而测量金属物体的振动位移就是电涡流传感器的主要应用之一，由于它的非接触测量这一特点给测量金属等物体的振动位移、监测机器的运转的状况等带来很大的方便，使我们在应用所设计的装置测量或监测时可在物体之外对其进行测量或监测，不用将传感器粘贴到被测物体上，省时又方便，而且电涡流传感器的选择非常宽，足以满足我们的测量需求。2、电涡流传感器的工作特点：电涡流传感器是利用金属导体中的涡流与激励磁场之间进行电磁能量传递的，因此必须有一个交变磁场的激励源（传感器线圈），即：利用电涡流效应（电涡流效应：根据电磁感应原理，当金属导体置于变化的磁场中时，由于磁通量发生变化，金属导体内就会产生涡旋状闭合的感应电流，即称电涡流）制成的8。被测对象则以某种方式调制磁场，从而改变激励线圈的电感。从这个意义上看，电涡流传感器也是一种电感传感器，是一种特别的电传感器。这种传感技术属主动测量技术，即在测试中测量仪器主动发射能量，观察被测对象吸收（透射式）或反射式能量，不需要被测对象主动做功。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流。与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。另外，输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动、温度等参数的测量。 图3.1 电涡流传感器工作原理图 其工作过程是：当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q（品质因数）值也发生变化，Q值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。根据设计任务书，要求分辨率为1m，因此选择型号为CWY-DO-501的电涡流传感器，特点是：非接触式测量、结构简单、频响宽、灵敏度高、分辨率高、抗干扰能力强、测量线性范围大等9。它的规格符合设计要求。CWY-DO-501型电涡流传感器的主要技术指标：表格3.1 传感器主要技术指标 量程 1mm 灵敏度及误差 （ mV/m）不 互 换1010% mV/m互 换1015% mV/m分 辨 率1m线性度及误差不 互 换2 %互 换5 %频率响应0 5 kHz温度灵敏度误差0.1 %/ FS工作温度探 头-30150 前 置 器-2060 初始间隙0.10.5mm探头规格探头直径4.5安装螺纹M6探头长度40mm电缆长度2 米测试条件电 源-24VDC被测物材料45#钢环境温度205相对湿度80 %配 套 件保护帽一只，螺母M6 两只 表格3.1 传感器主要技术指标CWY-DO-501型电涡流传感器的示意图： 图3.2 传感器外型图如图3.2所示前置器共有三个接口： VT ：供电电压-24VDC；COM：地； OUT：输出。这三个端口中输出端与后续电路相连。3.2.2 AVR单片机1、与其它单片机相比AVR单片机还有如下优点：（1）程序写入可以并行写入(用万用编程序器),也可用串行在线ISP擦。即不必将IC拆下拿到万用编程上烧录,而可直接在电路板上进行程序修改、烧录等操作,方便产品现场升级。（2）AVR的I/O口是真正的I/O口,能正确反映I/O口的真实情况。I/O口有输入/输出,三态高阻输入,也可设定内部拉高电阻作输入端的功能,便于作各种应用特性所需(多功能I/O口)。 （3）可多次烧写的Flash且具有多重密码保护锁死(LOCK)功能,因此可快速完成产品商品化,并可多次更改程序(产品升级)而不必浪费IC或电路板,提高产品质量及竞争力。 （4）AVR内带模拟比较器,I/O口可作A/D转换用,可组成廉价的A/D转换器。当然也可不用I/O口做A/D转换器，可设置一个外部A/D转换器。 （5）可采用串行和并行两种方式传输信号10。 （6）可重设启动复位。AVR系列有内部电源开关启动计数器,可将低电平复位(RESET/)直接接到VCC端。当电源开时,由于利用内部RC的看门狗定时器,可延迟MCU启动执行程序。这种延时使I/O口稳定后执行程序,以提高单片机工作可靠性。有的还有内部复位电压检测电路BOD,而检测电压可调。（7）AT90S4434/8535具有8路10位A/D;AT90S2333/4433具有6路10位A/D;功能更强的ATmega103/128有Flash128KB，EEPROM 4KB，RAM4KB，I/O端口48个,中断源16个,外中断8个,SPI,UART,8路10位A/D，ISP。