基于Stm32控制器的LVDT位移测量系统设计(终稿) - 用于合并

2.
2.1.
此次设计，将使用STM32F103芯片获取LVDT传感器的数据，并进行简单的处理，最终将数据传往PC端。具体可分为如下几个任务：
实现LVDT数据的获取
对LVDT数据进行处理并显示
将数据实时传输至PC端
完成数据的实时存储，掉电不丢失
2.2.
1.
2.
2.1.
针对以上任务，本次设计以嵌入式模块STM32F103为核心，、通过八段数码管实时显示LVDT传感器的信息，方便用户观察，并可以通过串口将主要信息传送到PC端以进行后续的处理。另外，为了防止掉电数据丢失的情况发生，加入E2ROM存储器件以进行实时的数据采集与存储。总体框架结构如图1所示。
3.1.2.
系统采用锂电池供电，通常的锂电池电压输出为3.7V，而系统正常工作需要5V和3.3V电压，其中STM32需要3.3V电压进行供电，液晶显示的LCD电路以及蓝牙通讯模块需要5V电压供电。因此，设计中采用两级变压方式，第一级将3.7V电压升至5V，第二级将5V电压降至3.3V对控制器供电。
采用自举电路可以将电源输出的电压升至5V，同时，对应于锂电池使用过程中的电压下降，自举电路也可以大致稳定输出电压不变，因此能够使用简单的自举电路完成升压过程。
2个用于DAC的16位基础定时器
14个带有引脚重映射功能的通信接口：2个I C接口，3个USART，3个SPI接口，2个CAN接口，USB2.0全速设备，10/1 OOM以太网MAC
可以看出，STM32F103RBT6是一款具有极其丰富的片内外设，在本设计中将使用其自带的AD转换器进行信号的电压转换。
图3是将SV电压转换成3.3V的电路，在此选用LM1117-33芯片。它是一个低压差电压调节器系列，提供了电流限制和热保护，符合本系统的要求。
图3
3.1.3.
JTAG(Joint Test Action Group)是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及系统进行仿真、调试。在S TM32F 103RB T6处理器中，利用JTAG可以直接控制芯片的内部总线以及I/O口，通过JTAG接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，是开发调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段。在设计中，对于nTRST, TDI, TMS, TDO端口，分别用lOK的上拉电阻上拉至3.3V。电路设计如图4所示。
= =3.5
C2、C3、C4是AD598构成的位移测量子系统带宽的函数，它们的取值应该相等：
C2=C3=C4= = ；
为了计算AD598增益和满刻度输出范围调节电阻R2，，需要了解以下几点信息：
LVDT的灵敏度S=0.39mV/V/mils；
满刻度可动磁芯位移d=1inch；
（1）对流体传动管道中的压力进行，测温范围及精度：38mm，0.5%。
（2）LVDT信号的调制与解调，测量数据存储功能，掉电不丢失；
（3）4位八段码实时数据显示；
（4）通过RS232通信接口与上位机进行数据通信；
（5）功能按键、指示灯和蜂鸣器报警。
2．设计内容
（1）查阅资料，熟悉设计内容；
（2）根据设计要求选择传感器，确定系统方案和主控芯片；
图1
主控模块：主控模块以STM32F103作为系统的主控制器，其最小系统电路包含电源电路，复位电路，时钟电路，这些均为芯片运行所必需的外接电路模块。
LVDT模块：LVDT模块功能是获取外界位移物理量并且将其转化位电压信号传送至主芯片的AD转换通道处理器将获取的到的电压信号按照建立好的数学模型进行逆解获取位移信息。
由于设计要求为位移量程为38mm，精度0.5%，经过比较选择Schaevitz HR1000型LVDT（ ）。下图是AD598采用 15双电源时与Schaevitz HR1000型LVDT的连接图：
图8
确定LVDT位移测量子系统所要求的带宽fSUBSYSTEM小于10HZ，取f=10HZ；
选择LVDT激励频率约为2.5KHZ；
本文将基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器，即STM32设计一款的LVDT位移测量器，以期能够实现LVDT的位移测量。工作简单流程即通过LVDT传感器获得电压信号，进行信号的简单调理并送入STM32芯片进行处理。STM32主控电路将获取到的数据实现实时的显示存储并传输给PC端进行后续的处理。
3.2.2.
LVDT是一种机电换能器，它的输入为磁芯机械位移，而输出为一对与磁芯位移成比例的AC电压信号，而我们所需要的是DC电压信号，所以还要用到AD598信号调理器来调制信号，下图是AD598的功能图：
图7
AD598为LVDT提供激励电源，检测LVDT次级绕组的输出电压，并提供一个与可动磁性位置成比例的DC输出电压。AD598由正弦波振荡器（OSC）、用来驱动LVDT初级绕组的功率放大器（AMP）、用来确定LVDT两个次级绕组输出电压之差与和的比例关系的解调器、滤波器（FILTER）和输出放大器（AMP）组成。
课程设计报告
题目：基于STM32的LVDT位移测量系统设计
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班级：09011301
学号：**********
西北工业大学自动化学院
基于STM32的LVDT位移测量系统设计任务书
1．设计目的与要求
设计一个基于STM32控制器的LVDT数字测量系统设计，要求认真并准确地理解有关要求，按组完成系统设计，具体设计要求如下：
显示模块：显示模块功能是将获取到的位移信息通过4位八段译码器显示出来，实现位移变量的实时监测。
通讯模块：通讯模块将单片机与PC互联，实现单片机与PC端的信息交互。将LVDT传感器获取到的数据传送至PC可以实现信息的互联，为后续开发留下接口。
存储模块：存储模块的功能是将获取到的进行数据存储并保护，防止单片机工作过程中出现意外情况而丢失数据。
本文将简单介绍设计思路与设计方案，并且详细介绍该硬件主控制器设计，LVDT数据获取，数据显示，串口通信，存储等功能模块。
关键词:STM32；LVDT传感器；译码显示；E2ROM
1.
