位移測量裝置畢業(yè)論文6月7日

目錄......b5E2RGbCAP1111.111.211.321.431.54252.15363.163.273.373.48494.194.2144.3144.4175175.1175.2195.3DDS195.4AD7886205.5216 212223241251/43個人資料整理 僅限學習使用附錄226附錄3272/43個人資料整理 僅限學習使用前 言差動變壓器式<LVDT）位移傳感器廣泛用于工業(yè)現(xiàn)場和測試領域，如過程檢測和自動控制、形變測量等。本設計為電子設計競賽題目。該題目主要實現(xiàn)位移測量的功能，具有一定實際研究意義，除了測量位移本身外，其他很多物理量也可以轉(zhuǎn)化為位移來測量比如液位等本文采用差動式變壓器作為位移傳感器測量位移，達到了比賽規(guī)定的設計指標 ,而且不僅可以測量位移還可以實現(xiàn)位移的控制，這是本文的特點。 p1EanqFDPw系統(tǒng)采用 MSP430單片機制作核心控制器件，實現(xiàn)磁棒小范圍位移的精確測量。本設計首先采用DDS芯片AD9851得到一個頻率為100kHz的正弦波信號，并且采用THS4503芯片進行差分輸出，驅(qū)動線性可變差動變壓器的原邊；差動變壓器兩個副邊的輸出信號分別經(jīng)過ad811芯片放大后，進行半波整流、電子濾波，得到穩(wěn)定的直流電壓，實現(xiàn)磁棒位移信號的實時采集。對兩路直流信號分別進行 A/D轉(zhuǎn)換，并送入單片機分析處理，最后將計算結果用 LCD顯示。整個系統(tǒng)結構合理，設計簡潔，性能穩(wěn)定，有較強的抗干擾能力。 DXDiTa9E3d1引言1.1課題來源2008年湖北省電子設計競賽題目1.2課題研究的研究背景在電子技術中，位移的測量十分重要，這就要求位移測量計要不斷的提高其精度、量程、線性比和實用性。小位移通常用應變式、電感式、差動變壓器式、渦流式、霍爾傳感器來檢測，大的位移常用感應同步器、光柵、容柵、磁柵等傳感技術來測量。RTCrpUDGiT電感式傳感器是一種建立在電磁感應基礎上，利用線圈的自感或互感變化原理來實現(xiàn)非電量電測的傳感器。傳感器測頭檢測到被測物體的位移，通過測桿帶動銜鐵產(chǎn)生移動，從而使線圈的電感或互感系數(shù)發(fā)生變化。自感或互感信號再通過引線接入測量電路進行測量。電感傳感器本身是互感系數(shù)可變的變壓器，當一次測線圈接入激勵電源后，二次線圈就將感應產(chǎn)生的電壓輸出?；ジ凶兓瘯r，輸出電壓將1/43個人資料整理 僅限學習使用作相應的變化。5PCzVD7HxA光柵式位移傳感器是由一對光柵副中的主光柵和副光柵進行相對位移時，在光的干涉與衍射共同作用下產(chǎn)生明暗相同的規(guī)則條紋圖形，稱之為莫爾條紋。經(jīng)過光電器轉(zhuǎn)換使明暗相同的條紋轉(zhuǎn)換成正弦波變化的電信號，再經(jīng)過放大器放大，整形電路整形后，得到兩路相差為 90的正弦波或方波，送入光柵數(shù)顯表計數(shù)顯示。jLBHrnAILg差動式位移測量裝置具有測試精度高、線性范圍大、穩(wěn)定性好和使用方便等特點。被廣泛應用于直線位移。本課題主要研究的是以單片機為控制核心，線性可變差動變壓器為傳感器，輔以相應的模擬電路，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的位移測量功能。本系統(tǒng)電路構造簡單，通過較少的元件就可以達到一定精度的測量。本系統(tǒng)一大特色就是具有電機驅(qū)動。以動磁棒移動到指定位移。 xHAQX74J0X1.3國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及存在的主要問題可用于位移測量的傳感器的種類很多，其中用于直線位移測量的有電阻式、電感式、電容式、振弦式、編碼式、感應同步器式、光柵式、磁柵式、光電式、霍爾效應式、磁敏電阻式、噴射式、激光式、復合式以及光纖式等，但這些傳感器在實際應用中或多或少都存在著一些問題，有的設備復雜、成本高，有的對環(huán)境要求高，有的精度低、線性范圍小、有的結構復雜、工藝要求高。LDAYtRyKfE于此同時，在微電子行業(yè)中高精度模板的制造和定位，高精度傳感器的標定都需要很高的位移測量精度，甚至有些應用要求測量精度達到納M量級，同時測量范圍的要求也越來越大，這樣測量精度與測量范圍的要求構成了尖銳的矛盾，因此，需要設計一些通用性好、價格便宜的測量儀器，并對這類的測量儀器進行不斷的更新和改進，以進一步高測量精度。各種測量傳感器的主要性能如表1所示本文采用差動式傳感器設計的位移測量裝置。Zzz6ZB2Ltk差動變壓器式傳感器的優(yōu)點是：測量精度高，可達0.1μm；線性范圍大，可到±100mm；穩(wěn)定性好，使用方便。因而被廣泛應用于直線位移，或可能轉(zhuǎn)換為位移變化的壓力、重量等參數(shù)的測量。dvzfvkwMI1本設計顯示清晰明了，反應快，測試精度高，線性范圍大，靈敏度高，性能穩(wěn)定，結構簡單且設計廉價2/43個人資料整理 僅限學習使用原理量程mm精確度%線性度%