（8）精简指令,多累加器,高速数据处理,一个机器周期执行一条指令，且低功耗。（9）AVR使用众多功能强大的高级语言1）IARAVRC编译器编译器与AVR同步设计,支持C和EC+； 2）ICCAVRC编译器支持无SRAM器件；增加组软件模块； 3）CodeVisionAVRC编译器；4）GNUC编译器。 另外，AVR己成一个系列,有低档,中档,高档三类,封装8PC-64PC(DIP/SOIC/TQFP)。 基于这些特点选择AVR单片机比较符合设计要求。选择ATmega8535L即可。本设计中ATmega8535L单片机作为控制单元的中枢，与各个模块部分均要相连。其连接简图如图3.3所示：单片机传感器10位ADC触发AD中端I/O口INT0计算机图3.3 连接简图2、功能介绍图3.4 ATmega8535L管脚功能图 如图3.4所示，ATmega8535L有44个引脚，封装形式为TQFP。其工作电压范围为2.7-5.5V，他是高性能、低功耗的8位AVR微处理器。 ATmega8535L有如下特点:8K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的力，即RWW)，512字节 EEPROM，512字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C), 片内/ 外中断（ADC中断，INT0，INT1），可编程串行USART，面向字节的两线串行接口，10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。 其中ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声，本设计采用ADC噪声抑制模式11。 ATmega8535L具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C语言编译器、宏汇编、 程序调试器/ 软件仿真器、仿真器及评估板。各引脚功能：VCC：数字电路的电源。GND：地。端口A(PA7.PA0) ：端口A作为A/D转换器的模拟输入端。端口A不作为A/D转换器使用 时，就作为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。端口B(PB7.PB0) ：端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。端口C(PC7.PC0) ：端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。端口D(PD7.PD0) ：端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。端口D中10、11管脚的第二功能为中断位INT0和INT1。RESET/ ：复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限时间的脉冲不能保证可靠复位。采用外部复位由外加于RESET/引脚的低电平产生。XTAL1 ：反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2 ：反向振荡放大器的输出端。采用内部晶振时这两个管脚要悬空。AVCC ：AVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。AREF： A/D 的模拟基准输入引脚，使用芯片内部A/D转换功能时。要通过一个电容接地。3、ATmega8535L内部模数转换器的特点： 10 位精度；0.5 LSB的非线性度； 2 LSB的绝对精度；65 - 260 s的转换时间；最高分辨率时采样率高达15 kSPS；8 路复用的单端输入通道；7 路差分输入通道；2 路可选增益为10x与200x的差分输入通道；可选的左对齐ADC读数；0 - VCC 的ADC输入电压范围；可选的2.56V ADC参考电压；连续转换或单次转换模式；通过自动触发中断源启动ADC转换；ADC转换结束中断；基于睡眠模式的噪声抑制器。 应用 A/D 转换功能时，采用连续转换模式采集数据，只取其中一个通道（如：PA0）即可。ADC转换结果为10位，存放于ADC数据寄存器ADCH及ADCL中。 ADC的参考电压源(VREF)反映了ADC的转换范围。若单端通道电平超过VREF，其结果将接近0x3FF。