基于ATMEGA128单片机的微位移测量系统毕业设计论文.docx
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基于ATMEGA128单片机的微位移测量系统毕业设计论文
题目:
基于ATMEGA128单片机的微位移测量系统
基于ATMEGA128单片机的微位移测量系统
摘要
现今微位移测量在实际生产和生活中应用十分广泛,从冶金行业的轧钢设备,机械行业如注塑、压铸印刷和包装,林木行业的木材加工,工农业的车辆与行走机械,大型建筑在灾害中的微变形,动感游乐模拟系统、医疗设备,到石油、石化、制药、生化、食品加工和污水处理等行业,都会用到微位移测量技术。
在近年来,大型水库的岸边,山区公路、铁路边坡有危岩、滑坡、地裂等地质灾害。
桥梁、大坝、摩天大楼等大型建筑会发生微变形,微位移量是危险报警的主要监测参数。
所以,进行微位移测量尤其重要。
本次设计采用电压差动位移传感器(LinearVariableDifferentialTransformer,简称LVDT)采集位移信号,然后AD698与电压差动位移传感器联合使用,将电感式位移传感器输出的交变信号转换成标准的直流信号。
通过A/D转换器CS5524采样后,完成模数转换,经过单片机ATMEGA128进行标度变换,显示转换完的数据。
最后,经过调试程序,实现了微位移信号的显示。
关键词:
微位移测量;ATMEGA128;AD698;VFD
TheMeasurementsystemofMicro-displacementbasedon
ATMEGA128MCU
Abstract
Currently,themicro-displacementmeasurementintheactualproductionandlivinginawiderangeofapplications.Inrecentyears,Micro-displacementisthemajorriskofalarmmonitoringparameters,suchasBridges,dams,skyscrapersandotherlargeconstructionwilloccurmicro-displacement,micro-deformationandsoon.What’smore,thereservoirbankoflargereservoirs,mountainroads,railwayshavearockslope,landslides,geologicaldisasters.Therefore,itisespeciallyimportanttodevelopmicro-displacementmeasurement,.
Thisdesignusesadifferentialvoltagedisplacementtransducer(LVDT)toacquisitethemicro-displacement.then,theAD698voltagedifferentialdisplacementsensorandtheinductivedisplacementsensorjoinedtogethertoconvertsignalsintoDC0~10V.ThroughtheA/DconverterCS5524,adigitaldatawillbedisplayedWhentheanalog-to-digitalconversionfinished.Finally,throughtheprogrammingdebuggingandthehardwaretestingandammending,theacquisiteddatacanbedisplayedafterprocessing.
Keywords:
