引言

常規(guī)的測試儀器儀表和控制裝置被更先進的智能儀器所取代，使得傳統(tǒng)的電子測量儀器在遠離、功能、精度及自動化水平定方面發(fā)生了巨大變化，并相應(yīng)的出現(xiàn)了各種各樣的智能儀器控制系統(tǒng)，使得科學(xué)實驗和應(yīng)用工程的自動化程度得以顯著提高。

本文設(shè)計的電子秤以單片機為主要部件，用匯編語言進行軟件設(shè)計，硬件則以差動變壓器式（LVDT）位移傳感器為主，測量0~10mm.傳感器輸出的電量是模擬量，數(shù)值比較小達不到A/D轉(zhuǎn)換接收的電壓范圍。所以送A/D轉(zhuǎn)換之前要對其進行前端放大、整形濾波等處理。然后，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果才能送單片機進行數(shù)據(jù)處理并顯示。

1 設(shè)計目的

差動變壓器式（LVDT）位移傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場和測試領(lǐng)域，如過程檢測和自動控制、形變測量等，適用于油污、光照等惡劣環(huán)境。這種傳感器可靠而耐用，但選用它監(jiān)控機械位移量，還需設(shè)計與傳感器配套的測量裝置 研制開發(fā)的位移測量裝置適用于工業(yè)現(xiàn)場和多種測試領(lǐng)域。按照使用的要求，系統(tǒng)可實現(xiàn)：有效量程10mm,精度0.0lmm; LED同時顯示1-4路測量值；零點值重置等功能。 通過本文夫人設(shè)計，達到以下三點：

（1）通過本次課程設(shè)計加深對差動變壓器電感傳感器在工程實踐中的應(yīng)用的了解；

（2）掌握用這種傳感器組成位移測量系統(tǒng)的原理和方法；

（3）進一步掌握這種傳感器的性能特點和工程應(yīng)用。

2 系統(tǒng)設(shè)計原理

本系統(tǒng)采用內(nèi)含4KB程序存儲器的8位單片微型計算機89C51,其內(nèi)部4KB程 序存貯器可以滿足本系統(tǒng)的需求，同時可以較大限度地減少外圍器件；按照有效量程和精度，本系統(tǒng)選用國內(nèi)廠家的配套產(chǎn)品 AC-LVDT傳感器；使用四組（每組5個）LED七段數(shù)碼管同時顯示四路測量值；用于過程控制的信號采樣應(yīng)較快，應(yīng)采用較高速的A/D轉(zhuǎn)換器。主程序流程圖、系統(tǒng)原理圖分別如圖1、圖2所示。

圖1主程序流程圖

圖2系統(tǒng)原理圖

3 硬件電路設(shè)計

3.1傳感器的工作原理

差動變壓器由一只初級線圈和二只次線圈及一個鐵芯組成，根據(jù)內(nèi)外層排列不同，有二段式和三段式，本實驗采用三段式結(jié)構(gòu)。當差動變壓器隨著被測體移動時差動變壓器的鐵芯也隨著軸向位移，從而使初級線圈和次級線圈之間的互感發(fā)生變化促使次級線圈感應(yīng)電勢產(chǎn)生變化，一只次級感應(yīng)電勢增加，另一只感應(yīng)電勢則減少，將兩只 次級反向串接（同名端連接），就引出差動電勢輸出。利用兩個線圈之間互感的變化引起感應(yīng)電勢的變化，來獲得與被測量成一定函數(shù)關(guān)系的輸出電壓，實現(xiàn)非電量的測量。應(yīng)用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1~100（mm）范圍內(nèi)的機械位移、150HZ

以下的低頻振動、加速度、應(yīng)變、比重、張力、厚度、稱重等一、切能引起機械位移變 化的非電物理量。

圖3測量原理框圖

本次差動變壓器的原理是建立在CSY2000型傳感器實訓(xùn)臺的基礎(chǔ)上的。差動變壓器電感傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越、測量精度高、靈敏度高和價格合理等優(yōu)點。

3.2差動變壓器傳感器安裝

（1）將差動變壓器和測微頭（參照附：測微頭使用）安裝在實驗?zāi)０宓闹Ъ茏希缦聢D4所示。

圖4差動變壓器傳感器安裝示意圖

（2）差動變壓器的原理圖已印刷在實驗?zāi)０迳希琇1為初級線圈；L2、L3為次級線圈；*號為同名端。按圖2-3接線，差動變壓器的原邊L1的激勵電壓必須從主機箱中音頻振蕩器的Lv端子引入，檢查接線無誤后合上總電源開關(guān)，調(diào)節(jié)音頻振蕩器的頻率為4-5KHz（可用主機箱的頻率表輸入Fin來監(jiān)測）；調(diào)節(jié)輸出幅度峰峰值為Vp-p=2V（可用示波器監(jiān)測：X軸為0.2ms/div）。

圖5差動變壓器性能實驗安裝、接線圖

3.3放大電路的設(shè)計

傳感器輸出電壓為0~50mV,而A/D轉(zhuǎn)換器所能處理的電壓是0~5V,所以必須在A/D轉(zhuǎn)換器前加入一個前置差動放大電路以實現(xiàn)電壓的放大，放大倍數(shù)為100倍，使輸出電壓為0~5V. 由于單運放在應(yīng)用中要求外圍電路匹配精度高、增益調(diào)整不便、差動輸入阻抗低，故采用三運放結(jié)構(gòu)。

三運放結(jié)構(gòu)具有差動輸入阻抗高、共膜抑制比高、偏置電流低等優(yōu)點，且有良好的溫度穩(wěn)定性，低噪單端輸出和和增益調(diào)整方便，適于在傳感器電路中應(yīng)用。 如圖6所示，圖中 RG為增益調(diào)節(jié)電阻，整個芯片僅R5為外接電阻，而運放A1 為增益為100的差動輸入放大器。

電壓的放大倍數(shù)：可由公式得出倍數(shù)。因此我們可以改變R2和 R1的比值來改變放大倍數(shù)。

量程的確定：轉(zhuǎn)動20圈 進給10mm 電壓變化 0.52V

靈敏度：

根據(jù)電壓得量程是 +1.7V ~-1.7V 可以由上面公式得出距離d得量程是 +16.35mm~-16.35mm.

