引言

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

本文設計的電子秤以單片機為主要部件，用匯編語言進行軟件設計，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，數值比較小達不到A/D轉換接收的電壓范圍。所以送A/D轉換之前要對其進行前端放大、整形濾波等處理。然后，A/D轉換的結果才能送單片機進行數據處理并顯示。

1 設計目的

差動變壓器式（LVDT）位移傳感器廣泛應用于工業現場和測試領域，如過程檢測和自動控制、形變測量等，適用于油污、光照等惡劣環境。這種傳感器可靠而耐用，但選用它監控機械位移量，還需設計與傳感器配套的測量裝置 研制開發的位移測量裝置適用于工業現場和多種測試領域。按照使用的要求，系統可實現：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。 通過本文夫人設計，達到以下三點：

（1）通過本次課程設計加深對差動變壓器電感傳感器在工程實踐中的應用的了解；

（2）掌握用這種傳感器組成位移測量系統的原理和方法；

（3）進一步掌握這種傳感器的性能特點和工程應用。

2 系統設計原理

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

圖1主程序流程圖

圖2系統原理圖

3 硬件電路設計

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，根據內外層排列不同，有二段式和三段式，本實驗采用三段式結構。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生變化促使次級線圈感應電勢產生變化，一只次級感應電勢增加，另一只感應電勢則減少，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電勢的變化，來獲得與被測量成一定函數關系的輸出電壓，實現非電量的測量。應用最多的是螺線管式差動變壓器，它可以測量1~100（mm）范圍內的機械位移、150HZ

以下的低頻振動、加速度、應變、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型傳感器實訓臺的基礎上的。差動變壓器電感傳感器具有結構簡單、性能優越、測量精度高、靈敏度高和價格合理等優點。

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）安裝在實驗模板的支架座上，如下圖4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模板上，L1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，調節音頻振蕩器的頻率為4-5KHz（可用主機箱的頻率表輸入Fin來監測）；調節輸出幅度峰峰值為Vp-p=2V（可用示波器監測：X軸為0.2ms/div）。

圖5差動變壓器性能實驗安裝、接線圖

3.3放大電路的設計

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

三運放結構具有差動輸入阻抗高、共膜抑制比高、偏置電流低等優點，且有良好的溫度穩定性，低噪單端輸出和和增益調整方便，適于在傳感器電路中應用。 如圖6所示，圖中 RG為增益調節電阻，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：可由公式得出倍數。因此我們可以改變R2和 R1的比值來改變放大倍數。

量程的確定：轉動20圈 進給10mm 電壓變化 0.52V

靈敏度：

根據電壓得量程是 +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采集電路的設計

（1）數據采集系統的組成

數據采集系統的核心是計算機，他對整個系統進行控制和數據處理，他由采樣/保 持器，放大器，A/D轉換器，計算機組成。

圖7數據采樣系統框圖

（2）數據采樣保持器

進行模數變換時，從啟動變換到變換結束的數字量輸出，需要一定的時間，即A/D轉換的孔徑時間。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、正確的數據采集。 采樣/保持器通常由保持電容器、模擬開關和運算放大器組成。采樣保持器的原理：如圖8,當開關閉合時，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轉換器與8031單片機相連接，將IN0的輸入模擬信號轉換成數字信號。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,此數字量1000經D/A轉換器換成模擬量8,送到比較器輸入端與被轉換地模擬量進行比較控制邏輯根據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轉換器，進行比較，以此進行比較，到最后一位D0.

4 軟件的設計

4.1數據處理子程序的設計

數據處理子程序是整個程序的核心。主要用來調整輸入值系數，使輸出滿足量程要求。另外完成A/D的采樣結果從十六進制數向十進制數形式轉化。

4.1.1系數調整

在IN0輸入的數最大為10mm,要求的位移10mm對應的是5.0V,為十六進制向十進制轉換方便，將系數放大100倍。并用小數點位置的變化體現這一過程。

數制轉換：數制之間的轉換：在二進制數制中，每向左移 一位表示數乘二倍。以每四位作為一組對數分組，當第四位向第五位進位時，數由8變到16,若按十進制數制規則讀數，則丟失6,所以應進行加六調整。DA指令可完成這一調整。可見數制之間的轉換可以通過移位的方法實現。其中，移出數據的保存可以通過自乘再加進的方法實現，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保存在了進位位中，所以能實現。

圖10數據處理原理框圖

4.2數據采集子程序的設計

數據采集用A/D0809芯片來完成，主要分為啟動、讀取數據、延時等待轉換結束、讀出轉換結果、存入指定內存單元、繼續轉換（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模擬信號轉換成對應的數字量00H-FFH,然后再存入8031內部RAM的指定單元中。在控制方面有所區別。可以采用程序查詢方式，延時等待方式和中斷方式。

圖11 數據采樣原理框圖

5 總結

隨著集成電路和計算機技術的迅速發展，使電子儀器的整體水平發生巨大變化，傳統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用與發展，從而加快了智能儀器的發展。而傳感器作為測控系統中對象信息的入口，越來越受到人們的關注。本文所設計的位移測量儀就是在以上儀器的基礎上設計而成的，適用于工業現場和多種測試領域。