優(yōu)點 缺點分 辨 力 不電阻式

電位器電阻應變計差動電感

1~3000.1~10.1~11~500.1~0.50.1~0.51~2000.1~10.1~1

簡單，穩(wěn)定高，易磨損精確度高線性量程受限制好量程大線性有殘余電壓，精確度好，分辨力高受限制線性好，分辨有殘余電差動變壓器電感式 電感調(diào)頻電渦流變面積電容式變間隙振弦光柵磁柵光電光纖霍爾片霍爾霍爾開關效應集成電路

1~10000.1~0.50.1~0.51~1000.2~1.50.2~1.51~1001~31~31~1000.5~1.50.5~11um~100.1-1~12~60.2~0.530~10001~20m10.5~51~20.5~10.5~5>2m表1位移傳感器的主要性能表

力高壓，精確度受限制抗干擾，能接 線圈結構復長導線雜結構簡單，非被測對象的材料不同，接觸式測量靈敏度改變線性范圍大精體積較大確度高可用于非接觸式測量，分辨非線性較大力高抗干擾能接長量程小導線，防潮精確度高結構較復雜量程大，精確 需防塵，磁度高屏蔽高精確的高可靠，非接觸測安裝不方便量體積小，靈敏量程受限制，制造工度高，抗干擾藝要求高簡單體積小對溫度敏感量程大，體對溫度敏感積小1.4課題研究的指導思想與技術路線本課題提出采用差動變壓器作為位移傳感器，把磁棒的位移量轉(zhuǎn)換為兩路相位相差∏，變化方向相反的模擬電壓 UA和UB，經(jīng)過放大和整流濾波后形成兩路直流電壓，并送入由單片機和 AD轉(zhuǎn)換器構成的數(shù)據(jù)采集和處理單元進行處理顯示，另外個人資料整理 僅限學習使用本課題也實現(xiàn)了由鍵盤設定磁棒位移量，并能控制直流電機的運行使磁棒自動定位。rqyn14ZNXI因此系統(tǒng)框架由以下幾部分組成： 正弦信號激勵電路、信號調(diào)理電路、 AD轉(zhuǎn)換、電機驅(qū)動電路和單片機控制單元。 EmxvxOtOco指導思想如圖所示：圖1位移測量系統(tǒng)框圖1.5位移測量裝置的技術要求本課題的主要技術要求如下：<1）制作100kHz的正弦信號激勵電路<2）設計、制作差動信號測量電路，包括線性可變差動變壓器，放大、整流、濾波等電路，數(shù)據(jù)處理和顯示等單元。 SixE2yXPq5<3）用模擬或數(shù)字方法計算 <Va和Vb分別為變壓器次級線圈的兩個輸出端電壓），根據(jù) d值計算、顯示實際位移量。 6ewMyirQFL<4）測量的位移范圍為-10~+10mm，測量誤差的絕對值不大于 2mm。<5）設計一個閉環(huán)控制電路，要求用直流電機 <不允許使用步進電機）驅(qū)動磁棒移動，控制磁棒達到設定位移，位移誤差的絕對值不大于 2mm。kavU42VRUs4/43個人資料整理 僅限學習使用2位移測量傳感器原理介紹2.1差動變壓器結構和工作原理差動變壓器是將被測信號的變化轉(zhuǎn)換成線圈互感系數(shù)變化的傳感器，它的結構如同一個變壓器，由初級線圈、次級線圈、鐵芯等幾部分組成，在初級線圈接入電源U1后，次級線圈即感應輸出電壓 U2，滑動板移動時引起鐵芯的移動，從而引起線圈互感系數(shù)的變化，此時的輸出電壓隨之作相應的變化 。y6v3ALoS89如圖所示：L1移動磁心 線圈骨架L2 L3圖2差動式傳感器差動變壓器位移傳感器包括： L1主線圈L2副線圈L3副線圈線圈骨架 可以移動磁心五個部分組成。 L3與L2長度和圈數(shù)相同，繞線方向相反，可移動磁心長度小于線圈的總長度，移動距離等于一組副線圈長度。磁芯是導磁率很高的鐵氧體材料，當線圈L1供上正弦交流電流，磁芯在線圈內(nèi)移動時 L2和L3上的感應信號產(chǎn)生變化，通過對感應信號的檢測計算出磁芯的移動距離。 M2ub6vSTnP圖3差動傳感器工作原理5/43個人資料整理 僅限學習使用隨著磁棒插入線圈的長度增大，線圈的電感 L變得越來越大，其差值 變大對于螺繞環(huán)，其電感量為：L0=u0n2sl , 當插入磁棒后，電感量為,所以，電感的變化量 ，即電感量的變化量 與鐵磁棒的位移量

