基于容栅的线位移测量系统设计
编号
毕业设计（论文）题目基于容栅的线位移测量系统设计
二级学院电子信息与自动化
专业测控技术与仪器
班级
学生姓名 xxx 学号
指导教师职称
时间
目录
摘要………………………………………………………………………………………Abstract…………………………………………………………………………………第一章绪论……………………………………………………………………………
1.1容栅位移传感器的研究背景…………………………………………………
1.2 容栅位移传感器测量系统技术支持简介……………………………………
1.2.1 传感器技术……………………………………………………………
1.2.2 检测技术系统概述……………………………………………………
1.2.3 智能仪器技术概述……………………………………………………
1.3 本课题设计任务………………………………………………………………
1.3.1 本课题的任务要求……………………………………………………
1.3.2 设计思路的可行性分析………………………………………………
1.3.3 本课题的关键…………………………………………………………
1.3.4 关键问题的解决思路…………………………………………………
1.4 本章小结………………………………………………………………………第二章容栅位移传感器测量系统原理方案设计……………………………………
2.1容栅线位移传感器的提出背景…………………………………………………
2.1.1 容栅结构的提出………………………………………………………
2.1.2 尖脉冲信号的提出……………………………………………………
2..2容栅位移传感器测量系统的总体设计方案…………………………………
2.3 容栅位移传感器测量系统各单元原理设计…………………………………
2.3.1输出信号的整形………………………………………………………
2.3.2信号的细分处理………………………………………………………
2.3.3容栅位移传感器采集信号的辨向问题设计方案……………………
2.3.4栅极板结构尺寸设计…………………………………………………
2.4 本章小结………………………………………………………………………第三章容栅位移传感器测量系统硬件电路设计……………………………………
3.1测量系统硬件电路总体设计方案………………………………………………
3.2微处理器的选择——LPC2138…………………………………………………
3.2.1 LPC2138引脚描述………………………………………………………
3.2.2 LPC2138晶振电路设计…………………………………………………
3.2.3 LPC2138复位电路设计…………………………………………………
3.2.4 LPC2138电源电路设计…………………………………………………
3.2.5 LPC2138显示电路设计…………………………………………………
3.3 LPC2138外围信号处理电路模块设计…………………………………………
3.3.1放大整形电路模块设计………………………………………………
3.3.2微分电路模块设计……………………………………………………
3.3.3辨向电路模块设计……………………………………………………
3.4 本章小结………………………………………………………………………第四章系统软件设计…………………………………………………………………
4.1系统开发平台简介……………………………………………………………
4.1.1 Proteus 7.4简介………………………………………………………
4.1.2 VC++6.0简介……………………………………………………………
4.2基于LPC2138系统程序设计……………………………………………………
4.2.1 系统程序的总体方案设计…………………………………………
4.2.2 外部中断复位程序设计………………………………………………
4.2.3 数据的运算程序设计…………………………………………………
4.2.4 LCD子程序设计………………………………………………………
4.3 本章小结………………………………………………………………………第五章实物制作………………………………………………………………………
5.1元器件材料准备…………………………………………………………………
5.2 制作注意事项…………………………………………………………………
5.3 实物图…………………………………………………………………………
5.4 本章小结………………………………………………………………………第六章总结…………………………………………………………………………
致谢…………………………………………………………………………………
参考文献…………………………………………………………………………
附录………………………………………………………………………………………文献综述………………………………………………………………………………
摘要
本文的侧重点主要探究其容栅的线位移结构的测量原理和信号的处理以及相关电路设计。
在现代智能化测量领域，容栅位移传感器起着重要的作用。在测量过程中，容栅的定极板与动极板以梳齿式的方式进行电容耦合。通过极板电容耦合产生的周期性变化的类似正余弦测量信号。在信号的放大过程中，采用较为可靠的仪用放大器AD620对信号进行放大。放大后的信号通过过零比较器LM324整形成为方波。在测量计数过程中，由于涉及重要的信号辨向处理，需要将信号处理成易于辨识移动方向的尖脉冲信号。于是采用微分电路和可逆计数器74LS192实现。最后在完成测量数据的数显中，运用LPC2138将获得的计数信号转化成LCD显示的相关测量结果。
该设计融合了传感器检测技术和信号的处理技术以及软件的数显技术。对进一步学习研究容栅位移传感器测量系统具有一定的参考价值。
关键词：容栅;正余弦信号;微分电路;辨向处理;尖脉冲;LPC2138
Abstract
The emphasis of this dissertation is mainly to explore the capacitive gate displacement of structure and measurement principle of signal processing and circuit design.
In the modern intelligent measurement, capacitive displacement sensor plays an important role in. In the process of measurement, capacitive fixed plate and the movable plate to comb type of capacitive coupling. Capacitive coupling through the periodic change of the similar sine and cosine signals. In signal amplification process, using more reliable instrument amplifier to amplify the signal of AD620. The amplified signal through the zero cross comparator LM324shaping as square wave. In the measuring process of counting, due to the important signal to identify treatment, need to signal processing into easy to identify the direction of movement of the spike pulse signal. Then the differential circuit and reversible counter74LS192. After the measurement data of the digital display, using LPC2138will count signal into LCD display measurement results.
The design incorporates sensor detection technology and signal processing technology and software of the digital display technology. To further the understanding of modern intelligent instrument which has a certain reference value.
Keywords: fixed plate;the movable plate; sine and cosine signal; differential circuit; direction discrimination processing pulse; LPC2138
1绪论
在现代信息化技术迅猛发展的今天，智能化系统越来越受到人们的支持和关注。发达的制造工业能够为我们的社会带来巨大的贡献。于是在制造过程中就必不可少的涉及测量领域。高速、精准、智能化的测量是时代的发展要求[1]，这就催生了容栅位移传感器的诞生。虽然，容栅位移传感器的发展始源与上世纪80年代，但是其发展前景是值得重视和期待的。下面我们就围绕容栅位移传感器进行相关介绍和设计，相信会给读者带来不一样的收获。
1.1容栅位移传感器的研究背景
现代信息技术已成为众多领域里发展最快的科学，同时也是极具蓬勃发展前景的学科之一。在信息科学里，捕捉信息、筛选信息、传输信息、处理信息已成为其关键环节。然而信息的捕获工具就是传感器。在现代信息化时代，尤其是工业高速发展时期，传感器成为了重要的测控系统的信息入口。随着信息时代的到来，国内外传感器技术已成为优先发展的技术领域之一。
就目前来看，我国的传感器技术发展相对较为薄弱。因为传感器的可靠性技术对于整个自动检测系统的数据获取的准确性和稳定性是至关重要的，然而，我国在这方面的研究还处于较低水平。从当前使用的范围来看，传感器[2]大致分为这几类：电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、光电式传感器、热电式传感器、核辐射传感器等。
现代传感器正向着微型化、智能化、多功能化和可靠性水平方向发展。容栅测量系统的测量原理新颖，测量电路独特，使其构成的测量仪器工作可靠，精度高、工耗低、测量速度快、重量轻、抗干扰性能强、抗振动、耐污染，并且组装的成品率高，是许多位移传感器测量系统无法比拟的。因此，各国对其发展极为重视。
容栅线位移传感器运用方向也从最初的大位移长度测量扩大到角度测量等领域。瑞士Trimos公司的电子数显高度仪测量范围在500mm时，其精度可达到0.005mm以内而测量范围在1000mm时，其精度可控制在0.01mm以内。国内在开发容栅系统方面也取得了很大成效。已能提供电子数显卡尺、电子数显千分尺、电子数显千分表电路等各种测量仪器使用的容栅测量系统。此次课题的设计，就是基于线位移测量系统的容栅传感器的研究设计。
1.2容栅位移传感器测量系统技术支持简介
1.2.1传感器技术
传感器[2]是指能够间接的感受到需要被测定的物理量并且按照一定的变化规律转换成为可用输出的信号的处理装置就叫传感器。传感器一般由敏感原件和转换装置构成。其中敏感元件使之传感器中能够直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器能够将敏感元件的输出信号转换成适于传输和测量的电信号部分。
其中，传感器输出信号由很多种形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的结构原理决定
传感器通常由敏感元件和转换装置构成。但是由于传感器的输出信号一般都是弱电信号，因此需要信号调节和转换电路将其放大或变换成为易于传输、处理、记录和数显的方式。传感器是上个世纪80年代提出的学科领域。经过30多年的发展现已朝着微型化、智能化、多功能化和可靠性水平方向发展。所以在实物安
.
