电感传感器的接口电路设计毕业论文.doc

电感传感器的接口电路设计电感传感器的接口电路设计 摘要摘要 位移测量具有广泛应用 电感式传感器以其结构简单可靠 输出功率大 线 性好 抗干扰和稳定性好 价格低廉等特点获得了大量的应用 针对目前电感式位 移传感器的应用现状 在对电感式直线位移传感器深入分析的基础上 本文设计了 一种电感式位移传感器接口电路 该电路采用电感传感器把被测位移量转变为微弱电信号 经前置交流放大 相 敏整流 直流放大 A D 转换等电路处理后 送入单片机进行综合运算处理后输出 并通过液晶显示结果 可以适应不同量程和分辨率的信号调理要求 文中介绍了整 体电路的设计和单片机系统的硬件及软件流程 设计过程中用 Protel99 SE 对电路原 理图进行了绘制 选用了单片机的开发工具 Keil C51 vision2 对软件设计中的程序 进行编写 编译 模拟仿真 电路正常 完成了课题要求的电感传感器对位移测量 并显示结果 关键词关键词 位移测量 电感式传感器 单片机 液晶显示 The Design of the Inductive Sensor Interface Circuit Abstract the measurement of diaspacement is very important in engineering Inductive transducers are widely used due to their simple structures high output capacities good linearity good disturbance resistance good stability and low prices Based on thoroughly analysis of linear inductive displacement transducers a inductive displacement transducer interface circuit is designed in this thesis This metering circuit uses the inductive transceiver to transform that the displacement offset into the weak electrical signal after the pre AC amplification the phase sensitive rectifier the DC Larger and the A D conversion circuit processing output after processing in the monolithic integrated circuit and display the results through the LCD It can adapt to different range and resolution of the signal conditioning requirements In the process of designing Protel99SE is used to plot schematic diagram Keil C51 vision2 and the development kit of MCU is used to compile translate and make simulation about the assemble program The circuit is in gear and it basically can accomplish the task of measure of the displacement offset through the inductive sensor and dispiay the result Keywords the measurement of displacement the inductive sensor MCU LCD 目目 录录 1 绪论 1 1 1 本文的课题背景及意义 1 1 2 课题的研究现状 1 1 3 课题研究方法 4 1 4 本课题的主要研究内容 4 2 电感传感器 5 2 1 电感传感器的介绍 5 2 2 电感传感器的工作原理 5 2 3 电感传感器的输出特性 7 2 4 电感传感器测量电路 9 2 4 1 电感式传感器的等效电路 9 2 4 2 交流电桥式测量电路 9 2 4 3 变压器式交流电桥 11 2 4 4谐振式测量电路 11 3 电感传感器接口电路的设计 13 3 1 电感传感器接口电路的设计框图 13 3 2 电感传感器接口电路的原理图 工作原理及其功能 14 3 3 振荡器电路设计及其说明 15 3 3 1 电感三点式振荡器原理的介绍 15 3 3 2 振荡器电路在本系统中的设计 16 3 4 相敏检波电路设计及其说明 17 3 4 1 相敏检波电路原理的介绍 17 3 4 2 相敏检波电路在本系统中的设计 19 3 5 交直流放大部分的设计及其说明 20 3 5 1 反相比例放大电路的原理 21 3 5 2 交流放大电路在本系统中的设计 21 3 5 3 直流放大电路在本系统中的设计 22 3 6 A D 转换单片机控制和液晶显示部分的设计 