成正比。故有：

0YujCfmUCw解得， 。即位移 與d值成正比。然而實際上由于線圈和鐵磁棒不是理想的均勻和對稱，二者間的線性度不是特別好。為減小誤差，在軟件中采取查表，然后在小區(qū)間內(nèi)做線性擬合，以達到更高的精確度。eUts8ZQVRd3方案選擇3.1 從信號檢測過程可以分為直流求差法和交流求差法。方案一：直流求差法先對接收線圈 L2和L3的信號分別放大，變成直流電壓后再求兩者之差，利用電壓差計算出位移的大小，這種方法需要兩套測量電路，信號中除與位移有關的部分外還包含有與位移無關的部分，這部分信號影響了放大電路的利用效率。sQsAEJkW5T方案二：交流求差法將線圈L2、L3直接串聯(lián)，由于兩者的繞制方向相反，得到的電壓相位相反，串聯(lián)就可以獲得信號的差值，對差值進行放大后再變成直流，直流信號的大小正比于位移的大小，從電路上省去了一個檢測電路，信號中與位移無關的分量大大減小，可以提高電路放大倍數(shù)。 GMsIasNXkA6/43個人資料整理 僅限學習使用交流變直流的環(huán)節(jié)可以利用精密幅度檢波或者采用相敏檢波這兩者方法可以消除檢波二極管門檻的影響提高小信號的測量精度。 TIrRGchYzg方案1在放大器中有比較大的無用信號 <與位移無關的信號分量），當放大倍數(shù)較大時會造成放大器飽和，也不能充分利用放大器和 ADC的動態(tài)范圍，方案 2放大的信號是與位移直接相關的信號差值，可以充分利用放大器的動態(tài)范圍，檢測電路簡單。7EqZcWLZNX3.2正弦信號產(chǎn)生方案選擇系統(tǒng)要求設計制作一個位移測量電路，主要分為激勵電路和測量電路兩個部 分。激勵部分要求產(chǎn)生 100kHz的正弦波，然后經(jīng)差分放大輸出進入可變差動電壓器。測量部分要求將變壓器次級線圈輸出的兩路交流電壓經(jīng)整流濾波后得到直流電平，移動變壓器內(nèi)的磁棒改變兩路直流電平值，根據(jù)電平改變值通過處理后得到位移值 。lzq7IGf02E方案一：系統(tǒng)激勵部分正弦波產(chǎn)生電路采用傳統(tǒng)的直接頻率合成器，經(jīng)差分放大、差分變壓、整流濾波后，根據(jù)兩路電壓改變得到位移值。該方案產(chǎn)生正弦波具有低相位噪聲等優(yōu)點，但頻率合成器結構復雜、體積龐大、成本高，不利于實際制作，故不采用此方案。 zvpgeqJ1hk方案二：正弦波產(chǎn)生采用直接數(shù)字式頻率合成器 <DDS），后級電路與方案一相同。DDS方案電路簡單，僅用一塊芯片就可以實現(xiàn)，而且可以產(chǎn)生較寬頻率范圍的正弦波且失真度小。但普通整流濾波電路較難達到理想的結果，這會導致后面電壓采樣出現(xiàn)較大誤差，故不采用該方案。 NrpoJac3v1方案三：正弦波產(chǎn)生使用DDS方案，而整流濾波電路采用真有效值檢測芯片。真有效值檢測可以將交流電壓很好的轉(zhuǎn)換成其有效值大小的直流電平，利于后級電壓采樣。1nowfTG4KI通過以上分析，決定使用方案三。正弦波使用DDS芯片產(chǎn)生，經(jīng)差分放大后輸入可變差動變壓器初級，次級生成兩路交流電壓，經(jīng)過真有效值轉(zhuǎn)換后得到直流電平，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后傳入單片機，單片機通過計算查表線性擬合即可得到位移值。另外單片機也可控制直流電機，使磁棒移動到預置位置。fjnFLDa5Zo7/43個人資料整理 僅限學習使用3.3單片機的選擇由于本系統(tǒng)占用的資源較多，需要使用較多的 I/O端口，因此選用 MSP430Fxxx系列中性價比較高的 MSP430F149單片機，MSP430F149單片機自帶 60KBFlashROM,tfnNhnE6e5擁有6個8位的I/O口，且擁有豐富的片內(nèi)資源，滿足本系統(tǒng)的設計需要。MSP430F149 單片機具有 JTAG調(diào)試接口，可以在 IAR集成編譯環(huán)境在線仿真調(diào)試程序，非常方便，且不需要額外的仿真工具。 MSP430F149運算速度很快，在外部8M晶振驅(qū)動下，執(zhí)行一條指令的時間為 0.125Us。HbmVN777sL3.4總體設計框圖激勵位移信號數(shù)字數(shù)據(jù)檢測信號傳感信號顯示電路源器處理電路系統(tǒng)物體位移430單控制移動控制片機鍵盤機構接口V7l4jRB8Hs圖4總體設置框圖8/43個人資料整理 僅限學習使用系統(tǒng)硬件設計4.1 器件芯片介紹4.1.1MSP430F149單片機介紹MSP430F149單片機是德州儀器公司新開發(fā)的一種具有 16位總線的帶 FLASH的單片機，其性價比和集成度很高。它采用 16位總線，外設和內(nèi)存統(tǒng)一編制，尋址范圍可達64K，還可以外擴展存儲器。具有統(tǒng)一的中斷管理，具有豐富的片上外圍模塊資源。片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個16位定時器、一個14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個看門狗、6路P口、兩路USART通信端口、一路SPI通信端口、一個比較器、一個DCO內(nèi)部振蕩器和兩個外部時鐘，支持8M的時鐘，有PWM工作模式。由于為FLASH型，則可以在線對單片機進行調(diào)試和下載，且 JTAG口直接和 FET(FLASHEMULATIONTOOL>相連，不需另外的仿真工具，方便實用，且具有超低功耗。83lcPA59W9MSP430F149單片機各管腳介紹9/43個人資料整理 僅限學習使用圖5MSP430149單片機特點? 