装中是以集成芯片[3]形式。其组成如图1-1所示
1.2.2检测技术系统概述
检测技术[6]是将自动化、电子、计算机、控制工程、信息处理、机械等多学科多种技术融合为一体的综合运用符合技术。然而测量是确定被测对象属性量值为目的的全部操作。
那么作为一种完整的测量系统[4][5]，能够在生产生活中得到充分运用，这一理论系统由相关的器件、仪器和测试装置有机的组合而成的具有获取某种信息的功能的整体。如图1-2所示。
图1-2 检测系统构成框图
1.2.3智能仪器技术相关概述
（1）智能仪器[7]：计算机技术与测量仪器相结合，含有微型计算机或微处理器的测量仪器，并对数据进行存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，有一定智能作用的仪器就是智能仪器。
（2）智能仪器技术涵盖：电子测量技术、放大滤波技术、传感器技术、信号处理技术、程序设计技术、数字显示技术。
（3）智能仪器的功能包含：传统仪器的功能以及传感器智能化，控制器智能化功能；数据传送及处理功能；多信息融合技术功能；辅助诊断功能。
（4）智能仪器的关键是系统的可靠性和稳定性。
（5）智能仪器的基本结构[8]框图如图1-3所示。
图1-3智能仪器的基本结构框图
1.3本课题设计任务
根据电容式传感器的工作原理，设计一能实现高精度（分辨率达到0.1mm）微位移测量的容栅线位移测量系统。
1.3.1本课题的任务要求：
（1）基于线位移传感器测量原理，掌握容栅位移传感器的栅极工作原理。（2）掌握并学会应用栅极输出信号的处理方法。
（3）提出改进容栅传感器栅极测量的精确度方法，要求分辨率达到0.1mm。（4）设计系统模块硬件电路图，并完成软件的程序编写。
（5）完成系统硬件电路调试和测量数据分析系统设计。
1.3.2设计思路的可行性分析：
（1）掌握电容传感器工作原理，结合栅极移动信号的产生过程，完成对容栅
传感器工作原理的熟悉。
（2）掌握对采集信号进行放大、调幅、调频、调相的处理方法。
（3）要求提高其精度，应相应增加其正对的栅极板数量，同时采用三极板式可有效提高抗干扰，从而提高测量精度。
（4）在信号处理中，需要采用放大电路和调制电路，将其整合成便于测量的信号。测量得到的数据，需要通过程序驱动显示。可参照数显程序编写。
（5）结合实验室设备完成数据的测试，同时运用软件对数据进行拟合得出结果。
1.3.3 本课题的关键问题：
（1）容栅传感器栅极的布置。
（2）容栅位移传感器动极板栅极信号的处理。
（3）栅极移动过程中信号辨向的处理方法。
（4）如何运用电信号转换成测量位移值。
1.3.4关键问题的解决思路：
a.栅极的布置：采用三极板式容栅。为了提高精度，定栅一极与动栅多极对应，形成多路信号。从而实现高精度测量。
b.信号处理：各路栅极输出的信号，需通过一定的放大电路和调制电路，经整合后以脉冲数字信号输出。
c.辨向处理：采集信号代表移动方向的变化情况。因此，需要一路参考信号作为移动方向的标准。对输出的两路信号通过电路进行比较分析，就可实现辨向。
d.数显处理：通过LPC2138芯片读取计数值，然后启动程序进行相应计算显示测量结果。
1.4 本章小结
容栅位移传感器作为一种新型传感器，无论是在工业生产领域还是航空航天领域都具有其开发使用的潜在价值。在本课题研究上，提出了容栅位移传感器测量系统的许多知识点，相信读者收获斐然。但由于作者的研究水平有限，还有很多的不足之处，希望读者谅解，同时也中肯批评指正。
2容栅位移传感器测量系统原理方案设计
容栅位移传感器是基于电容传感器的工作原理提出的设计。通过以下分析得
出容栅位移传感器测量系统设计主要围绕三大部分：栅极板结构布局设计、信号
处理电路设计、系统数显设计。尤其是在信号处理电路设计中涉及到信号的放大、
微分整形和位移的辨向非常关键。下面就主要介绍如何提出容栅位移传感器测量
方案以及各个部分原理的设计进行详细阐述。
2.1容栅线位移传感器的提出背景
由于本课题的任务要求是根据电容传感器工作原理来设计容栅线位移传感器
[9]。于是我们先从电容式传感器着手分析。
2.1.1容栅结构的提出
由物理知识得知，两块平行金属板组成的电容器，其电容值为
C=Ξs/4kπd； (2-1)
式中S—两个极板相对有效面积；
d—两个极板间的距离；
Ξ—两个极板间介质的介电常数。
于是根据其计算公式知道，Ξ、s、d参量可以导致电容值发生变化。那么电
容式传感器就可归纳为变极距型、变面积型和变介电常数型传感器。但是由于本
课题的要求是满足位移测量，所以综合考虑只能采取变面积型传感器来实现本课
题设计。
在变面积式电容传感器中，单极式电容表达式简写为
C=Ξs/ d (2-2) 假设初始电容值为
C0=Ξs0/d； (2-3) 其中
s0=a*L。 (2-4) 当极板之间发生相对移动△a时，传感器的电容为
C=Ξ（a-△a）*L/ d (2-5)
于是可求得
△C= C0- C=Ξ△a*L/ d (2-6) 其灵敏度为
△C/△a=Ξ*L/ d (2-7)
所以由上述可得电容式位移传感器灵敏度为常数，线性度[10]良好。
由电容的变面积式结构图2-1可知单独的两块金属极板能够发现，我们在测量的时候只能够测得在极板宽度为a的长度范围之内，其测量局限性很大。为了实现较小位移和较大位移的测量，我们提出了并排梳齿式的容栅结构[11]。由于要满足其微量位移的高精度测量，我们需要将单位宽度的容栅极板进行细分。能够引起细微变化的宽度为a的极板设置为动极板，宽度为b的极板设置为定极板如图2-2所示。
其中：a、b—容栅极板宽度；L—容栅极板长度。
图2-1 电容极板结构
图2-2 容栅结构
2.1.2 尖脉冲信号的提出
由U=Q/C可知电容传感器是通过电容量的变化从而引起地电压信号的变化。本设计的研究也不例外需要对电信号的探究。由于电容是需要高频交流信号激励才能够工作，故我们在此就以正弦信号作为激励信号。其数字化提出的依据如下几点：
（1）我们知道模拟信号的优点是直观且容易实现。但是在一些比较复杂的系统内，其信号传递过程中的保密性和抗干扰能力非常差。尤其是在我们提出的容栅结构中，随着测量位移的移动，信号可能受到的扰动情况是非常大。而数字信号就克服了模拟信号的弱电。于是在我们设计的系统里就需要尽可能的转换成数字信号。
（2）在测量过程中，传感器的激励信号如图2-3所示。传感器的栅极板移动过程中的输出信号如图2-4所示。通过信号的输出形式不难发现，信号虽然幅值在发生变化，但是其频率和激励信号的频率没有发生变化。
在整个栅极板移动中，其位移量和频率存在一定的数学关系，于是我们可
以从信号的频率着手。通常频率的测量有计数法和周期法。前面考虑到模拟信号的不稳定性，所以综合分析采用计数法测量频率。然而信号的计数就需要涉及尖脉冲[12]或者上升沿下降沿触发计数。参考光栅的测量系统，我们运用尖脉冲计数法计数。
图2-3输出波形
图2-4栅极板输出波形
综上所述，整个测量系统贯穿的测量信号围绕数字信号处理方向设计。下面将具体讲述到设计方案的具体内容。
2.2容栅位移传感器测量系统的总体设计方案
在2.1中提出了容栅位移传感器的两大关键因素：容栅结构、信号的数字化处理。由于在直线位移测量过程中，容栅的动栅栅极板以外界实物的尺寸大小移动，通过电容耦合效应将实际物体的尺寸数据以电信号的形式输出。信号的传导是极其微弱，而且极易受到外界干扰。如果有效信号不能得到保护和辨识，其智能化测量是无意义的。于是需要将微弱的信号经过合适的仪用放大器放大后利于后面的信号处理。但是普通的信号是不能被该测量系统所利用的。因为在测量过程中，涉及到动栅移动的方向性，这样就会导致测量的结果多变，所以为了得到正确可靠的测量结果，首先就得需要如何解决位移的辨向。在辨向处理方法中，我们就参照光栅传感器的信号处理方法。于是需要将放大的信号进行方波整形和微分最终得到便于识别方向性的尖脉冲信号。在得到的尖脉冲信号之后通过触发器和可逆计数器对其信号进行捕捉。最后将获取的计数值通过微处理器处理运算，最终得到测量的数据结果。其总体设计思路框图如图2-5所示。
图2-5结构设计框图
2.3 容栅位移传感器测量系统各单元原理设计
容栅数显卡尺动尺和定尺的结构和安装示意图如图所示。图中动尺上排列一系列尺寸相同、宽度为l0的发射极片1, 2, 3?8, 用E 表示, 公共接收极为R , 定尺上均匀排列着一系列尺寸相同、宽度和间隙各为4l0的反射电极片M 1,M 2, ?电极片间互相电绝缘。动尺和定尺的电极片面相对, 平行安装。当发射电极片1, 2, ?8分别加以激励电压E 1, E 2, ?E 8时, 通过电容耦合在反射极片上产生电荷, 再通过电容在公共接收极上产生电荷输出。
