毕业设计论文-康凯-位移检测仪设计

1、南京工程学院自动化学院 本科毕业设计（论文） 题 目： 位移检测仪的设计 工程设计 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 测控052 学 号： 203050820 学生姓名： 康 凯 指导教师： 王东霞 讲 师 起迄日期： 2009.22009.6 设计地点： 工程中心4栋223 Graduation Design (Thesis)Design of Micro-displacement DetectorByKang KaiSupervised byLector. Wang DongxiaSchool of Automation Nanjing Institute of TechnologyJu

2、ne, 2009南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）摘 要本论文设计完成的位移检测仪用于检测微位移信号。首先根据整个信号检测系统的需求，进行了一定的可行性分析，确定了使用51系列单片机作为核心微控制器，以及电涡流传感器作为测量工具的总体设计方案。根据设计方案，构建了模块化、统一化的硬件结构体系，包括信号放大电路、信号采集电路、微控制器单元、数据显示电路和电源模块。在设计硬件系统原理图的基础上，还具体分析了信号检测系统各个硬件部分的调试方法和软件设计应注意的事项。设计并调试成功的位移检测系统实现了对mm级位移信号的采集与数据显示。本论文重点介绍了微位移的采集、处理以及数据显示。具体介绍了各

3、个功能模块的功能设计、器件型号选择、硬件设计与实施过程，以及软件的设计思路、编写特点。最后详细记录了对一些关键部分的调试过程，对设计思路和方法做了较全面的检验和完善。关键词：微位移；传感器；单片机；数据显示ABSTRACTThe micro-displacement detector designed is applied in detection of the micro-displacement signal. Feasibility of the system is discussed upon requirement, and the decision of adopting MCS-

4、51 as MCU is made as the total designing plan. According the plan, modulized and unilized hardware architecture is constructed, including signal amplifying circuit, signal sampling circuit, micro controler unit, data showing circuit and power module. Debugging of each part of the hardware and design

5、ing of the software for the system is discussed based on the schematic design. This designed micro-displacement detector can implement sampling and data showing of the micro micro-displacement signal on zhe mm-level. Sampling and processing of micro-displacement signal and data showing are mainly in

6、troduced in this article. Designing of each functional module, selecting of each device, designing and implementing of the hardware, designing method and characteristic of the software are embodied. Debugging of critical part is expounded, which totally tested and improved the designing method. Key

7、words： micro-displacement; sensor; MCU; data showingI目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 选题背景及意义11.3 研究现状11.4 本文的结构2第二章 系统总体设计32.1 系统硬件结构32.2 系统软件结构42.3 系统性能指标4第三章 系统硬件设计53.1 电源53.1.1 系统供电要求及选择53.1.2 供电的实施53.2 位移传感器63.2.1 位移传感器的选择63.2.2 位移传感器的原理63.3 模拟信号调理电路73.3.1 信号放大电路73.3.2 反相电路83.4 模拟信号采集电路93.4.1 采样/保持器93.4.2

8、模拟/数字转换器103.5 微控制器113.5.1 I/O端口113.5.2 看门狗133.6 数据显示电路143.6.1 数据移位寄存器143.6.2 LED显示器153.7 硬件原理图和PCB图设计16第四章 位移检测仪软件设计174.1 软件总体设计174.2 主要子程序设计174.2.1 A/D转换控制程序设计184.2.2 显示电路控制程序设计224.3 数据处理程序设计254.3.1 移位程序设计254.3.2 减法程序设计264.3.3 除法程序设计27第五章 位移检测仪系统调试265.1 硬件调试265.1.1 通电前的调试265.1.2 通电后的调试265.1.3 反相放大电

9、路的调试285.1.4 数据显示电路的调试285.1.5 AD1674电路的调试305.2 软件调试315.2.1 AD转换程序的调试315.2.2数据显示程序的调试325.2.3 数据处理程序的调试32第六章 总结366.1论文总结366.2 感想36致谢40参考文献41附录A：英文资料42附录B：英文资料翻译46附录C：硬件设计原理图、PCB图和实物图49附录D：软件源代码51附件： 毕业论文光盘资料III第一章 绪 论1.1 引言当前随着科学的迅速发展，尤其是在微电子技术，宇航，材料，生物工程等学科的发展，对精密机械和精密仪器的精度及灵敏度要求越来越高。位移机构是精密机械和精密仪器的关键

10、部件之一。例如，对位移检测的研究，我们可以通过使用电涡流传感器将微位移信号转换成电信号通过数据处理将位移显示出来，从而实现对mm级位移信号的采集与数据显示。1.2 选题背景及意义在人们的生活生产中，位移随时随地都有可能发生，不仅会影响人们生活和生产的安全，而且对工业生产的产品质量也会产生一定的影响，这里针对微位移的检测进行研究。在安全方面，位移的检测可用于大型电站大坝、库区库岸、大型桥梁灾害性地质监测和报警，电力系统杆塔及其他大型建筑的微位移险情预报。在工业生产方面，可以用于精密加工中，以调整工具、保证工件精度和表面质量。随着大规模和超大规模集成电路的迅速发展，以及与之相应的微操作的迫切需要，