22 3 6 1 A D 转换电路 23 3 6 2 单片机部分 28 3 6 3 液晶显示部分 28 3 6 4 通讯模块 32 3 7 量程变换电路的设计原理图及其说明 32 3 8 电源部分的设计 34 4 软件系统的分析与设计 35 4 1 软件编程语言的种类及区别 35 4 2 编译环境的介绍 35 4 2 1 Keil C51 简介 35 4 2 2 Vision2 集成开发环境 36 4 2 3 Keil C51 的使用 37 4 2 软件设计流程图 38 4 3 软件编程 39 4 3 1 初始化 39 4 3 2 液晶显示器编程 39 4 3 3 主程序编程 42 5 结论 45 参考文献 46 致 谢 47 附录 A 48 1 绪论绪论 1 1 本文的课题背景及意义本文的课题背景及意义 21 世纪是人类全面进入信息电子化的时代 随着人类探知领域和空间的拓展 使得人们需要获得的电子信息种类日益增加 需要信息传递的速度加快 信息处理 能力增强 因此要求与此相对应的信息采集技术 传感器技术必须跟上信息化发 展的需要 传感器是人类探知自然界信息的触觉 为人们认识和控制相应的对象提 供条件和依据 作为现代信息技术的三大核心技术之一的传感技术是 21 世纪世界各 国在高新技术发展方面争夺的一个重要领域 传感器是自动测试 控制系统和信息系统的关键基础之器件 其技术水平直接 影响到自动化系统和信息系统的水平 自动化技术水平越高 对传感器技术依赖程 度越大 在信息社会中 人们为了推动社会生产力的发展 需要用传感器来检测许 多非电量信息 如位移 力 压力 流量 速度 温度 湿度以及生物量等等 不 难看出 传感器技术是涉及国民经济及国防科研各领域的重要技术 一些早已形成 传感器产业的发达国家在上世纪末乃至本世纪仍把传感器技术作为重点技术加以发 展 我国在上世纪八十年代后期开始对传感器技术的发展给予充分的重视 国务院 发布的信息技术政策中把传感器列为重点发展的新技术之一 在国家的 七五 八 五 九五 十五 国家重点科技攻关计划中连续八次将传感器技术列为专项组织攻 关 在高精度测量中 电感传感器应用广泛 电感传感器是很重要的一类传感器 它作为一种位置反馈元件 目前已经广泛应用于几乎所有自动化控制的行业与领域 之中 对检测和自动控制系统的可靠运行具有关键性的作用 精密的电感传感器被 用于圆柱度仪 轮廓仪 形状测量仪等精密 超精密测量设备中 总体来说 目前国外的传感器生产技术先进 精度水平和可靠性较高 而国内 传感器技术水平与国外有相当大的差距 目前国产高精度传感器的非线性指标已经 达到 0 1 已能满足大部分需要 但对一些要求更高的场合 则无产品可供选择 且测量仪的功能单一 常年未变 而且无论是光栅 容栅 还是电感调频 电感差 动变压器式的位移传感器测量系统大多摆脱不了 1 次仪表 传感器 2 次仪表 3 次仪 表的模式 使仪器体积大 结构复杂 易受环境干扰 精度很难进一步提高 可靠 性难以保证 就电感传感器及其测量系统而言 国内生产的电感测微系统还普遍存 在如下问题 高精度档位量程范围小 分辨率不高 漂移比较大 稳定性差且系统 智能化程度低 不易于扩展等 所以必须研制和改进电感传感器测量系统 提高系 统的性能 1 2 课题的研究现状课题的研究现状 传感器的研究始于上世纪 30 年代 它以材料的物理 化学和生物 理化效应为 基础 由物理 化学 材料科学 器件物理和工艺以及电子工程等多种学科交织发 展形成 是研究非电量信息与电量间转换的一门跨学科的边缘技术科学 为了提高 传感器及其测量系统的性能 新的技术和方法不断地被应用于传感器测量系统中 传感器技术不断发展 位移传感器是将机械位移转换为与位移量有某种函数关系电信号输出的装置 根据传感元件的结构 所使用的材料 测量原理以及转换方式 目前常用的位移传 感器主要有 电感式位移传感器 电容式位移传感器 感应同步器 磁栅 光栅 激光传感器等 上述位移传感器各有优缺点 适应于不同的测量场合和技术要求 电感式传感器因其具有结构简单可靠 输出功率大 输出阻抗小 没有触点摩擦问 题 抗干扰能力强 对工作环境要求不高 测量精度及分辨力较高 示值误差较小 以及稳定性好等诸多优点在精密计量和测试领域得到了日益广泛的应用 高精度电感式位移传感器暨电子测量仪是用于零件尺寸和形位测量与检验的设 备 由于精度高 性能稳定 使用方便 在国内 外得到广泛应用 电感测微仪的 精度现在可以做到很高 国外以瑞士 TESA 意大利 MARPOSS 日本东京精密为 代表 测量仪的分辨力可达 0 1nm 线性测量范围达 1mm 但是价格昂贵 国内也 有好几个厂家 院校及科研单位从事电感测微系统的研制和开发 其中最有代表的 是中原量仪 由中原量仪生产的 DGS 6C 和 DGS 6D 型数显电感测微仪与该厂生产 的 DGC 8ZG A 型或 DGC 6PG A 型电感式传感器组合使用 用于机械加工中的精密 测量 其性能指标如下表 1 1 表表 1 1 DGS 系列电感测头性能指标系列电感测头性能指标 档位测量范围 m 分辨率 m 示值误差 m 第一档10 0 010 05 第二档100 0 10 5 第三档1000 110 可见其性能指标与国外生产的电感测微仪比较 还存在很大的差距 目前国产 高精度传感器的非线性指标已经达到 0 1 已能满足大部分需要 但对一些要求更 高的场合 