【文章內容簡介】 作為控制與時序轉換器件，設計完成的實驗裝置能夠進行多種距離和精度位移測量。在設計實驗裝置時完成相應的器件選型和可行性論證。最后，完成設計相應的硬件結構設計和軟件代碼編制，調試無誤，同時裝制出實際可用的實驗裝置。 該設計需要滿足以下要求： ： LCD； ：電感類、超聲波類和紅外傳感器的位移測試驗證； ：位移測量范圍 2mm~200mm； 。 系統(tǒng)方案選擇 系統(tǒng)整體結構 該測量裝置的 主要功能是由數據采集、數據分析和數據顯示三大部分組成。數據采集使用的是三類傳感器進行位移的測量，由單片機負責數據分析與裝置的控制，最后測量的結果由 LCD 顯示，通過串口發(fā)送到電腦進行處理。裝置由單片機控制單元、液晶顯示單元、串口轉換單元、電感測距單元、紅外測距單元、超聲波測距單元、狀態(tài)顯示單元、按鍵控制單元等組成。 在設計中電感類傳感器選用電渦流傳感器，工作的電壓是 +24V,其他兩類傳感器和裝置 的工作電壓均 為 5V，由于電壓相差 較 大，所以使用開關電源直接分別給它們供電桂林電子科技大學畢業(yè)設計報告用紙 第 6 頁 共 65 頁 以確保供電 穩(wěn)定 、方便 。選用開關電源（ AC/DC）給裝置供電，相關參數為 INPUT AC 110/220177。15%， OUTPUT +5V 。+24V 1A。主機顯示器件采用 LCD1602，顯示目前的測量類別及測量位移值，完全滿足顯示要求；模式設置采用按鍵切換測量模式?？傮w方案設計框圖如圖 21 所示 。 單 片 機電 感 測 距 單 元紅 外 測 距 單 元超 聲 波 測 距 單元串 口 通 訊 單 元按 鍵 控 制 單 元L C D 顯 示 單 元狀 態(tài) 指 示 單 元 21 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)控制芯片選擇 在一個控制系統(tǒng)的設計中， 能否完成設計任務最重要的就在于系統(tǒng)的核心器件是否選擇合適，而單片機更是系統(tǒng)控制的核心，所以對單片機的選擇異常重要。如果選擇了一個合適的單片機不僅可以最大 程度 地簡化系統(tǒng)的操作，而且其功能可能是最好的，可靠性也比較高，對整個系統(tǒng)來說更方便。結合本設計的要求，可以知道此設計單片機信號線取電只能提供 毫安級 的電流，設計的裝置是實驗裝置，不是戶外的產品，并且考慮到價格與其性能及功耗，抗干擾能力等，最終選擇由 ATMEL公司生產的高性能、低功耗的 CMOS 8位單片機 AT89C52作為本設計的單片機使用，此單片機在此前的課程 設計也學習和使用過，在設計中更利于操作。 串口通訊采用常用的 MAX232 進行電平轉換； A/D 轉換采用 TI 公司的 TLC549 進行 。 電感類傳感器選擇 電感式傳感器是把被測量，如力、位移等，轉換為電感量變化的一種裝置。其變化是基于電磁感應原理。按照變換方式的不同，可分為自感型（可變磁阻式與電渦流式）與互感型（差動變壓器式）。實現電感測量位移可以選用差動變壓器式位移傳感器，這桂林電子科技大學畢業(yè)設計報告用紙 第 7 頁 共 65 頁 種傳感器利用電磁感應中的互感現象。它將被測位移量轉換成線圈互感的變化，實際上是一個變壓器，其一次側線圈介入穩(wěn)定交流電源，二次側線圈 感應產生 輸出電壓。差動變壓器式電感傳感器具有精度高、線性范圍大、穩(wěn)定性好和使用方便的特點，被廣泛用于直線位移測定。綜合本設計的精度要求以及實現的簡易方便性選用上海冉普電子科技有限公司的 RP6611 系列 電渦流 傳感器進行微小直線位移的測量。 電渦流傳感器能靜態(tài)和動態(tài)地非接觸、高線性度、高分辨力地測量被測金屬導體距探頭表面的距離。它是一種非接觸的線性化計量工具，具有長期工作可靠性好、測量范圍寬、靈敏度高、分辨率高、響應速度快、抗干擾力強、不受油污等介質的影響、結構簡單等優(yōu)點。 前置器中高頻振蕩電流通過延伸電纜流 入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產生交變的磁場。當被測金屬體靠近這一磁場，則在此金屬表面產生感應電流，與此同時該電渦流場也產生一個方向與頭部線圈方向相反的交變磁場，由于其反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變（線圈的有效阻抗），這一變化與金屬體磁導率、電導率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線圈到金屬導體表面的距離等參數有關。