基于电涡流传感器的位移计设计(LCD)[1].doc

小二字，宋体，加粗，字间空四格目 录0 前言(章标题为黑体四号字，左对齐，段前段后距离均为6磅，设为标题1，下同)11 总体方案设计12 硬件电路设计12.1 单片机最小系统12.1.1 RC 时钟电路13 软件设计23.1 数据采集子程序的设计23.1.1计算温度子程序13.2 数字显示子程序的设计24 调试分析25. 结论及进一步设想（需说明的问题）2参考文献（标题1）2课设体会5附录1 元件清单3附录2 实验电路原理图4目录为自动生成，格式为：宋体小四号，行距为2倍行距沈阳航空航天大学课程设计论文 智能压力计的设计（LCD）小五字，宋体，为题目名称基于电涡流传感器的位移计设计（LCD）摘要：本文设计了一种基于单片机控制的数字位移计，由A/D转换器、单片机、键盘报警装置和LCD显示等几部分组成，主要使用了ADC0808、8031、LCD主要器件，主要解决方案是利用电涡流传感器位移特性、单片机实验箱（含A/D转换）、单片机仿真器等设计一个能用LCD实时显示物体位移的智能位移计。本次设计用汇编语言进行编程，实现电涡流测位移的功能,即对位移的实时测量并显示，位移显示为X.XX mm。优点是位移仪的放大电路将电涡流传感器输出的微弱模拟信号放大，通过LCD能直观的显示出你所测的数据。关键词：单片机 ；DS18B20 ；LCD液晶显示 “摘要”二字为小四号黑体，摘要内容为小四号宋体字，行距为固定值20磅；“关键词”三字为黑体小四号，以下所列词条为宋体小四号。0 前言(章标题为黑体四号字，左对齐，段前段后距离均为6磅，设为标题1，下同) 可以有以下的一些内容：1. 本课题的背景、目的、意义 。2.本课题的技术指标或设计要求、研究方案、技术路线与特点等。位移测量在贸易计量以及工业生产过程中起着十分重要的作用，作为位移测量仪器，智能电子秤在各行各业中开始显现其测量精度高、测量速度快、操作简单易学。可以实时监控的巨大优点，使其已经开始逐渐取代传统型的机械杠杆测量秤，成为测量领域的主流产品。本次设计实验需要把重量等非电量的变化转换为电量的变化输出，因此必须通过传感器实现这一功能，为接下来通过单片机测量、控制和显示铺平了道路。在本次设计中采用的是电阻应变式单臂电桥传感器。单片机的诞生，会各种职能仪器的产生和发展起到了很大的推进作用，所谓单片机，普遍认为它是在一块硅片上集成了中央处理器单元（CPU），存储器（RAM，ROM，EPROM），和各种输入输出端口（定时器、计数器、并行I/O口、串行口、A/D转换器以及各种脉冲调节器等），这样的一块芯片具有一台计算机的功能。因而被称为单片微型计算机。单片机的优点是体积小、重量轻，抗干扰能力强，对环境要求高，价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。本次课设利用单片机的上述特点将传统的重量测量系统升级为智能电子秤，设计一个能对重量信息进行实时数据采集、处理及显示，并可用键盘设定阈值且具有超值报警功能的电子秤。（正文内容为小四号字宋体，全文行距：20磅的固定值。页面格式：页面纸张为A4、版面设置：左2.5厘米、右2.0厘米、上2.8厘米、下2.4厘米，左侧装订页眉2.2厘米，页脚2.0厘米。）1 总体方案设计针对本课题的设计任务，进行分析得到：本次设计用电涡流传感器进行位移的测量，转化了的位移信号由传感器直接得到了数字信号。主要任务是基于热电阻温度传感器的温度测试仪的设计，利用电涡流传感器、单片机实验箱、单片机仿真器等设计一个能用LCD显示位移的位移测试仪。并显示为X.XXmm该位移测量仪的设计，在总体上大致可分为两大部份：硬件的设计、软件的设计。系统设计总体流程图如图1所示。技术论证确定功能技术指标完成功能技术指标的软硬件分工按功能确定软件模板系统外设、接口电路方案选择软件结构设计系统硬件电路设计模块化软件编制硬件电路的制作目标程序硬件电路的检查测试软件硬件系统诊断软、硬件系统合格 Y程序存储程序固化完成设计图1 系统设计总体流程图首先通过大电涡流传感器来进行对位移的采集。