则无产品可供选择 而国内在此方面的研究还比较落后 相同精度下的 线性范围一般仅达 0 5mm 而且测量仪的功能单一 技术水平发展慢 在超精密加工技术迅猛发展的今天 电感测微系统的精度有待于进一步提高 目前国内生产的电感测微系统还普遍如下问题 高精度档位量程范围小 分辨率不 高 漂移比较大 稳定性差等 我们必须采取适当的措施去解决电感测微系统存在 的问题 使之能在加工领域中得到更好的应用 高精度电感测量系统包括电感传感器测头 二次测量电路及相应的软件 因此 要提高电感测量系统的精度可以从提高测头精度及其测量电路精度两方面考虑 从目前来看 电感测头的技术水平在国内外已经相当成熟 在国内最有代表性 的中原量仪生产的 DGC 系列差动电感测头线性度优于 0 05 示值变动性可以小 至 0 3 m 国外也有许多公司和研究所研制和生产电感测头 如 HF JENSEN ENCODER Durham Instruments 等 技术水平相当成熟 生产的传感器精 度高且通用性好 Durham Instruments 公司生产的电感传感器对温度变化大的工作环 境很适合 工作温度范围可以为 55 120 非线性优于 0 5 德国的米依技术 测试公司生产的非接触式 UP 推杆插入式电感直线位移传感器分辨率为 0 05 线 性度士 0 4 由美国 NCODER 生产的 LVDT 测头的灵敏度达到 900mV mm 温度 漂移为 0 01 稳定性为 24 小时内小于 0 1 精确度为 0 25 在电感传感器测头的技术水平已经比较成熟情况下 如果靠继续提高电感测头 的精度来提高系统整体精度将付出很高的代价 会增加系统成本 而对其测量电路 进行合理的设计或改进 使之与成熟的电感测头技术相适应则是一项低成本 高收 益的措施 很适合目前国内的超精测量技术发展现状 相对于其它的微位移测量系统 电感测微系统的测量电路比较复杂 其设计和 制作的合理性对测量精度和可靠性的影响是很大的 同时 在测量系统中 利用控 制器强大的数据运算与处理功能 合理地设计软件 同样可以提高测量的可靠性和 抗干扰性 从而提高仪器的测量性能 而且实验证明 即使选用性能很高的传感测 头 其测量电路的性能跟不上 也无法提高整台仪器的测量性能 因此近几年来人们纷纷研究提高其精度和性能的理论和措施 使测量电路系统 不断地改进 为提高系统的整体性能 人们在发展传感器和数字化信息采集系统方 面开展了大量富有成果的研究工作 主要体现在以下二方面 一 为大力改进传统 传感器的性能 采用高精度 高稳定度的元器件以及各种校正电路 使传感器特性 得到了一定的改善 二 采用数字化仪表作为传感器与计算机之间的接口 它将传 感器输出的模拟信号转换为数字信号并作相应的预处理后再传送给计算机 由于传感器自身和测量电路部分不同程度地存在非线性误差 为了提高测量系 统的准确度 扩大其使用范围和提高系统的性价比 对传感器输出信号或其它模拟 信号进行非线性补偿来减小甚至消除非线性误差就显得尤为重要 各种对传感器信 号进行非线性误差补偿的方法被提出来 包括硬件补偿法 调节交流电桥桥臂法 连续模拟补偿法 电桥非线性模拟连续补偿法 传感器特性非线性的连续模拟补偿 法等 软件补偿法 校正函数法 拟合法 函数分段拟合和线性插值的综合算法等 上述方法不同程度的提高了电感测量系统精度 但是也存在一定的缺陷 如电路比 较复杂 通用性不强等 软件非线性补偿很多算法复杂 计算量大不利于工程实际 等 所以要研究展宽电感式位移传感器线性范围 提高测量精度的方法 另外 由于工业现场的噪声 辐射干扰等对传感器检测精度的影响很大 传感 器的测量电路以及上位机的发热 振动 电磁辐射等也能影响传感器的正常工作 所以不但要设计电感传感器精密测量系统 还要研制合适的外设接口电路 精度更 高 速度更快 更准确 更能适应复杂的环境和要求 这是测量技术的发展方向 由于传统传感器测量系统外设接口技术不但数据传输速率较低 独占中断 I O 地址 DMA 通道等计算机系统关键资源 容易造成资源冲突问题 而且使用时繁杂 的安装配置过程也给终端用户带来了诸多不便 目前大部分数据采集卡采用 PCI 接 口设计 虽然数据传输率很高 但存在整个系统笨重 缺乏灵活性 不适合小型 便携设备等缺点 1 3 课题研究方法课题研究方法 本次课题设计中要实现对电感传感器输出信号的调理 即对电感传感器微弱信 号的交流放大 相敏检波 直流放大 A D转换并通过以AT89S52单片机为核心控 制A D转换和液晶显示 同时也应设计相应的激励电路为电感传感器和相敏检波提 供激励电压 为满足能对不同量程和不同分辨率的信号调理要求 也应设计相应的 量程变换电路 从完成电感传感器接口电路设计 最终通过电感传感器将测量位移 的变化量以电压的形式显示在液晶显示屏上 1 4 本课题的主要研究内容本课题的主要研究内容 基于对电感传感器测量电路的分析和初步研究 本课题将对传统的电感传感器 精密测量电路系统进行了改进 具体内容如下 本文在对传统的电感测微仪结构及 性能 电感传感器位移测量系统的理论及应用进行研究的基础上 设计了一种具有 体积小 成本低 寿命长 反应速度快 能满足不同量程和不同分辨率等特点的电 感传感器接口电路 主要内容如下 1 在对传感器作了综述的基础上 对电感传感器的类型 功能以及特点进行 了全面的阐述 简明阐述了电感传感器的研究现状及发展趋势 2 进行了电路硬件设计 