Micro-displacementmeasurement;ATMEGA128;AD698;VFD
第一章引言
一.1研究背景
一.1.1微位移测量
在工业、信息化生产高速发达的今天,从冶金行业的轧钢设备,机械行业如注塑、压铸印刷和包装,林木行业的木材加工,工农业的车辆与行走机械,大型建筑在灾害中的微变形,动感游乐模拟系统,医疗设备;到石油、石化、制药、生化、食品加工和污水处理等行业。
都需要进行微位移的测量以帮助生产有序进行和维护公共安全,所以,微位移的测量在当今生产和生活中,应用的十分广泛。
现行的微小位移测量大多采用传感器将位移量转换成电量,再通过AD698型处理电路进一步转化成模拟电量,经A/D转换器转换成数字量后,再通过单片机处理最后经LCD显示。
微位移的长度测量可分为电学测量技术、光学测量技术和显微镜测量技术等。
电学测量技术有电涡流传感器测量技术、电容传感器测量技术等。
光学测量法是伴随着激光全息等技术的发展而产生的方法,它具有非接触、材料适应范围广、测量精度高等特点。
近二十年来随着电子技术和计算机技术的飞速发展,光学测量技术研究也取得了很多成果并应用到了工业生产领域。
按使用的光学原理不同,光学测量技术可分为激光干涉法、光杠杆法、光栅尺测量技术等。
显微镜测量技术分为很多种,有扫描隧道显微镜技术、原子力显微镜技术等。
一.1.2微位移测量系统
进行微位移测量,就会有相应的微位移测量系统,微位移测量系统一般包括微位移机构、检测装置、控制系统三部分。
微位移机构根据工作原理可以分为六大类,概括为:
机械传动式微位移机构、弹性变形式微位移机构、受热变形式微位移机构、磁致伸缩微位移机构、电磁型微微移机构、压电陶瓷。
现将上述几类微位移机构的特点作一一分析。
机械传动式微位移机构在精密机械和仪器中应用广泛。
其结构形式比较多,主要有:
螺旋机构、杠杆机构、楔块凸轮机构等,以及它们之间的组合机构。
机械传动式微位移机构存在间隙、传动误差、摩擦损耗以及爬行现象等,其运动灵敏度、精度很难达到微米级精度,故只适用于中等精度的微位移系统。
弹性变形微位移机构分为弹性缩小机构和杠杆式位移缩小机构。
弹性缩小机构利用两个弹簧的刚度比进行位移缩小,这种缩小机构的缺点是当微动台承受外力或部分摩擦力时,它将直接成为定位误差的因素,而且对于步进状态的输入位移,容易产生过渡性的振荡。
杠杆式位移缩小机构是微动机构中常见的一种形式。
其定位精度易受末级杠杆回转支点和着力点的结构、加工精度的影响。
电热式微位移机构是利用物体的热膨胀来实现微位移的。
这种机构结构简单,操作方便。
但由于传动杆与周围介质之间有热交换,影响了位移精度。
由于热惯性的存在,不适于高速位移。
当隔热不合理时,相邻的零部件由于受热变形,以致影响整机的精度,这些原因限制了它的应用。
磁致伸缩微位移机构是利用铁磁材料在磁场的作用下产生微伸长运动来实现微位移的。
但由于铁磁材料在磁场的作用下,除产生磁致伸缩外,还伴随着受热伸长,因此其应用受到了限制。
电磁铁驱动的微位移机构利用电磁原理,通过控制线圈中的电流大小来控制电磁力的大小,使具有弹性支承的工作台产生精密微位移。
它的缺点是电磁铁中始终要通过一定的电流,结果由于电磁铁发热而影响精度。
此外,这种机构的位移阶跃响应存在瞬间的振荡,灵敏度高时系统难于稳定。
压电陶瓷驱动的柔性支承微位移机构是利用某些晶体的逆压电效应来工作的。
它的特点是结构紧凑、体积很小、无机械摩擦、无间隙、具有很高的位移分辨率。
使用压电或电致伸缩器件驱动。
由于机电耦合效应进行的速度很快,来不及与外界热交换,因此不存在发热问题,同时没有噪声,适用于各种介质环境工作,是一种理想的微位移器。
研究压电陶瓷是现在国内微位移测量进行到纳米级别比较合适的方向。
一.2总体设计方案
总体设计方案如下:
整体设计分为四个模块,分别为电源模块、信号采集模块、信号处理模块及人机接口模块。
信号采集模块由LVDT和AD698组成,通过LVDT采集位移信号,将微位移的位移量转化为电压量(交流信号),再由AD698读出LVDT的输出电压,并把交流电压信号转化为直流信号,经A/D转换器CS5524转换后把模拟量变为数字量,同时通过单片机ATMEGA128处理,最终显示出要测位移量。
其总体结构图如图1.1所示。
图1.1微位移测量总体设计框图
一.3新颖的微位移测量技术
微位移测量系统不仅用在冶金与机械行业中,近年来,大型水库的库岸边坡,山区公路、铁路边坡有危岩、滑坡、地裂等地质灾害。
桥梁、大坝、摩天大楼等大型建筑会发生微变形。
微位移量是危险报警的主要监测参数。
所以,进行微位移测量,尤其重要。
现有的微位移监测技术有:
在建筑物浇注混凝土时预埋光纤传感器,通过光纤传感器输出信号分析微位移量。
例如要测量桥的微位移(微变形)就须修桥时在混凝土中预埋光纤传感器,以便通过检测光纤传感器参数的变化来测量桥的微位移。
若要测某库岸或路边滑坡的微位移就较麻烦,须要打洞、放置光纤、灌水泥、再测量。
可能的问题是:
长期使用中一旦光纤传感器坏在混凝土中,很难修复;在已建成的建筑物或危岩等情况很难埋设光纤;预埋光纤影响混凝土材料的连续性及应力情况。
GPS载波相位测量定位。
中国南方测绘集团引进了法国这一技术,生产RTK2NGK2500设备[324]。
其微位移测量精度达5mm+1ppm×D;D是基准站到待测点的距离。
可能的问题是:
将RTK2NGK2500用于微位移测量成本很高(进口价格为60万元,国产价格为24万元),大量使用,花费太大(据专家估计三峡水库库岸、库区需1000多个监测点,此外,其他大型水库、公路、铁路边坡、桥梁、大坝、摩天大楼等需要量也很大);测绘系统布置复杂,在被测点设立分站,放1台RTK2NGK2500分站设备或在测量点设立基准站,放1台RTK2NGK2500主站设备。
主分站之间还要用电台连结;分站架设在被测点(如危岩、滑坡、桥、大坝等),故长期监测供电,还须提供监测人的住所;被测点塌了,分站设备同时也会摔坏。
精密大地测量的方法。
在被测处放置标尺,在固定处架设经纬仪人工观测。
这种方法只能短时测量,不能长期连续观测。
这些新颖、先进、实用的微位移和微变形监测方法,克服了现有技术的缺点,研究结果将用于防灾、减灾中。
此外,正在运用和研究的测量微小位移的方法有很多:
光指针微小位移测量法、基于小波变换的全光纤微位移干涉测量法、高精度电涡流测量法,低温环境下超导体微位移测量法等,都在微位移测量方面起到推进作用。
第二章硬件设计
二.1电源
在微位移设计中,若供电电源的值不稳定,有任何波动,都将影响信号的采集、处理及显示。
所以,本次设计采用了一个电源处理电路,为设计中的各个重要模块供电。
图2.1电源电路硬件图
如图2.1所示,电路插座部分的电压为12V,当电源插座插上时,电源指示灯亮。
经过处理的12V电压,变为稳定的5V电源,为A/D转换器、单片机及显示器件供电。
器件JP2把5V电压转化成12V电压,在经由JP1转换成-12V的电压,为AD698信号处理芯片提供+12V和-12V的双电源电压。
电源部分供电稳定,为后续设计提供了保障。
二.2信号处理模块
二.2.1LVDT
目前,测量位移的传感器有很多种,如电容传感器、电感传感器、激光传感器及磁致伸缩传感器,而电压差动位移传感器(LinearVariableDifferentialTransformer,简称LVDT)作为电感传感器的一种,因为工作可靠,具有较高的分辨率和灵敏度,价格低廉,所以在许多行业的位移测量系统中得以广泛应用。
1、LVDT传感器的原理及特点
LVDT位移传感器即直流差动变压器式线性位移传感器。