电涡流传感器将位移变化转换为电压变化，再经过滤波放大电路将得到的电压值放大到05V之间，而在这个过程中我们所采集的电压值与位移值在开始时称非线性关系，所以我们应把非线性部份去掉，取线性部份，即为14v之间。以保证其电压值在A/D转换器的满刻度范围内。由于智能仪器所处理的对象大部分是模拟量，而微处理器能接受并处理的是数字量，因此被测模拟量必须先通过A/D转换器转成数字量，并通过适当的接口送入微处理器。将电涡流传感器测量的位移与所对应的电压值建立一种线性关系，编写单片机程序，将对应的值进行相互转换为并通过LCD数码管显示。同时编写程序，实现键盘按键设定阈值，当测量数据超过阈值时，实现报警功能。2 硬件电路设计对于单片机控制的位移测试仪，在实际使用中需要亲切的开始界面，人性化阈值设定界面，和清晰简明的测试界面。单片机的程序不仅要分别对A/D转换、LCD显示、键盘、报警等电路控制，还要对A/D转换的结果与阈值比较，实现超值报警的功能，还有就是要对A/D转换后的数字量进行线性变换，以达到转换成位移值的目的。基于以上的分析，正确地计算出采样信息中所对应的位移值，用单片机汇编语言编写程序，先设定阈值，再对采样后数据A/D转换，线性变换成温度值，与阈值比较，实现超值报警的功能。按照以上的要求设计，不仅要完成以上的各个功能，并且实现了对前面板设计的美观大方、操作方便，后面板审计的简洁、布线合理、功能完善。硬件原理框图如图2.所示电涡流传感器放大电路A/D转换器单片机接口电路LCD显示键盘报警图2 硬件原理框图根据课设题目要求，利用电涡流传感器、单片机实验箱、单片机仿真器等设计一个能用LCD显示温度的智能温度测试仪。本次设计采用电涡流传感器，而硬件部分采用了位移采集电路、放大电路、A/D转换电路、数据处理电路、LCD显示电路、键盘按键电路以及报警电路。下面对各部分电路进行简要介绍：1、位移采集电路：本次设计运用电涡流传感器对位移进行控以及调节其变化。位移控制仪会显示当前位移值为多少。2、放大电路：由于经过电涡流传感器测得的位移转化后的电压值较小，所以需要放大电路对小信号进行放大。根据测量要求，结合ADC0809对输入电压范围的要求，将增益调节到适当位置，以满足经放大电路后得到的电压值应在05V之间，但是由于电涡流传感器测得的位移在开始时称非线性，所以应截取线性部分。以保证其电压值在A/D转换器的满刻度范围内。3、A/D转换电路：单片机接收的信号应是数字信号，而电涡流传感器输出的信号是模拟信号。所以需要一个A/D转换电路完成由模拟量向数字量的转换。4、数据处理电路：对采集的信号，按照位移与电压的线性关系，编写程序实现各组数据相互对应。5、LCD显示电路：将按照线性变化后的数据转换，显示到LCD数码管中，实现对被测位移值的展现。6、键盘按键电路及报警电路：通过对键盘按键设定阈值，并通过分析判断，当被测温度值超过设定的阈值时，报警灯亮实现电路报警功能。2.1 电涡流传感器通过交变电流的线圈产生交变磁场，当金属体处在交变磁场时，根据电磁感应原理，金属体内产生电流，该电流在金属体内自行闭合，并呈旋涡状，故称为涡流。涡流的大小与金属导体的电阻率、导磁率、厚度、线圈激磁电流频率及线圈与金属体表面的距离等参数有关。电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而改变激磁线线圈阻抗，涡流传感器就是基于这种涡流效应制成的。电涡流工作在非接触状态(线圈与金属体表面不接触)，当线圈与金属体表面的距离以外的所有参数一定时可以进行位移测量。二、基本原理： 通过高频电流的线圈产生磁场，当有导电体接近时，因导电体涡流效应产生涡流损耗，而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关，因此可以进行位移测量。三、需用器件与单元：电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。四、实验步骤：根据图151安装电涡流传感器。