本系统用 ptotel 99 SE 软件对各电路原理图进行了 绘制 采用高性能 低价格 小体积的微处理器进行控制并实现信息处理与管理 小体积器件使电路板尺寸很小 并与传感元件一体化设计 从而使整个系统具有体 积小 成本低的特点 附录一详细介绍了 ptotel 99 SE 的使用 3 在对电感传感器电路的功能研究的基础上 运用模块化结构设计相应的控 制程序 系统程序分为初始化模块 液晶显示模块和主程序模块 并且运用单片机 的开发工具 Keil C51 vision2 对软件设计中的程序进行编写 编译 模拟仿真 2 电感传感器电感传感器 2 1 电感传感器的介绍电感传感器的介绍 电感传感器就是利用电磁感应原理将被测非电量如位移 压力 流量 振动等 转换成线圈自感量 L 或互感量 M 的变化 再由测量电路转换为电压或电流的变化量 输出 这种装置称为电感式传感器 电感式传感器具有结构简单 工作可靠 测量精 度高 零点稳定 输出功率较大等一系列优点 其主要缺点是灵敏度 线性度和测量 范围相互制约 传感器自身频率响应低 不适用于快速动态测量 这种传感器能实现 信息的远距离传输 记录 显示和控制 在工业自动控制系统中被广泛采用 电感式传感器的工作基础 电磁感应 即利用线圈电感或互感的改变来实现非电 量测量 具体过程如图 2 1 所示 被测物理量 非电量 位移 振动 压力 流量 比重 线圈自感系数L 互感系数M 电感 互感 电压或电流 电信号 电磁感应 图图 2 1 电感式传感器的工作基础电感式传感器的工作基础 电感传感器分为变磁阻式 变压器式 涡流式等种类 它的特点有 工作可靠 寿命长 灵敏度高 分辨力高 精度高 线性好 性能稳定 重复性好 2 2 电感传感器的工作原理电感传感器的工作原理 1 图图 2 2 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 变磁阻式传感器的结构如图 2 2 所示 它由线圈 铁芯和衔铁三部分组成 铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成 在铁芯和衔铁之间有气隙 气隙厚 度为 传感器的运动部分与衔铁相连 当衔铁移动时 气隙厚度发生改变 引起磁 路中磁阻变化 从而导致电感线圈的电感值变化 因此只要能测出这种电感量的变化 就能确定衔铁位移量的大小和方向 根据电感定义 线圈中电感量可由下式确定 2 1 w L II 式 2 1 中 线圈总磁链 I 通过线圈的电流 w 线圈的匝数 穿过线圈的磁通 由磁路欧姆定律 得 2 2 m Iw R 式 2 2 中 Rm为磁路总磁阻 对于变隙式传感器 因为气隙很小 所以可以 认为气隙中的磁场是均匀的 若忽略磁路磁损 则磁路总磁阻为 Rm 2 12 112200 2LL SSS 3 式 2 3 中 1 铁芯材料的导磁率 2 衔铁材料的导磁率 L1 磁通通过铁芯的长度 L2 磁通通过衔铁的长度 S1 铁芯的截面积 S2 衔铁的截面积 0 空气的导磁率 S0 气隙的截面积 气隙的厚度 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 即 2 0022 2L SS 2 4 1 0011 2L SS 则式 2 3 可近似为 Rm 2 5 00 2 S 联立式 2 1 式 2 2 及式 2 5 可得 2 22 00 2 m wSw L R 6 上式表明 当线圈匝数为常数时 电感 L 仅仅是磁路中磁阻 Rm的函数 只要改 变或 S0均可导致电感变化 因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器 和变气隙面积 S0的传感器 使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器 2 3 电感传感器的输出特性电感传感器的输出特性 设电感传感器初始气隙为 初始电感量为 L0 衔铁位移引起的气隙变化量为 0 从式 2 6 可知 L 与之间是非线性关系 特性曲线如图 2 3 表示 0 图图 2 3 变隙式电感传感器的变隙式电感传感器的 L 特性特性 分析 当衔铁处于初始位置时 初始电感量为 2 7 2 00 0 0 2 S w L 当衔铁上移时 传感器气隙减小 即 则此时输出电感为 L 0 L0 L 代入式 2 6 式并整理 得 2 8 2 000 0 0 0 2 1 wSL LLL 因为 所以可将上式用泰勒级数展开成级数形式为 0 1 2 9 23 00 000 1LLLL 由上式可求得电感增量 L 和相对增量 L L0的表达式 即 2 10 2 0 000 1LL 2 11 2 0000 1 L L 同理 当衔铁随被测体的初始位置向下移动时 有 2 12 23 0 0000 1LL 2 13 23 00000 1 L L 对式 2 11 2 13 作线性处理 即忽略高次项后 可得 2 14 00 L L 灵敏度为 2 15 0 0 0 1 L L K 可见 变间隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾 因此变隙式 电感式传感器适用于测量微小位移的场合 L o L0 L0 L L0 L 图图 2 4 变隙式电感传感器的变隙式电感传感器的 L 关系关系 由图 2 4 可以看出 衔铁上移 