11、对微位移技术提出了越来越高的要求，要求其定位精度高、响应速度快、转换效率高、功率密度大。本课题对位移的检测进行了研究，结合电涡流传感器的使用可以设计出在进行微小位移时可以对其进行检测并显示，其研究意义如下：1、相比于传统的指针式仪表，数显表采用低功耗单片机作为控制芯片，不但节约能源，而且无一切机械转动结构，因此无需日常维护，更是大大降低了生产成本。2、位移检测仪采用显示，清晰明了。相比于指针式仪表，由于直接数字显示，消除了因读表人不同和读表习惯不同而造成的读数误差。3、位检测仪读数准确，精度高，能够准确反映mm级的位移信号，使用效果好。1.3 研究现状近年来随着科学技术的发展，人们在各领域对位

12、移的研究也是越来越广，尤其是在微电子技术、宇航、材料、生物工程等学科的发展，例如在材料学领域，科学家们为了探测材料表面的原子结构，甚至将其原子结构做重新排列，对于相应的操作精度要求达到了亚纳米级1。而人们对位移测量的研究也更加先进，现在对位移的测量有多种传感器，其中有输出模拟信号的电容式位移传感器、电感式位移传感器、直线滑动电位器，这类传感器将位移信号转换为相应的电气参数的变化，并在激励电源的做用下，输出与位移量成比例的电压信号或电流信号；输出脉冲信号的有光栅传感器、磁栅传感器等，其特点是输出脉冲信号，每一个脉冲有对应固定的位移量，即脉冲当量；输出频率信号的有谐振式位移传感器，输出的频率与位移

13、成比例2。随着现代检测技术的发展，电涡流传感器的在工业生产中的应用也越来越广，电涡流传感器可以用于测位移、位移、转速、厚度、温度以及进行金属探伤。电涡流传感器可以测金属零件的动态位移，量程可以位0-15m(分辨率为0.05m)，或0-500mm（分辨率为0.1%）。凡是可变换成位移量的参数，都可以用电涡流式传感器来测量，如汽轮机主轴的轴向窜动，金属材料的热膨胀系数、钢水液位纱线张力、流体压力等3。电涡流传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移、位移传感器，可对进入其测量范围内的金属物体的运动进行精密地非接触测量。广泛应用于对大型旋转机械的轴的径向位移、轴向位移、轴转速、胀差、偏心、油膜厚度

14、等进行在线测量和自动控制以及转子动力学研究和零件尺寸检验方面，并且还在不断扩展4。对于位移的测量也更多的用于自然灾害的预报中，大型水库的库岸边坡，山边公路、铁路边坡有危岩、滑坡、地裂等地质灾害。桥梁、大坝、摩天大楼等大型建筑会发生微位移、微变形。微位移量是危险报警的主要检测参数5。1.4 本文的结构本文以位移检测仪的研发工程项目作为应用背景，对位移检测技术进行了研究。全文共分为六章，各章的主要内容如下：第一章扼要地介绍了位移检测仪的概念、特点与相关研究背景；第二章研究了位移检测仪的总体设计；第三章对位移检测仪的硬件结构进行了研究，给出了对位移信号的采集、A/D转换、数据显示；第四章讲述了程序编

15、写的总体设计思路和各个子程序的编写；第五章介绍了对硬件、软件的过程。.第六章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。第二章 系统总体设计位移检测仪包括硬件系统和配套软件。硬件是信号检测功能的执行部件，包括一块电路板、一个传感器、相应的信号线和数据显示电路部分，而且要结合微型计算机才能实现完整功能。软件包括分别在硬件系统微处理器中运行程序的部分，通过它们同时工作以相互协调，实现信号检测系统的信号采集、数据处理及数据显示的功能。2.1 系统硬件结构位移检测仪的硬件包括电源、电涡流传感器、模拟信号调理电路、模拟信号采集电路、微控制器电路、数据显示电路。这些部分构成了位移检测仪的硬件

16、系统，它通过数据显示电路部分，为用户提供清晰明了的检测数据。微位移检测仪的系统框图如图2.1。图2.1 位移检测仪系统框图电源主要包括一个小型开关电源和一个7805稳压芯片。开关电源将220V交流电转换为±15V直流电直接提供给模拟电路，7805则取其中的+15V电压转换成+5V电压提供给数字电路。位移传感器选择了实验室现有实验系统中的位移传感器。模拟信号调理电路包括一个UA741反相器和一个AD620仪用放大器。反相电路可将传感器输出的负值信号转换为正值。仪用放大器用于将微弱的传感器信号放大，避免其被后级电路的噪声淹没。模拟信号采集电路由AD1674模拟/数字转换器及其外围电路构成