低 電 源 電 壓 范 圍 ： 1.83 — 3.6V.10/43個人資料整理 僅限學習使用?超低功耗：活動模式：1MHz,2.2V時為225uA待機模式：0.1uA掉電模式：<RAM數(shù)據(jù)保持）：0.1uA?五種省電模式。從等待方式喚醒時間不超過6us.頻率鎖相環(huán)，F(xiàn)LL+.16位RISC結構，150ns指令周期。集成96段LCD驅(qū)動器。?串行在線可編程，無需提供外部編程電壓?；緯r鐘模塊配置：高速晶體<最高8MHz）。低速晶體<32768Hz）。DOC.配合外部器件可構成單斜邊A/D轉(zhuǎn)換器。12位200kbps的A/D轉(zhuǎn)換器，自帶采樣保持。內(nèi)部溫度傳感器。具有3個捕獲/比較寄存器的16位定時器TimerA,Timer_B.兩通道串行通信接口可用于異步 <軟件選擇UART/SPI模式）。?硬件乘法器。?多達60KBFLASHROM和2KBRAM.?串行在系統(tǒng)編程。?安全熔絲的程序代碼保護。MSP430I/O口介紹MSP430器件具有多達8個數(shù)字I/O 端口來實施它的功能，P1至P7。每個端口有8個I/O 引腳。每個I/O 引腳是獨立配置輸入或輸出的方向，每個 I/O線可單獨讀取或?qū)懭?。mZkklkzaaP端口P1和P2的中斷功能。每個中斷的 P1和P2的I/O 可以單獨啟用和配置提供一個中斷的上升沿或下降沿的輸入信號。所有 I/O 的單一線路可以單獨啟用和配11/43個人資料整理 僅限學習使用置提供一個中斷的中斷向量，而所有 P2的I/O 則不同，它只有單一的中斷向量。數(shù)字I/O 功能包括：AVktR43bpw獨立的可編程個人的I/O-任意組合的輸入或輸出-獨立配置P1和P2中斷-獨立的輸入和輸出數(shù)據(jù)寄存器獨立配置上拉或下拉電阻ORjBnOwcEd典型應用：捕捉傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)加以處理后發(fā)送到主機。其中芯片中的比較器和定時器是工業(yè)儀表、計數(shù)裝置和手持式儀表等產(chǎn)品設計中的理想選擇。2MiJTy0dTT4.1.2AD9851AD9851的原理：AD9851可以產(chǎn)生一個頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制且穩(wěn)定性的模擬正弦波，這個正弦波能夠直接作為基準信號源，或通過其內(nèi)部高速比較器轉(zhuǎn)換成標準方波輸出，作為靈敏時鐘發(fā)生器來使用。 gIiSpiue7AAD9851的各引腳功能如下，引腳排列，如圖所示：圖6AD9851AD9851在信號源中的應用為了能夠完成調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相的各種功能，要向 AD9851輸入頻率/相位控制12/43個人資料整理 僅限學習使用字，這是通過AD9851和微處理器相連接來實現(xiàn)?？梢院虯D9851的數(shù)據(jù)線直接相連接的單片機類型很多，本文中選用的是MSP430。由于AD9851是貼片式的體積非常小，引腳比較密，焊接時必須小心，還要防靜電，焊接不好就很容易把芯片給燒毀。還有在使用中數(shù)據(jù)線、電源等接反或接錯都很容易損壞芯片。所以在AD9851外圍采用了電源、輸入、輸出、數(shù)據(jù)線保護電路。為了不受外界干擾，添加了不少濾波電路，顯得整個電路完美。uEh0U1Yfmh4.1.3DDS信號產(chǎn)生的原理和性能特點DDS的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產(chǎn)生波形。 DDS的結構很多種，其基本的電路原理可用下圖來表示。 IAg9qLsgBX圖7 DDS產(chǎn)生原理圖相位累加器由 N位加法器與N位累加寄存器級聯(lián)構成。每來一個時鐘脈沖 fs,加法器將頻率控制字 K與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結果送給累加寄存器的數(shù)據(jù)輸出端。累加寄存器將加法器在上一個時鐘脈沖作用后產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個時鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時鐘作用下，不斷對頻率控制字進行線性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一個時鐘脈沖輸入時，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號的相位，相位累加器的益處頻率就是 DDS輸出的信號頻率。用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器(ROM>的相位取樣地址，這樣就把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣值<二進制編碼）經(jīng)過查表查出，完成相位道幅值轉(zhuǎn)換。波形存儲器的輸出送到D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所需要合成頻率的模擬信號。低通濾波器用濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。