切线斜率变大 衔铁下移 切线斜率变小 与线性度 衔铁上移 23 000 L L 非线性部分 衔铁下移 23 000 L L 非线性部分 可见 无论上移或下移 非线性都将增大 为了减小非线性误差 实际测量中 广泛采用差动变隙式电感传感器 2 4 电感传感器测量电路电感传感器测量电路 电感式传感器的测量电路有交流电桥式 变压器式交流电桥以及谐振式等 2 4 1 电感式传感器的等效电路电感式传感器的等效电路 电感式传感器的线圈并非是纯电感 有功分量包括 线圈线绕电阻和涡流损耗 电阻及磁滞损耗电阻 这些都可折合成为有功电阻 其总电阻可用 R 来表示 无功 分量包含 线圈的自感 L 绕线间分布电容 C R C L Z 图图 2 5 电感式传感器的等效电路电感式传感器的等效电路 等效线圈阻抗为 2 16 j Rj L C Z j Rj L C 将上式有理化并应用品质因数 Q L R 可得 2 17 2 2 2 22 22 2222 1 1 1 LC j LLC QR Z LCLC LCLC QQ 当 Q 2LC 且 2LC 0 时 u2与 u0同频同相 当 位 图图 3 5 相敏检波电路相敏检波电路 图图 3 6 波形图波形图 移 x 0 时 u2与 u0为同频同相 当 u2与 u0均为正半 周时 见图 3 4 1 中 a 环形电桥中二极管 VD1 D4截止 VD2 VD3导通 则可 得如图 3 5 b 的等效电路 3 1 0 0102 2 2 u uu n 3 2 2 2122 1 2 u uu n 根据变压器的工作原理 考虑到 O M 分别为变压器 T1 T2的中心抽头 则有 3 3 0 0102 2 2 u uu n 3 4 2 2122 1 2 u uu n 式中 n1 n2为变压器 T1 T2的变比 采用电路分析的基本方法 可求得图 3 5 中 b 所示电路的输出电压 uL的表达式 3 5 2 11 2 L L L R u u n RR 同理当 u2与 u0均为负半周时 二极管 VD2 VD3截止 VD1 VD4导通 其等效 电路如图 3 5 中 c 所示 输出电压 uL 表达式与式 3 5 相同 说明只要位移 x 0 不论 u2与 u0是正半周还是负半周 负载 RL两端得到的电压 uL始终为正 当 x 0 时 u2与 u0为同频反相 采用上述相同的分析方法不难得到当 x50 3 12 r R n R 式 3 11 3 12 中 为电路的输入电阻 为信号源内阻 sr R n R 3 13 so0 R 1 VD RFA 式 3 13 中 为电路的输出电阻 为集成运放的输出电阻 为集成 so R 0 R VD A 运放的开环放大倍数 3 5 2 交流放大电路在本系统中的设计交流放大电路在本系统中的设计 交流放大器电路如下图 3 9 本设计才用两级反相比例电路的设计 电路的总的放大倍数 12 KK K A 1 K 分别为第一级 第二级的放大倍数 在这里我设计 K 1000 10 100 2 K 1 K 2 K 又上式 50 可知 3K 用上述的理论可以分别计算出各电阻和电容的值 r R n R 47 R 具体值看下面的电路 图图 3 9 交流放大器的设计交流放大器的设计 3 5 3 直流放大电路在本系统中的设计直流放大电路在本系统中的设计 经上述反相比例放大电路的设计理论 设计一个放大倍数为 10 的直流放大器如 下图 3 10 图图 3 10 直流放大器的设计直流放大器的设计 3 6 A D 转换单片机控制和液晶显示部分的设计转换单片机控制和液晶显示部分的设计 A D 转换单片机控制和液晶显示电路设计如下图 3 11 图图 3 11 A D 转换单片机控制和液晶显示电路的设计转换单片机控制和液晶显示电路的设计 3 6 1 A D 转换电路转换电路 A D 转换器的转换精度对测量电路极其重要 它的参数关系到测量电路性能 本设计采用双积 A D 转换器 它的性能比较稳定 转换精度高 具有很高的抗干扰 能力 电路结构简单 其缺点是工作速度较低 在对转换精度要求较高 而对转换 速度要求不高的场合如电压测量有广泛的应用 1 双积 A D 转换器的工作原理 a b 图图 3 12 A D 转换器转换器 a A DA D 转换器原理图转换器原理图 b 双积双积 A DA D 转换器的波形图转换器的波形图 双积 A D 转换器的工作原理如图 3 12 a 所示 对输入模拟电压和基准电压进 行两次积分 先对输入模拟电压进行积分 将其变换成与输入模拟电压成正比的时 间间隔 T1 再利用计数器测出此时间间隔 则计数器所计的数字量就正比于输入 的模拟电压 接着对基准电压进行同样的处理 图 3 12 b 为双积 A D 转换器的波形 在常用的 A D 转换芯片 如 ADC 0809 ICL7135 ICL7109 等 中 ICL7135 与其 余几种有所不同 它是一种四位半的双积分 A D 转换器 具有精度高 精度相当于 14 位二进制数 价格低廉 抗干扰能力强等优点 2 7135 的应用 图图 3 13 ICL7135 的引脚图的引脚图 7135 主要特点如下 双积型 A D 转换器 转换速度慢 在每次 A D 转换前 内部电路都自动进行调零操作 可保证零点在常温下 的长期稳定 具有自动极性转换功能 能在但极性参考电压下对双极性模拟输入电压进 行 A D 转换 模拟出入可以是差动信号 输入电阻极高 输入电流典型值 