基于单片机的LVDT位移测量传感器设计说明书

之江学院
基于单片机的LVDT位移测量传感器
设计说明书
项目类型：测试技术课程设计
指导老师：朱根兴
作者：张建中
班级：机自401
联系电话： 13989466***
电子信箱： zjz012@
（2007-7-23）
目录
第一章总体方案设计 (3)
1.1设计目的 (4)
1.2总体方案设计 (4)
第二章硬件电路设计 (5)
2.1传感器的选择 (5)
2.2差动变压器传感器安装 (6)
2.3放大电路的设计 (7)
2.4采集电路的设计 (7)
2.5输入通道设计 (8)
2.6显示电路的设计 (9)
第三章软件的设计 (10)
3.1数据处理子程序的设计 (10)
3.2数据采集子程序的设计 (10)
3.3数据显示子程序的设计 (11)
3.4地址空间的分配的设计 (11)
第四章设计总结 (12)
参考文献 (13)
附总电路图 (13)
附总程序 (13)
随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现代电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击和革命性的影响。

常规的测试仪器仪表和控制装置被更先进的智能仪器所取代，使得传统的电子测量仪器在远离、功能、精度及自动化水平定方面发生了巨大变化，并相应的出现了各种各样的智能仪器控制系统，使得科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。

本文设计的电子秤以单片机为主要部件，用汇编语言进行软件设计，硬件则以差动变压器式(LVDT)位移传感器为主,测量0～10mm。

传感器输出的电量是模拟量，数值比较小达不到A/D转换接收的电压范围。

所以送A/D转换之前要对其进行前端放大、整形滤波等处理。

然后，A/D转换的结果才能送单片机进行数据处理并显示。

第一章总体方案设计
1.1设计目的
差动变压器式(LVDT)位移传感器广泛应用于工业现场和测试领域，如过程检测和自动控制、形变测量等，适用于油污、光照等恶劣环境。

这种传感器可靠而耐用，但选用它监控机械位移量，还需设计与传感器配套的测量装置
研制开发的位移测量装置适用于工业现场和多种测试领域。

按照使用的要求，系统可实现:有效量程10mm，精度0.0lmm; LED同时显示1-4路测量值;零点值重置等功能。

通过本次课程设计，达到以下三点：
（1）.通过本次课程设计加深对差动变压
器电感传感器在工程实践中的应用的了解；
（2）.掌握用这种传感器组成位移测量系
统的原理和方法；
（3）.进一步掌握这种传感器的性能特点
和工程应用。

1.2总体方案设计
本系统采用内含4KB程序存储器的8
位单片微型计算机89C51，其内部4KB程
序存贮器可以满足本系统的需求，同时可以图1.2.1 主程序流程图
较大限度地减少外围器件;按照有效量程和精度，本系统选用国内厂家的配套产品
AC-LVDT传感器;使用四组(每组5个)LED七段数码管同时显示四路测量值;用于过程控制的信号采样应较快，应采用较高速的A/D转换器。

主程序流程图、系统原理图分别如图1.2.1、图1.2.2所示。

图1.2.2 系统原理
第二章硬件电路设计
2.1传感器的工作原理
差动变压器由一只初级线圈和二只次
线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不
同，有二段式和三段式，本实验采用三段式
结构。

当差动变压器随着被测体移动时差动
变压器的铁芯也随着轴向位移，从而使初级
线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使
次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应
电势增加，另一只感应电势则减少，将两只
次级反向串接（同名端连接），就引出差动电势输出。

利用两个线圈之间互感的变化引起感应电势的变化，来获得与被测量成一定函数关系的输出电压，实现非电量的测量。

应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100(mm)范围内的机械位移、150HZ
以下的低频振动、加速度、应变、比重、张力、厚度、称重等一、切能引起机械位移变化的非电物理量。

本次差动变压器的原理是建立在CSY2000型传感器实训台的基础上的。

差动变压器电感传感器具有结构简单、性能优越、测量精度高、灵敏度高和价格合理等优点。

2.2、差动变压器传感器安装
1.将差动变压器和测微头(参照附：测微头使用)安装在实验模板的支架座上，如下图
2.2.1。

图2.2.1差动变压器传感器安装示意图
2、差动变压器的原理图已印刷在实验模板上，L1为初级线圈；L2、L3为次级线圈；＊号为同名端。

按图2-3接线，差动变压器的原边Ｌ１的激励电压必须从主机箱中音频振荡器的Lv端子引入，检查接线无误后合上总电源开关，调节音频振荡器的频率为4－5KHz（可用主机箱的频率表输入Fin 来监测）；调节输出幅度峰峰值为Vp-p＝2V（可用示波器监测：X轴为0.2ms/div）。