VREF可以是AVCC、内部2.56V基准或外接于AREF引脚的电压。 AVCC通过一个无源开关与ADC相连。片内的2.56V参考电压由能隙基准(VBG)通过内部放大器产生。无论是哪种情况，AREF都直接与ADC相连，通过在AREF与地之间外加电容可以提高参考电压的抗噪性。VREF可通过高输入内阻的伏特表在AREF引脚测得。由于VREF的阻抗很高，因此只能连接容性负载。3.2.3 HC4050简介 PC机为并口提供的VCC为标准+5V电压，接口电路的微控芯片ATmega8535L电压的工作范围2.7-5.5V（取3.3V），故要想使接口电路正常工作，首先要使电压相匹配，故需在ATmega8535L与PC机间加入电平转换电路，将3.3V转为5V。 选取电平转换芯片要注意：一、并行接口的信号线和控制线都需进行电平转换，二、需要双向转换。本课题采用并口传输（十位数据同时传送），所以选用三片HC4050作为电平转换芯片。HC4050的特点：将输入电平转换为供电方电平，即向并口转换时由计算机为HC4050供电，向微控芯片转换的时候由ATmega8535L（3.3V）供电。 HC4050是非反向六缓冲器，具有仅用电源电压（VCC）进行逻辑电平转换的特征。用作逻辑电平转换时，输入信号高电平（VIH）可超过电源电压VCC。此器件主要用作COS/MOS到DTL/TTL的转换器，能直接驱动两个DTL/TTL负载12。 HC4050提供了16引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J）、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4种封装形式。这里选择第一种封装形式。HC4050的电源电压范围为：3V15V，输入电压范围为：0VVDD 。 图3.5 HC4050管脚功能图 如图3.5所示，1IN6IN为数据输入端，VDD接正电源，VSS接地，1OUT6OUT为数据输出端。连接时没有用到的输入端要接地。3.2.4 PC机打印口简介 在计算机的标准外设中，并行打印口是使用非常方便，且易于扩展的I/O口。标准的PC机打印口由一个25芯的D-Shell连接器提供TTL输入和输出信号。共占用PC机的3个I/O地址，对于LPT1，其外观如图3.6所示：图3.6 25针母插座外形示意图其口地址及其各位的定义如表3.2所示：表3.2 打印口分配表I/O地址信号种类位标记功能连接器引脚号378H（输出）数据信号D0D7输出到打印机Pin2Pin9379H（输入）状态信号D0D2没使用D3ERROR低电平Pin15D4SLCT低电平Pin13D5PEPPin12D6ACK低电平Pin10D7BUSYPin1137AH（输出）控制信号D0STROBE低电平Pin1D1AUTOFEED低电平Pin14D2INT低电平Pin16D3SLCTIN低电平Pin17D4中断使用（IRQ7）D5D7没使用 由表3.2可见，打印口有12条输出线和5条输入线可以使用，它们决定了接口时的选址能力和读入数据的形式。对8位或者更高位数据的读入，可进行扩展13。本设计中A/D转换结束后数据为十位，因此选择378H的8位数据位和37AH中的两位作为数据读入口，实现十位数据的整体传送，1引脚向单片机发出请求信号（低电平），单片机的INT0口为0时计算机从单片机的十位数据口读取数据；17引脚为低电平时HC4050的工作。3.3 硬件电路整体设计 位移测量装置的硬件设计，主要是复位电路、滤波电路、采集单元、显示单元四个部分。3.3.1 复位电路ATmega8535L已经内置了上电复位设计。并且在熔丝位里，可以控制复位时的额外时间，故AVR外部的复位线路在上电时，可以设计成：直接接一只10K的电阻到VCC即可(R0)。为了可靠，再加上一个0.1F的电容(C0)以消除干扰、杂波14。电路如图3.7所示：图3.7 复位电路其中D1(IN4148)的作用有两个：作用一是将复位输入的最高电压设定在Vcc+0.5V 左右，另一作用是系统断电时，将R0(10K)电阻短路，让C0快速放电，让下一次来电时，能产生有效的复位。当AVR在工作时，按下S0开关时，复位脚变成低电平，触发AVR芯片复位。3.3.2 滤波电路由ATmega8535L管脚功能介绍可知，AVCC是端口A与A/D转换器的电源，使用A/D转换功能时应通过一个低通滤波器与VCC 连接；AREF是A/D 的模拟基准输入引脚，使用芯片内部A/D转换功能时，要通过一个电容接地15。