17、。ADC定时将模拟信号转换为12位数字信号，并把数据送至微控制器供数字电路进行处理。微控制器采用了AT89S51单片机。单片机定时启动ADC的转换，一定延时后查询转换完成情况，并在转换完成后分两次读取转换数据，然后把暂存的数据通过单片机进行处理并显示。数据显示电路采用的是三位共阴LED八段数码管，通过单片机的串行端口TXD和RXD与LED电路连接，从而实现串行静态显示。2.2 系统软件结构位移检测仪的软件主要是程序部分。采用汇编语言编写，实现对A/D转换器、检测控制、数据显示的控制。其中主要进行的是数据处理，对电涡流传感器所采集到的位移信号进行处理，并将其显示出来2.3 系统性能指标系统要求对

18、mm级位移信号的采集与数据显示，8至12位采样精度，位移测量的范围是1.53.5mm，测量精度为0.05mm。通过传感器进行信号采集，A/D转换后送入单片机进行数据处理，最终通过数据显示电路显示出来以便用户进行观察。第三章 系统硬件设计系统硬件包括以下几个部分：电源，位移传感器，模拟信号调理电路，模拟信号采集电路，微控制器，数据显示电路。3.1 电源电源是整个系统的基础，可靠的电源是系统正常工作的保障。功率足够的电源为系统提供运行所需消耗的能量，而精准稳定的电压则为系统提供正确的参考电平。电源设计必须考虑到系统整体的需求和工作状况。3.1.1 系统供电要求及选择整个系统需要两套电源。一套是5V

19、，用于数字电路部分，包括AT89S51、AD1674的数字部分、74LS00。另一套是±15V,用于模拟电路部分，包括AD620、AD1674的模拟部分。数字电路部分所使用的芯片都是传统5V供电，可以使用同一电源，而他们的I/O接口电压也相互匹配，无需另作电平转换。这些器件均为中低速器件，在加电次序上没有特别要求，简单接至5V电源即可。模拟电路部分的两个芯片都是双电压供电，其中AD620的供电范围是±2.3V到±18V，AD1674的供电范围是±11.4V到±16.5V。根据各个器件输入输出范围、误差与供电电压的关系，以及电源的获取可行性，可以

20、选用±12V或±15V供电。考虑到供电电压越高，相应的精度要求会更宽松，供电成本会更低，最后决定采取模拟电路统一使用±15V供电的方案。系统的负载决定电源的功率，要在控制成本的前提下选择能够满足要求的电源，就要对各个器件的工作电流进行统计和分析。根据各个芯片手册提供的数据，所有数字芯片的最大工作电流总和不超过50mA,所有模拟芯片的最大工作电流总和不超过40mA,而周边的外围器件如阻容滤波、晶振、发光二极管等电路功耗都不高，总电流不会超过1A，选用输出电流在1A以上的稳压芯片和开关电源都能保证足够的输出功率。3.1.2 供电的实施系统所使用的两套电源均从一个小型开

21、关电源获取。现有的开关电源上已经同时具备±15V和5V输出，输出电流都能满足要求，可以直接接入系统。但为减少外界干扰，为工作频率相对较高的单片机提供更加稳定的电源，决定采用稳压芯片以降压形式为数字电路供电。这里采用7805CV，其输出电流可达1A，输入电压为7V到18V，正好可以使用开关电源所提供的15V输入。这样的大压降虽然会带来较低的工作效率和较大的发热量，但实施方便，对系统性能的影响可以忽略不计，可以采用。7805的电路连接很简单，只要在输入输出端各用一个电容接地即可，如图3.1。图3.1 7805电路连接3.2 位移传感器传感器是将被测量的某一物理量按一定规律转换为另一种与之

22、有确定对应关系的、便于应用的物理量输出的器件或装置。在本系统中应用的传感器就是把微位移物理量转换为可供电路接收和处理的电量的转换器件。位移传感器又称为线性传感器，总体分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。根据运动方式分类，位移传感器可以分为直线位移传感器、角度位移传感器；根据材质分类，位移传感器可以分为金属膜传感器、导电塑料传感器、光电式传感器、磁敏式传感器、金属玻璃铀传感器、绕线传感器。3.2.1 位移传感器的选择在上面介绍的各种传感器中，我要选用是线性传感器，并且由于实验室的硬件设备有限，也仅有电涡流传感器适用于本系统，电涡流传感器