通常假定金屬導體材質均勻且性能是線性和各項同性，則線圈和金屬導體系統(tǒng)的物理性質可由金屬導體的電導率 б、磁導率 ξ、尺寸因子 τ、頭部體線圈與金屬導體表面的距離D、電流強度 I 和頻率 ω 參數來描述。則線圈特征阻抗可用 Z=F(τ, ξ, б, D, I, ω)函數來表示。通常我們能做到控制 τ, ξ, б, I, ω 這幾個參數在一定范圍內不變，則線圈的特征阻抗Z 就成為距離 D 的單值函數，雖然它整個函數是一非線性的，其函數特征為 “S”型曲線，但可以選取它近似為線性的一段。于此，通過前置器電子線路的處理，將線圈阻抗 Z 的變化，即頭部體線圈與金屬導體的距離 D 的變化轉化成電壓或電流的變化。輸出信號的大小隨探頭到被測體表面之間的間距而變化，電渦流傳感器就是根據這一原理實現對金屬物體的位移、振動等參數 的測量。傳感器結構組成圖如圖 21 所示。 圖 23 傳感器結構組成 桂林電子科技大學畢業(yè)設計報告用紙 第 8 頁 共 65 頁 其工作過程是：當被測金屬與探頭之間的距離發(fā)生變化時，探頭中線圈的 Q 值也發(fā)生變化， Q 值的變化引起振蕩電壓幅度的變化，而這個隨距離變化的振蕩電壓經過檢波、濾波、線性補償、放大歸一處理轉化成電壓（電流）變化，最終完成機械位移 (間隙 )轉換成電壓（電流）。由上所述，電渦流傳感器工作系統(tǒng)中被測體可看作傳感器系統(tǒng)的一半，即一個電渦流位移傳感器的性能與被測體有關。 被測面直徑應大于探頭頭部直徑的 倍以上。否則傳感器的靈敏度會下降，被測表面越小，靈敏度下 降越多。此外被測體的厚度也會影響測量的結果。 電渦流傳感器的輸出特性可用位移 電壓曲線表示，如圖 24 所示。圖示的橫坐標表示位移的變化，縱坐標代表前置器輸出電壓的變化。理想位移 電壓曲線是斜率恒定直線，直線的 ac 段為線性區(qū)，即有效測量段。 b 點為傳感器線性中點。圖 25 為直徑為11mm的探頭輸出特性曲線。 圖 24 輸出特性曲線 圖 25ψ11mm 探頭輸出特性曲線 桂林電子科技大學畢業(yè)設計報告用紙 第 9 頁 共 65 頁 其所測量得到的值是模擬量，經過 AD 轉換后轉換為數字量輸出。其工作原理如圖所示。 探 頭 線 圈 振 蕩 器 檢 測 電 路 放 大 器 A / D 轉 換 器被 測 物 體 圖 24 電渦流傳感器位移測量 紅外測距傳感器選擇 紅外傳感器包括紅外發(fā)射器件和紅外接收器件。自然界的所有物體只要溫度高于絕對零度都會輻射紅外線，因而，紅外傳感器須具有更強的發(fā)射和接收能力。 Sharp 有很多種紅外距離傳感器。這些傳感器不但體積小，功耗也很低。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，利用的紅外測距傳感器 LDM301 發(fā)射出一束紅外光，在照射到物體后形成一個反射的過程，反射到傳感器后接收信號，然后利用CCD 圖像處理接收發(fā)射與接收的時間差的數據。經信號處理器處理后計算出物體 的距離。這不僅可以使用于自然表面，也可用于加反射板。測量距離遠，很高的頻率響應。 Sharp 的紅外傳感器都是基于一個原理：三角測量原理。紅外發(fā)射器按照一定的角度發(fā)射紅外光束，當遇到物體以后，光束會反射回來，如圖 26 所示。反射回來的紅外光線被 CCD 檢測器檢測到以后，會獲得一個偏移值 L，利用三角關系，在知道了發(fā)射角度 a，偏移距 L，中心矩 X，以及濾鏡的焦距 f 以后，傳感器到物體的距離 D 就可以通過幾何關系計算出來了。 圖 26 三角測量原理 桂林電子科技大學畢業(yè)設計報告用紙 第 10 頁 共 65 頁 可以看到，當 D 的距離足夠近的時候， L 值會相當大，超過 CCD 的探測范圍，這時，雖然物體很近，但是傳感器反而看不到了。當物體距離 D 很大時， L 值就會很小。這時 CCD 檢測器能否分辨得出這個很小的 L 值成為關鍵，也就是說 CCD 的分辨率決定能不能獲得足夠精確的 L 值。要檢測越是遠的物體， CCD 的分辨率要求就越高。 Sharp GP2XX 系列的傳感器的輸出是非線性的。每個型號的輸出曲線都不同。所以，在實際使用前，最好能對所使用的傳感器進行一下校正。對每個型號的傳感器創(chuàng)建一張曲線圖，以便在實際使用中獲得真實有效的測量數據。下圖是典型的 Sharp GP2D12 的輸出曲線圖 27 所示。 