滤波电路如图3.8所示：图3.8 滤波电路 ATmega8535L芯片有独立的A/D电源供电，在VCC串上一只10uH的电感（L3），然后接一只0.1uF的电容到地（C3）组成LC低通滤波电路，LC低通滤波电路是通过电感线圈的电流发生变化时，线圈中要产生自感电动势阻碍电流的变化，因而使负载电流和负载电压的脉动大大减小，频率越高，电感越大，滤波效果越好16。ATmega8535L内带2.56V标准参考电压，也可以从外面输入参考电压，这里用内部电压，另外习惯上在AREF脚接一只0.1uF的电容到地（C4）。3.3.3 采集单元 采集单元包括电涡流传感器、稳压电路和电信号调理电路。稳压电路采用的是跟随器，起到稳定电压信号的作用17 18 19；由以上章节传感器介绍可CWY-DO-501型电涡流传感器采集的电信号超出了ATmega8535L A/D转换时的电压范围，所以采用调理电路对信号进行处理。电路如图3.9所示：图3.9采集单元CWY-DO-501型电涡流传感器转换时位移量与电信号的对应关系：静态校准：初始间隙为X0=0.1 mm 灵敏度为K=10.01mv/um表3.3 电涡流传感器静态校准表间隙(mm)电压(V)间隙(mm)电压(V)X0 +03.2X0 +0.68.97X0 +0.14.03X0 +0.710.03X0 +0.24.95X0 +0.811.08X0 +0.35.91X0 +0.912.08X0 +0.46.91X0 +1.013.05X0 +0.57.94 其中J1为传感器接口，U2A为跟随装置稳定接收到的信号，U3B为缩小电路。R1和R2起分压作用，根据采集信号的电压值设定R1=1K、R2=4.5K电压缩小为原来的R2/(R1+R2)=11+4.50.18。电路中调理信号（稳压和电压值的调整）时采用OP2340芯片。3.3.4 显示单元 ATmega8535L与显示单元之间采用并行数据传输模式：并行方式就是把一个字符的各数据位用几条线同时进行传输。具体连线方式如下：ATmega8535L内部A/D转换为十位数据位，故将其C口和D口的其中两位作为数据输出口连接到电平转换电路上，再通过HC4050与计算机相连。电路如图3.10所示：图3.10显示单元制作电路板时，PC机与微控芯片之间要保持正常的通信则需如图3.10所示的电平转换电路。 总电路图见附录A PCB板图见附录B4 单片机的软件设计1、主流程图 ATmega8535L应用到的主要功能是A/D转换、中断和定时功能。定时器设置采集信号的频率为10KHz，电信号经内部A/D转换为十位数字量并存储到单片机内部的ADCH和ADCL寄存器中，过程中采用中断控制信号实现数据的传输，单片机工作具体流程如图4.1所示：单片机初始化A/D转换是否结束ADC中断单片机从内部寄存器读取数据到I/O口PC0PC7、PD7、PD8NY开始等待PC机读取数据PC0PC7、PD7、PD8图4.1 单片机总流程图计算机具体流程如图4.2所示取外设状态单片机是否READYNY开始数据传送是否完毕PC机读取数据YN图4.2 计算机总流程图 数据采集通常采用两种方式，一种是查询方式，另一种是中断方式。对于实时性要求较高的场合，通常选用中断方式，即有中断请求时，暂停正在进行的程序，转而执行想要做的事情，当其完成后，程序又回到原被中断处继续执行。这里采用的是查询方式，即计算机一直在查询单片机的I/O口是否有数据。2、A/D转换模块 ADC模块包括一个预分频器，它通过ADCSRA寄存器的ADPS进行设置。置位ADCSRA寄存器的ADEN将使能ADC，预分频器开始计数。只要ADEN为1，预分频器就持续计数，直到ADEN清零。 ADCSRA寄存器的ADSC置位后，单端转换在下一个ADC时钟周期的上升沿开始启动。在普通的ADC转换过程中，采样保持在转换启动之后的1.5个ADC时钟开始；而第一次ADC转换的采样保持则发生在转换启动之后的13.5个ADC时钟。转换结束后，ADC结果被送入ADC数据寄存器，且ADIF标志置位即产生ADC中断，ADSC同时清零( 单次转换模式)。之后软件可以再次置位ADSC标志，从而在ADC的第一个上升沿启动一次新的转换。ADC连续转换时序图：图4.3 ADC单次转换时序图上电后ADSC置1启动A/D转换且单片机开始由PA0（ADC0）口采集信号，转换结果存储到ADCH和ADCL寄存器中，一次转换结束后，产生A/D转换结束的中断信号即ADIF位置1，单片机从ADCH和ADCL中读取数据到数据输出口PC0PC7、PD6、PD7，等待计算机读取数据，同时单片机进行下一次的信号采集。