23、基于电涡流效应，结构简单，灵敏度高，并且我所测量的是直线上的微小位移，其在微位移测量方面较为精确，误差较小，因此选用电涡流传感器。3.2.2 位移传感器的原理电涡流传感器基于电涡流效应工作，结构简单、灵敏度高、频率响应范围宽、不受油污等介质的影响，并能进行非接触测量，适合测位移、振动、厚度、转速、温度、硬度等参数，也可用于无损探伤。电涡流式传感器的基本结构包括探头和变换器两部分。变换器由测量电路组成；探头主要是由一个固定在框架上的扁平线圈组成，放在传感器顶部。当金属导体置于交变的磁场中，导体内会产生感应电流。这种感应电流的流线在导体内自行闭合被成为电涡流。当被测量变化时，线圈的阻抗、等效电感、

24、品质因数都会发生改变，只要选择其中任意一个，并转换成电量，就可以达到测量目的6。3.3 模拟信号调理电路模拟信号调理电路主要是信号反相放大部分。由于传感器接受到的信号是负值，而且信号的范围是-4.50V，而AD1674的模拟电压输入端在单极性输入时量程为10V和20V，我们选用10V模拟电压输入端，其量程是信号范围的2倍，所以需要进行反相放大。3.3.1 信号放大电路该设计所选择的电涡流传感器输出的模拟电压量为05V，而在后面模数转换部分选择的是AD1764，其模拟量输入的范围为010V，若将传感器输出电压直接输入仅有AD输入量程的一般，会造成精度损失，所以在进行信号调理时要进行信号放大。作为

25、一个数据采集系统，要求放大器有高抗共模干扰能力、高输入阻抗、高温度稳定性、低闭环响应时间等诸多优良性能，仪用放大器是满足这类要求的首选。在实验室中现有的运放是AD620，所以系统中选用了三运放型仪用放大器AD620，它具有低温漂、高共模抑制比，其宽供电电压范围和外部电阻增益控制使得该放大器非常易于使用，而且它的功耗相当低，适用于医疗、数据采集、工业过程控制、便携设备等领域。AD620可以处理单端信号或差分信号，为使该系统能够方便的转换这两种信号接收方式，在信号输入端的-INPUT端和地端增加一跳线，跳线短路即为接收单端信号，跳线开路即为接收差分信号。AD620的增益通过一个外部电阻控制，在49

26、50k范围内可以使增益在10001范围内变化。当增益电阻不接，即阻值无穷大时，其增益为1。增益公式如下。信号放大电路如图3.2。图3.2 信号放大电路3.3.2 反相电路由于电涡流传感器输出的电压量为负值，而在后面进行模数转换时需要输入的电压信号为正值，所以在传感器输出信号后要进行反相处理，以便于后面将模拟信号经AD转换后输入单品机。反相电路主要是运用的UA741运放，这个运放是通用高增益运算放大器，双列直插8脚装。工作电压±22V，差分电压±30V，输入电压±18V，允许功耗500mW。差模电压范围和共模电压范围宽，不需外加补偿,功耗低,负载能力强,有输出保护等

27、,因此具有较广泛的应用。我选用UA741主要是用做反相，使的R1=R2，这样可是实现反相。反相电路图如图3.3。图3.3反相电路图3.4 模拟信号采集电路模拟信号采集电路是将模拟信号进行采集、转换的部分，主要包括采样/保持器（SH）和模拟/数字转换器（ADC）。这部分电路采样并转换模拟信号，输出可供微处理器或微控制器处理的数字信号。3.4.1 采样/保持器SH作用是在ADC转换时使输入信号保持不变，以保障ADC的精确转换，对整个数据采集系统的精度都有决定性的影响。SH一般有两种运行模式：采样模式和保持模式。采样模式下其输出随输入变化，保持模式下其输入保持不变。两种模式的转换靠数字控制输入端来选

28、择。简单的SH结构如图3.4。图3.4 SH基本结构SH的参数指标主要有捕获时间、孔径时间和保持建立时间，它们决定了SH的响应速度和采样精度。这些参数都是由ADC决定的，后者的转换速率越高，对前者的性能要求也越高。SH可以自行设计，也可以采用集成器件，后者应用起来更加简单，可以简化电路，节省开发时间。而在本系统中，由于ADC已经集成了SHA（采样保持放大器），两者已经得到了相当完善的整合，SH的选择和设计工作都已省略7。3.4.2 模拟/数字转换器ADC是数据采集系统的的重要环节，它直接关系到测量的精度、分辨率和转换速度。常用的ADC主要有积分型、逐次逼近型和-型。积分型ADC抗干扰能力强、转

29、换精度较高，但采样速率较低，在非高速采集中应用较广。逐次逼近型ADC的转换速率和转换精度比较平衡，应用最广。在采样率为1kHz的设计要求下，转换时间应控制在100s以内，转换精度应在8到12位。综合考虑这些因素，决定采用AD1674。它的分辨率有12位，转换时间为10s，而且已经包含了内置SHA的捕捉时间，完全能够达到预先的设计要求。它内置4位3段三态门输出，可以直接应用于8位或16数据总线。它可以在宽温度范围内保持线性输出，内部集成高稳定时钟和稳定电源，功耗低。这款ADC是经典的AD574系列的较新产品，性能可靠，应用成熟，非常适合本系统的应用。AD1674支持单极性输入和双极性输入，有10