图81电涡流传感器安装示意图图151电涡流传感器安装示意图图152电涡流传感器位移实验接线图观察传感器结构，这是一个平绕线圈。将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中，作为振荡器的一个元件。在测微头端部装上铁质金属圆片，作为电涡流传感器的被测体。将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vi相接。数显表量程切换开关选择电压20V档。用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有15V的插孔中。使测微头与传感器线圈端部接触，开启主控箱电源开关，记下数显表读数，然后每隔0.2mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将结果列入表151。表151电涡流传感器位移X与输出电压数据X（mm）V(v)根据表151数据，画出VX曲线，根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点，试计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和线性度（可以用端基法或其它拟合直线）。2.2 放大电路在输入通道，如果光纤传感器的输出信号电平太小，则进行A/D转换时，对信号进行电压放大是必需的。光纤传感器的输出电压为毫伏级，而单片机所处理的电压为05V，所以必须加入实现电压放大的电路，我们选用简单稳定的差动放大电路，使输出电压为05V，从而为后续的A/D转换电路提供必要条件。由于传感器两个输出端常有较大的共模干扰信号。通常由一组运算放大器构成测量放大器，对传感器输出的微小信号进行放大，这类放大器也称为仪器放大器。目前多采用单片测量放大集成芯片进行放大，这种芯片性能可靠，体积小，成本低。放大电路图如图3所示1K-+1K1K-+1K-+1K1K1K图3 放大电路原理图2.3 单片机系统 (各章中可根据内容分为若干节论述，格式为：节标题小四号黑体字，左对齐，段前段后行距为6磅，设为标题2，下同 )2.3.1 单片机的选择 追述单片机的历史，8位单片机是80年代以来工业检测、控制应用的主角。市场上常用的8位单片机有Intel公司的MCS-51系列，日本松下公司的MN6800系列等。其中，MCS-51由于单片机应用系统具有体积小，可靠性高，功能强，价格低等特点，很容易形成产品而更受青睐。然而作为本系统的核心元件，选择哪一型号的MCS-51单片机是关键的问题8031单片机片内不带程序存储器ROM，使用时需外接程序存储器和一片逻辑电路74LS373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没什么保密性可言。8051单片机片内有4KROM，无须外接存储器和74LS373，更能体现“单片”的简练。但是编的程序无法烧写到其ROM中，只有将程序交芯片厂代为改写，并是一次性的，今后都不能改写其内容。8751单片机与8051单片机基本一样，但8751单片机片内有4K 的EPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用紫外线照射一定时间擦除后再烧写。89C51单片机为EPROM型，在实际电路中可以直接互换8051单片机或8751单片机，不但和8051单片机指令，管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的。 89C52是由北京集成电路中心（BIDC）设计，由美国公司生产八位单片机 。它是一种低功耗高性能的具有8K字节可电气烧录及可擦除的程序ROM的八位CMOS单片机。该器件是用高密度、非易丢失存储技术制造并且与国际工业标准80C51单片机指令系统和引脚完全兼容。综上所述，从使用方便与简化电路以及其性价比等角度来考虑，89C52比较合适的。