由直流稳压电源供电,其输入量是机械位移,输出与位移成比例的交流电压,其输入信号幅值较大,可直接供记录仪、数字面板表等记录或显示,实现位移的测量或通过放大器后,接入反馈系统,实现位置闭环的自动控制。
图2.2灵敏度与电源激励频率的关系曲线
LVDT的激励电源频率在20HZ~10kHZ之内,本次设计选择的激励频率选择3.5kHZ,因为,在理想条件下,差动变压器的灵敏度kE正比于电源激励频率f。
但由于实际工作中的诸多因素:
传感器结构不对称、铁损、磁漏等都对灵敏度产生影响。
灵敏度与激励电压频率的关系曲线如图2.2所示,在f从零开始增加的起始段(0A)段,kE随f的增加而增加;如果f再继续增加,导致铜损、涡流损耗、磁滞损耗明显增加,则kE或趋于定值(AB段),或下降(BC段)。
当fl 而频率过低时,灵敏度会显著降低。 LVDT的结构由铁心、衔铁、初级线圈、次级线圈组成。 初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上,线圈内部有一个可自由移动的杆状衔铁。 初级线圈接入适当频率的交流电源U1后,由于互感作用在两个次级线圈中分别产生感应电势U21和U22。 图2.3LVDT示意图 根据变压器的工作原理,在次级线圈中产生的感应电势分别为: (2.1) (2.2) 式中,U1——初级线圈激励电压; M1、M2——初级线圈及次级线圈N1、N2的互感; r1——初级线圈的有效电阻及电感; L1——初级线圈的电感。 如果将两个次级线圈反向串接,如图2.3所示,则传感器的输出电压为U2=U21-U22。 在一定范围内成V字形特性,如图2.4所示。 如果在输出电路中采用相敏解调器,其输出特性就由V字形变为一条正比于铁芯位移的直线。 这样不仅能反映铁芯的移动方向,而且能使传感器的零点电压减少到最小。 初级线圈由外部参考正弦波信号源激励,当衔铁处于中间位置时,两个次级线圈产生的感应电动势相等,这样输出电压为0;当衔铁在线圈内部移动并偏离中心位置时,两个线圈产生的感应电动势不等,有电压输出,其电压大小取决于位移量的大小。 为了提高传感器的灵敏度,改善传感器的线性度、增大传感器的线性范围,设计时将两个线圈反串相接(如图2.3所示)、两个次级线圈的电压极性相反,LVDT输出的电压是两个次级线圈的电压之差,这个输出的电压值与铁心的位移量成线性关系。 图2.4随位移变化U2与U21、U22的关系曲线 LVDT的特点如下所列: 结构简单,工作可靠,寿命长,线性度好,重复性好,性能价格比高,利税率高。 精度: 最高精度可达0.05%,一般为0.25%、0.5% 绝对误差: 最高可达1μm 重复性: 好,最高可达1μm 灵敏度: 高,一般每mm位移输出为数百mv,最高可达几伏 分辩率: 高,一般为0.1μm。 测量范围: 宽,±0.1mm~±500mm甚至更大 工作温度范围: 大,一般为-55℃~+150℃,可扩展到+220℃。 传感器或变送器分为三级: 商业级: 0℃~+70℃。 工业级: -20℃~+85℃。 军级: -55℃~+125℃。 时间常数小,动态特性好,频带宽一般为200HZ(5ms)最高可500HZ(2ms)。 毛利率高: 可达60%~70%。 LVDT与光栅,磁栅,同步感应器等高精度测长仪器相比有以下几个优点: 动态特性好,可用于高速在线检测,进行自动测量,自动控制。 光栅、磁栅等测量速度一般为1.5m/s以内,只能用于静态测量。 LVDT可在强磁场,大电流、潮湿、粉尘等恶劣环境下使用。 可以做成在特殊条件下工作的传感器,如耐高压、高温、耐辐射、全密土封在水下工作。 可靠性非常好,能承受冲击达1000g/11ms,振动。 体积小,价格低,性能价格比高。 二.2.2AD698 AD698是美国AnalogDevices公司生产的单片式线性位移差分变压器(LVDT)信号调理系统。 