30、V和20V两种量程范围，结合不同极性共有4种模拟量输入范围。在本系统中采用010V单极性量程。由于对系统性能要求不是很高，实验室的工作环境也较为理想，没有为其设置校正措施，而是在后期通过上位机软件进行标定，这样可以简化硬件电路。AD1674与单片机的接口电路如图3.5。AD1674的1627脚（DB4DB11）是AD转换后的数据输出端，其中的2026脚直接与单片机的P0口一一对应相接，1619脚（DB0DB3）与单片机P0口的P0.4P0.7相接。6脚（CE）是使能端，单片机的P3.6（片外数据存储器写选通信号输出端）和P3.7（片外数据存储器读选通信号输出端）通过与非门后与其相接，用于控制A

31、D1674的工作状态。28脚（STS）是工作状态只是信号端，用于判断AD转换是否结束，当AD转换进行时，其输出的是高电平，在AD转换结束后，其输出低电平，所以我们将其与单片机的P1.0相接，通过查询的方式可以判断初AD转换是否完成。5脚（）是读转换数据端，当=0时，进行AD转换，当=1时，进行数据读取。将其与单片机的P2.2相接，通过程序给P2口输入数值来进行控制。4脚（A0）是字节地址短周期控制端，当A0=0时，启动的是按完整12位数据方式进行的，当A0=1时，按8位AD转换的形式进行，与5脚相同与单片机相接，从而实现对AD1674的控制。3脚（）是片选端，只有在CE=1与=0同时满足时，A

32、D1674才会正常工作，与5脚相同与单片机相接，从而实现对AD1674的控制。2脚（）是数据模式选择端，通过此引脚可以选择数据线12位或8位输出，当=1时数据以12位并行输出，当=0时，数据以8位分两次输出。由于测量精度的需要，我要进行12为的转换，且数据输出端与单片机P0的接线方法，我们要经12位的信号分两次输出，所以该脚接低电平，始终处于接地状态。13脚（10V IN）是10V量程模拟电压输入端，将进过调理后的模拟信号经此端输入AD1674进行模数转换。图3.5 AD1674与单片机接口电路AD1674连接在单片机的数据地址总线上，单片机对其访问方式类似对存储器的访问。其数据输出的高8位连

33、接至单片机的8位数据总线，低4为连接至单片机数据总线的高4位。单片机向地址0000H进行一次写操作，即启动一次12位转换；单片机对地址0600H进行一次读操作，即读取转换结果的低4位；单片机对地址0400H进行一次读操作，即读取转换结果的高8位。3.5 微控制器微控制器是整个数据采集系统的核心，它负责从ADC读取转换数据，对数据进行初步处理，再将数据送至串行通信接口芯片以传送给上位机。应用于此系统的微控制器是AT89S51单片机，它是一种具有8051结构的CMOS型单片机，与Intel的MCS-51系列单片机中的典型产品完全兼容，开发和使用非常简便，应用成熟而广泛，而且成本低廉。它内置4KB的

34、FLASH ROM和128B的RAM，支持高达33MHz的时钟频率。其ROM支持ISP，只要在系统板上设置相应接口就可以轻易对单片机进行编程。单片机内置看门狗，无需另外设计看门狗电路。3.5.1 I/O端口AT89S51有四个8位并行I/O端口，虽然大致相同，但结合各口的复用功能在使用时又会有一些特别之处。在本系统中P0口作为数据总线使用，连接至ADC，在AD转换结束后，数字量由该口读入单片机；P2口作为地址总线使用，也连接至ADC，用于对AD1674工作状态的控制；P1.0作为ADC的转换状态查询线使用；P3.6和P3.7控制ADC的读写；P3.0和P3.1分别作为接收端和发送端使用，其中P

35、3.0作为数据串行输出端，将所要显示的字码输出送入移位寄存器，P3.1输出移位脉冲，使得外部移位寄存器移位。它们本来都可以作为通用I/O口使用，结合其自身特点后可以更加方便的利用其功能，这样能有效减少代码量，提高程序执行效率8。3.5.2 看门狗看门狗是一种程序监视技术，用以解决处理器由于受到干扰而产生的程序跑飞或死循环等问题。测控系统的应用程序往往采用循环运行方式，每次循环的时间基本固定。看门狗技术就是不断监视程序循环运行的时间，当时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入死循环，然后复位处理器，使其重新开始执行程序。在本系统中也用到了看门狗技术。AT89S51内置看门狗，包括一个14位计数