图2.2.2差动变压器性能实验安装、接线图
2.3放大电路的设计
传感器输出电压为0～50mV ，而A/D 转换器所能处理的电压是0～5V ，所以必须在A/D 转换器前加入一个前置差动放大电路以实现电压的放大，放大倍数为100倍，使输出电压为0～5V 。

由于单运放在应用中要求外围电路匹配精度高、增益调整不便、差动输入阻抗低，故采用三运放结构。

三运放结构具有差动输入阻抗高、共膜抑制比高、偏置电流低等优点，且有良好的温度稳定性，低噪单端输出和和增益调整方便，适于在传感器电路中应用。

如图2-2所示，图中 RG 为增益调节电阻，整个芯片仅R5为外接电阻，而运放A1 为增益为100的差动输入放大器。

电压的放大倍数：可由公式得出倍数。

因此我们可以改变R2和R1的比值来改变放大倍数。

量程的确定：转动20圈 进给10mm 电压变化 0.52V
灵敏度 S=d U ∆∆= mm
V 552.0=0.104V/mm …………………………(8) 根据电压得量程是 ＋1.7V ～－1.7V
可以由公式8得出距离d 得量程是 ＋16.35mm ～－16.35mm.
图2.3.1放大电路硬件原理图
2.4采集电路的设计
2.4.1数据采集系统的组成
数据采集系统的核心是计算机，他对整个系统进行控制和数据处理，他由采样/保持器，放大器，A/D转换器，计算机组成。

2.4.1 数据采样系统框图
2.4.2数据采样保持器
进行模数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要一定的时间，即A/D 转换的孔径时间。

当输入信号频率较高，由于孔径时间的存在，会造成较大的转换误差；为了防止误差需在中间加一个功能器件采样/保持器，进行有效、正确的数据采集。

采样/保持器通常由保持电容器、模拟开关和运算放大器组成。

采样保持器的原理：如图2.4.2，当开关闭合时，V1通过限电流电阻向电容C充电，在电容值合理的情况下，V0随Vi的变化而变化；当K断开时，由于电容C有一定的容量，此时输出V0保持输入信号再开断开瞬间的电平值。

图2.4.2 采样保持原理图
2.4.3 AD0809的工作原理与连接
AD转换器与8031单片机相连接，将IN0的输入模拟信号转换成数字信号。

从而可以输入8031进行下一步处理。

采用逐位逼近式的AD转换器。

其原理如下图：
启动
模拟量
输入数字量输出锁存器
反馈电压
转换器逐位逼近寄
存器（）控制时序和逻辑电路比较器
图 2.4.3 AD0809的原理图
当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下。

首先是寄存器的最高位D3=1 ，其余为0，此数字量1000经D/A 转换器换成模拟量8，送到比较器输入端与被转换地模拟量进行比较控制逻辑根据比较器输出进行判断，当Vin V o ，则保留D 3=1,再对下一位D 2进行比较，同样先使D 2＝1，与D 3一起即1100进入D/A 转换器，进行比较，以此进行比较，到最后一位D 0。

时钟频率
复位电路
欧
2.5输入通道设计
2.6显示电路的设计
显示部分可以将处理得出的信号在显示器上显示，让人们直观的看到被测体的质量，
也可以进行报警提示。

本设计采用的显示模块是128×64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。

图2.6.1显示电路图
第三章软件的设计
3.1数据处理子程序的设计
数据处理子程序是整个程序的核心。

主要用来
调整输入值系数，使输出满足量程要求。

另外完成
A/D的采样结果从十六进制数向十进制数形式转
化。

3.1.1系数调整
在IN0输入的数最大为10mm，要求的位移
10mm对应的是5.0V，为十六进制向十进制转换方
便，将系数放大100倍。

并用小数点位置的变化体
现这一过程。

3.1.2数制转换
数制之间的转换：在二进制数制中，每向左移图3.1.2 数据处理原理框图
一位表示数乘二倍。

以每四位作为一组对数分组，当第四位向第五位进位时，数由8变到16，若按十进制数制规则读数，则丢失6，所以应进行加六调整。

DA指令可完成这一调整。

可见数制之间的转换可以通过
移位的方法实现。

其中，移出数据的保存可以通过自乘再加进
的方法实现，因为乘二表示左移一位，左移后，低位进一，则需加一。

否则，加零。

而通过移位已将要移入的尾数保存在了进位位中，所以能实现。

3.2数据采集子程序的设计
数据采集用A/D0809芯片来完成，主要分为启动、读取数据、延时等待转换结束、读出转换结果、存入指定内存单元、继续转换（退出）几个步骤。