AD698与LVDT配合,能够高精确和高再现性地将LVDT的机械位移转换成单极性或双极性的直流电压。 AD698具有所有必不可少的电路功能,只要增加几个外接无源元件来确定激磁频率和增益,就能把LVDT的次级输出信号按比例地转换成直流信号。 本次设计采用的就是AD698芯片。 1、AD698的特点 AD698提供了用单片电路来调理LVDT信号的完整解决方案,它含有内部晶振和参考电压源,只需附加极少量的无源元件就可实现位移的机械变量到直流电压的转换,并且无需校准。 其单极性或双极性直流输出电压正比于LVDT的位移变化。 AD698能够适用于多个不同类型的LVDT。 因为AD698的输入电压、输出电压及频率适应范围都很宽,其电路的优化设计,使得它与任何类型的LVDT配合使用都能获得理想效果。 驱动LVDT的激磁信号频率为20Hz~10kHz,它取决于AD698的一个外接电器。 AD698的输出电压有效值达24V,能够直接驱动LVDT的初级激磁线圈,LVDT的次级输出电压有效值可以低于100mV。 振荡器的幅值随温度变化不会影响电路的整体性能。 AD698采用比率译码方案,即通过计算次级电压与初级电压的比率来确定LVDT的位置和方向,无需整定。 只要电源不过载,一个AD698可以串联或并联驱动多个LVDT。 其激励输出具有热保护功能。 在简单的机电伺服回路设计中,可以将AD698作为一个积分环节来处理。 2、AD698的工作原理 图2.5AD698与LVDT连接的功能框图 AD698可由单电源或双电源供电。 单电源工作范围为13V~36V,双电源工作范围为±12V~±18V。 本次设计采用双电源±12V来供电。 AD698的工作温度范围为-40℃~85℃,在工作温度为+65℃时最大功率为12mW/℃。 AD698是一种完善的、单片集成的差动变压器式信号处理子系统,内部结构框图如图2.5所示。 它包括一个低失真的正弦波发生器、功率放大器、两路同步解调通道A和B、比例电路、滤波器和输出放大电路。 正弦波振荡电路产生的正弦波频率范围为20Hz~10KHz,幅值范围为2V~24V。 总谐波失真的典型值为-50dB。 AD698输出的正弦波可直接用于激励传感器的初级线圈,而传感器次级线圈输出的正弦波则可直接作为AD698的输入。 AD698对输入信号进行处理,产生一个标定的单极性或双极性直流电压信号。 AD698首先驱动LVDT,然后读出LVDT的输出电压并产生一个与磁芯位置成正比的直流电压信号。 AD698用一个正弦波函数振荡器和功率放大器来驱动LVDT,并用二个同步解调级来对初级和次级电压进行解码,解码器决定了输出电压与输入驱动电压的比率(A/B)。 滤波器和放大器可按比例整输出结果。 振荡器中包含一个多谐振荡器,该多谐振荡器产生一个三角波,并驱动正弦波发生器产生一个低失真的正弦波,正弦波的频率和幅值由一个电阻器和一个电容器决定。 输出频率在20Hz~10kHz可调,输出有效幅值在2V~24V可调,总谐波失真的典型值是50dB。 AD698通过同步解调输入幅值A(次级线圈侧)和一个固定的参考输入B(初级线圈侧或固定输入)。 早期解决方案的共同问题是驱动振荡器幅值的任何漂移都会直接导致输出增益的错误。 AD698通过计算LVDT输出与输入激励的比率消除了所有的偏移影响,从而避免了这些错误。 AD698不同于AD598型的LVDT信号调理器,因为它实现了一个不同的电路传递函数,并且不要求LVDT的次级线圈(A+B)是一个随行程长度而定的常量。 AD698的输入包括二个独立的同步解调通道A和B。 B通道用来监测驱动LVDT 的激励信号,A通道的作用与之相同,但是它的比较器引脚是单独引出来的。 因为在LVDT处于零位的时候,A通道可能达到0V,所以A通道解调器通常由初级电压触发。 