0引言

磁致伸縮位移(液位)傳感器，是根據(jù)磁致伸縮原理制造的行程長(zhǎng)、精度高絕對(duì)位置測(cè)量的位移傳感器，可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的液位信號(hào)或者直線位移，根據(jù)不同的輸出信號(hào)，可分為數(shù)字式和模擬式兩種。位移傳感器的測(cè)量方式為非接觸式，有效地避免了部件因互相接觸而造成的磨損，非常適合應(yīng)用于不需定期維護(hù)、環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。由于位移傳感器中運(yùn)動(dòng)物體的位置變化產(chǎn)生模擬信號(hào)，怎樣將模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理是值得探討的。近年來(lái)，借助微機(jī)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，磁致伸縮位移傳感器在精度、性能上都有了較大提高，通過(guò)對(duì)硬件電路、軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到將模擬信號(hào)數(shù)字化和數(shù)據(jù)快速精準(zhǔn)采集處理的目的。

1系統(tǒng)概況

磁致伸縮傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)由單片機(jī)、位移傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換濾波放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路，液晶顯示器等組成，系統(tǒng)框圖如上圖所示。磁致位移傳感器安裝在油缸活塞中，測(cè)桿安裝在法蘭中心，活塞在測(cè)桿上運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器完成測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，單片機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將位移數(shù)值在液晶顯示器上進(jìn)行顯示。

2系統(tǒng)硬件及硬件電路

2.1系統(tǒng)硬件

2.1.1單片機(jī)

本系統(tǒng)的位移數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)，選用的是C8051F020單片機(jī)，C8051F系列單片機(jī)是美國(guó)德克薩斯州德的Cygna公司設(shè)計(jì)和制造的混合信號(hào)片上系統(tǒng)單片機(jī)，其主要模塊包括模擬外設(shè)、片內(nèi)JTAG調(diào)試、邊界掃描、高速控制器內(nèi)核、數(shù)字外設(shè)等幾個(gè)部分。它是一種高性能的數(shù)字和模擬混合微處理器，采用流水線結(jié)構(gòu)、高速的8051兼容內(nèi)核，運(yùn)行速度達(dá)100MIPS,真正12位、8通道ADC,可在系統(tǒng)編程的64K字節(jié)Flash存儲(chǔ)器，5個(gè)通用16位定時(shí)器，硬件實(shí)現(xiàn)的SPI和兩個(gè)UART申行接口，在本采集系統(tǒng)中，不需要再進(jìn)行擴(kuò)展存儲(chǔ)器就可以實(shí)現(xiàn)功能，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)電路，也提高了可靠性。同以往51系列單片機(jī)相比，C8051F020單片機(jī)功能更加強(qiáng)大，其穩(wěn)定性和速度也有了很大提升。

2.1.2液晶顯示器

液晶顯示器具有工作耗能低，顯示信息量大，接口靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)被應(yīng)用廣泛。在計(jì)算機(jī)，檢測(cè)儀表等領(lǐng)域，液晶顯示器成為了人機(jī)對(duì)話和測(cè)量顯示的重要工具。本系統(tǒng)選用的是圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，該模塊帶有LED底光，溫度范圍較廣，屬寬溫型，點(diǎn)陣數(shù)256×128,支持圖形、文本以及圖文合成的三顯方式，能達(dá)到圖文并茂的效果，并且該液晶顯示模塊還具有獨(dú)立的CPU和LCD控制器，可以通過(guò)串口和控制模塊的MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.1.3磁致伸縮位移傳感器

1842年，著名的物理學(xué)家JamesPrescottJoule發(fā)現(xiàn)了磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮材料是一種鐵、鎳合金材料，當(dāng)受到外磁場(chǎng)作用時(shí)，材料被磁化了，它的磁疇結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化，晶體的原子間距也發(fā)生了改變，導(dǎo)致了體積、形狀跟著變化，特別是鐵磁體物質(zhì)在磁場(chǎng)方向上的長(zhǎng)度的變化很明顯，成為人們研究探索的對(duì)象，這種磁效應(yīng)現(xiàn)象就是：磁致伸縮效應(yīng)。