本系统采用CPU为89C52的单片微机，89C52本身带有8K的内存储器，可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上，比以往惯用的8031CPU外加EPROM为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单、方便等优点，而且完全兼容MCS 51系列单片机的所有功能。下面介绍89C52的主要管脚功能如下：VCC（40）：电源+5V；VSS（20）：接地；XTAL1（19）和XTAL2（18）：外接石英晶体振荡器；P0口（32-39）：双向I/O口，既可作低8 位地址和8位数据总线使用，也可作普通I/O口；P1口（1-8）：准双向通用I/O口；P2口（21-28）：既可作高8位地址总线，也可作普通I/O口；P3口（10-17）：多用途端口，既可作普通I/O口，也可按每位定义的第二功能操作；RST（9）：复位信号输入端；ALE/PROG：地址锁存信号输出端；PSEN：内部和外部程序存储器选择线。如图4所示 图4 89C52单片机 2.3.2 采集电路的设计 ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。 ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。在此实验中我们用0到5V变化的滑动变阻器代替温度传感器的0到5V电压。ADC0809的片选信号由P2.1控制，因为只用通道IN0，估ADC0809的A，B，C端接地，当89C52产生WR写信号时，由一个或非门产生转换器的启动信号START和地址锁存信号ALE（高电平有效），模拟量通过被选中的通道送入A/D转换器，并在START信号的下降沿时开始逐位转换，89C52经过软件查询方式查询转换是否结束，结束转换后又89C52产生RD读信号，将转换结果读如单片机的内部存储器。实验电路图如图5所示+5V1KD QCK QALEP0.7P0.089C52 RDP2.1 WR RDCLK REF(+)D7 REF(-)D0A IN7BC 0809STARTALE IN0 OE 0809 + +图5 A/D转换部分的原理图2.3.3 键盘报警 键盘按键一般采用触电式按键开关。当按键被按下或释放时，按键触电的弹性会产生一种抖动现象。当按键按下时，触点不会迅速可靠地接通；当按键释放时，触电也不会立即断开，而是要经过一段时间的抖动才能稳定下来。而本次设计采用软件延时法来消除键抖动现象。通过累计键盘按键的次数，在LCD数码管中显示响应的设定值，从而来实现设定阈值的功能。将单片机80C51的P2.4和P2.5这两个引脚分别与两个接高电平的指示灯相连，令工作指示灯与P2.5口相连，报警灯与P2.4口相连，且所接的放光二极管都是低电平亮。编写响应程序，当整个电路正常工作时，P2.4为高电平，P2.5为低电平，相应的工作指示灯亮，报警灯不亮。通过键盘按键设定阈值，当测量值超过阈值值时，P2.4变为低电平，相应的报警灯亮，从而实现发光报警的功能。硬件连接图如图6所示图6 键盘报警装置2.3.4 显示电路的设计显本设计采用的液晶显示模块是12864点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。本部分设计的电路图如图7所示图7 LCD显示电路3 软件设计在新一代的一起系统中，计算机软件和测试一起将更加紧密地结合在一起，随着仪器系统的不断完善及仪器设计思想的发展，软件的重要性及进一步发展的迫切性越来越突出，为了使仪器系统硬件设备尽量少，传统仪器的许多硬件乃至整个仪器都可以被计算机软件所代替，在新一代的仪器系统中，计算机将处于核心地位。 所以，软件在智能仪器的设计中至关重要，下面简要给出这次课设各个部分的软件设计。总设计图如图8所示NYY初始化位移数据采集数据处理数据显示键盘扫描报警D键按下？过报警上限?主程序N设置阈值阈值比较图8 主程序流程图3.1监控子程序的设计监控程序又称管理程序，在硬件支持下整个智能位移计的工作仪器的全部功能都是由监控程序实现的。