另外,可能还需要一个相位补偿网络给A通道增加一个相位超前或滞后量,以此来补偿LVDT初级对次级的相位偏移。 一旦两个通道信号被解调和滤波后,再通过一个除法电路来计算比率A/B,除法器的输出是一个矩形波信号。 3、AD698的应用 AD698双电源供电时的外围电路如图2.6所示。 外部无源元件的参数设置包括激励信号的频率和有效幅值、AD698输入信号的频率和比例因子(V/inch)。 另外,还有一些可选择的特性: 零位偏移补偿、滤波、信号综合等,这些功能可以通过另外一些外围元器件来实现。 外围元器件及其参数大小应适合任何符合AD698输入/输出标准的LVDT。 (1)确定激励信号频率为3.5kHz, C1=35μFHz/fEXCITATION=0.01μF。 图2.6AD698双电源供电的外围电路 (2)依据激励信号VEXC的电压幅值来决定R1,通常,R1可以调节激励电压的大小,当VEXC≥24V,10Ω≤R1≤100Ω;当12V≤VEXC≤24V时,0.1kΩ≤R1≤1kΩ;5V≤VEXC≤12V时,1kΩ≤R1≤10kΩ;0V≤VEXC≤5V时,10kΩ≤R1≤100kΩ。 本设计的R1值为18K。 (3)C2、C3决定了AD698的系统频带宽度,原则上,它们的电容值应该相等,即 C2=C3=10-4FHz/fSUBSYSTEM=10-4FHz/0.8kHz=0.1μF。 (4)R2用来设定AD698的增益和满量程时的输出范围,C4、C5为旁路电容,对输出波形进行滤波。 计算R2需要以下相关参数: a.LVDT的敏感度S,它的值可以在生产厂家目录手册中查到,单位是V/V/mile,其物理意义是每英寸的位移每伏特的输入对应的电压输出伏特。 b.LVDT的磁芯从零位到满量程的位移d。 在S和d确定后,R2的计算公式如下: R2=VOUT/(S×d×500μA)(2.3) 其中,VOUT是相对于参考信号的输出。 (5)R3、R4可实现正、负输出电压补偿调节。 如果不需要补偿调节,R3、R4应被开路。 其阻值可由下述公式推算得出: Vos=1.2V×R2×{[1/(R3+2kΩ)-1/(R4+2kΩ)]}(2.4) 二.3信号处理部分 二.3.1CS5524 本次设计要实现微小位移的测量,需要高精度的A/D转换器来实现,A/D转换器CS5524集信号放大、A/D转换、数字滤波等功能于一体,改变了微弱信号处理的方法,大大减少了信号采样和处理电路元器件的数量。 CS5524是一种24位Δ-Σ调制式、4通道模数转换器,内含多路开关、斩波稳定仪表放大器、可编程增益放大器(PGA)、数字滤波器、自校正和系统校正电路等;另外,还集成有一个电荷泵驱动电路,为片内放大器提供负偏置电压。 CS5524具有功耗低(5mV)、单/双极性测量量程调节范围大(25mV~5V)和输入电流低(100pA)的优点,它还具有三线串行接口,便于与计算机连接。 具有诸多功能。 所以,本次设计采用CS5524来完成信号的采集与模数转换。 图2.7为CS5524的引脚图。 图2.7CS5524的引脚图 CS5524芯片在每次软件复位或硬件复位后都会置为缺省值,在缺省值下,芯片均能正常工作。 1、CS5524的主要特点 采用Σ-Δ结构; 输入动态范围大,共有25mV、55mV、100mV、1V、2.5V、5V等6个单/双极性量程可选; 可编程选择通道; 每个通道内均带有可读写的系统校验与自校验存储器; 功率消耗仅5.5mW。 其引脚功能如表2.1所列: 表2.1CS5524各引脚名称及功能 2、CS5524的片内存储器 CS5524的片内存储器主要有命令(command)寄存器、配置(configuration)寄存器、通
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