由于本设计是微位移测量方法的研究，只要能够清晰的反应微量位移的信号变化情况，就达到了测量的目的。为此，我们设想在移动过程中得到连续变化的信号，就采用三极板式容栅采集信号，如图2-6所示。
图2-6容栅传感器结构示意图和安装图
在设计中考虑到容栅是基于电容的基本原理。电容具有隔断直流阻碍低频信号的作用。于是为了提供较为稳定的测量信号，需要给极板加以稳定的正弦激励
信号,其波形图如图3所示。因此在动极板移动的过程中，正弦信号不断发生变化(幅值变化，频率不变)，其检测到的信号变化过程为如图2-7所示。
图2-7发射极板的正弦激励信号
由于在接收极，我们引出了4路信号。然而在这四路输出信号，信号没有发生太大变化，只是极板位置相对发生平移，从而导致输出信号发生相应平移，也即相位移动。其输出情况为下图2-8所示。
图2-8容栅位移传感器移动过程中各路采集信号的输出变化情况
2.3.1输出信号的整形
由于容栅的原理是基于电容变面积式，所以容栅的输出信号推到：
U=Q/C; (2-8)
C=Ξs/4kπd； (2-9)
S=VL; (2-10)
U=（4kπd Q/ΞL）*1/V; (2-11) U——栅极板电压；
Q——栅极板电量；
C——栅极板电容量；
S——栅极板正对面积；
d——定栅和动栅的间距；
V——测量移动速度；
L——动栅极板长度；
于是容栅位移传感器输出的电信号就与移动速度成反比例函数。由于在测量
的过程中，很难把握其拉动动栅尺的速度，导致信号放大后输出的复合波形很难定量测定。所以通过输出的信号发现，在整个过程中，测量信号的频率始终和发射极的信号保持一致。于是，只要能够把频率测量出来，也即可以通过频率间接对应测量的微小位移量。
在我们所学的知识中，能够易于测量频率，只需将信号转换成便于计数的信号。于是可以从尖脉冲信号着手。为了得到脉冲信号，需要将采集的信号经TL082整形成方波信号。其整形后的波形如图2-9所示。
图2-9整形后的方波波形
2.3.2信号的细分处理
由检测到的信号为如上图2-9所示，为了得到测量所需的数据，就需要对采集的信号采取一定的整形措施。为此我们可采用脉冲计数的方式进行测量。于是，我们首先对信号放大微分整形后得到尖脉冲。对获得的尖脉冲进行细分。其中各通道的输出信号分别代表栅极板1、2、3、4的变化情况。通道1与通道2信号经过与门电路1输出；通道2与通道3信号经过与门电路2输出；通道3与通道4信号经过与门电路3输出.如图2-10所示。
图2-10细分处理后的尖脉冲信号
2.3.3容栅位移传感器采集信号的辨向问题设计方案
图2-11辨向电路各点信号波形
由图2-11可知向左移时，U1//信号从一开始就是高电平，而U/信号开始为为底电平，通过或门电路Y1，可使U1//信号通过，从而触发加减控制触发器使之置“1”，实现加计数。向右移时，U//信号开始就为高电平，而U1/信号开始为低电平，通过
或门电路Y2，可使U//信号通过，从而触发加减控制触发器使之置“1”，实现减计数。以通道1和通道2的信号作为参照标准。其辨向原理如图2-12所示。
图2-12辨向电路原理框图
由获得的尖脉冲信号可进行如下计数来达到测量。
X(x)=（M+(N-A)+(P-B)+(Q-C)）*W/K. (2-12)
其中：
X(x)---容栅位移传感器位移量;
M---通道1脉冲计数值;
N---通道2脉冲计数值;
P---通道3脉冲计数值;
Q---通道3脉冲计数值;
A---与门电路1输出端脉冲计数值;
B---与门电路1输出端脉冲计数值;
C---与门电路1输出端脉冲计数值;
W---栅极板间的宽度尺寸;
K---单位周期内尖脉冲个数。
2.3.4栅极板结构尺寸设计
为了达到其精度要求，除了采取细分提高分辨率的同时需要对激励信号给以适当设置。由W/K可知在加工技术难以达到的前提下，可对激励信号频率进行调整，从而达到调节K值，以实现对W/K的精度的调整。W值一般设置在10mm~20mm 之间即可。K值通过频率调节，使之在200HZ以上即可。因此，我们在设计系统时钟时采用1KHZ的晶振频率。
本课题提出的精度要求为实现高精度分辨率达到0.1mm。在测量过程中为了达到精度要求我们需要对极板和极板间的宽度尺寸加以设计。
当静止时，动栅极板相对于定栅极板不动。此时通过放大器输出的正弦信号和原发射极提供的正弦信号完全相同（振幅和频率），在此，我们通过比较器LM339
对信号进行屏蔽。当动栅极板相对于定栅极板移动时，放大器中输出的信号为周期变化的类似正弦信号。由于比较器LM324的作用使变化的信号通过并进入下一级电路处理转换。但是此信号的频率没有发生根本性的改变，于是可以通过频率间接转化位移量。
假设在一个周期变化的信号中，测得频率变化K次。
于是（定极板宽度）
W的宽度在一般的生产制造过程中可以达到mm级。为了降低在生产过程中的宏观难度，所以我们在信号处理中可达到相同效果。于是我们根据上面推到的公式X(x)=（M+(N-A)+(P-B)+(Q-C)）*W/K (2-13)
不难发现，单位脉冲位移当量△S=W/K。只要△S的分辨率达到0.1mm级就可实现任务要求。所以，我们可设置定栅极栅宽W=50mm，频率K=1KHZ。也即△S=0.05mm 实现了0.1mm级以上的高精度测量。为了便于设计简单易操作，我们在信号处理中引出四路信号，于是动栅极板间距D=W/4.各极板尺寸如图2-13所示。
图2-13栅极板宽度尺寸
2.4本章小结
整个测量系统的原理的掌握是完成本设计任务的重点。因此，本章节主要系统的阐述了各个部分的原理要素，充分的理解设计要领。只有完成了各部分的工作原理分析和论证，才能够更好的为系统各单元电路的设计做好理论铺垫。
3容栅位移传感器测量系统硬件电路设计
任何一种测量系统，无论是如何的简单，都有其基本的结构框架。容栅位移传感器测量系统设计，可以看成是一种智能化仪器设计的整体体现。任何一种高度智能化的设备都离不开硬件电路的支撑。下面我们就主要讲述各单元模块的基本方案设计。
3.1测量系统硬件电路总体设计方案
由于整个测量过程中都贯穿着弱电信号。通过传感器采集电路输出的信号非常微弱。因此常规的思维是将其放大处理。再次，处理的信号能否得到有效利用需要进一步考究。通过前面章节的讨论，知道脉冲信号才是我们最终需要的理想信号。于是，放大的信号需要整形和微分处理。最终将处理的尖脉冲信号送入微处理器进行相应的运算和驱动显示。其硬件电路总体设计框图如图3-1所示。
图3-1硬件电路总体设计框图
智能化仪器都是借助微处理器为中心的。因为微处理器在处理各种动态响应的时候具有快速、灵活、高效的特点。所以容栅位移传感器测量系统也离不开中央处理器作为桥梁。下面就围绕以处理器为中心对各主要单元电路进行相关设计。
3.2微处理器的选择——LPC2138
在测量系统的设计里面需要满足测量过程反应的快速性、稳定性，同时从小型化、低功耗、低成本和保证元件的功能使用最大化考虑。从学生角度考虑ARM7系列芯片是最佳之选。我们在这里就以LPC2138芯片[13]为平台进行相关设计。
LPC2138是基于一个实时仿真和和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI-STM CPU 的微控制器。本带有512KB的嵌入的高速Flash存储器。片内128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规格有严格的控制应用。可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。
传感器测量系统设计
课程设计说明书 学生姓名:学号： 学院: 班级: 题目: 传感器测量系统设计 高 指导教师：高敏职称: 副教授 年 12 月 26 日
摘要 在工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决是采样问题。在使用模技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。 关键词：电动机，单片机，传感器，晶振电路，流程图