ADC0809初始化后，就具有了将某一通道输入的0～5模拟信号转换成对应的数字量00H—FFH，然后再存入8031内部RAM的指定单元中。

在控制方面有所区别。

可以采用程序查询方式，延时等待方式和中断方式。

图3.2.1 数据采样原理框图
3.3数据显示子程序的设计
显示子程序是字符显示，首先调用事先编好的8279的键盘显示子程序。

调用8279初始化命令，然后输出写显示命令。

在显示过程中一定要调用延时子程序。

当输入通道采集了一个新的过程参数，或仪表操作人员键入一个参数，或仪表与系统出现异常情况时显示管理软件应及时调用显示驱动程序模块，以更新当前的显示数据显示符号。

DIR MOV R0,#79H ；置显示缓冲区首地址
MOV R3,#01H ；置位选码初值
MOV A,R3
LOOP: MOV DPTR,#7F01H ；DPTR-PA口地址
MOVX@DPTR,A ；输出位选码
INC DPTR ；指向PB口
MOV A,@R0 ；取被显示的数据
ADD A,#0DH ；形成查表的偏移地址
MOVC A,@A+PC ；求出显示代码
DIR1: MOVX@DPTR,A ；输出显示代码
ACALLTIM2 ；延时
INC R0 ；指向下一个显示数据
MOV A,R3
JB ACC.5,LOOP1 ；判断6位是否显示完毕
RL A ；形成下一个位代码
MOV R3,A
AJMP LOOP
LOOP1:RET
DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH
DB 7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CH
DB 39H,5EH,79H,71H
TIM2: MOV R7,#04H
DLT1: MOV R6,#0FFH
DLT2: DJNZ R6,DLT2
DJNZ R7,DLT1
RET
图3.3.1 显示原理框图
3.4地址空间的分配：
0000H~3FFFH:实验机上的扩展后8031上的RAM，数据存储空间。

000H~7F3FH :实验机上的RAM区，用作程序区和数据区。

7F40H~7FFFH: 实验机上的RAM，有监控占用，用户不得使用
8000H~BFFFH:为138译码器的地址，用户对实验机上的AD芯片的片选CS/相连，则该输出脚的译码地址即为AD芯片的编程地址。

