基于單片機(jī)的電容式位移測(cè)量系統(tǒng)研制

葉 軍 ,楊 波

(1.北京航空航天大學(xué)物理科學(xué)與核能工程學(xué)院,北京100191;2.北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院,北京100191)

0 引言

“信號(hào)與測(cè)試技術(shù)”是我校針對(duì)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院各專業(yè)開設(shè)的平臺(tái)課程,也是專業(yè)基礎(chǔ)課程。主要講述工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、樓宇控制和交通等領(lǐng)域中常見物理量(溫度、壓力、流量、位移、速度和加速度、力和力矩等)的傳感器測(cè)量原理、信號(hào)分析方法以及測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成與基本特性。其中位移作為速度和加速度等物理量的基礎(chǔ),是一個(gè)比較重要的物理量。電容位移測(cè)量系統(tǒng)由于具有功率小、阻抗高、動(dòng)態(tài)特性好以及可進(jìn)行非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)[1],應(yīng)用十分廣泛。因此,它是位移測(cè)量教學(xué)中的重點(diǎn)內(nèi)容。

常用的電容檢出電路主要有六種類型:調(diào)頻電路、諧振電路、運(yùn)算放大電路、二極管雙T型交流電路、脈沖調(diào)制電路和電橋電路。由于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的差動(dòng)電容傳感器的本體電容值微小(幾PF至幾十PF),電容的變化量更小,這樣微小的電容需要根據(jù)實(shí)際使用的電容傳感器的特點(diǎn)和所需達(dá)到的性能指標(biāo)來(lái)選擇合適的測(cè)量電路。

1 測(cè)量系統(tǒng)概述

我?，F(xiàn)有的測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)備尚無(wú)法形成規(guī)模化實(shí)驗(yàn)教學(xué),需要在控制硬件成本的前提下自主研發(fā)一套實(shí)驗(yàn)設(shè)備予以解決。由于51單片機(jī)的價(jià)格低廉,技術(shù)成熟且能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制功能和多樣的外圍接口,我們提出了一種基于單片機(jī)的電容式位移測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

基于單片機(jī)的電容式位移測(cè)量系統(tǒng)采用螺旋測(cè)微器作為位移激勵(lì)源,經(jīng)傳感器感應(yīng)出電容的變化量,再經(jīng)調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為可測(cè)的電壓信號(hào)。然后利用AD轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集,由單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)的處理和傳輸。最終在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示,并進(jìn)行線性擬合給出相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

基于單片機(jī)的電容式位移測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路主要由差動(dòng)電容傳感器、調(diào)理電路和以51單片機(jī)為核心的信號(hào)采集處理電路構(gòu)成。其主要部分是正弦波發(fā)生器、交流電橋[2]、交流放大電路、濾波電路[3]、移相電路、相敏檢波電路[4]、整流電路、信號(hào)采集電路、單片機(jī)、信號(hào)傳輸電路以及用于數(shù)據(jù)處理的上位機(jī)。圖1為所設(shè)計(jì)的硬件電路原理圖。

圖1 系統(tǒng)硬件電路原理圖

我們?cè)O(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)采用交流電橋作為電容信號(hào)的檢出電路。交流電橋具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性,寄生電容極小,可以大大簡(jiǎn)化電橋的屏蔽和接地,非常適合于在高頻工作。當(dāng)差動(dòng)電容傳感器接入電橋電路中,后續(xù)的放大器輸入阻抗很高時(shí),對(duì)任何類型的電容式傳感器,電橋的輸出電壓與輸入量均可成線性關(guān)系。本系統(tǒng)電橋的接入端為差動(dòng)電容傳感器,從而構(gòu)成了電容電橋,因此電橋輸出信號(hào)相位滯后于輸入信號(hào)90°。

信號(hào)經(jīng)交流電橋檢出放大,夾雜的噪聲使正弦信號(hào)已無(wú)法被分辨,因此需要一個(gè)濾波電路。本文采用壓控的二階低通濾波器既能濾去噪聲,且因其負(fù)反饋特性使輸出更加穩(wěn)定。

被測(cè)量位移是一個(gè)矢量,為了辨別位移的方向,可以采用一個(gè)相敏檢波電路。相敏檢波電路如圖2所示。圖中A為零電壓比較器,D為檢波二極管,B為差動(dòng)放大器,對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和合成。A和B均采用具有雙運(yùn)放的集成芯片OP213FP。A的輸入為參考信號(hào)Ur(t)(圖示COS),B的輸入為被測(cè)信號(hào)Us(t)(圖示JLFD)。由于差動(dòng)電容輸出信號(hào)在位移零點(diǎn)兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生180°的相移。因此,對(duì)于被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)而言,如果同頻同相,相敏檢波電路輸出電壓為負(fù),若同頻不同相即相位差為180°時(shí),其輸出電壓為正。

圖2 相敏檢波電路圖

在實(shí)際的測(cè)量系統(tǒng)中,為確保參考信號(hào)Ur(t)和被測(cè)信號(hào)Us(t)頻率相同,采用同一信號(hào)源激勵(lì)

式中,頻率可為低頻至數(shù)百kHz,對(duì)其頻率穩(wěn)定度要求不高。且Ur,Us同相,相位差為0時(shí)相敏檢波器可獲最大輸出,便于測(cè)量。其中Ur,Us是否同相對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大。此電路在抑制噪聲的同時(shí),更重要的是為了辨別位移的方向,其主要判斷的依據(jù)就是Ur,Us的相位差為0或180°。若Ur,Us不同相,就會(huì)導(dǎo)致相敏檢波的輸出波形失真,嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