目录 1 概述 (3) 1.1本课题设计的目的和意义 (3) 1.2数字式转速测量系统的发展背景 (3) 2 单片机 (4) 2.1 单片机AT89C51介绍 (4) 3 系统方案提出和论证（传感器的选择） (7) 3.1 方案一霍尔传感器测量方案 (7) 3.2 方案二光电传感器 (8) 4 转速测量系统的原理 (9) 4.1 转速测量方法 (9) 4.2 转速测量原理 (9) 5 系统硬件设计 (11) 5.1 转速信号采集 (11) 5.2 转速信号处理电路设计 (13) 5.3 最小系统的设计 (14) 5.3.1 复位电路（图4.8） (14) 5.3.2 晶振电路 (16) 5.3.3 最小系统的仿真 (17) 总结 (18) 参考文献 (19)
1 概述 1.1 本设计课题的目的和意义 在工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合, 例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中,常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决是采样问题。在使用模技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。 这次设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机转速的不同的方法及原理设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题，单片机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。全面了解单片机和信号放大的具体内容。进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示发面的实际工作能力。 1.2 数字式转速测量系统的发展背景 目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法(如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得)、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式(利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等)、电容式(对高频振荡进行幅值调制或频率调制)等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号．其中应用最广的是光电式，光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点．加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD 器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。
压力检测系统设计
单片机系统课程设计 成绩评定表 设计课题:压力检测系统设计 学院名称:电气工程学院 专业班级:自动1304 学生姓名:赵博 学号: 2 指导教师:王黎周刚李攀峰 设计地点 : 31-505 设计时间 : 2015-12-28～2016-01-08
单片机系统 课程设计课程设计名称:压力检测系统设计 专业班级:自动1304 学生姓名:赵博 学号: 2 指导教师:王黎周刚李攀峰 课程设计地点: 31-505 课程设计时间: 2015-12-28～2016-01-08 单片机系统课程设计任务书
目录 1绪论 (3) 1、1压力检测系统概述 (3) 2总体方案设计原理 (4) 2、1 基于单片机的智能压力检测的原理 (4) 2、2 压力传感器 (4) 2、2、1 压力传感器的选择 (4) 2、2、2金属电阻应变片的工作原理 (5) 2、3 A/D转换器 (5) 2、3、1 A/D转换模块器件选择 (5) 2、3、2 A/D转换器的简介 (5) 2、4单片机 (6) 2、4、1 AT89C51单片机简介 (6) 2、4、2主要特性 (7) 2、4、3 管脚说明 (7) 2、5单片机于键盘的接口技术 (8) 2、5、1 键盘功能及结构概述 (8) 2、5、2 单片机与键盘的连接 (9) 2、6 LED显示接口 (10)
2、6、1 LED显示器 (10) 2、6、2七段数码显示器 (11) 2、6、3LED数码管静态显示接口 (12) 3软件设计 (14) 3、1 A/D转换器的软件设计 (14) 3、1、1 ADC0832芯片接口程序的编写 (14) 3、2 单片机与键盘的接口程序设计 (15) 3、3 LED数码管显示程序设计 (16) 总结 (18) 参考文献 (19) 附录A (19) 附录B (20) 1绪论 1、1压力检测系统概述 压力就是工业生产过程中的重要参数之一。压力的检测或控制就是保证生产与设备安全运行必不可少的条件。实现智能化压力检测系统对工业过程的控制具有非常重要的意义。本设计主要通过单片机及专用芯片对传感器所测得的模拟信号进行处理,使其完成智能化功能。介绍了智能压力传感器外围电路的硬件设计,并根据硬件进行了软件编程。 本次设计就是基于AT89C51单片机的测量与显示。就是通过压力传感器将压力转换成电信号,再经过运算放大器进行信号放大,送至8位A／D转换器,然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号,再经单片机转换成LED显示器可以识别的信息,最后显示输出。而在显示的过程中通过键盘,向计算机系统输入各种数据与命令,让单片机系统处于预定的功能状态,显示需要的值。 本设计的最终结果就是,将软件下载到硬件上调试出来了需要显示的数据,当输入的模拟信号发生变化的时候,通过A/D转换后,LED将显示不同的数值。
容栅位移传感器
第17卷 第1期 桂 林 电 子 工 业 学 院 学 报V o l .17,N o .1 1997年3月JOURNAL OF GU I L IN INSTITUTE OF EL ECTRON I C TECHNOLOG Y M ar .1997 1996-08-26收稿,1997-01-07修改定稿 作者 男 32岁 大学本科 工程师 桂林 541004 容栅位移传感器 郝卫东 (电子机械工程系) 摘 要 通过对容栅专用集成电路78102的内部结构的分析,得出实际数显卡尺位移测量的工作原 理和实际测量数据的取得过程,依此推导出容栅的栅条宽度尺寸和对动栅、定栅的具体要求, 最后对串行数据输出口扩展应用作了探讨。 关 键 词 电子数显卡尺;容栅传感器;专用集成电路 中图法分类 TN 454 引 言 目前许多文章和教科书都提到容栅的工作原理,但不论是调幅式还是调相式,介绍都不深入,离实际应用还有很大距离。对于容栅研究者来说,想设计专用容栅集成块完全不可能,如果用一般硬件,如单片机、PC 机和数字电路来设计容栅位移传感器,由于杂散电容影响也无法实现。现有的数显卡尺芯片对栅条的宽度有固定而严格的要求,这一点在设计滚动式容栅直线位移传感器时,作者有较深的体会。 对容栅的研究是从1989年容栅数显卡尺开始的。当时查阅了大量资料并请人帮助查找各国专利资料,收集到的有价值的资料有限,无法帮助解开其中之谜,于是便开始了对容栅数显卡尺的测试分析实验。在研究过程中内部资料RCL SE M I CONDU CTOR S L I M IT ED 给予了很大帮助。 1 工作原理 容栅数显卡尺动尺和定尺的结构和安装示意图如图1所示。图中动尺上排列一系列尺寸相同、宽度为l 0的发射极片1,2,3…8,用E 表示,公共接收极为R ,定尺上均匀排列着一系列尺寸相同、宽度和间隙各为4l 0的反射电极片M 1,M 2,…电极片间互相电绝缘。动尺和定尺的电极片面相对,平行安装。当发射电极片1,2,…8分别加以激励电压E 1,E 2,…E 8时,通过电容耦合在反射极片上产生电荷,再通过电容在公共接收极上产生电荷输出。
简易数字式电阻、电容和电感测量仪设计