1PA 所有输出端和 TTL 电路相容 有过量程 OR 和欠量程 UR 标志信号输出 可用作自动量程转换的控 制信号 输出为动态扫描 BCD 码 对外提供六个输入 输出控制信号 R H BUSH ST POL OR UR 因此除用于数 字电压表外 还能与异步接收 发送器 微处理器或其它控制电路连接使用 采用 28 外引线双列直插式封装 外引线功能端排列如图 3 13 所示 7135 数字部分 数字部分主要由计数器 锁存器 多路开关及控制逻辑电路等组成 7135 一次 A D 转换周期分为四个阶段 1 自动调零 AZ 2 被测电压积分 INT 3 基 准电压反积分 DE 4 积分回零 ZI 具体内部转换过程这里不做祥细介绍 主要介绍引脚的使用 图图 3 14 ICL7135 的波形图的波形图 R H 25 脚 当 R H 1 该端悬空时为 1 时 7135 处于连续转换状态 每 40002 个时钟周期完成一次 A D 转换 若 R H 由 1 变 0 则 7135 在完成本次 A D 转换后进入保持状态 此时输出为最后一次转换结果 不受输入的影响 因此 利用 R H 端的功能可以使数据有保持功能 若把 R H 端用作启动功能时 只要在该 端输入一个正脉冲 宽度 300ns 转换器就从 AZ 阶段开始进行 A D 转换 注意 第一次转换周期中的 AZ 阶段时间为 9001 10001 个时钟脉冲 这是由于启动脉冲和 内部计数器状态不同步造成的 ST 26 脚 每次 A D 转换周期结束后 ST 端都输出 5 个负脉冲 其输出 时间对应在每个周期开始时的 5 个位选信号正脉冲的中间 ST 负脉冲宽度等于 1 2 时钟周期 第一个 ST 负脉冲在上次转换周期结束后 101 个时钟周期产生 因为每 个选信号 D5 D1 的正脉冲宽度为 200 个时钟周期 只有 AZ 和 DE 阶段开始时 的第一个 D5 的脉冲宽度为 201 个 CLK 周期 所以 ST 负脉冲之间相隔也是 200 个时钟周期 需要注意的是 若上一周期为保持状态 R H 0 则 ST 无脉冲信号 输出 ST 信号主要用来控制将转换结果向外部锁存器 UARTs 或微处理器进行传 送 BUSY 21 脚 在双积分阶段 INT DE BUSY 为高电平 其余时为低 电平 因此利用 BUSY 功能 可以实现 A D 转换结果的远距离双线传送 其还原方 法是将 BUSY 和 CLK 与 后来计数器 再减去 10001 就可得到原来的转换结果 OR 27 脚 当输入电压超出量程范围时 OR 将会变高 该信号在 BUSY 信号结束时变高 在 DE 阶段开始时变低 UR 28 脚 当输入电压等于或低于满量程的 9 则一当 BUST 信号结束 UR 将会变高 该信号在 INT 阶段开始时变低 POL 23 脚 该信号用来指示输入电压的极性 当输入电压为正 则 POL 等于 1 反之则等于 0 该信号 DE 阶段开始时变化 并维持一个 A D 转换调期 位驱动信号 D5 D4 D3 D2 D1 12 17 18 19 20 脚 每一位驱动信 号分别输出一个正脉冲信号 脉冲宽度为 200 个时钟周期 其中 D5 对应万位选通 以下依次为千 百 十 个位 在正常输入情况下 D5 D1 输出连续脉冲 当输入 电压过量程时 D5 D1 在 AZ 阶段开始时只分别输出一个脉冲 然后都处于低电平 直至 DE 阶段开始时才输出连续脉冲 利用这个特性 可使得显示器件在过程时产生 一亮一暗的直观现象 B8 B4 B2 B1 16 15 14 13 脚 该四端为转换结果 BCD 码输出 采 用动态扫描输出方式 即当位选信号 D5 1 时 该四端的信号为万位数的内容 D4 1 时为千位数内容 其余依次类推 在个 十 百 千四位数的内容输出时 BCD 码范围为 0000 1001 对于万位数只有 0 和 1 两种状态 所以其输出的 BCD 码 为 0000 和 0001 当输入电压过量程时 各位数输出全部为零 这一点在使 用时应注意 最后还要说明一点 由于数字部分以 DGNG 端作为接地端 所以所有输出端输出 电平以 DGNG 作为相对参考点 基准电压 基准电压的输入必须对于模拟公共端 COM 是正电压 图图 3 15 ICL7135 与系统的连接图与系统的连接图 图图 3 16 CD4060 时钟发生时钟发生电路电路 三 与单片机系统的串行连接 在 ICL7135 与单片机系统进行连接时 使用并行采集方式 要连接 BCD 码数 据输出线 可以将 ICL7135 的 STB 信号接至 AT89S52 的 P3 2 INT0 ICL7135 需要外部的时钟信号 本设计采用 CD4060 来对 4M 信号进行 3 2 分频 得到 125KHz 的时钟信号 图 3 16 为 CD4060 时钟发生电路 CD4060 计数为 14 级 2 进制计数器 在数字集成电路中可实现的分频次数最高 而且 CD4060 还包含振 荡电路所需的非门 使用更为方便 3 6 2 单片机部分单片机部分 图图 3 17 89S52 引脚图引脚图 单片机选用的是 ATMEL 公司新推出的 AT89S52 如图 3 17 所示 该芯片具有 低功耗 高性能的特点 是采用 CMOS 工艺的 8 位单片机 与 AT89C51 完全兼容 AT89S52 还有以下主要特点 采用了 