多功能位移测量实验装置的设计.doc

1、摘 要在控制领域中，经常需要进行各种位移量的测量，在实际的工业位置控制领域中，提高控制精度，准确地对控制对象进行检测是十分重要。多功能位移测量实验装置的设计，采用单片机AT89C52作为控制与时序转换核心器件，并配合设计基本的模拟电路，实现多精度的位移测量，输出信号经过TLC549进行模数转换后，并送入单片机进行处理，最后可以在LCD1604上实时显示测量位移，并通过串口将测量数据发送到电脑。本设计要求装置的测量量程在2mm-200cm之间，采用电感式，红外类，超声波类三类传感器作为测量器件。此次设计电感类传感器选用实验室的冉普电子有限公司RP6611系列,测量的量程为2mm-6mm,精度最高

2、达0.1um;红外传感器选用Sharp的GP2D120，探测范围是4-30cm；超声波选用HR-SR04，它的盲区只有2cm，精度达到0.3cm,最大的测量距离300cm;工作时按照按键切换传感器类型进行使用，它们共同实现多功能位移测量。整个系统结构合理，设计简洁，性能稳定，有较强的抗干扰能力。关键词：位移测量；传感器；单片机；串口 AbstractIn the control field, it is often necessary for a variety of displacement of the measurement, the actual position of the con

3、trol field of industry, to improve the control precision, accurate detection of the control object is very important. Multifunction displacement measuring device design experiments, using AT89C52 microcontroller as the core device control and timing conversion, and with the basic design of analog ci

4、rcuits, multi-precision displacement measurement, TLC549 output signal after analog to digital conversion, and into the microcontroller processing, and finally in the LCD1604 display real-time measurement of displacement and the measured data through the serial port is sent to the computer. The desi

5、gn requirements for the device in the measurement range between 2mm-200cm, using inductive, infrared class, class three ultrasonic sensors as the measuring device. The design inductive type sensors used laboratory Ran Pu Electronic Co. RP6611 Series sensors, the measurement range is 2mm-6mm, precisi

6、on up to 0.1um; infrared sensors use Sharps GP2D120, detection range is 4-30cm; ultrasonic choose HR -SR04, it is blind only 2cm, the maximum measuring distance 300mm; work in accordance with the test button to switch sensor types, which together achieve multi-displacement measurement. The entire sy

7、stem is reasonable, simple design, stable performance, strong anti-jamming capability.Keywords: displacement measurement; sensor; Single Chip Microcomputer; cluster目 录1 引言11.1 课题背景及意义11.2 电感测距技术21.3 红外测距技术21.4 超声波测距技术21.5 国内外传感器测位移现状31.6 本文主要研究内容42 多功能位移测量装置的方案设计52.1 课题设计要求52.2 系统方案选择52.2.1系统整体结构52.

8、2.2系统控制芯片选择62.2.3电感类传感器选择62.2.4 红外测距传感器选择92.2.5超声波测距传感器选择113 系统硬件电路设计和原理.143.1 单片机最小系统143.1.1AT89C52单片机简介143.1.2单片机引脚功能153.1.3时钟电路173.1.4复位电路173.2 LCD1602液晶显示模块183.2.1LCD1602基本参数及引脚功能193.2.2 LCD1602接口电路203.3 串口转换电路213.4 传感器接口电路213.4.1电感测距接口电路223.4.2红外测距接口电路233.4.3超声波测距接口电路233.5 状态指示电路243.6 按键控制电路253

9、.7 电源滤波电路254 系统软件设计264.3 LCD1602软件设计294.3.1 LCD1602基本指令及时序294.3.2 LCD1602液晶字符的显示314.4 TLC549软件设计324.5 红外计算软件设计334.5.1 Excel曲线拟合334.6 电涡流传感器的标定355 PCB板的制作365.1 原理图、PCB的绘制365.2 电路板的印制和焊接366 装置调试与性能分析376.1 装置的调试386.1.1主要仪器设备386.1.2硬软件调试386.2 装置的性能387 结论40谢 辞41参考文献42附录I 系统整体电路图43附录II 系统PCB图44附录III 元件清单4

