【文章內(nèi)容簡介】 的是位移的偏移量，因而選用變極距型電容式傳感器，為了更好地改善非線性，提高靈敏度，減小外界因素的干擾和寄生電容的影響，本次畢業(yè)設(shè)計采用差動電容式傳感器。如圖36所示，是差動電容式傳感器原理圖。當(dāng)動極板向上移動時，由式（37）可得，電容總變化量 (310)圖36 差動式電容傳感器比較式（38）和（310）可見，采用差動結(jié)構(gòu)可使傳感器的靈敏度提高一倍。由于差動結(jié)構(gòu)的變極距型電容式傳感器既提高了靈敏度，又減小了非線性誤差，所以在本次設(shè)計中將采用這種結(jié)構(gòu)。 電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路 轉(zhuǎn)換電橋圖37為差動式變極距型電容式傳感器所用的變壓器電橋的電路原理[17]。圖37 轉(zhuǎn)換電橋電路當(dāng)電橋輸出端開路（負(fù)載阻抗為無窮大時），電橋的輸出電壓為 （311） 以,代入上式可得 （312） 式中，C1和C2—差動電容式傳感器的電容。即 則 （313）由式（313）可見，變壓器式電橋在輸出阻抗極大的情況下，對于極距變化型電容式傳感器，其輸出電壓也與極板位移呈線性關(guān)系。 相敏檢波電路如圖38所示是高輸入阻抗線性全波檢波電路圖[1820]圖38 高輸入阻抗線性全波檢波電路電壓從電路圖左端口輸入，該電路它采用同相端輸入。當(dāng)0時，VD1導(dǎo)通、VD2截至，N2的同相輸入端與反相輸入端相同信號，得到=。0時，VD1截至，VD2導(dǎo)通，取R1=R2=R3=R4/2= R6/4，這時N1的輸出為 （314）N2的輸出為（315）所以 = （316）相敏檢波后的輸出信號為含有直流分量的周期信號，其包含高次諧波，故進(jìn)行低通濾波。構(gòu)成一階低通濾波[12]，其截至頻率應(yīng)遠(yuǎn)小于信號的頻率。本次畢業(yè)設(shè)計中微動工作臺的運動范圍為0~10，根據(jù)公式（313）、（316）可得電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路輸出范圍為0~，即微動工作臺變動1,電容式傳感器轉(zhuǎn)換電路電壓變動 A/D轉(zhuǎn)換電路由于本次畢業(yè)設(shè)計中的柔性鉸鏈微動工作臺行程為10分辨率為1,因此需要10000倍細(xì)分，而，因而需選擇一個16位的A/D轉(zhuǎn)換器。本次畢業(yè)設(shè)計采用的A/D轉(zhuǎn)換器為AD976A，它是一個+5V單電源供電的高速、低功耗16/位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器[2122]，轉(zhuǎn)換速度為2000kSPS，功耗為100mW。AD976A的集成性好。出廠前芯片的所有線性誤差都得到了補償，并且，諸如SNR（信噪比）和THD（總諧波失真）等的交流參數(shù)及失調(diào)，增益和線性度都得到全面測試。AD979A滿量程輸入范圍為V，本次畢業(yè)設(shè)計采用的輸入量程為0~+10V。AD976A的轉(zhuǎn)換精度為AD976A引腳功能如下所述：1. VIN：模擬輸入。該引腳和模擬信號源之間連接一個的電阻。2. AGND1：模擬地。作為REF引腳的參考地。3. REF：基準(zhǔn)輸入/輸出。該引腳為內(nèi)部+。兩種情況下，均應(yīng)在該引腳和REF引腳之間接入一個的電容。4. CAP：基準(zhǔn)緩沖器輸出。該引腳和AGND2引腳之間接入一個的電容。5. AGND2：模擬地。6. D15（MSB）：數(shù)據(jù)位15。7. D14~D8：數(shù)據(jù)位14~18.8. DGND：數(shù)字地。9. D7~D1：數(shù)據(jù)位7~1.10. D0（LSB）：數(shù)據(jù)位0.11. BYTE：字節(jié)選擇。BYTE為低時，腳（D15）為MSB，腳（D0）為LSB。BYTE為高時，高低8位數(shù)據(jù)交換輸出。AD976A與51單片機接口電路如圖39所示，啟動A/D轉(zhuǎn)換的條件是和均為低電平。因此，對地址7FFFH進(jìn)行寫操作即可啟動A/D轉(zhuǎn)換。而當(dāng)BYTE和為低電平，為高電平時，D0~D7輸出低8位數(shù)據(jù)，當(dāng)BYTE和為低電平，為高電平時，D8~D15輸出高8位數(shù)據(jù)，因此，讀低8位端口地址為EFFEH，放入51單片機31H單元中。讀高8位端口地址為DFFEH，放入51單片機30H單元中。啟動A/D轉(zhuǎn)換后。A/D轉(zhuǎn)換子程序見附錄二。圖39 AD976A的接口電路 MCS51單片機如圖310，是89C2051單片機芯片[23]引線排列圖，其功能可分為3部分：（1） I/O口線P0,P1,P2,P3均為8位的并行I/O口，它們的引線為：，，共32條引線可以全部用來做I/O線，還可以將其中部分用作單片機的片外總線。在進(jìn)行外部擴展時，P2口為高8位地址線（A15A18），P0口得8根引線是低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復(fù)用線。（2） 控制線A、 ALE地址鎖存允許當(dāng)單片機訪問外部存儲器時，輸出信號ALE用 圖310 89C2051引線排列圖于鎖存P0口輸出的低8位地址A7A0。