简易数字式电阻、电容和电感测量仪设计报告 摘要：本系统利用TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149和ICL8038精密函数发生器实现对电阻、电容和电感参数的测量。本系统以自制电源作为LRC数字电桥和各个主要控制芯片的输入电源，并采用ICL8038芯片产生高精度的正弦波信号流经待测的电阻、电容或者电感和标准电阻的串联电路，通过测量电阻、电容或者电感和标准电阻各自的电压，利用电压比例计算的方法推算出电阻值、电容值或者电感值。利用MSP430F149单片机控制测量和计算结果，运用自校准电路提高测量精度，同时用差压法，消除了电源波动对结果的影响。测量结果采用12864液晶模块实时显示。实验测试结果表明，本系统性能稳定，测量精度高。 关键词：LRC 数字电桥、电压比例法、液晶模块、MSP430F149、电阻电容电感测量 一、设计内容及功能 1.1设计内容 设计并制作一台简易数字式电阻、电容和电感参数测量仪，由测量对象、测量仪、LCD 显示和自制电源组成，系统模块划分如下图所示： 测量对象 LCD显示 电阻/电容/电感 简易的数字电阻、电容和电感测量仪 自制电源 1.2 具体要求 1. 测量范围 （1）基本测量范围：电阻100Ω～1MΩ；电容100pF～10000pF；电感100μH～10mH。 （2）发挥测量范围：电阻10Ω～10MΩ；电容50pF～10μF；电感50μH～1H。 2. 测量精度 （1）基本测量精度：电阻±5% ；电容±10% ；电感±5% 。 （2）发挥测量精度：电阻±2% ；电容±8% ；电感±8% 。 3. 利用128*64液晶显示器，显示测量数值、类型和单位。 4. 自制电源 5. 使用按键来设置测量的种类和单位 1.3系统功能 1. 基本完成以上具体要求 2. 使用三个按键分别控制R、C、L的测试 3. 采用液晶显示器显示测量结果 二、系统方案设计与选择 电阻、电容、电感测试仪的设计目前有多种方案可以实现，例如、使用可编程逻辑控制器(PLC)、振荡电路与单片机结合或CPLD与EDA相结合等等来实现。在设计前本文对各种方案进行了比较：
基于单片机的压力检测系统设计
常熟理工学院 电气与自动化工程学院 《传感器原理与检测技术》课程设计 题目：基于AT89C51单片机的 压力检测系统的设计 姓名：李莹 学号： 160509240 班级：测控 092 指导教师：戴梅 起止日期： 2012年7月2日－9日
电气与自动化工程学院 课程设计评分表 课程名称：传感器原理与检测技术 设计题目：压力检测系统的设计 班级：测控092学号：160509240 姓名：李莹 指导老师：戴梅 年月日
课程设计答辩记录 自动化系测控专业 092 班级答辩人：李莹课程设计题目压力检测系统的设计
目录第一章概述 1.相关背景和应用简介 2.总体设计方案 2.1总体设计框图 2.2各模块的功能介绍 第二章硬件电路的设计 1.传感器的选型 2.单片机最小系统设计 3.模数转换电路设计 4.传感器接口电路设计 5.显示电路设计 6.电源电路设计 7.原理图 第三章软件部分的设计 1.总体流程图 2.子程序流程图及相关程序 第四章仿真及结果 第五章小结 参考文献
第一章概述 1.传感器的相关背景及应用简介 近年来，随着微型计算机的发展，传感器在人们的工作和日常生活中应用越来越普遍。压力是工业生产过程中的重要参数之一。压力的检测或控制是保证生产和设备安全运行必不可少的条件。实现智能化压力检测系统对工业过程的控制具有非常重要的意义。压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。压力测量对实时监测和安全生产具有重要的意义。在工业生产中，为了高效、安全生产，必须有效控制生产过程中的诸如压力、流量、温度等主要参数。由于压力控制在生产过程中起着决定性的安全作用，因此有必要准确测量压力。通过压力传感器将需要测量的位置的压力信号转化为电信号，再经过运算放大器进行信号放大，送至8位A／D转换器，然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号，再经单片机转换成LED显示器可以识别的信息，最后显示输出。 此次设计是基于单片机的压力检测系统，选择的单片机是基于AT89C51单片机的测量与显示，将压力经过压力传感器转变为电信号，经过放大器放大，然后进入A/D 转换器将模拟量转换为数字量显示，我们所采样的A/D转换器为ADC0808。 2.总体设计方案 本次设计是基于AT89C51单片机的测量与显示。电路采用ADC0809模数转换电路，ADC0809是CMOS工艺，采用逐次逼近法的8位A/D转换芯片，片内有带锁存功能的8路模拟电子开关，先用ADC0809的转换器对各路电压值进行采样，然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号，再经单片机转换成LED显示器可以识别的信息，最后显示输出。本次设计是以单片机组成的压力测量，系统中必须有前向通道作为电信号的输入通道，用来采集输入信息。压力的测量，需要传感器，利用传感器将压力转换成电信号后，再经放大并经A/D转换为数字量后才能由计算机进行有效处理。然后用LED进行显示。本设计的最终结果是，将软件下载到硬件上调试出来了需要显示的数据，当输入的模拟信号发生变化的时候，通过A/D转换后，LED将显示不同的数值。
简单多点温度测量系统课程设计
课程设计报告（2010 —2011 年度第2学期） 题目：基于DS18B20的多点温度测量系统 院系： 姓名： 学号： 专业： 指导老师： 2011年5 月22 日
目录 1设计要求…………………………………………………………………………2设计的作用、目的………………………………………………………………3设计的具体实现…………………………………………………………………. 3.1系统概述……………………………………………………………………. 3.2单元电路设计与分析……………………………………………………… 3.3电路的安装与调试…………………………………………………………4心得体会及建议………………………………………………………………… 4.1心得体会…………………………………………………………………… 4.2建议…………………………………………………………………………5附录………………………………………………………………………………6参考文献…………………………………………………………………………
基于DS12B20的多点温度测量系统设计报告 1设计要求 运用DS12B20温度测量芯片实现一个多点温度测量系统，要求如下： （1）．测量点为两点。 （2）．测量的温度为-40~+40°C （3）．温度测量的精度为±0.5°C （4）．测量系统的响应时间要小于1S。 （5）．温度数据的传输方式采用串行数据传送的方式。 2 设计的作用、目的 通过本设计可以进一步了解熟悉单片机的控制原理以及外设与单片机的数据通信方法，尤其是串行通信方法以及单片机与外设间的接口问题。 本设计旨在提高学生的实际应用系统开发能力，增长学生动手实践经验，激起学生学以致用的兴趣。 3设计的具体实现 3.1系统概述 本系统分为温度采集模块、核心处理模块、控制模块和显示模块。温度采集模块由DS18B20温度测量芯片构成，它负责测量温度后将温度量转化为数字信号，传输到数据处理模块；核心处理模块由AT89S52单片机组成，它负责与温度采集模块进行数据通信、对数据进行操作处理已经对各种外设的响应与控制；控制模块由几个按键组成，实现对测量点的选择以及电路复位的操作；显示模块由一块四位的八段译码显示管和驱动芯片组成，它的作用是显示测量的温度值。 系统模块组成图：
位移传感器(中英对照)
位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，位移传感器超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。 简介 电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。 位移是和物体的位置在运动过程中的移动有关的量，位移的测量方式所涉及的范围是相当广泛的。小位移通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，大的位移常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。 原理 计量光栅是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移的。“莫尔”原出于法文Moire，意思是水波纹。几百年前法国丝绸工人发现，当两层薄丝绸叠在一起时，将产生水波纹状花样；如果薄绸子相对运动，则花样也跟着移动，这种奇怪的花纹就是莫尔条纹。一般来说，只要是有一定周期的曲线簇重叠起来，便会产生莫尔条纹。计量光栅在实际应用上有透射光栅和反射光栅两种；按其作用原理又可分为辐射光栅和相位光栅；按其用途可分为直线光栅和圆光栅。下面以透射光栅为例加以讨论。透射光栅尺上均匀地刻有平行的刻线即栅线，a为刻线宽，b为两刻线之间缝宽，W=a+b称为光栅栅距。目前国内常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条等线条。光栅的横向莫尔条纹测位移，需要两块光栅。一块光栅称为主光栅，它的大小与测量范围相一致；另一块是很小的一块，称为指示光栅。为了测量位移，必须在主光栅侧加光源，在指示光栅侧加光电接收元件。当主光栅和指示光栅相对移动时，由于光栅的遮光作用而使莫尔条纹移动，固定在指示光栅侧的光电元件，将光强变化转换成电信号。由于光源的大小有限及光栅的衍射作用，使得信号为脉动信号。 信号处理 辨向原理 在实际应用中，位移具有两个方向，即选定一个方向后，位移有正负之