DDS在相對帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時間、高分辨力、想問連續(xù)性、正交輸出及集成化等一系列性能指標方面遠遠超過了傳統(tǒng)頻率合成技術所能達到的水平，為系統(tǒng)提供了由于模擬信號源的性能：WwghWvVhPE13/43個人資料整理 僅限學習使用<1）輸出頻率相對帶寬較寬<2）頻率轉(zhuǎn)換時間短<3）頻率分辨率極高<4）相位變化連續(xù)<5）輸出波形的靈活性<6）其他優(yōu)點：易于集成，低功耗，體積小、重量輕、可靠性高、易于控制。4.1.4THS4503寬帶，低失真全差動放大器THS4503是德州公司生產(chǎn)的高性能的全差分放大器。具有卓越的線性度，支持14位的位操作。封裝采用 8針的SOIC技術。具有關斷功能。 其體積小，性能好，散熱能力強。asfpsfpi4k圖8THS4503THS4503特點：全差分結構帶寬：370MHz壓擺率:2800V/us輸出共模控制。?寬電源電壓范圍：5V,-5V,12V,15V.THS4503的應用：?高線性度模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器前置放大器?無線通信接收器鏈?單端至差分轉(zhuǎn)換?差分線路驅(qū)動器?積極的差分信號濾波14/43個人資料整理 僅限學習使用4.2系統(tǒng)硬件框圖圖9系統(tǒng)硬件圖4.3主要組成電路分析本系統(tǒng)設計目標主要包括六大部分：激勵電路、線性可變差動變壓器電路、放大整流濾波電路、數(shù)據(jù)處理電路、位移顯示電路及電源組成 ooeyYZTjj14.3.1線性可變差動變壓器設計題目要求磁棒位移范圍-20mm~20mm，差動變壓器位移傳感器的測量范圍通常是磁棒長度的一半，為了得到較大的量程，就要增加鐵芯的長度，但鐵芯的長度越大，其被磁化的不均勻性就越大 (螺線管內(nèi)磁場強度的不均勻性造成 >，測量精度越低。為了使差動變壓器位移傳感器有較好的線性度，需滿足：磁棒長度 LO≤1/2螺線管長度L1，所以磁棒長度取40mm，螺線管長度取80mm。BkeGuInkxI螺線管用漆包線附在牛皮紙上精密纏繞制成，螺線管纏繞完后用 LCR數(shù)字電橋測試螺線管原線圈、副線圈電感值，反復纏繞、測量，使副線圈 S1和副線圈S2的電感值相同，這樣可以得到線性度最好的線圈，可以提高位移傳感器的傳感精度。PgdO0sRlMo4.3.2激勵電路分析激勵電路使用單片機控制 AD9851產(chǎn)生100KHz的正弦波。與 430單片機接口電路如圖所示，8個輸出口和三個控制口與單片機相連。 AD9851輸出正弦波峰峰值為15/43個人資料整理 僅限學習使用500mV左右。用OPA228反相器產(chǎn)生一級放大，使輸出峰峰值為 1V左右，送入差分運放THS4503.3cdXwckm15圖10DDS與單片機接口電路4.3.3THS4503 電路接口為了使差分運放穩(wěn)定工作，將 THS4503的放大倍數(shù)設置為 1，并根據(jù)其典型應用電路配置反饋電阻。THS4503與前級、后級接口電路如圖所示。 h8c52WOngM圖11THS4503與前級、后級接口電路4.3.4差動整流濾波電路為了增強對感性負載的驅(qū)動能力，從 THS4503出來的兩路差分信號經(jīng)過兩片AD811進行放大，驅(qū)動差動變壓器前級線圈。從差動變壓器次級出來的交流信號同樣經(jīng)過AD811進行一次放大，以達到足夠大的幅值送給整流二極管進行整流，再16/43個人資料整理 僅限學習使用經(jīng)過兩級電容濾波，得到平滑的直流電壓。由于經(jīng)過整流器出來的兩路電壓信號一路為負，一路為正，而 A/D轉(zhuǎn)換器只能采樣正電壓，于是在輸出負電壓之后采用由通用運放 LF353構成的一級反相器進行反相，另一路加一級電壓跟隨器進行阻抗匹配。同時為了消除數(shù)字電路對模擬電路的干擾，數(shù)字地和模擬地分開，之間用磁珠相連進行處理，v4bdyGious達到了較好的抗干擾效果。設計的電路如圖所示。圖12差動整流濾波電路4.3.5電機驅(qū)動電路電機驅(qū)動采用 PWM方式控制，MSP430F149通過內(nèi)部定時器產(chǎn)生 PWM信號，通過光耦進行隔離，驅(qū)動 TIP122大林頓管驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，同時通過兩路繼電器控制電機的正反轉(zhuǎn)，以達到精確的控制磁棒位移的目的。 J0bm4qMpJ917/43個人資料整理 僅限學習使用圖13電機驅(qū)動電路4.4總電路圖設計見附錄1和附錄2。5系統(tǒng)軟件設計軟件設計概述：由MPS430單片機完成，任務包括六個部分組成， 1、DDS控制，2、，數(shù)據(jù)采集3位移計算，4數(shù)據(jù)顯示，5鍵盤查詢，6位移電機控制。其中DDS控制在系統(tǒng)初始化中完成，數(shù)據(jù)采集、位移計算、數(shù)據(jù)顯示、電機控制安排在時間中斷中進行，中斷為1mS，數(shù)據(jù)刷新時間是每 500mS進行1次。XVauA9grYP數(shù)據(jù)采集由 TI公司的串行 12位ADC芯片 7886完成。位移的計算公式。數(shù)據(jù)顯示采用 128×64點陣LCD組成，可以多的參數(shù)同時顯示。鍵盤查詢設置在主程序中進行，查詢間隔取決于程序循環(huán)周期，采取防抖動處理使鍵盤操作靈活可靠。電機控制采用 PWM控制轉(zhuǎn)動速度，輸出頻率 64Hz占空從2％到90％。bR9C6TJscw5.1主程序流程圖18/43個人資料整理 僅限學習使用開始初始化（LCD、AD9851、PWM）Y有鍵按下？N設置鍵？ADS7886采樣50次并求均值Y是否有按鍵？數(shù)據(jù)處理Y顯示VA、VB、d值和設定值L 無效鍵 設置鍵Y設定植=實際值？ 符號取反NN計算磁棒位移量電機轉(zhuǎn)動、磁棒位移Y