ALE的輸出頻率為時鐘振蕩頻率的1/6。 B、程序存儲器選擇=0，單片機只訪問外部程序存儲器。=1，單片機先訪問內(nèi)部程序存儲器，若地址超過內(nèi)部程序存儲器的范圍，單片機將自動轉(zhuǎn)為訪問外部程序存儲器。C、片外程序存儲器允許片外程序存儲器的選通信號。在執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的程序時，無輸出始終為高電平。D、RET復(fù)位信號輸入 （3）電源及時鐘 VSS地端接地線VCC電源端接+5VXTAL1和XTAL2接晶震片或外部振蕩信號源在測量系統(tǒng)中主要運用數(shù)碼顯示管對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并運用矩陣鍵盤鍵入預(yù)定值。本次畢業(yè)設(shè)計中測量值范圍為0~10000，因此需4位數(shù)碼顯示管來顯示。51單片機鍵盤、顯示接口電路如圖311所示圖311 鍵盤、顯示接口電路圖本次畢業(yè)設(shè)計采用4位共陽極數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示，并通過軟件編程實現(xiàn)從右至左一次亮個數(shù)碼管。如圖311所示將所有數(shù)碼管的8個段選碼相應(yīng)地并接在一起，并接入到單片機的口，由口控制字段輸出。而各位數(shù)碼管的共陽極由單片機的口控制，由于數(shù)碼顯示管的驅(qū)動電壓為30V，所以口需要接三極管進(jìn)行放大。數(shù)碼管顯示子程序見附錄二。矩陣鍵盤又稱為行列式鍵盤，它是用4條線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每一個交叉點上，設(shè)置一個按鍵。這樣鍵盤中按鍵的個數(shù)是16個。這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能夠有效地提高單片機系統(tǒng)中的利用率。如圖311，行線接，列線接。鍵盤輸入子程序見附錄二。第4章 柔性鉸鏈微動工作臺控制系統(tǒng)設(shè)計本次畢業(yè)設(shè)計對柔性鉸鏈微動工作臺測量系統(tǒng)設(shè)計主要從硬件與軟件兩部分進(jìn)行解析。該控制系統(tǒng)主要由D/A轉(zhuǎn)換器，PID運算電路，功率放大器，壓電陶瓷（PZT）驅(qū)動器。本次畢業(yè)設(shè)計接下來將對該測量系統(tǒng)各個模塊進(jìn)行解析。 D/A轉(zhuǎn)換器本次畢業(yè)設(shè)計采用18位DAC1280，它是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的16位雙緩沖乘法DAC[24]，可直接與8位及16位微處理器接口。DAC1280能提供最大200的分辨率，％FSR，％，％FSR。由的單電源供電，其電流建立時間為1。電壓輸出有單極性輸出和雙極性輸出兩種方式，本次畢業(yè)設(shè)計采用單極性輸出，DAC1280與51單片機接口電路如圖41所示，其輸出電壓表達(dá)式為： （41）測量值與給定值的差值范圍為,根據(jù)公式（41）可得DAC1280接口電路的輸出電壓范圍為。圖41 DAC1280的接口電路單片機對DAC1280分兩步操作完成一次D/A轉(zhuǎn)換過程。單片機向端口地址7FH寫入高8位數(shù)據(jù)，向7EH寫入低8位數(shù)據(jù)。高8位數(shù)據(jù)在內(nèi)部RAM的45H單元，低8位數(shù)據(jù)在內(nèi)部RAM的46H單元。D/A轉(zhuǎn)換子程序見附錄二。 PID控制器PID控制器由比例單元P，積分單元I和微分單元D組成。通過三個參數(shù)的設(shè)定。它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 PID運算電路本次畢業(yè)設(shè)計采用PID調(diào)節(jié)電路由比例、微分、積分電路串聯(lián)構(gòu)成。如圖42，是PID串聯(lián)運算電路[2527]原理圖，其輸入信號是DAC1280的輸出信號（電壓范圍為）。圖42 PID調(diào)節(jié)器串聯(lián)電路其比例部分的傳遞函數(shù)為比例微分部分的傳遞函數(shù)為比例積分部分的傳遞函數(shù)PID運算電路總的傳遞函數(shù)為：為實現(xiàn)正常微分運算，要求，它可以忽略不計，因此可得 （42）式中——比例系數(shù)，； 其中為電位器RP的上部電阻值，為電位器RP的下部阻值；；； ——微分增益； ——積分增益，； ——互調(diào)干擾系數(shù)。，稱為調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)整定參數(shù)，可在一定范圍內(nèi)調(diào)整。 PID控制器參數(shù)整定一般整個機械傳動的動力學(xué)特性可表示為如下傳遞函數(shù)[2830]：（43）該柔性鉸鏈微動工作臺質(zhì)量，剛度，可得該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為： （44）然后運用Matlab[31]對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其示意圖如圖43所示，首先將積分系數(shù)和微分系數(shù)取零，直至滿足要求。然