圖 27 Sharp GP2D12 輸出曲線圖 從上圖中，可以看到，當被探測物體的距離小于 4cm左右的時候，輸出電壓急劇下降，也就是說從電壓讀數來看，物體的距離應該是越來越遠了。但是實際上并不是這樣的，想象一下，被測物本來正在慢慢的靠近障礙物，突然發(fā)現障礙物消失了，這是不可能的。解決這個的方法需要改變一下傳感器的安裝位置，使它到被測物的外圍的距離大于最小探測距離就可以了，如圖 28 所示，具體的解決方法是采用電渦流傳感器來彌補紅外傳感器的盲區(qū)，這一點從后面的實物圖可以很清晰的看到。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計報告用紙 第 11 頁 共 65 頁 圖 28 可以避免探測誤差的安裝圖示 目前 Sharp 的紅外線傳感器有如下幾種類型： （ 1） GP2D02 （串口輸出）探測范圍 10cm80cm； （ 2） GP2D05 （數字輸出）探測范圍 固定的 24cm； （ 3） GP2D12 （模擬輸出）探測范圍 10cm80cm； （ 4） GP2D15 （數字輸出）探測范圍 24cm； （ 5） GP2D120 （模擬輸出）探測范圍 4cm30cm； （ 6） GP2YOAO2YK （模擬輸出）探測范圍 20cm150cm； （ 7） GP2Y0D02YK （數字輸出）探測范圍 80cm。 所有的模擬輸出，其輸出 電壓和距離成反比，數字輸出只能檢測在范圍內物體是存在還是不存在，而不能提供距離的檢測。 本設計根據裝置 測量范圍 要求和成本考慮，選擇的 紅外 傳感器為 GP2D120，探測范圍是 430cm，滿足設計的要求。 超聲波測距傳感器選擇 超聲波是一種振動頻率超過 20 kHz 的機械波，它可以沿直線方向傳播，而且傳播的方向性好，傳播的距離也較遠，在介質中傳播時遇到障礙物在入射到它的反射面上就會產生反射波。由于超聲波的以上幾個特點，所以超聲波被廣泛地應用于物體距離的測量、厚度等方面。而且，超聲波的測量是一種比較理想的 的非接觸式的測距方法。 超聲波傳感器由以下部分構成： 桂林電子科技大學畢業(yè)設計報告用紙 第 12 頁 共 65 頁 圖 29 工作原理框圖 圖 29中，單片機為核心控制部分，根據設定的工作方式，產生 40kHz方波，經過驅動電路驅動超聲波發(fā)生器發(fā)出一簇信號，單片機此時開始計時。接收回路為諧振回路，將收到的微弱回波信號檢出，送信號放大電路放大，收到產生脈沖。輸出送單片機中斷端，單片機收到中斷信號后停止計時，計算出距離值，保存等待讀出或直接經 UART送出。接收過程中，單片機定時控制放大電路的增益，逐漸提高，以適應距離越遠越弱的回波信號。 當進行距離的測量時，由安裝在同一水平 線上的超聲波發(fā)射器和接收器完成超聲波的發(fā)射與接收，并且同時啟動定時器進行計數。首先由超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波并同時啟動定時器計時，超聲波在空氣中傳播的途中一旦遇到障礙物后就會被反射回來，當接收探頭收到反射波后就會給負脈沖到單片機使其立刻停止計 時 。這樣，定時器就能夠準確的記錄下了超聲波發(fā)射點至障礙物之間往返傳播所用的時間 t（ s）。由于在常溫下超聲波在空氣中的傳播速度大約為 340 m/s，所以障礙物到發(fā)射探頭之間的距離為： S=340t/2=170t （ 21） 因為單片機內部定時器的計時實際上就是對機器周期 T的計數，而本設計中時鐘頻率 fosc取 12 MHz，設計數值 N，則： T＝ 12/fosc=1μs （ 22） t=NT＝ N（ s） （ 23） S＝ 170NT＝ 170N/1000000（ m） （ 24） 在程序中按 式 （ 24） 計算距離。 設計選用 HRSR04型超聲波集成模塊。它是將單片機控制電路，超聲波 發(fā)射電路，超聲波接收電路集成到一起的一個超聲波集成模塊。 HRSR04超聲波集成模塊正面外觀如圖 210所示， HRSR04超聲波集成模塊的背面外觀如圖 211所示。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計報告用紙 第 13 頁 共 65 頁 圖 210 HRSR04 超聲波集成模塊正面外觀圖 圖 211 HRSR04 超聲波集成模塊背面外觀圖 HRSR04型超聲波集成模塊的工作電壓為 5V，而且此模塊的靜態(tài)工作電流小于 2 mA，工作時候可以比較穩(wěn)定。