36、器和一个看门狗定时器复位寄存器WDTRST。当看门狗启动后，要不断向WDTRST写入用于复位看门狗的1EH和E1H序列来防止其溢出，即“喂狗”。如果程序没有正常执行，就会喂狗不及时，引起单片机复位。看门狗的14位计数器每机器周期加1，如果不及时写入复位序列，在现有晶振下到16ms左右就会溢出，显然适用于本系统。只要在每个工作周期内喂一次狗，就可以保证程序的正常执行。3.6 数据显示电路显示器有静态显示和动态显示两种方式。所谓的静态显示就是需要显示的字符的各字段连续通电，所显示的字段连续发光。所谓的动态显示就是所需显示字段断续通以电流，在需要多个字符同时显示时，可以轮流给每一个字符通以电流，逐次

37、把所需显示的字符显示出来。在本设计中我选用的是静态显示方式，通过单片机的串行端口TXD和RXD与LED电路连接，当TXD和RXD运行在工作方式0时，便可以方便的连接移位寄存器。电路原理图如3.6。图3.6 显示电路原理图每一个显示器由一个74LS164数据移位寄存器来控制，我们通过单片机的RXD串行的输出所要显示的字码，三个字码一次输出送入第一个数据移位寄存器，而第一个移位寄存器会通过D7端将后两位数字的字码送入下一个数据移位寄存器，而最后一个数字的字码会由第二个移位寄存器的D7端输送到下一个，从而实现三位的显示。而单片机的P3.3与TXD通过与门共同输出移位脉冲，使得外部移位寄存器移位，从而

38、对显示电路起到了控制的作用9。3.6.1 数据移位寄存器74LS164为8位移位寄存器，它将单片机输出的字码通过36脚和47脚分别送入所对应的LED的段，并且在单片机串行的输出三个字码时，可以将字码传向下一个移位寄存器8。74LS164是串行输入并行输出，当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA-QH）均为电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0为低电平。当A、B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK上升沿作用下决定Q0的状态。74LS164真值表如下：H-高电平 L-低电平 X-任意电平 -低到高电平跳变QA0,QB0,QH0-规定的稳态条件建

39、立前的电平QAn,QGn-时钟最近的前的电平74LS164时序图如图3.7图3 7 74LS164时序图3.6.2 LED显示器LED显示器是由发光二极管构成的字段组成的显示器，有8段（含小数点段）和16段（"米"字）管两大类，如图3.9所示，这种显示器又有共阴极和共阳极之分。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在仪器，可以接地，也可以用来作逐位扫描控制。当一个或几个发光二极管的阳极为高电平时，相应的段被点亮即显示。同样，共阳极LED显示器的阳极连接在一起，相应地也可以实现显示。LED显示器如图3.8。图3 8 LED显示器3.7 硬件原理图和PCB图设计原理图和PCB

40、图的设计环境选择了ProtelDXP2004。由于其内部集成了大量的元件库，原理图和PCB图的设计效率都很高。在设计PCB图时，电源线采用了较粗的50mil，由于模拟电路也会有较大电流信号，信号线采用30mil。布线时综合考虑了元件的布局，按照性能、方便布线、散热、易调试、节省空间的原则先排列了各个元器件，再实施布线。布线时也充分考虑到了走线对性能的影响，如晶振离单片机相应引脚足够近，走线长度相等，数字信号线远离模拟信号线，数字地和模拟地严格分开，只在ADC处留有连接点。第四章 位移检测仪软件设计4.1 软件总体设计位移检测仪的软件主要包括系统程序部分。采用汇编语言编写，实现对A/D转换器、检

41、测控制、数据显示的控制。其中主要进行的是数据处理，对电涡流传感器所采集到的位移信号进行处理，并将其显示出来。总程序流程图如图4.1。图4.1总程序流程图4.2 主要子程序设计本设计主要实现的是微位移的测量，在硬件设计中使用了A/D转换器以及在显示电路中选用了串行静态显示，它们的控制都是由单片机来实现的，所在程序编写时要根据它们各个引脚的要求所能实现的功能来进行。4.2.1 A/D转换控制程序设计首先根据我所做的课题的而要求以及所选择的元件各个端口所实现功能的要求进行程序的编写。AD1764工作时其引脚CE、和A0的工作状态。在CE=1、=0同时满足时，AD1674A才会正常工作，在AD1674

42、处于工作状态时，当=0时A/D转换，当=1是进行数据读出。和A0端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。A0=0时，启动的是按完整12位数据方式进行的。当A0=1时，按8位A/D转换方式进行。当=1，也即当AD1674A处于数据状态时，A0和控制数据输出状态的格式。当=1时，数据以12位并行输出，当=0时，数据以8位分两次输出。而当A0=0时，输出转换数据的高8位，A0=1时输出A/D转换数据的低4位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。根据本设计的需要我所选用的是12位的模数转换，所以在程序编写时需要根据各个端口的工作状态来实现12位转换。下面是读取数据的低4位的程序 MOV DPTR