圖6放大電路硬件原理圖

3.4采集電路的設(shè)計

（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心是計算機，他對整個系統(tǒng)進行控制和數(shù)據(jù)處理，他由采樣/保 持器，放大器，A/D轉(zhuǎn)換器，計算機組成。

圖7數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)框圖

（2）數(shù)據(jù)采樣保持器

進行模數(shù)變換時，從啟動變換到變換結(jié)束的數(shù)字量輸出，需要一定的時間，即A/D轉(zhuǎn)換的孔徑時間。當輸入信號頻率較高，由于孔徑時間的存在，會造成較大的轉(zhuǎn)換誤差；為了防止誤差需在中間加一個功能器件采樣/保持器，進行有效、正確的數(shù)據(jù)采集。 采樣/保持器通常由保持電容器、模擬開關(guān)和運算放大器組成。采樣保持器的原理：如圖8,當開關(guān)閉合時，V1通過限電流電阻向電容C充電，在電容值合理的情況下，V0隨Vi的變化而變化；當K斷開時，由于電容C有一定的容量，此時輸出V0保持輸入信號再開斷開瞬間的電平值。

圖8采樣保持原理圖

（3） AD0809的工作原理與連接

AD轉(zhuǎn)換器與8031單片機相連接，將IN0的輸入模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。從而可以輸入8031進行下一步處理。采用逐位逼近式的AD轉(zhuǎn)換器。其原理如下圖：

圖9AD0809的原理圖

當啟動信號作用后，時鐘信號在控制邏輯作用下。首先是寄存器的最高位D3=1 ,其余為0,此數(shù)字量1000經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器換成模擬量8,送到比較器輸入端與被轉(zhuǎn)換地模擬量進行比較控制邏輯根據(jù)比較器輸出進行判斷，當Vin3Vo,則保留D3=1,再對下一位D2進行比較，同樣先使D2=1,與D3一起即1100進入D/A轉(zhuǎn)換器，進行比較，以此進行比較，到最后一位D0.

4 軟件的設(shè)計

4.1數(shù)據(jù)處理子程序的設(shè)計

數(shù)據(jù)處理子程序是整個程序的核心。主要用來調(diào)整輸入值系數(shù)，使輸出滿足量程要求。另外完成A/D的采樣結(jié)果從十六進制數(shù)向十進制數(shù)形式轉(zhuǎn)化。

4.1.1系數(shù)調(diào)整

在IN0輸入的數(shù)最大為10mm,要求的位移10mm對應(yīng)的是5.0V,為十六進制向十進制轉(zhuǎn)換方便，將系數(shù)放大100倍。并用小數(shù)點位置的變化體現(xiàn)這一過程。

數(shù)制轉(zhuǎn)換：數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換：在二進制數(shù)制中，每向左移 一位表示數(shù)乘二倍。以每四位作為一組對數(shù)分組，當?shù)谒奈幌虻谖逦贿M位時，數(shù)由8變到16,若按十進制數(shù)制規(guī)則讀數(shù)，則丟失6,所以應(yīng)進行加六調(diào)整。DA指令可完成這一調(diào)整。可見數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換可以通過移位的方法實現(xiàn)。其中，移出數(shù)據(jù)的保存可以通過自乘再加進的方法實現(xiàn)，因為乘二表示左移一位，左移后，低位進一，則需加一。否則，加零。而通過移位已將要移入的尾數(shù)保存在了進位位中，所以能實現(xiàn)。

圖10數(shù)據(jù)處理原理框圖

4.2數(shù)據(jù)采集子程序的設(shè)計

數(shù)據(jù)采集用A/D0809芯片來完成，主要分為啟動、讀取數(shù)據(jù)、延時等待轉(zhuǎn)換結(jié)束、讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果、存入指定內(nèi)存單元、繼續(xù)轉(zhuǎn)換（退出）幾個步驟。ADC0809初始化后，就具有了將某一通道輸入的0~5模擬信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量00H-FFH,然后再存入8031內(nèi)部RAM的指定單元中。在控制方面有所區(qū)別。可以采用程序查詢方式，延時等待方式和中斷方式。

圖11 數(shù)據(jù)采樣原理框圖

5 總結(jié)

隨著集成電路和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，使電子儀器的整體水平發(fā)生巨大變化，傳統(tǒng)的儀器逐步的被智能儀器所取代。智能儀器的核心部件是單片機，因其極高的性價比得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，從而加快了智能儀器的發(fā)展。而傳感器作為測控系統(tǒng)中對象信息的入口，越來越受到人們的關(guān)注。本文所設(shè)計的位移測量儀就是在以上儀器的基礎(chǔ)上設(shè)計而成的，適用于工業(yè)現(xiàn)場和多種測試領(lǐng)域。