N數(shù)字鍵讀取2次確定按下？Y N超出范圍？圖14主程序流程圖19/43個人資料整理 僅限學習使用5.2中斷子程序流程圖圖15中斷子程序流程圖5.3DDS控制軟件設計AD9851內(nèi)部有40位寄存器,包括32個存儲頻率控制字的寄存器,5個用于存儲相位調(diào)制字,一個存儲6倍參考時鐘倍乘器控制位,一個存儲使能控制位,一個存儲電源休眠功能控制字。寄存器接收數(shù)據(jù)的方式有并行和串行兩種方式。并行裝載是通過8位數(shù)據(jù)總線完成40位控制數(shù)據(jù)的輸入。W_CLK上升沿后,完成全部40位控制字的輸入,此時控制FQ_UD為上升沿,當上升沿到來之時40位數(shù)據(jù)會從輸入寄存器寫入頻率和相位控制寄存器,更新DDS的輸出頻率和相位,同時把地20/43個人資料整理 僅限學習使用址指針復位到第一個輸入寄存器

W0。先將

40

位控制字寫入單片機

FLASH

中,再利用P6.3,P6.4 控制 W_CLK,FQ_UD,利用并行方式,通過P4口將40位控制字寫入AD9851的頻率相位寄存器中。pN9LBDdtrdDDS信號控制流程圖：圖16DDS信號控制流程圖5.4AD7886 軟件驅(qū)動設計系統(tǒng)上電復位后，主程序開始初始化各個模塊，并顯示界面；然后讀取A/D采樣值，計算、VB、d值，并根據(jù)d值計算實際位移；更新屏幕顯示，判斷按鍵；最后循環(huán)執(zhí)行。VADJ8T7nHuGTA/D轉(zhuǎn)換器 AD7886的驅(qū)動根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊提供的時序，進行軟件模擬時序如圖所示。圖17AD7886驅(qū)動時序圖同時為了消除硬件電路干擾帶來的誤差，在軟件設計上做了分段性擬合及近似的處理。進行軟件濾波，達到了很好的效果。 QF81D7bvUA21/43個人資料整理 僅限學習使用由于本系統(tǒng)的占用資源較多，程序流程復雜，且涉及到各模式間切換，所以在軟件設計時必須遵循模塊化設計思路，由小到大，編好各個模塊程序，再組合成整個程序。 4B7a9QFw9h5.5系統(tǒng)源程序系統(tǒng)程序見附錄 3。6制作位移測量裝置的步驟本課題的制作是分這幾個步驟完成的：⑴、查閱大量的資料，完成開題報告。在這個過程中我經(jīng)常到圖書館查閱單片機以及位移測量的相關資料，同時我也經(jīng)常上網(wǎng)搜索這方面的資料，知識總是在不斷積累的過程中了解和掌握的。因此，一段時間下來，我對位移測量裝置的國內(nèi)外研究狀況、發(fā)展趨勢、工作原理和制作方法都有了比較清晰的了解。⑵、確定方案。制作位移測量裝置的方法有很多種，直線位移測量的有電阻式、電感式、電容式、振弦式、編碼式、感應同步器式、光柵式、磁柵式、光電式、霍爾效應式、磁敏電阻式、噴射式、激光式、復合式以及光纖式等等。由于本課題是要求用MSP系列單片機制作位移測量裝置，因此選定用 MSP430F419單片機來位移測量裝置。ix6iFA8xoX⑶、復習所要用到的硬件知識。在確定了方案后，我認真的復習模電、數(shù)電，在這個方案中模電的知識主要體現(xiàn)在信號輸入的比較放大整形電路中管。⑷、硬件設計。硬件設計主要是指畫硬件電路，在這里要用到一個畫圖軟件Protel。畫硬件電路不僅可以體現(xiàn)一個人的基礎知識掌握這樣不僅看的時候好看，也以節(jié)約資源。⑸、軟件設計。本課題的軟件部分是用C語言設計而成的。系統(tǒng)軟件的設計采用了模塊化的結構方式，將各個功能分成獨立模塊,由系統(tǒng)的監(jiān)控程序統(tǒng)一管理執(zhí)行。編寫完程序后，要編譯，編譯通過后生成 HEX文件，然后將該文件燒到單片機里。⑹、PCB板制作。根據(jù)畫好的原理圖生成網(wǎng)絡表，然后將網(wǎng)絡表調(diào)入PCB中，進行PCB布局、布線、補淚滴和覆銅等操作，之后進行DRC設計規(guī)則檢查，無誤后將PCB文件交給制板廠家生產(chǎn)。wt6qbkCyDE⑺、元件焊接。PCB板制作完成后，只是一個等待焊接元件的空板子，下面要由自己來焊接元件。Kp5zH46zRk⑻、硬件調(diào)試。22/43個人資料整理 僅限學習使用7總結本文對以MSP430F149單片機為核心的位移測量裝置的整體結構、 性能功用及各組成模塊的設計方法都做了較為詳細的研究。利用該單片機設計位移測量儀,并采用適當?shù)乃惴ㄈ〈鷤鹘y(tǒng)電路,不僅解決了傳統(tǒng)位移測量儀結構復雜、穩(wěn)定性差、精度不高的弊端,而且性能也有較大提高,可實現(xiàn)高精度、等精度的設計要求。該位移測量儀的硬件電路簡單,容易制作。Yl4HdOAA61在設計制作過程中較深入的了解了差動變壓器位移檢測的原理和特性，了解了TI公司新器件 THS4053ADC7886等新器件的使用方法。了解了 MPS430系列單片機的特點和基本開發(fā)過程通過本次設計，不但使我加深了對電子電路的認識和理解，更加清楚了設計電子電路的方法和步驟，為今后在電子設計方面打下了良好的基礎。同時，通過本次設計，也使我對各種電子元器件有了更進一步的認識和了解，特別是集成電路芯片，對其功能和用途，都有了很大的認識。培養(yǎng)了我們獨立工作設計的能力，這將對我們今后的工作產(chǎn)生巨大的影響。所以，畢業(yè)設計對我們來說意義是非常重大的 ch4PJx4BlI由于本人水平有限，文中難免存在不足之處，敬請各位老師和同學批評指正。-23-/43個人資料整理 僅限學習使用參考文獻[1]王福瑞等.《單片微機測控系統(tǒng)設計大全》[M].北京航空抗天大學出版社1999[2]康華光.《模擬電子技術基礎(第四版>》[M].高等教育出版社2000[3]康華光.《數(shù)字電子技術基礎(第四版>》[M].高等教育出版社2000[4]劉樂善等.《微型計算機接口技術及應用》[M].華中科技大學出版社2000孫傳友,孫曉斌.《感測技術》[M].電子工業(yè)出版社2005高晉占.《微弱信號檢測》[M].清華大學出版社2002[7] 徐愛均.《智能化測量控制儀表原理與設計》 [M].北京航空航天大學出版社 2002孫傳友等.《測控系統(tǒng)原理與設計》[M].北京航空航天大學出版社2002何立民.《單片機應用技術選編》[M].北京航空航天大學出版社2000劉豹.《現(xiàn)代控制理論》[M].機械工業(yè)出版社2004陳光東,趙性初.《單片微型計算機原理與接口設計》[M].華中科技大學出版社1999龔運新.《單片機C語言開發(fā)》[M].清華大學出版社2006陳光東趙性初.《單片微型計算機原理與接口技術》.[M]武漢：華中科技大學出版社,1999qd3YfhxCzo孫俊人等.《新編電子電路大全》.[M]北京：中國計量出版社,2000劉樂善等.《微型計算機接口技術及應用》[M].武漢：華中科技大學出版社,2000高玉良,熊俊俏.《電子技術基礎實驗》[M].武漢：武漢大學出版社,2002孫傳友等.《測控電路及裝置》[M].北京：北京航空航天大學出版社,2002李繼燦.《微型計算機技術及應用》[M].北京：清華大學出版社,2003梁廷貴,王裕琛.《現(xiàn)代集成電路實用手冊》.[M]北京：科學技術文獻出版社,2002[20]劉修文.《實用電子電路設計制作300例》[M].北京：中國電力出版社,2005[21]吳新立.《實用電子技術手冊》.[M]北京：機械工業(yè)出版社,2002[22]沈建華.《MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用》.[M]北京：清華大學出版社,2004E836L11DO524/43個人資料整理 僅限學習使用致謝本文是在我的指導老師陳曉靜講師的悉心指導下完成的，從論文的選題到最后的定稿都凝聚著陳老師的心血。四年來，學校各位老師高超的學術思想、淵博的學術知識、豐富的學術經(jīng)驗、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、豁達的為人風格和不斷開拓進取的科學研究風尚都直接、間接和潛移默化地影響著我，使我始終充滿不斷求知求新和拓展學術領域的熱情。在學業(yè)即將完成之際，謹向各位恩師表示我最衷心的感謝！S42ehLvE3M除此以外，還要感謝各位同學的熱情幫助和鼓勵，四年的學習生活，我們結下了深厚的友誼。當我在學習生活中遇到一些問題和煩惱時，是他們給予我及時的幫助和熱心的鼓勵，我會加倍珍惜同學之間的這種友誼。 501nNvZFis我還要深深的感謝支持和鼓勵我的家人，是他們默默的付出，使我能夠無牽掛的學習，我只有更加努力的學習與工作，才能回報他們的關愛。 jW1viftGw9最后，謹向所有關心、幫助和支持過我的老師、同學和家人們表示衷心的感謝！25/43個人資料整理 僅限學習使用26/43個人資料整理 僅限學習使用附錄127/43個人資料整理 僅限學習使用附錄228/43個人資料整理 僅限學習使用附錄3主要程序<1）主程序#definePWMDIR P2DIR//輸出端口#definePWMOUT P2OUT#definePWM BIT7。//輸出位longcrystal=8000000。//振蕩頻率<主時鐘）//----------------------------------- 初始化-----------------------------------//voidInit_PWMmaker(longfrequency,charzkb>{PWMDIR|=PWM。TACTL|=TASSEL1+TACLR。CCR0=crystal/frequency。//計算計數(shù)值CCR1=CCR0/100*zkb。//計算占空比CCTL0|=CCIE。//中斷使能CCTL1|=CCIE。_EINT(>。TACTL|=MC_1。//增計數(shù)模式}//------------------------------------ 中斷處理--------------------------------//#pragmavector=TIMERA0_VECTOR__interruptvoidCCR0int(void>{PWMOUT|=PWM。}#pragmavector=TIMERA1_VECTOR