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储器 NV SRAM 技术 其片内具有 256 字节 RAM 8KB 的可在线编程 ISP FLASH 存储器 有 2 种低功耗节电工作方式 空闲模式和掉电模式 片内含有一个看门狗定时器 WDT WDT 包含一个 14 位计数器和看门 狗 定时器复位寄存器 WDTRST 只要对 WDTRST 按顺序先写入 01EH 后写入 0E1H WDT 便启动 当 CPU 由于扰动而使程序陷入死循环或 跑飞 状态时 WDT 即可有效地使系统复位 提高了系统的抗干扰性能 3 6 3 液晶显示部分液晶显示部分 显示接口用来显示系统的状态 命令或采集的电压数据 本系统显示部分用的 是 LCD 液晶模块 采用一个 16 1 的字符型液晶显示模块 点阵图形式液晶由 M 行 N 列个显示单元组成 假设 LCD 显示屏有 64 行 每行有 128 列 每 8 列对应 1 个字节的 8 个位 即每行由 16 字节 共 16 8 128 个点组成 屏上 64 16 个显示单元和显示 RAM 区 1024 个字节相对应 每一字节的内容和屏上相应位置的亮暗对应 一个字符由 6 8 或 8 8 点阵组成 即要找到和屏上某几个位置对应的显示 RAM 区的 8 个字节 并且要使每个字节的 不同的位为 1 其它的为 0 为 1 的点亮 为 0 的点暗 这样一来就组成某个字 符 一 1601 使用说明 图图 3 18 1601 引脚图引脚图 表表 3 1 LCD1601 液晶模块的引脚液晶模块的引脚 引脚符号功能说明 1GND接地 2Vcc 5V 3VL驱动 LCD 一般将此脚接地 4RS 寄存器选择 0 指令寄存器 WRITE Busy flag 位址计数器 READ 1 数据寄存器 WRITE READ 5R WREAD WRITE 选择 1 READ 0 WTITE 6E读写使能 下降沿使能 7DB0低 4 位三态 双向数据总线 8DB1 9DB2 10DB3 11DB4 12DB5 13DB6 14DB7 高 4 位三态 双向数据总线 另外 DB7 也是一个 Busy flag 寄存器选择 如表所示 表表 3 2 寄存器选择控制线操作寄存器选择控制线操作 RSR W操作说明 00写入指令寄存器 清除屏幕 等 01读 Busy flag DB7 以及读取位址计数器 DB0 DB6 值 10写入数据寄存器 显示各字型等 11从数据寄存器读取数据 Busy flag DB7 在此位未被清除为 0 时 LCD 将无法再处理其他指令要求 1 显示地址 内部地址计数器的计数地址 SB7 0 DB0 DB6 第一行 00 01 02 等 第二行 40 41 42 等 可配合检测 DB7 1 RS 0 R W 1 读取目前显示字的地址 判断是否需要换行 表表 3 3 LCD1601 16 1 显示字的地址显示字的地址 12345678910111213141516 00010203040506074041424344454647 2 外部地址 DB7 1 亦即 80H 内部计数地址 可以用此方式将字显示在某 一位置 LCD 各地址列举如下表 表表 3 4 LCD1601 16 1 显示字的外部地址显示字的外部地址 12345678910111213141516 8081828384858687C0C1C2C3C4C5C6C7 注 注 16 1 16 字字 1 行行 1601 表表 3 5 LCD1601 的指令组的指令组 设置码指 令 说 明RS R WD7D6D5D4D3D2D1D0 清除显示幕000000000 光标回到原点000000001 进入模式设定00000001I DS 显示幕 ON OFF0000001DCB 移位000001S CR L 功能设定00001DLNF 字发生器地址设 定 0001AGC 设置显示地址0001ADD 忙碌标志位 BF001BF 显示数据10写入数据 读取数据11读取数据 I D I D 1 表示加 1 I D 0 表示减 1 S S 1 表示显示幕 ON S 0 表示 OFF D D 1 表示显示屏幕 ON D 0 表示显示屏幕 OFF C C 1 表示光标 ON C 0 表示光标 OFF B B 1 表示闪烁 ON B 0 表示显示闪烁 OFF 续表 S C S C 1 表示显示屏幕移位 S C 0 光标移位 R L R L 1 表示右移 R L 0 表示左移 DL DL 1 表示 8 位 DL 0 表示 4 位 F F 1 表示 5 10 点矩阵 F 0 表示 5 7 点矩阵 N N 1 表示 2 行显示行 N 0 表示 1 行显示行 BF BF 1 内部正在动作 BF 0 可接收指令或数据码 二 液晶显示部分与 89S52 的接口 AT89S52 LCD D7 D0 E R W RS 图图 3 19 液晶与液晶与 89S52 接口接口 如图所示 用 89S52 的 P2 口作为数据线 用 P0 1 P0 2 P0 3 分别作为 LCD 的 E R W RS 其中 E 是下降沿触发的片选信号 R W 是读写信号 RS 是寄存 器选择信号本模块设计要点如下 显示模块初始化 首先清屏 再设置接口数据位 为 8 位 显示行数为 1 行 字型为 5 7 点阵 然后设置为整体显示 取消光标和字 体闪烁 最后设置为正向增量方式且不移位 