磁致伸縮位移傳感器主要有電子倉(cāng)、測(cè)桿、非接觸的可移動(dòng)的磁環(huán)等構(gòu)成，位移傳感器工作的時(shí)候，非接觸磁環(huán)產(chǎn)生磁場(chǎng)，電子倉(cāng)內(nèi)固定頻率的電流也產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)兩個(gè)磁場(chǎng)相交時(shí)，矢量疊加，就會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，產(chǎn)生的脈沖回應(yīng)需要的時(shí)間周期乘以一個(gè)固定的速度(因?yàn)槊}沖管上的速度是恒定的),就可以計(jì)算出非接觸可移動(dòng)磁環(huán)的位置，以此就實(shí)現(xiàn)了對(duì)位移量的測(cè)量。這個(gè)過(guò)程是持續(xù)不間斷的過(guò)程，當(dāng)運(yùn)動(dòng)至新位置，就會(huì)重新確定測(cè)量。

2.2系統(tǒng)硬件電路

2.2.1信號(hào)轉(zhuǎn)換及濾波放大電路

位移傳感器產(chǎn)生4mA～20mA的電流信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換及濾波放大電路，轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足A/D轉(zhuǎn)換器輸入要求的標(biāo)電信號(hào)，該信號(hào)調(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì)電路圖如下圖所示。信號(hào)濾波放大電路則是采用的AD8572型運(yùn)算放大器，電路設(shè)計(jì)的放大量為放大100倍，輸出電壓為0.4V～2V,該型運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓為1μV,失調(diào)電壓漂移為0.005μV/℃,在工作溫度范圍內(nèi)的漂移接近零，能夠較好地滿足設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

濾波、放大電路原理圖

2.2.2A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路采用美國(guó)AD公司的ADS1211P芯片，該芯片屬于一種數(shù)據(jù)采集—模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它是一種集成度比較高、價(jià)格比較低的逐次比較式12位A/D,通過(guò)三態(tài)緩沖器將轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出，直接與16位數(shù)據(jù)總線微處理器接口相連接，輸入信號(hào)采用了單極性方式，信號(hào)幅度為0～+5V,位移傳感器的輸出信號(hào)，先經(jīng)濾波放大電路，然后進(jìn)入ADS1211P的4腳，然后通過(guò)ADS1211P的21腳與單片機(jī)相連，其電路原理圖如下圖所示。ADS1211P工作一般分兩個(gè)過(guò)程，一個(gè)過(guò)程是轉(zhuǎn)換的過(guò)程，當(dāng)CS=0,DRDY=0時(shí)，啟動(dòng)ADS1211P芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換工作，再一過(guò)程就是讀取12位并行轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng)CS=0,DRDY=1時(shí)，就可一次讀出轉(zhuǎn)換的12位數(shù)據(jù)。

A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖

3軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)是在SilabIDE開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行的。軟件以keilC語(yǔ)言編寫(xiě)，具有良好的可讀性和可維護(hù)性，本軟件為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用軟件，直接進(jìn)行底層開(kāi)發(fā)，不需要嵌入式操作系統(tǒng)支持，依靠MCU指令集和中斷系統(tǒng)完成整個(gè)處理流程。其軟件流程圖如下圖所示：當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入自循環(huán)模式，單片機(jī)會(huì)根據(jù)采集到的位移傳感器信號(hào)進(jìn)行處理并在液晶顯示器上進(jìn)行顯示。

流程圖

4結(jié)語(yǔ)

本文介紹了以C8051F020單片機(jī)為控制核心的位移傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集、處理位移傳感器的信號(hào)，并在人機(jī)界面上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，提高了位移傳感器的測(cè)量精度及測(cè)量的實(shí)時(shí)性。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)其它傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集也具有一定的參考價(jià)值。

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