容栅传感器简介
容栅传感器 Capacitive 容栅传感器是一种新型位移数字式传感器，它是一种基于变面积工作原理的电容传感器。因为它的电极排列如同栅状，故称此类传感器为容栅传感器。与其他大位移传感器，如光栅、磁栅等相比，虽然准确度稍差，但体积小、造价低、耗电省和环境使用性强，广泛应用于电子数显卡尺、千分尺、高度仪、坐标仪和机床行程的测量中。 11.5.1 结构及工作原理 根据结构形式，容栅传感器可分为三类，即直线容栅、圆容栅和圆筒容栅。其中，直线容栅和圆筒容栅用于直线位移的测量，圆容栅用于角位移的测量，直线型容栅传感器结构简图如图11-25所示。 图11-23 直线型容栅传感器结构简图 a）定尺、动尺上的电极b）定尺、动尺的位置关系c）发射电极和反射电极的相互关系 1－反射电极2－屏蔽电极3－接收电极4－发射电极 容栅传感器由动尺和定尺组成，两者保持很小的间隙δ，如图11-23b所示。动尺上有多个发射电极和一个长条形接收电极；定尺上有多个相互绝缘的反射电极和一个屏蔽电极
（接地）。一组发射电极的长度为一个节距W，一个反射电极对应于一组发射电极。在图11-23中，若发射电极有48个，分成6组，则每组有8个发射电极。每隔8个接在一起，组成一个激励相，在每组相同序号的发射电极上加一个幅值、频率和相位相同的激励信号，相邻序号电极上激励信号的相位差是45°（360°/8）。设第一组序号为1的发射电极上加一个相位为0°的激励信号，序号为2的发射电极上的激励信号相位则为45°，以次类推，则序号为8的发射电极上的激励信号相位就为315°；而第二组序号为9的发射电极上的激励信号相位与第一组序号为1的相位相同，也为0°，以次类推，直到第6组的序号48为止。 发射电极与反射电极、反射电极与接收电极之间存在着电场。由于反射电极的电容耦合和电荷传递作用，使得接收电极上的输出信号随发射电极与反射电极的位置变化而变化。 当动尺向右移动x距离时，发射电极与反射电极间的相对面积发生变化，反射电极上的电荷量发生变化，并将电荷感应到接收电极上，在接收电极上累积的电荷Q与位移量x成正比。经运算器处理后进行公/英制转换和BCD码转换，再由译码器将BCD码转变成七段码，送显示驱动单元，容栅测量转换电路框图如图11-24所示。 图11-24 容栅测量转换电路框图 一般用于数显卡尺的容栅的节距W=0.635mm（25毫英寸），最小分辨力为0.01mm，非线性误差小于0.01mm，在150mm范围内的总测量误差为0.02～0.03mm。 直线型容栅传感器还有一种梳状结构，能接近衍射光栅和激光干涉仪的测量准确度，但造价远比它们低。 11.5.2 容栅传感器在数显尺中的应用 普通测量工具，如游标卡尺、千分尺等在读数时存在视差。随着容栅技术在测量工具中的应用及性能/价格比的不断提高，数显卡尺、千分尺应运而生，并在生产中越来越多地替代了传统卡尺。数显卡尺示意图如图11-25所示。
电阻测量的设计实验报告
佛山科学技术学院 实验报告 课程名称实验项目 专业班级姓名学号 指导教师成绩日期年月日
【实验目的】 1．掌握减小伏安法测量电阻的方法误差和仪表误差的方法； 2．根据测量不确定度的要求，合理选择电压表和电流表的参数； 3．根据给定实验仪器合理设计变形电桥电路（或电压补偿测量电路）测量电阻。 【实验仪器】 直流稳压电源、伏特表、毫安表、被测电阻、滑线变阻器（或电位器）2个、电阻箱2只、开关式保护电阻、开关。 【实验原理】 1．方法误差 根据欧姆定律，测出电阻R x 两端的电压U ，同时测出流过电阻R x 的电流I ，则待测电阻值为 I U R x = 测 （24-1） 通常伏安法测电阻有两种接线方式：电流表内接法和电流表外接法。由于电表内阻的存在，这两种方法都存在方法误差。 在内接法测量电路中（如图24-1所示），电流表的读数I 为通过电阻R x 的电流I x ，但电压表的读数U 并不是电阻R x 的两端电压U x ，而是U=U x +U A ，所以实验中测得的待测电阻阻值为 式中R A 是电流表的内阻。它给测量带来的相对误差为 x A x x R R R R R E = -= 内内 （24-2） 内接法测量待测电阻阻值的修正公式 A x R I U R -= 。 （24-3） 在外接法测量电路中（如图24-2所示），电压表的读数U 等于电阻R x 的两端电压 U x ，但电流表的读数I 并不是流过R x 的电流I x ，而是I=I x +I V ，所以实验中测得的待测电阻阻值为 式中R V 是电压表的内阻。它给测量带来的相对误差为 x V x x x R R R R R R E +-=-= 外外 （24-4） 外接法测量待测电阻阻值的修正公式 U IR UR R R R R R V V V V x -=-= 外外 （24-5） 比较 内E 、外E 的大小，可以得：当V A R R R x >，采用内接法测量电阻，会使外内E E <；当V A R R R x <，采用外接法测量电阻，会使外内E E >；当V A x R R R ≈时，则采用内接法和外接法测量电阻都可以。其中电流表的内阻R A 、电压表的内阻R V 由实验室给出。 图24-1 内接法 图24-2 外接法
光电测量系统设计报告
光电测量系统设计报告 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】
光电测量系统设计报告 一、干涉的基本原理 干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象．1801年，英国物理学家托马斯·杨(1773—1829)在实验室里成功地观察到了光的干涉．两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。 由一般光源获得一组相干光波的办法是，借助于一定的光学装置（干涉装置）将一个光源发出的光波（源波）分为若干个波。由于这些波来自同一源波，所以，当源波的初位相改变时，各成员波的初位相都随之作相同的改变，从而它们之间的位相差保持不变。同时，各成员波的偏振方向亦与源波一致，因而在考察点它们的偏振方向也大体相同。一般的干涉装置又可使各成员波的振幅不太悬殊。于是，当光源发出单一频率的光时，上述四个条件皆能满足，从而出现干涉现象。当光源发出许多频率成分时，每一单频成分（对应于一定的颜色）会产生相应的一组条纹，这些条纹交叠起来就呈现彩色条纹。 1、劈尖的等厚干涉测细丝直径 设入射光波为λ，则第m级暗纹处空气劈尖的厚度 由上式可知，m=0时，d=0，即在两玻璃片交线处，为零级暗条纹。如果在细丝处呈现m=N级条纹，则待测细丝直径 2、利用干涉条纹检验光学表面面形 检查光学平面的方法通常是将光学样板（平面平晶）放在被测平面之上，在样板的标准平面与待测平面之间形成一个空气薄膜。当单色光垂直照射时，通过观测空气膜上的等厚干涉条纹即可判断被测光学表面的面形。 （1）待测表面是平面 （2）待测表面呈微凸球面或微凹球面 当手指向下按时，空气膜变薄，各级干涉条纹要发生移动，以满足式（2）， 3 式中λ为入射光的波长，δ是空气层厚度，空气折射率n ≈ 1。 当程差Δ为半波长的奇数倍时为暗环，若第m个暗环处的空气层厚度为m，则有：R，即，可得： 式中是第m个暗环的半径。由式（2）和式（3）可得： 可见，我们若测得第m个暗环的半径便可由已知λ求R，或者由已知R求λ了。但是，由于玻璃接触处受压，引起局部的弹性形变，使透镜凸面与平面玻璃不可能很理想的只以一个点相接触，所以圆心位置很难确定，环的半径也就不易测准。同时因玻璃表面的不洁净所引入的附加程差，使实验中看到的干涉级数并不代表真正的干涉级数m。为此，我们将式（4）作一变换，将式中半径换成直径，则有： 对第m+n个暗环有 将（5）和（6）两式相减，再展开整理后有 可见，如果我们测得第m个暗环及第（m+n）个暗环的直径、，就可由式（7）计算透镜的曲率半径R。 经过上述的公式变换，避开了难测的量和m，从而提高了测量的精度，这是物理实验中常采用的方法。