向 LCD 的显示缓冲区中送字符 程序 中采用 2 个字符数组 一个显示字符 另一个显示电压数据 要显示的字符或数据 被送到相应的数组中 完成后再统一显示 首先取一个要显示的字符或数据送到 LCD 的显示缓冲区 程序延时 2 5ms 判断是否够显示的个数 不够则地址加一取下一个 要显示的字符或数据 图图 3 20 AT89S52 与与 RS 232 的接口电路的接口电路 3 6 4 通讯模块通讯模块 89S52 内部已集成通信接口 URT 只需扩展一片 MAX232 芯片将输出信号转 换成 RS 232 协议规定的电平标准 MAX232 是 一 种 双 组 驱 动 器 接 收 器 每个接收器将 EIA TIA 232 E 电平输入转换为 5V TTL CMOS 电平 每个驱动器 将 TTL CMOS 输入电平转换为 EIA TIA 232 E 电平 即 EIA 接口 就是把 5V 转换 为 8V 到 15V 电位 0V 转换为 8V 到 15V 再经 RXD 输出 接收时由 RXD 输入 把 8V 到 15V 电位转换为 5V 8V 到 15V 转换为 0V MAX232 的工作电压只需 5V 内部有 振荡电路产生正负 9V 电位 3 7 量程变换电路的设计原理图及其说明量程变换电路的设计原理图及其说明 图图 3 21 量程变换原理图量程变换原理图 图中测量电桥用等效发电机表示 调零电桥相同 省略 R1 R4 组成分压器 无论量程开关选择打在哪一位置 测量电桥的负载均为 R1 R2 R3 R4 2K 它在 等效发电机内阻 X 150大地多 故对测量电桥影响不大 传感器每个线圈的电感量为 L 4mH 振荡频率 f 12KHz 因此传感器每个线圈 的阻抗 XL 2 3 14 12 103 4 10 3 300 测量电桥的比较内阻等于从测量电2 fL 桥的输出端看进去 并将振荡变压器次级线圈看成短路时的电桥内阻 此时传感器 的两 个线圈并联 感抗 XL 30 150 2 V 当量程打到 3u 档位时 测量电桥的输出 ux 不经衰减直接送到放大器 如上图 所示 这时仪器的灵敏度最高 刻度值为 0 1um 在 10 档位时 量程扩大倍 送 10 3 到放大器的信号电压从 R2 R3 R4 上取出 信号电压也衰减了 所以分档电阻也 10 3 缩小了倍 10 3 即 210 R2 R3 R43 K R2 R3 R4 600 11 4 RK 同理在 30um 档位时 送到放大器的信号电压从 R3 R4 上取出 信号电压衰减 了倍 也就是量程扩大了 10 倍 分档衰减电阻也缩小了 10 倍 30 10 3 即 210 R2 R3 R43 K R3 R4 200 R2 2000 1400 200 400 在 100u 档位 送到放大器的信号电压从 R4 上取出 信号电压衰减了倍 100 3 也就是量程扩大了倍 分档衰减电阻也缩小了倍 100 3 100 3 即 2100 R43 K R4 60 R3 140 所以 示值范围为 3 m 10 m 30 m 100 m 格值为 0 1 m 0 5 m 1 m 5 m 所以量程变换在本系统中的设计如下图 图图 3 22 量程变换电路量程变换电路 3 8 电源部分的设计电源部分的设计 电源的设计电路如下图 该电源能产生的电压供器件的使用 12 5VV 图图 3 23 电源电路电源电路 4 软件系统的分析与设计软件系统的分析与设计 4 1 软件编程语言的种类及区别软件编程语言的种类及区别 软件是整个系统的重要组成部分 系统的人机对话 数据的输入输出 数据处 理等功能都通过软件来实现的 因此开发一个性能优良的应用软件是实现整个系统 正常可靠运行的重要前提 系统控制软件采用软件工程方法进行设计 使软件具有 高度的可扩充性和可维护性 软件编程语言对编程思想和编程效率影响很大 对于 51 系列的单片机 现在有 四种语言支持 即 PL M BASIC C 和汇编 PL M 和 BASIC 不适合本系统 BASIC 语言通常附在 PC 机上 是初学编程的第一种语言 由于逐行解释自然很慢 每一行必须在执行时转换成机器代码 需要花费很多时间不能做到实时性 适用于 要求编程简单而对编程效率或运行速度要求不高的场合 PL M 是 Intel 从 8080 微处 理器开始为其系列产品开发的编程语言 它很像 PASCAL 语言 是一种结构化语言 但它使用关键字去定义结构 PL M 编译器很像好的汇编器也能产生紧凑代码 PL M 总的来说是 高级汇编语言 可详细控制代码的生成 但对 AT89S52 内核的 微处理器 PL M 不支持复杂的数学运算 浮点变量且无丰富的库函数支持 在本系 统中由于有一定量的浮点运算并且对数据处理要求实时性 故不选用这两种语言 C 语言是一种通用的计算机程序设计语一言 它既可用来编写计算机的系统程 序 也可用来编写一般的应用程序 以前单片机应用系统软件主要用汇编语言编写 但是由于汇编语言程序的可读性和可移植性都较差 采用汇编语言编写单片机应用 程序不但周期长 而且调试和排错也比较困难 为了提高编制单片机应用程序的效 率 改善程序的可读性和可移植性 采用高级语言无疑是一种最好的选择 C 语言 既具有一般高级语言的特点 又能直接对计算机的硬件进行操作 表达和运算能力 也较强 许多以前只能采用汇编语言来解决的问题现在都可以改用 C 语言来解决 本次设计就