43、 , #0600H MOVX A, DPTR MOV R0, A; 低4位送R0高4位由于在进行低4位读取时需要将引脚设置位=0、=1、A0=1，所以将输入控制字位#0600H，并将低四位的数据送入R0的高4位。下面是读取数据的高8位的程序 MOV DPTR, #0400H MOVX A, DPTR MOV R1, A; / 高8位送R1由于在进行高8位读取时需要将引脚设置位=0、=1、A0=0，所以将输入控制字位#0400H，并将低四位的数据送入R1中。在转换的过程中，还需要执行延时程序，以便于能够准确的将转换的数据送入单片机进行数据处理。AD转换的流程图如图4.2。图4.2 AD转换的流程

44、图4.2.2 显示电路控制程序设计显示电路终选用的是8段的LED，进行的是串行静态显示，要将单片机处理好的数据通过查表串行输出的形式显示出来，单片机在输出时先输出的是最后一位并依次显示前面的数据。由于所要显示的程序有3位而其中的第一位需要显示小数点，所以后两位的显示可以用循环的方式进行查表输出。串行口的工作方式在串行口控制寄存器SCON中设置。其格式如下。D7D6D5D4D3D2D1D0SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRISM0、SM1是串行口的工作方式选择位，SM2是多机通信标志，REN是接收允许位，TB8、RB8分别是发送、接收的第9位数据，TI、RI分别是发送和接收中断标志。根据

45、上述设计思路，SCON值为0H。后两位数据显示如下程序如下所示：XIAN: MOV SCON,#0 MOV R7, #02H ;/循环输出后两位 MOV R0, #6FH ;/最后一位DI0: MOV A, R0 ; /将要显示数据放入A中 MOV DPTR,#TBT ; /查找字码表的首地址 MOVC A, A+DPTR;/查找要显示数的字码 MOV SBUF, A ; /输出显示DI1: JNB TI, DI1 CLR TI DEC R0 DJNZ R7, DI0 ; /判断后两位是否输出结束在后两位的数据输出结束后我们要进行的是第一位数据的输出，由于所显示数据的设定位mm，而精度则是50

46、um，所以在显示时第一位数据显示要加小数点，于是我在将该数据查表结束后使其与#01H进行或的处理，这样可以使字码的最后移位输出时变为高电平，使显示的数据带小数点。第一位数据显示程序如下： MOV A, R0 ;/输出第一位 MOV DPTR,#TBT MOVC A, A+DPTR ORL A, #01H ;/加小数点 MOV SBUF, A ;/输出显示第一位DI2: JNB TI, DI2 CLR TI数据显示流程图如图4.3。图4.3数据显示流程图4.3 数据处理程序设计本设计要实现的是两次测量的位置之间的位移，所以要做两个测量值的借位减法，而经过AD转换的数据的高8位存在了60H单元中，

47、而低4位存在了61H单元的高4位，在进行后面的减法运算前要进行右移4位的数据处理。4.3.1 移位程序设计由于移位时移动的是4位比较特殊，所以在移位是我采用的不是普通的移位指令，而是采用的半字节交换的方法来实现数据的移位。在AD转换结束后所读取的数据的高8位存在了60H单元中，而低4位存在了61H单元的高4位，我最终要将数据的高4位放在61H单元的低4位，低8位放在60H单元中。移位程序流程图如图4.4。图4.4移位程序流程图4.3.2 减法程序设计该设计所要做的是两次测量的位置之间的位移，因此两次测量值要进行相减，由于测量所得到的数据都是12位的属于双字节数据，进行减法操作时需要使用借位减法

48、。首先是将所测量的第一组数据作为标定值放入62H和63H单元中，以便后面的减法操作。减法程序流程图如图4.5。图4.5减法程序流程图4.3.3 除法程序设计由于两次测量值的差值可能是双字节也可能是单字节数，所以在做除法运算时要进行判断是否是双字节数，判断程序如下： CLR C MOV A, 61H ;/判断高位是否为0 CJNE A,#0,CHU1 ;/高位不为0跳转到高位除法，高位为0运行下条程序 JMP CHU2由于所用的电涡流传感器在测量是电压变化量的线性变化不是太准确，于是在进行测量时所得的数据会产生一定的误差，因此在做完除法后需要对余数进行判断，当余数值大于精度值的2/3时，商加一，