数字显示压力测量系统设计
数字显示压力测量系统设计 一、数字显示仪表的设计原理 工业生产过程中常用的数字式仪表有数字式温度计、数字式压力计、数字流量计、数字电子秤等。数字式仪表的出现适应了科学技术及自动化生产过程中高速、高准确度测量的需要，它具有模拟仪表无法比拟的优点。数字仪表的主要特点有：准确度高、分辨率高、无主观读数误差、测量速度快、能以数码形式输出结果。同时数字量传输信息，可使得传输距离不受限制。 数字仪表按工作原理可分为：带微处理器的和不带微处理器的。不带微处理器的仪表，通常用运算放大器和中、大规模集成电路来实现；带微处理器的仪表，是借助软件的方式来实现有关功能。 1.传感器输出信号的特点： （1）传感器的输出会受温度的影响，有温度系数变化。 （2）传感器的输出顺着输入的变化而变化，但之间的关系不一定是线性比例关系。 （31传感器的动态范围很宽。 （4）传感器的种类多，输出的形式也多种多样。 （5）传感器的输出阻抗较高，到测量电路时会产生较大的信号衰减。 2.传感器信号的二次变换 根据上述的传感器输出信号的特点来看，传感器输出的信号一般是能直接用于仪器、仪表显示作控制信号用，往往需要通过专门的电子电路对传感器输出信号进行“加工处理”。如将微弱的信号给予放大，经过滤波器将有害的杂波信号滤掉，将非线性的特性曲线线性化，如有必要再加温度补偿电路。这种信号变换一般称为二次变换。完成二次变换的电路称为传感器电子电路，一般也称为测量电路，仪表电子电路或调理电路。
3.传感器二次变换的组成 传感器电子电路主要是模拟电路，它与数字电路一样，是由一些单元电路组成。这些单元电路有：各种信号放大电路、有源及无源滤波电路、绝对值检测电路、峰值保持电路、采样.保持电路、A/D及D/A 变换电路、V/F及F/V变换电路、调制解调电路温度补偿电路及非线性特性化补偿电路等。 4.传感器信号的调理电路 信号调理是指测量系统的组成部分，它的输入时传感器的输出信号，输出为适合传输、显示、记录或者能更好的满足后续标准设备或装置要求的信号。信号调理电路通常具有放大、电平移动、阻抗匹配、滤波、解调功能。 传感器输出信号通常可以分为模拟量和数字量两类。对模拟量信号进行调整匹配时，传感器的信号调理环节相对复杂些，通常需要放大电路、调制与解调电路、滤波电路、采样保持电路、A/D及AD/A 转换电路等。而对于数字量信号进行调理匹配时，通常只需使信号通过比较器电路及整形电路，控制計数器技术即可。 5.DVM的概述 模拟式电压表具有电路简单、成本低、测量方便等特点，但测量精度较差。数字电压表（DVM），以其功能齐全、精度高、灵敏度高、显示直观等突出优点深受用户欢迎。DVM应用单片机控制，组成智能仪表；与计算机接口，组成自动测试系统。目前，DVM多组成多功能式的，因此又称数字多用表。 DVM是将模拟电压变换为数字显示的测量仪器，这就要求将模拟量变换成数字量。这实质上是个量化过程，即将连续的无穷多个模拟量用有限个数字表示的过程，完成这种变换的核心部件是A/D转换器，最后用电子计数器计数显示，因此，DVM的基本组成是A/D 转换器和电子计数器。 二、压力测量数显系统设计 测量系统的整机电路包括：P3000S-102A压力传感器、恒流源、
电阻测量的设计实验报告
佛山科学技术学院 实 验 报 告 课程名称 实验项目 专业班级 姓 名 学 号 指导教师 成 绩 日 期 年 月 日 【实验目的】 1．掌握减小伏安法测量电阻的方法误差和仪表误差的方法； 精品文档，超值下载 2．根据测量不确定度的要求，合理选择电压表和电流表的参数； 3．根据给定实验仪器合理设计变形电桥电路（或电压补偿测量电路）测量电阻。 【实验仪器】 直流稳压电源、伏特表、毫安表、被测电阻、滑线变阻器（或电位器）2个、电阻箱2只、开关式保护电阻、开关。 【实验原理】 1．方法误差 根据欧姆定律，测出电阻R x 两端的电压U ，同时测出流过电阻R x 的电流I ，则待测电阻值为 I U R x = 测 （24-1） 通常伏安法测电阻有两种接线方式：电流表内接法和电流表外接法。由于电表内阻的存在，这两种方法都存在方法误差。 在内接法测量电路中（如图24-1所示），电流表的读数I 为通过电阻R x 的电流I x ，但电压表的读数U 并不是电阻R x 的两端电压U x ，而是U=U x +U A ，所以实验中测得的待测电阻阻值为 A x A x x R R I R R I I U R +=+== ) (内 式中R A 是电流表的内阻。它给测量带来的相对误差为 x A x x R R R R R E = -= 内内 （24-2） 内接法测量待测电阻阻值的修正公式 A x R I U R -= 。 （24-3） 在外接法测量电路中（如图24-2所示），电压表的读数U 等于电阻R x 的两端电压U x ，但电流表的读数I 并不是流过R x 的电流I x ，而是I=I x +I V ，所以实 验中测得的待测电阻阻值为 图24-1 内接法 图24-2 外接法
基于单片机的智能压力检测系统的设计—-毕业论文设计
题目：基于单片机的智能压力检 测系统的设计
基于单片机的智能压力检测系统的设计 摘要 压力是工业生产过程中的重要参数之一。压力的检测或控制是保证生产和设备安全运行必不可少的条件。实现智能化压力检测系统对工业过程的控制具有非常重要的意义。本设计主要通过单片机及专用芯片对传感器所测得的模拟信号进行处理,使其完成智能化功能。介绍了智能压力传感器外围电路的硬件设计,并根据硬件进行了软件编程。 本次设计是基于AT89C51单片机的测量与显示。是通过压力传感器将压力转换成电信号，再经过运算放大器进行信号放大，送至8位A／D转换器，然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字信号，再经单片机转换成LED显示器可以识别的信息，最后显示输出。而在显示的过程中通过键盘，向计算机系统输入各种数据和命令，让单片机系统处于预定的功能状态，显示需要的值。 本设计的最终结果是，将软件下载到硬件上调试出来了需要显示的数据，当输入的模拟信号发生变化的时候，通过A/D转换后，LED将显示不同的数值。 关键词:压力；AT89C51单片机；压力传感器；A/D转换器；LED显示；
Design of pressure detecting system based on single-chip Abstract Pressure is one of the important parameters in the process of industrial production. Pressure detection or control is an essential condition to ensure production and the equipment to safely operating, which is of great significance. The single-chip is infiltrating into all fields of our lives, so it is very difficult to find the area in which there is no traces of single-chip microcomputer. In this graduation design, primarily through by using single-chip and dedicated chip, handling of analog signal measured by the sensor to complete intelligent function. This design illustrates external hardware circuit design of intelligent pressure sensor, and conduct software development to the hardware. The design is based on measurement and display of AT89C51 single-chip. This is the pressure sensors will convert the