xS0DOYWHLPLOZMkIqI0w29/43個人資料整理 僅限學習使用__interruptvoidCCR1int(void>{if(TAIV&0x02>//判斷是否為CCR1的中斷{PWMOUT&=~PWM。}}//讀標志位模式/*{if(CCTL1&CCIFG>{num=~num。P1OUT=num。CCTL1&=~CCIFG。}if(TACTL&TAIFG>{num=~num。P1OUT=num。TACTL&=~TAIFG。}}*/<2）AD9851控制程序#include"AD9851.h"http://------------------------------子程序------------------------------------------ZKZUQsUJed//------------------------------------------------------------------------------dGY2mcoKtT//初始化函數(shù)30/43個人資料整理 僅限學習使用//------------------------------------------------------------------------------ rCYbSWRLIAvoidInit_AD9851(>{//P3.4/.5/.6為DDS端口DATA_DDR|=DATA。//設置數(shù)據(jù)輸出口為輸出方向CTRL_DIR|=FQ_UD+W_CLK+RESET。//P3口的控制位為輸出方向}//------------------------------------------------------------------------------ FyXjoFlMWh// 計算控制字// 入口:頻率數(shù)組指針 出口:控制字//------------------------------------------------------------------------------ TuWrUpPObXunsignedlongControl_word_Calculation(unsignedchar*fno>7qWAq9jPqE{unsignedlongdds。dds=(*(fno+7>>*FF7+(*(fno+6>>*FF6+(*(fno+5>>*FF5+(*(fno+4>>*FF4+(*(fno+3>>*FF3+(*(fno+2>>*FF2+(*(fno+1>>*FF1+(*fno>*FF0。returndds。}//------------------------------------------------------------------------------// 拆分函數(shù)//------------------------------------------------------------------------------voidAD9851_word_break(void>{

llVIWTNQFkyhUQsDgRT131/43個人資料整理 僅限學習使用DDS_Word_8[1]=AD9851_word_32>>24&0x000000FF。//最前 8 位控制字MdUZYnKS8IDDS_Word_8[2]=AD9851_word_32>>16&0x000000FF。DDS_Word_8[3]=AD9851_word_32>>8&0x000000FF。DDS_Word_8[4]=AD9851_word_32&0x000000FF。//最后}//------------------------------------------------------------------------------// 延時函數(shù)//------------------------------------------------------------------------------voiddelay_9851(void>{inti。for(i=0。i<200。i++>。}