流程图如图4.3所示：ADSC置1启动A/D转换转换结束数据存到ADCH和ADCL中ADSC是否为0NY数据传输到I/O口，ADCH和ADCL清零，ADIF置0信号采集开始图4.3 A/D转换子程序流程图ADC转换结果为10位，存放于ADC数据寄存器ADCH及ADCL中，低8位存在ADCL中，高2位存在ADCH。默认情况下转换结果为右对齐，但可通过设置ADMUX寄存器的ADLAR变为左对齐。如果要求转换结果左对齐，且最高只需8位的转换精度，那么只要读取ADCH就足够了。否则要先读ADCL，再读ADCH，以保证数据寄存器中的内容是同一次转换的结果。一旦读出ADCL，ADC对数据寄存器的寻址就被阻止了。即读取ADCL 之后，即使在读ADCH之前又有一次ADC转换结束，数据寄存器的数据也不会更新，从而保证了转换结果不丢失。ADCH被读出后，ADC即可再次访问ADCH和ADCL寄存器。5 总结与展望5.1 全文小节本文对应位移测量的专用测量单元的设计进行了比较系统的研究。研究的主要内容为电涡流传感器及单片机对信号处理的设计。研究工作主要分两个方面：硬件部分设计，包括系统的结构组成、各部分功能的实现及硬件电路图；软件部分的设计，包括系统工作的流程图及部分程序的编写。主要工作及研究内容如下：1) 硬件部分：设计了一套位移测量装置的硬件系统。整个系统包含位移测量的电涡流传感器和单片机对信号的处理部分。其中信号处理部分是整个系统的关键，它将采集到的模拟信号转换成数字信号，通过程序控制实现数字信号的传输及显示。2) 软件部分：软件部分介绍了单片机和计算机的工作流程。单片机部分的设计需要实现对信号的定时采集、A/D转换及数据传输，主要介绍了ADC模块的设计及工作原理。计算机部分的工作过程就是利用中断方式查询I/O口并读取数据。5.2 展望随着科学技术的发展，现代计量测试将向着高可靠性，高性能高智能化方向发展是大势所趋，数字化与智能化也是将来位移测量的发展方向之一。电涡流传感器能实现非接触测量，并能实现信号的采集，后续的稳压电路可以实现信号的稳定，更好的实现信号的采集及转换。本设计中应用的电涡流传感器并不是高精端的采集仪器，只是本着学习的态度熟悉测量技术的应用，掌握设计方法。当然，因为时间关系，本设计中还存在着缺点和不足，如计算机发出JREADY信号，如果单片机准备好则计算机从I/O口读取数据，此过程并未考虑出错情况，多设置一次检测会降低出错率；信号传输的不稳定性对数据传输的影响（与单片机的连接，与打印口的连接）；由于时间仓促并未编写单片机和VB控制程序，因此并未完成装置的校正等。希望各位老师批评指正。5.3 结束语位移测量是理论联系实际、基础研究与应用研究并驾齐驱的一个高技术学科，位移传感器的进步，是多学科技术和新材料、新工艺发展的综合体现。创新是计量测试行业的灵魂。人类的任何进步和任何需求，都将是促进计量测试技术及称位移感器发展的动力。附录A 硬件总电路图附录B PCB板图附录C 单片机部分程序#include #include D:ICC_HCmmICC.H#define H_VAL_DISP_DDR DDRD#define L_VAL_DISP_DDR DDRB#define H_VAL_DISP_PORT PORTD#define L_VAL_DISP_PORT PORTBconst uint8 ADEnStatus8 = 0xFE,0xFD,0xFB,0xF7,0xEF,0xDF,0xBF,0x7F;uint8 AdcMux; /ADC通道uint16 AdcVal; /ADC转换值；A/D转换初始化程序void adc_init()/* 设置对应的IO口为输入高阻态 */ DDRA &= ADEnStatusAdcMux; PORTA &= ADEnStatusAdcMux; ADCSRA = 0x00; /disable adc ADMUX = (1REFS1)|(1REFS0)|(AdcMux&0x0F); /select adc input channel ACSR = (1ACD); /close analog comparator ADCSRA=(1ADEN)|(1ADSC)|(1ADIE)|(1ADPS2)|(1ADPS1); /AD转换中断服务程序#pragma interrupt_handler adc_isr:15void adc_