监控程序的主要任务是接受命令、解释命令。监控程序可分为监控主程序和命令处理子程序两大部分。监控主程序的任务是识别按键、解释命令并获得处理子程序的入口地址，处理子程序的任务是具体执行命令，完成命令规定的各项实际任务。处理子程序随智能仪器的不同而异。但监控主程序的结构却具有共同性。监控程序的主要作用是能及时的响应来自系统或仪表内部的各种服务请求，有效的管理仪器仪表自身软、硬件及人机联系设备，与系统中的所有功能都在这一循环圈中周而复始的、或有选择的执行，除非掉电，仪器不会跳出这一循环圈。 监控程序的目的是为了检验LCD显示是否正常。该程序设计为显示 “AF”，对8279初始化后，利用查表指令将“AF”的段码送显示，若显示“AF”，说明8279空闲且显示正常，可调用接下来的程序，执行并显示。如图9所示 开 始选控制口地址送字型码返 回显示AF-设置堆栈图9 监控子程序流程图 3.2 数据处理子程序的设计数据处理子程序是将已存在3FH中的数字量的采样信号通过线性变换、BCD转换，变成十进制的位移值。如图10所示图10 转换子程序流程图3.3 键盘报警子程序的设计 键盘报警把它分为两部分来设计的，分别为键盘子程序的设计和报警子程序的设计。程序设计如下3.3.1 键盘子程序的设计键盘扫描子程序是用与阈值的输入和设定。开始设定阈值，按两次数字键，输入阈值，如果输入三次则重新输入，输入结束后按D键确定。输入的十位和个位存在51H中。如图11所示图11 键盘扫描的流程图3.3.2报警子程序的设计报警子程序是根据判断测量值与设定的阈值的大小，若测量值超过设定的阈值时，芯片8155的P2.4由高电平转变为低电平，报警等亮。报警子程序是由两次比较实现的，首先比较设定的下限值，如果测量值低于下限值则发光报警，否则和设置的上限制比较。如果测量值大于设定的上限制则发光报警，否则表示工作正常。在每次数值比较中，首先比较40H中的值，即三位数中的百位。如果测量值的超过阈值的百位则发光报警，否则继续比较十位和个位。如果测量值的十位和个位超过阈值的十位和个位时则发光报警，否则不报警，表示测量的值没有超出预订的值，保证了工作的安全、可靠性。报警子程序如图12所示。图12 报警子程序3.4 显示子程序的设计数字显示子程序是将数字在LCD屏上显示出来。如图13所示图13 数字显示子程序流程图4 调试分析本课程设计在软件、硬件调试方面都出现过问题。（1）在软件方面出现过只能采样一次不能多次采样的问题，后来通过增加一个循环解决了不能多次采样的问题。（2）在软件方面出现了无法进行键盘扫描的问题，通过后来的不断调试，不断修改键盘扫描的程序，最终在软件方面解决了键盘扫描的故障。（3）在硬件方面键盘扫描同样出现了问题，但是通过更换原件等方法，最终实现了键盘扫描设定阈值的功能。说明软硬件调试中遇到的问题及解决的措施。5 结论及进一步设想本文主要介绍的是基于热电阻温度传感器的温度测试仪的设计。该设计实现了能由LCD数码管准确的显示电涡流传感器所测量的位移值，进而完成了电子式电涡流传感器的功能。整体设计以单片机为核心部件，将传感器所测量的位移信号转换称为模拟电压信号，并通过适当调节放大器的增益，使输出给ADC0809的模拟电压信号能够达到05V的范围内，以此来保证其电压值在A/D转换器的满刻度范围内，且大于其最小分辨率。经过A/D数模转换，将转换后的数字信号输入到单片机，在单片机内进行一系列的数据处理，最后将对应的测量位移值用LCD数码管显示出来。同时，可以自主按键设定阈值上、下限，当测量温度超过阈值时，将发光报警。由于该程序比较大，实现的功能多。因此在软件编程中选用了模块化的设计方法。它可以使一个非常复杂的程序分解成几个简单的子程序。每一个子程序各自实现一个功能，且可以循环调用，单独进行调试修改，不但节省了程序的篇幅，也大大的提高了工作效率。 在实验和调试过程中，传感器的调试和最后的连调是比较困难的。因为传感器受各方面因素的限制，测量的结果会存在一定的误差。因此，采用多次测量取平均