位控制字09T7t6eTnoe5TfZQIUB5//------------------------------------------------------------------------------ s1SovAcVQM// AD9851控制函數(shù)//------------------------------------------------------------------------------ GXRw1kFW5svoidWrite_AD9851(unsignedchardata[5]>//連續(xù)發(fā)送5字節(jié)數(shù)據(jù)到AD9851UTREx49Xj9{unsignedchar。iCTRL_OUT&=~W_CLK。//W_CLK=0CTRL_OUT&=~FQ_UD。//FQ_UD=0for(i=0。i<5。i++>{DATA_PORT=data[i]。 //上升沿寫入數(shù)據(jù)CTRL_OUT&=~W_CLK。//W_CLK=0CTRL_OUT|=W_CLK。//W_CLK=1}32/43個人資料整理 僅限學習使用CTRL_OUT&=~FQ_UD。//FQ_UD=0執(zhí)行轉(zhuǎn)換CTRL_OUT|=FQ_UD。//FQ_UD=1}//------------------------------------------------------------------------------ 8PQN3NDYyP// 初始化復位函數(shù)//------------------------------------------------------------------------------ mLPVzx7ZNwvoidRSET_AD9851(void>{CTRL_OUT&=~RESET。//RESET=0CTRL_OUT|=RESET。//RESET=1delay_9851(>。delay_9851(>。delay_9851(>。delay_9851(>。AHP35hB02dCTRL_OUT&=~RESET。//RESET=0delay_9851(>。delay_9851(>。delay_9851(>。delay_9851(>。NDOcB141gTWrite_AD9851(DDS_Word_0>。//清空寄存器Write_AD9851(DDS_Word_0>。//清空寄存器}<3）AD7886控制程序#defineAD7886OUTP3OUT#defineAD7886DIRP3DIR#defineAD7886SELP3SEL#defineAD7886INP3IN#defineCLK0BIT0#defineDAT0BIT1#defineCSS0BIT2#defineCLK1BIT3#defineDAT1BIT4#defineCSS1BIT5intdataA,dataB,dAa,dBa,dA[20],dB[20]。//AD7886接收的數(shù)據(jù)1zOk7Ly2vA33/43個人資料整理 僅限學習使用longsubA,subB。floatVA,VB,d。chardisA[5],disB[5],disd[5],dism[4]。chardirection=0,move。#define Num_of_Results 4staticunsignedintA0results[Num_of_Results]。//TheseneedtobeglobalinfuNsDv23KhstaticunsignedintA1results[Num_of_Results]。//thisexample.Otherwise,thetqMB9ew4YX//-------------------------------- 雙AD7886采樣--------------------------------// HmMJFY05dEvoidAD7886_R(charj>{chari。AD7886OUT|=CLK0+CSS0+CLK1+CSS1。//CLK=1,CSS=1ViLRaIt6skAD7886DIR|=CLK0+CSS0+CLK1+CSS1。//輸出AD7886DIR&=~(DAT0+DAT1>。//輸入AD7886SEL=0。AD7886OUT&=~(CSS0+CSS1>。//CSS=0dataB=0。dataA=0。for(i=0。i<15。i++>{dataB=dataB<<1。//左移dataA=dataA<<1。AD7886OUT&=~(CLK0+CLK1>。//CLK=0if (AD7886IN&DAT0>dataA|=BIT0。//末位置1else dataA&=~BIT0。//末位置0if (AD7886IN&DAT1>dataB|=BIT0。//末位置134/43個人資料整理 僅限學習使用else dataB&=~BIT0。//末位置0AD7886OUT|=CLK0+CLK1。}AD7886OUT|=CSS0+CSS1。dA[j]=dataA。dB[j]=dataB。}//------------------------------ 數(shù)據(jù)處理及顯示--------------------------------// 9eK0GsX7H1voiddispose_display(>{//數(shù)據(jù)處理VA=dAa*3.310/4096。disA[4]=(char>(VA>。disA[3]=17。disA[2]=(char>((VA-disA[4]>*10>。disA[1]=(char>((VA*10-disA[4]*10-disA[2]>*10> 。disA[0]=(char>((VA*100-disA[4]*100-disA[2]*10-disA[1]>*10> 。naK8ccr8VIVB=dBa*3.310/4096。disB[4]=(char>(VB>。disB[3]=17。disB[2]=(char>((VB-disB[4]>*10>。disB[1]=(char>((VB*10-disB[4]*10-disB[2]>*10> 。disB[0]=(char>((VB*100-disB[4]*100-disB[2]*10-disB[1]>*10> 。B6JgIVV9aoif (VA==0&&VB==0>d=0。elsed=(VA-VB>/(VA+VB>。gotoxy(32,150>。if (d>0>{35/43個人資料整理 僅限學習使用direction=0。//正方向lcd_character("+",1>。}else{d=0-d。direction=1。//反方向lcd_character("-",1>。}disd[4]=(char>(d>。disd[3]=17。disd[2]=(char>((d-disd[4]>*10>。disd[1]=(char>(d*100>%10。disd[0]=(char>(d*1000>%10。//第一段內(nèi)if((d>=-0.280>&&(d<=0.280>> move=(char>(d/0.007>。//0~4P2IpeFpap5//第二段內(nèi)if(((d>-0.524>&&(d<=-0.280>>||((d>=0.280>&&(d<0.524>>>move=(char>(d/0.0065>。//4~83YIxKpScDM//第三段內(nèi)if(((d>-0.690>&&(d<=-0.524>>||((d>=0.524>&&(d<0.690>>>move=(char>(d/0.0061>。//8~11gUHFg9mdSs//第四段內(nèi)if(((d>-0.690>&&(d<=-0.850>>||((d>=0.690>&&(d<0.850>>>move=(char>(d/0.0061>。//11~15uQHOMTQe79//第五段內(nèi)if(((d>-0.960>&&(d<=-0.940>>||((d>=0.940>&&(d<0.960>>>move=(char>(d/0.006>。//三位有效move值IMGWiDkflP36/43個人資料整理 僅限學習使用dism[3]=move/100。dism[2]=(move-dism[3]*100>/10。dism[1]=17。dism[0]=move%10。//數(shù)據(jù)顯示chari。for(i=0。i<5。i++>{gotoxy(6+i,150>。lcd_character1(tab_num[disA[4-i]]>。gotox