随着科学技术的发展,测试工作量的不断加大,测试任务也越来越复杂,对测量的准确度要求越来越高。多年来,我国精密测量技术和仪器经历了许多变革,从最早广泛应用的机械仪表,到后来发展的光学、电学仪表,以及采用微处理器做成的智能仪表从静态测试到动态测试以及由计算机数字控制的多参数自动测试。由此可见,新的测试技术总是随着电子技术的飞速发展以及计算机科学技术的应用不断地更新换代。位移传感器已经渗透到我们的生活之中。位移传感器的种类繁多,用途也各不相同,精度、量程更是千差万别。为位移传感器分类不是一件容易的事。常见的有电容式、电感式、还有精度较高的光纤式、激光式位移传感器。随着科技的发展,位移传感器家族必然会增加新的成员。现在较为常用的是电容电感式位移传感器,因为它们测量精度较高,价格也便宜于光纤、激光式传感器。在多数场合能够胜任。电感式传感器也有不同的总类,如单螺线管式、间隙式、差动变压式等等。其中精度最好的是差动变压式位移传感器,它的工作原理简单,可靠性高,特别是测量精度较高,因此在工业生产中被广泛的应用。
（3）根据系统方案分别设计单元电路；确定元器件及元件参数；
（4）画出电路原理图，正确使用逻辑关系。
3．编写设计报告
写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，并写出心得体会。
基于STM32的LVDT位移测量系统设计
摘要:LVDT可以用来测量物体的伸长度、震动频率、振幅、物体厚薄程度和膨胀度等精确数据。具体还可以用在机床工具和液压缸的定位，以及辊缝和阀门的控制等。LVDT还有无摩擦测量、无限的机械寿命、坚固耐用、环境适用性等优点，这使它应用范围也非常广泛。
该设计题目主要实现位移测量功能，具有一定的设计研究意义，除了测量位移本身外，其他的很多物理量也可以通过转化为位移来测量，测量精度也相对原始的方法较高。
STM32系列芯片STM32F103，STM32F103是基于ARM Cortex-M3内核的32位嵌入式微处理器，它具有出色的内核性能，丰富的外部接口和低功耗。该设计系统采用STM32单片机作为核心控制器件，实现磁棒的小距离位移的精确测量。本设计首先采用AD598元件提供用来驱动LVDT的激励电压，磁芯移动，差动变压器的两个副线圈输出电压信号经过解调、滤波、放大后输出到A/D转换器，A/D转换结果送入单片机进行数据处理、存储，最后将结果通过四位七段数码管显示并传送至PC端。整个系统结构合理，设计简洁，性能稳定，具有较强的抗干扰能力。
选择工作范围在2.5KHZ的LVDT，实例中选择的Schaevitz HR1000型LVDT工作在400HZ~5KHZ，所以符合要求；
确定LVDT次级绕组电压VA和VB之和。根据生产商的数据手册VPRI=3Vrms，调节磁芯到中间位置，此时有VA=VB，测量的两个之和VA+VB=2.80Vrms。
确定LVDT的最佳激励电压VEXC，对于AD598的最大线性度和最小噪声敏感系数来说，AD598输入信号VSEC的范围为1~3.5Vrms，所以选择VSEC=3Vrms。因此LVDT的激励电压为：
图4
3.2.
3.2.1.
差动变压器(LVDT)的原理比较简单。它就是在一个线圈骨架(1)上均匀绕制一个一次线圈(2)作励磁。再在两侧绕制两个二次线圈(3与4)，与线圈同轴放置一个铁芯(5)，通过测杆(6)与可移动的物体连接。线圈外侧还有一个磁罩(7)作屏蔽，如图5所示。
图5图6
在未引入铁芯以前，一次线圈通入交流电流后产生一个左右对称的沿轴向分布的交变磁场。交变磁场在两个对称放置的二次线圈上产生的感应电动势当然相等，引入铁芯后，铁芯在一次交变磁场的激励下，产生沿铁芯中心轴（当然也是线圈的中心轴）分布并与铁芯对称的交变磁场。这样，线圈中心轴上的磁感应强度就成为铁芯位置的轴向分布函数，于是两个二次线圈的感应电动势Es1与Es2也成了铁芯位置的函数。如果设计得当，两者可成为线性函数关系。将两个二次线圈差接后，即可获得与铁芯位移成线性关系的二次输出:Es=Es1-Es2。这就是LVDT的简单工作原理（如图6示）。