FE00H~FFFFH: 实验机上的固定地址的I/O 口。

第四章设计总结
随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步的被智能仪器所取代。

智能仪器的核心部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展，从而加快了智能仪器的发展。

而传感器作为测控系统中对象信息的入口，越来越受到人们的关注。

传感器好比人体“五官”的工程模拟物，它是一种能将特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件。

本次课设中的位移测量仪就是在以上仪器的基础上设计而成的。

因此，只有充分了解有关智能仪器、单片机、传感器以及各部分之间的关系才能达到要求。

首先是传感器的精密度，它将直接影响电子秤的称重准确度。

课设时由于传感器发出的信号不是很稳定，所以测量时误差很大。

其次是数据采集处理阶段，此阶段是对传感器发出的信号进行量化、采集，主要分为信号放大、采集，然后进行A/D转换。

该阶段需注意的地方是对传感器输出的信号进行放大时，应选取合适的运算放大电路。

最好是预先计算好应放大的倍数，以便选取。

还有就是进行数据处理时，选取适当的数据转换系数，使输出满足量程要求。

参考文献
1霍孟友单片机原理与应用.北京：机械工业出版社， 2007
2冯凯昉工程测试技术.陕西：西北工业大学出版社， 1994
3林敏丁金华田涛计算机控制技术及工程应用.北京：国防工业出版社，2006
4秦曾煌电工学.北京：高等教育出版社，2005
5黄贤武传感器技术.苏州：苏州大学出版社，1993
6常健生检测与转换技术.北京：机械工业出版社，1992
7贾伯年俞朴传感器技术.南京：东南大学出版社，1990
8赵茂泰.智能仪器原理及应用.电子工业出版社，2004：
9张毅刚.MCS-51单片机应用设计.哈尔滨工业大学出版社，2003：
10贾伯年，俞朴.传感器技术.东南大学出版社，2000：
11单成祥.传感器理论设计基础及其应用.国防工业出版社，1999：
12李道华，李玲，朱艳.传感器电路分析与设计.武汉大学出版社，2000：
附总电路图
附总程序
A_DPORT EQU 8100H ;0809 口地址
Z8279 EQU 0FF82H ;8279 状态/命令口地址
D8279 EQU 0FF80H ;8279 数据口地址
LEDMOD EQU 10H ;右端输入八位字符显示
; 外部译码键扫描方式,双键互锁LEDFEQ EQU 38H ;扫描速率
LEDCLS EQU 0D1H ;清除
LEDWR0 EQU 80H ;设定的将要写入的显示RAM地址ORG 0000H
AJMP START
ORG 0003H
LJMP INT_0
ORG 0040H
START:
MOV R7,#00H
MOV R0,#60H;
MOV SP,#80H
SETB IT0
SETB EA
SETB EX0
LCALL INIT8279 ;初始化8279
A_D:
MOV R0,#00H ;通道数
MOV A,R0
MOV DPTR,#A_DPORT
ORL DPL,A
MOVX @DPTR,A ;启动A_D
;MOV P1,#00H
CJNE R7,#00H,$ ;等待A_D 转换结束
MOV A,B
MOV P1,A
LCALL BCD_SORT;
MOV R7,#0FFH ;清读数标志
MOV R6,A
MOV R4 ,#01H
LCALL DISLED
MOV R6,B
MOV R4 ,#00H
DEC R3;
;LCALL DISLED
LCALL DELAY_LO;
AJMP A_D
INT_0:
MOVX A,@DPTR ;读A_D 数据
MOV B,A
MOV R7,#00H ;置读数标志
RETI
BCD_SORT:
MOV A,B;
RL A;
MOV B,#0AH;
DIV AB;
RET
INIT8279: ;8279初始化子程序PUSH DPH ;保存现场
PUSH DPL
PUSH ACC
LCALL DELAY ;延时
MOV DPTR ,#Z8279
MOV A,#LEDMOD ;置8279工作方式
MOVX @DPTR,A
MOV A,#LEDFEQ ;置键盘扫描速率
MOVX @DPTR,A
MOV A,#LEDCLS ;清除LED 显示
MOVX @DPTR,A
LCALL DELAY ;延时
MOV DPTR,#Z8279
MOV A,#90H
MOV DPTR,#D8279
MOV A,#40H
MOVX @DPTR,A
MOV A,#40H
MOVX @DPTR,A
MOV A,#0H
MOVX @DPTR,A
MOV A,#0H
MOVX @DPTR,A
MOV A,#0EFH
MOVX @DPTR,A
MOV A,#27H
MOVX @DPTR,A
MOV A,#5BH
MOVX @DPTR,A
MOV A,#7FH
MOVX @DPTR,A
POP ACC ;恢复现场
POP DPL
POP DPH
RET
;显示字符子程序
;输入: R4,位置R5,值
DISLED: PUSH DPH ;保存现场
PUSH DPL
PUSH ACC
MOV A,#LEDWR0 ;置显示起始地址
ADD A,R4 ;加位置偏移量
MOV DPTR,#Z8279
MOVX @DPTR,A ;设定显示位置
MOV DPTR,#LEDSEG ;置显示常数表起始位置
MOV A,R6
MOVC A,@A+DPTR ;查表
MOV DPTR,#D8279
MOVX @DPTR,A ;显示数据
POP ACC ;恢复现场
POP DPL
POP DPH
RET
DELAY: ;延时子程序
PUSH 0 ;保存现场
PUSH 1
MOV 0,#0H
DELAY1: MOV 1,#0H
DJNZ 1,$
DJNZ 0,DELAY1
POP 1 ;恢复现场
POP 0
RET
DELAY_LO:
PUSH 0
PUSH 1
PUSH 2
MOV 0,#01H;
DELAY_LO1:MOV 1,#00H
DELAY_LO2:MOV 2,#0B2H;
DJNZ 2,$
DJNZ 1,DELAY_LO2
DJNZ 0,DELAY_LO1
POP 2
POP 1
POP 0
RET
LEDSEG: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H ;'0,1,2,3,4,5,6,7' DB 7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H ;'8,9,A,B,C,D,E,F'
DB 6DH,02H,08H,00H,59H,0FH,76H ;''
END。