10、5附录IV 程序源代码461 引言1.1 课题背景及意义位移测量是线位移与角位移的总称，它表示物体上某一点在两个不同瞬间的位置变化。在工程的实验中常要求精确地测量零部件的位移、位置和尺寸，以得到准确的定量结果；而且在实际的测量中许多机械量的测量往往可以先通过适当转换变成位移的测量，然后再转换成相应的被测量，例如在对力、扭矩、速度、加速度、温度、流量等参数的测量中，常常采用的就是这种方法。因此位移测量是基础，且具有重要的意义。位移测量时应当根据不同的测量对象，选择适当的测量点、测量方向和测量系统。位移测量系统由位移传感器、相应的测量放大电路和转换及显示装置组成。位移传感器直接作用于被测量，它的选

11、择正确与否，对测量的精度影响很大。常用的位移测量传感器有很多种，根据实际的测量环境和精度要求进行选择。位移测量按位移值的大小来分，一般分为大位移和微小位移的测量。常用位移传感器及其性能如表1-1。表1-1 常用位移传感器及其性能类型测量范围准确度直线性特点电阻式1-300mm0.1%0.1%分辨率较好，但机械结构不牢固应变式0.15%-0.3%应变0.1%-3%1%使用方便，需要温度补偿电感式0.2mm-300mm0.5%-3%0.05%-3%分辨率好，受被测物体表面材料、形状、加工质量影响电容式0.001-100mm0.005%-1%1%分辨率很好，但测量范围很小，只能在校范围内近似保持线性

12、。此外，常用的位移传感器还有霍尔元件和感应同步器等位移测量器件。根据实际测量需求选择适宜的传感器。位移传感器可分为模拟式与数字式，其中模拟式的有电位器式，电阻应变式，电容式，差动变压器式，涡流式，光电式，超声波式和霍尔器件式；数字式的有光栅式和感应同步器式，磁栅式。1.2 电感测距技术电感式传感器是把被测量转换成电感量变化的一种装置，其变换是基于电磁感应的原理。按照变换的方式不同可分为自感型（包括可变电阻式与涡流式）与互感式（差动变压式）。由法拉第电磁感应定律可知，产生感应电流的情形有5类：变化的电流 ，变化的磁场，运动的恒定电流，运动的磁铁，在磁场中运动的导体。进而，法拉第发现，在相同条件下

13、不同金属导体回路中产生的感应电流与导体的导电能力成正比，他由此认识到，感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的，即使没有回路没有感应电流，感应电动势依然存在。根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流，输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。1.3 红外测距技术近二十年来，红外辐射技术已成为一门迅速发展的新兴技术科学，它已广泛应用于生产、科研、军事、医学等各个领域。红外辐射俗称红外线，又称红外光，指太阳光中波长比红光长的那部分不可见光。任

14、何物体，当其温度高于绝对零度时，都会向外辐射电磁波。物体的温度越高，辐射的能量越多。它的波长介于可见光和微波之间，波长范围大致在0.75M-1000M的范围之内，红外线与可见光、紫外线、x射线、y射线和微波、无线电波一起构成了整个无线连续的电磁波谱。在红外技术中，一般将红外辐射分为四个区域，即近红外区、中红外区、远红外区和极远红外区。红外线和所有电磁波一样，具有反射，折射，干涉，吸收等性质。红外辐射在介质中会产生衰减，主要是由于介质的吸收和散射作用。红外传感器的测距基本原理为红外发射电路的红外发光管发出红外光，经障碍物反射后，由红外接收电路的光敏接收管接收前方物体反射光，据此判断前方是否有障碍

15、物。根据发射光的强弱可以判断物体的距离，由于接收管接收的光强是随反射物体的距离变化而变化的，因而，距离近则反射光强，距离远则反射光弱。1.4 超声波测距技术通常把频率范围在20-20000Hz之间能引起人类听觉的声音称为音频声。频率高于20KHz的声称为超声；低于20Hz的振动称为次声。超声波的研究历史可以追溯到上个世纪。1883年，Galton首先发现了超声波的存在，他当时的研究目的主要是探索人类所能感知的声谱范围。在Galton之后的三十年中，超声波仍然是一个鲜为人知的东西，由于当时电子技术发展缓慢，对超声波的研究造成了一定程度的影响。超声波传感器在工作的时候就是电压和超声波之间的互相转换，当超声波传感器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去，当接收超声波时，超声波接收探头将超声波转化的电压回送到单片机控制芯片。通过计算传播时间