為了方便AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采用了整流電路以提取相敏檢波輸出信號(hào)的有效值。同時(shí)考慮到相敏檢波輸出信號(hào)有正負(fù),此時(shí)搭建一個(gè)加法電路以后,移動(dòng)電勢(shì)零點(diǎn),使整流輸出的電壓符合AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集時(shí)的電壓要求。

AD采樣電路選用了有自校準(zhǔn)功能的精密A/D轉(zhuǎn)換器ADS1100,圖3是信號(hào)采集電路,利用了I2C總線后,電路非常簡(jiǎn)潔。

圖3 信號(hào)采集電路

單片機(jī)選用了STC公司的單時(shí)鐘單片機(jī),其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍[5]。

和上位機(jī)的通信采用 RS-232C,利用一塊MAX232芯片將T TL電平轉(zhuǎn)換至符合RS-232C的傳輸標(biāo)準(zhǔn)[6]。

3 軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)軟件由下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件組成。

1)下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件由Keil C軟件編寫[7],主要實(shí)現(xiàn)利用AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ASCII碼,接著利用串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。圖4為程序結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 下位機(jī)軟件程序框圖

2)上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件采用LabVIEW編寫。它除了能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示,還能夠在數(shù)據(jù)采集時(shí)自動(dòng)儲(chǔ)存所記錄的數(shù)據(jù),且在數(shù)據(jù)采集完畢后自動(dòng)計(jì)算出擬合直線的相關(guān)數(shù)據(jù),并給以圖形顯示。程序框圖如圖5所示。

圖5 上位機(jī)軟件程序框圖

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí),經(jīng)交流放大后的檢出信號(hào)和相敏檢波的輸出信號(hào)如圖6所示。它們是傳感器在正向位移時(shí)的輸出波形,用以在測(cè)量過(guò)程中觀測(cè)相敏檢波信號(hào)的變化,并判斷出差動(dòng)電容傳感器的零點(diǎn)位置。在進(jìn)行標(biāo)定以后,可以從相敏檢波信號(hào)的變化中判斷出電容傳感器的位移方向和變化趨勢(shì)。

圖6 交流放大檢出信號(hào)(上)和相敏檢波輸出信號(hào)(下)

在位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)中,螺旋測(cè)微儀每移動(dòng)1mm,記錄一個(gè)數(shù)據(jù),正反行程各記錄一組數(shù)據(jù),在數(shù)據(jù)采集完畢以后由程序自動(dòng)計(jì)算出相關(guān)數(shù)據(jù),顯示界面如圖7所示。程序中線性擬合缺省的方法為最小二乘法,也可由學(xué)生利用已經(jīng)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)編程實(shí)現(xiàn)計(jì)算其它線性度。經(jīng)計(jì)算得到其線性度為1.96%,加權(quán)均方誤差為0.00042。

利用Matlab的Cftool工具箱對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合后,得出的圖形如圖8所示。計(jì)算出的擬合直線為f(x)=0.1419x+1.084,其均方根誤差為0.02197,方差為0.006758。

圖7 數(shù)據(jù)采集以后程序前面板

圖8 Matlab中的擬合直線

由于電容傳感器自帶了一個(gè)雙T型電橋電路,利用上述相同的方法進(jìn)行測(cè)試,同樣采用Matlab的Cftool工具箱進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以后,得到的擬合直線f(x)=0.06618x-0.8437,均方根誤差0.01367,方差為0.002617。

由兩者的擬合直線來(lái)看,發(fā)現(xiàn)利用交流電橋測(cè)出的數(shù)據(jù)偏離擬合直線很少,而利用雙T型電橋測(cè)出的數(shù)據(jù)相比較偏離擬合直線較大。計(jì)算后者的線性度為2.76%,可見本文設(shè)計(jì)的調(diào)理電路具有更好的線性度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理的有機(jī)結(jié)合,大大地簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程。同時(shí),本系統(tǒng)在測(cè)量過(guò)程中可提供更多的信息,實(shí)時(shí)觀測(cè)相敏檢波信號(hào)、交流放大信號(hào)和直流電壓等信號(hào),以加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)識(shí)與理解。系統(tǒng)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可擴(kuò)展性,學(xué)生可以根據(jù)自己的需要去編寫單片機(jī)程序和上位機(jī)軟件,實(shí)現(xiàn)更多的擴(kuò)展功能。

[1] 孟凡文,高連軍,張玉香等.高精度電容位移傳感器設(shè)計(jì)[J].北京:傳感器世界,2007,3,16-17

[2] 周繼明,江世明.傳感技術(shù)與應(yīng)用(第二版)[M].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社,2009.1

[3] 童詩(shī)白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2000

[4] 丁士心,莊嚴(yán).一種實(shí)用相敏檢波器電路的設(shè)計(jì)[J].北京:計(jì)量技術(shù),1999,12:32-33

[5] 姚永平.STC12C5201AD系列單片機(jī)器件手冊(cè)[EB/OL].2008-11-22

[6] 李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)(第三版)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005,9

[7] 郭惠,吳迅.單片機(jī)C語(yǔ)言程序完全自學(xué)手冊(cè)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008,10