pressure into electrical signals. After using operational amplifier, the signal is amplified, and transferred to the 8-bit A/D converter. Then the analog signal is converted into digital signals which can be identified by single-chip and then converted by single-chip into the information which can be displayed on LED monitor, and finally display output. In the course of show, through the keyboard to input all kinds of data and commands into the computer, the single-chip will locate in a predetermined function step to display required values. The end result of this design is that by downloading software to the hardware, it will get the data which is required to display by debugging. When the input analog signals change, the LED monitor will display different values through the A/D converting. Key words:pressure; AT89C51 single-chip; pressure sensor; A/D converter; LED monitor;
电阻测量系统设计说明
电子系统设计》课程设计 题目：电阻测量系统设计 自动电阻测试仪 【摘要】本简易自动电阻测试仪具有手动四档及自动三档量程转换电阻测试功能，以单片机为控制核心，使用仪表运放来精确采集被测电阻两端电压，经过模数转换电路将模拟信号转换成数字信号，以便单片机进行处理。最后通过LCD12864夜晶显示出结果，能自动显示小数点和单位；并且该装置具有电阻自动筛选和自动测量显示电位器变化曲线的功能。实验结果表明，本系统完全达到设计要求，多项指标优于题目要求。 【主要技术】（1）通过编程来实现对电阻值的直接测量 （2） 12 位A/D 转换技术 （3）量程转换技术
（4）液晶显示器的有效应用 （5）串并转换技术 （6）通过单片机控制电机实现对电位器的自动控制 【关键词】模数转换；自动量程转换；INA114;电阻；MCU液晶显示；
目录 一、系统方案 (4) 1.1 设计要求 (4) 1.1.1 任务 (4) 1.1.2 要求 (4) 1.2 总体方案 (5) 1.2.1 方案论证与比较 (5) 1.2.2 系统组成 (5) 二、理论计算与电路分析 (6) 2.1 电阻测量原理 (6) 2.2.1 测量电路 (6) 2.1.2 基准电压电路 (7) 2.2 自动量程转换与筛选的设计 (7) 2.2.1 自动量程转换 (7) 2.2.2 筛选功能 (8) 2.3 电位器阻值变化曲线装置的设计 (8) 三、电路与程序设计 (8) 3.1 电路设计与分析 (8) 3.1.1 电源模块 (8) 3.1.2 测量及转换模块 (9) 3.1.3 控制显示模块 (10) 3.1.4 辅助装置 (10) 3.2 程序流程图设计 (11) 四、系统测试方案与结果 (13) 4.1 测试条件 (13) 4.2 测试方案 (13) 4.3 测试结果及分析 (13) 五、结论和系统特色 (14)
光电测量系统设计
光电测量系统设计 ----基于干涉方法测量压电陶瓷微小伸长量 指导老师：朱海东樊敏 姓名：陈权 学号：2013031053 班级：电科132班 时间：2016年11月7 日
摘要 本次实验为光电测量系统设计，从而测量压电陶瓷由于加热而产生的微小形变量，故需要掌握干涉和衍射的基本原理和产生条件，结合相关仪器软件完成对光电探测器的设计。首先是对通过杨氏双缝干涉，夫琅禾费衍射，PSD微小位移测量实验对理论知识的补充和了解，并对测量系统的搭建有一个大概的构思。然后在机房通过仿真软件ZMAX完成扩束准直系统的设计，ZW CAD绘制出探测器的光学结构（探头主体、底座、支杆等）；最后，进行了光纤端面处理和光纤传感综合实验。 关键词：光电测量系统；干涉；衍射；探测器；光纤实验
目录 论文总页数：11页1. 简介 (1) 1.1.实验目的及内容 (1) 2. 干涉及衍射原理 (1) 2.1.干涉 (1) 2.1.1. 干涉原理 (1) 2.1.2. 干涉条件 (2) 2.1.3. 实现光束干涉的基本方法 (2) 2.2.衍射 (2) 2.2.1. 衍射原理 (2) 2.2.2. 衍射分类 (2) 3. 干涉仪 (3) 4. 整体结构 (4) 5. 上机 (5) 5.1.ZMAX仿真设计 (5) 5.1.1. 单透镜 (5) 5.1.2. 双透镜 (5) 5.1.3. 扩束准直系统 (6) 5.2.探测器设计 (7) 6. 总结 (10) 6.1.实验结果及分析 (10) 6.2.问题分析 (11) 6.3.实验改进 (11) 结语 (11) 参考文献 (11)
基于Labview的压力测试系统
基于L a b v i e w的压力测 试系统 集团标准化小组：[VVOPPT-JOPP28-JPPTL98-LOPPNN]
现代检测技术综合设计报告 课程设计题目：基于虚拟仪器的压力测量系统 学院名称：电子与信息工程学院 专业：电气工程及其自动化 班级：电气12-1 姓名：杨育新学号 同组者姓名： 指导教师：黄晶 日期：～ 目录 一、任务 书．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 二、总体设计方案 2.1 现代测控技术发展概述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 2.2 自动检测系统的原理框图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 三、压力传感器 3.1 传感器的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 3.2 工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 3.3 工作特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
四、硬件设计 4.1 应变片的测量转换电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 4.2 电桥的放大电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 4.3 压力测量的总电路图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 五、Labview软件设计 5.1 程序流程图的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 5.2 前面板的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 5.3 实验框图的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．8六、调试情况及结论 6.1 程序的调试．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12 6.2 实验结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．14七、课程设计心得体会．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14 参考资料．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14