49、使得测量值更加准确，判断程序如下：CHU2: NOP CLR C MOV A, B SUBB A, #0CH ;/判断余数值是否大于除数的2/3 JNC CHU3 ;/小于2/3则跳转到CHU3 RETCHU3: MOV A, R1 ADD A, #01H ;/商值加一 MOV R1, A RET根据设计中所选定的精度0.05mm，其对应的电压变化量为0.05V，根据AD转换的范围可计算精度对应的数字量。精度对应的数字量计算公式：经过计算可以求出所选定的精度对应的数字量为14H。除法总程序流程图如图4.6。图4.6除法总程序流程图第五章 位移检测仪系统调试软硬件设计完成后必然存在各种各样的问题

50、，必须经过反复调试和修改才能逐渐完善。调试是系统从设计到定型之间的必经之路。本系统也经过了数天的调试过程才达到最初的设计要求，有些部分甚至是一边设计一边调试着完成的。调试包括硬件调试和软件调试。5.1 硬件调试对于硬件电路的调试主要包括反相放大电路、数据显示电路和AD转换电路，对于反相放大电路可以通过示波器和信号发生端进行调试，而数据显示和AD转换电路需要软硬件结合的方法来调试。5.1.1 通电前的调试在进行PCB设计前，我首先用飞线的方法来对所设计的原理电路进行调试，但是由于飞线接的电路的稳定性较差，而且在接线中会出现不导通的现象。在通电钱收先是用万用表测量供电线路+15V、-15V、+5V

51、、GND，是不是导通的，并且在电源开关接通后个元器件所接的电源是否与电源导通，还有一些用导线连接的两端是不是导通。5.1.2 通电后的调试先不安装芯片，进行加电测试。上点后发现即使不打开板上的电源开关+15V和-15V的指示灯就已经亮了，打开电源开关后+5V指示灯也亮，但察觉到前两个灯的亮度有微弱变化。断电检查开关附近线路，均和设计一致，没有制造缺陷。考虑到刚才电源指示灯亮度显示基本正常，电压应该没有严重超出范围，所以再次加电，分别测试电源接入端、各芯片电源接入处在开关断开和闭合情况下的电压。测试发现开关断开时各芯片的+15V和-15V电源接入处确实有电压，而且基本正确，+5V电压只有打开电源

52、开关才有。经过不断分析后终于得出结论，在最初的设计中以为只要断开两个地的输入就可以断开整个电源接入，而+15V和-15V电压共用的地虽然在开关处与外部电源断开，两个电压接入后仍会造成系统内部30V的压差。这个压差在没有接入芯片的情况下只对电源指示灯及其限流电阻供电。而阻值和管压降相同的两组电源指示灯及其限流电阻会平均分压，并使内部地平面具有0电势。这样可以解释不开电源开关只有+15V和-15V指示灯亮，打开电源开关后三种电压都正常的现象。至于开关断开和闭合情况下+15V和-15V指示灯亮度会有微弱差异，是因为电阻精度不高，LED管压降也不完全一致，导致分压并不是绝对平均，地平面也不是精确的0电

53、势。而开关打开后由外部电源提供的地平面才是标准地平面，所以即使能得到大致正确的电压，也要在打开电源开关的情况下系统才能正常工作。此时在ADC的模拟地和数字地引脚之间连上短接线，连接两个地平面，经测试也是正常的。要解决这个问题，只有飞线。经过重新设计，飞线策略及电路板整改效果分别如图5.1、图5.2。图5.1 飞线策略图5.2 整改效果飞线整改完成后，再次加电测试。电源的接入现在完全由开关控制通断，达到了预先的设计要求。但这种布线策略只适合7805稳压芯片的输入电压也是+15V的情况，如果接入其他电压，开关的通道数是不够的。这项设计缺陷也使我认识到双电源供电的接入需要控制至少两个电压才能达到要求

54、，在以后的设计中必须注意这种情况。电源问题解决后，分别安装各芯片进行测试，所有供电引脚基本正常，没有出现问题。全部芯片都安装上进行加电测试，各处电压仍然正常。用示波器观察晶振，频率也大致符合11.0592MHz，在没有更高精度仪器的情况下暂认为次晶振频率是正确的。5.1.3 反相放大电路的调试反相放大电路主要是对传感器输出的信号进行处理，由于传感器输出的是负值而且其范围相对于AD1674的模拟输入量程范围较小，需要进行反相放大。首先是通过UA741构成的反相电路，其将传感器输出的信号变为正值。反相效果如图5.3：图5.3 反相效果在反相结束后，由于电压的范围仅是AD1674的模拟输入来那个城10V的一半，所以要将其进行放大2倍。放大效果如图5.4：图5.4放大效果5.1.4 数据显示电路的调试数码管的显示调试是通过软硬件结合的方式进行的，首先是软件调试，软件主要是程序的调试在课本上面找到的与所选用的电路对应的程序，仅是在循环的次数即所显示的位数不同，经过修改后扁可以使用，并且程序中在选段码时使用的直接读地址的方式，这种方式在程序运行时会受到影响，而且在