基于单片机的电容式位移测量系统研制

叶 军 ,杨 波

(1.北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,北京100191;2.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100191)

0 引言

“信号与测试技术”是我校针对自动化科学与电气工程学院各专业开设的平台课程,也是专业基础课程。主要讲述工业自动化、环境监测、楼宇控制和交通等领域中常见物理量(温度、压力、流量、位移、速度和加速度、力和力矩等)的传感器测量原理、信号分析方法以及测试系统的构成与基本特性。其中位移作为速度和加速度等物理量的基础,是一个比较重要的物理量。电容位移测量系统由于具有功率小、阻抗高、动态特性好以及可进行非接触测量等优点[1],应用十分广泛。因此,它是位移测量教学中的重点内容。

常用的电容检出电路主要有六种类型:调频电路、谐振电路、运算放大电路、二极管双T型交流电路、脉冲调制电路和电桥电路。由于实验室现有的差动电容传感器的本体电容值微小(几PF至几十PF),电容的变化量更小,这样微小的电容需要根据实际使用的电容传感器的特点和所需达到的性能指标来选择合适的测量电路。

1 测量系统概述

我校现有的测量实验设备尚无法形成规模化实验教学,需要在控制硬件成本的前提下自主研发一套实验设备予以解决。由于51单片机的价格低廉,技术成熟且能够实现复杂的控制功能和多样的外围接口,我们提出了一种基于单片机的电容式位移测量系统的设计方案。

基于单片机的电容式位移测量系统采用螺旋测微器作为位移激励源,经传感器感应出电容的变化量,再经调理电路转化为可测的电压信号。然后利用AD转换器实现信号的采集,由单片机进行信号的处理和传输。最终在上位机实时显示,并进行线性拟合给出相关数据。

2 硬件设计方案

基于单片机的电容式位移测量系统的硬件电路主要由差动电容传感器、调理电路和以51单片机为核心的信号采集处理电路构成。其主要部分是正弦波发生器、交流电桥[2]、交流放大电路、滤波电路[3]、移相电路、相敏检波电路[4]、整流电路、信号采集电路、单片机、信号传输电路以及用于数据处理的上位机。图1为所设计的硬件电路原理图。

图1 系统硬件电路原理图

我们设计的测量系统采用交流电桥作为电容信号的检出电路。交流电桥具有较高的灵敏度和稳定性,寄生电容极小,可以大大简化电桥的屏蔽和接地,非常适合于在高频工作。当差动电容传感器接入电桥电路中,后续的放大器输入阻抗很高时,对任何类型的电容式传感器,电桥的输出电压与输入量均可成线性关系。本系统电桥的接入端为差动电容传感器,从而构成了电容电桥,因此电桥输出信号相位滞后于输入信号90°。

信号经交流电桥检出放大,夹杂的噪声使正弦信号已无法被分辨,因此需要一个滤波电路。本文采用压控的二阶低通滤波器既能滤去噪声,且因其负反馈特性使输出更加稳定。

被测量位移是一个矢量,为了辨别位移的方向,可以采用一个相敏检波电路。相敏检波电路如图2所示。图中A为零电压比较器,D为检波二极管,B为差动放大器,对信号进行放大和合成。A和B均采用具有双运放的集成芯片OP213FP。A的输入为参考信号Ur(t)(图示COS),B的输入为被测信号Us(t)(图示JLFD)。由于差动电容输出信号在位移零点两侧会产生180°的相移。因此,对于被测信号和参考信号而言,如果同频同相,相敏检波电路输出电压为负,若同频不同相即相位差为180°时,其输出电压为正。

图2 相敏检波电路图

在实际的测量系统中,为确保参考信号Ur(t)和被测信号Us(t)频率相同,采用同一信号源激励

式中,频率可为低频至数百kHz,对其频率稳定度要求不高。且Ur,Us同相,相位差为0时相敏检波器可获最大输出,便于测量。其中Ur,Us是否同相对实验结果的准确性影响很大。此电路在抑制噪声的同时,更重要的是为了辨别位移的方向,其主要判断的依据就是Ur,Us的相位差为0或180°。若Ur,Us不同相,就会导致相敏检波的输出波形失真,严重影响实验结果。

为了方便AD转换器进行数据采集,采用了整流电路以提取相敏检波输出信号的有效值。同时考虑到相敏检波输出信号有正负,此时搭建一个加法电路以后,移动电势零点,使整流输出的电压符合AD转换器进行采集时的电压要求。

AD采样电路选用了有自校准功能的精密A/D转换器ADS1100,图3是信号采集电路,利用了I2C总线后,电路非常简洁。

图3 信号采集电路

单片机选用了STC公司的单时钟单片机,其指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍[5]。

和上位机的通信采用 RS-232C,利用一块MAX232芯片将T TL电平转换至符合RS-232C的传输标准[6]。

3 软件设计方案

系统软件由下位机软件和上位机软件组成。

1)下位机软件

下位机软件由Keil C软件编写[7],主要实现利用AD转换器进行数据采集,然后将数据转换为ASCII码,接着利用串口将数据发送到上位机。图4为程序结构框图。

图4 下位机软件程序框图

2)上位机软件

上位机软件采用LabVIEW编写。它除了能够对数据进行实时动态显示,还能够在数据采集时自动储存所记录的数据,且在数据采集完毕后自动计算出拟合直线的相关数据,并给以图形显示。程序框图如图5所示。

图5 上位机软件程序框图

4 测量实验结果

进行测量实验时,经交流放大后的检出信号和相敏检波的输出信号如图6所示。它们是传感器在正向位移时的输出波形,用以在测量过程中观测相敏检波信号的变化,并判断出差动电容传感器的零点位置。在进行标定以后,可以从相敏检波信号的变化中判断出电容传感器的位移方向和变化趋势。

图6 交流放大检出信号(上)和相敏检波输出信号(下)

在位移测量实验中,螺旋测微仪每移动1mm,记录一个数据,正反行程各记录一组数据,在数据采集完毕以后由程序自动计算出相关数据,显示界面如图7所示。程序中线性拟合缺省的方法为最小二乘法,也可由学生利用已经储存的数据编程实现计算其它线性度。经计算得到其线性度为1.96%,加权均方误差为0.00042。

利用Matlab的Cftool工具箱对记录的数据进行线性拟合后,得出的图形如图8所示。计算出的拟合直线为f(x)=0.1419x+1.084,其均方根误差为0.02197,方差为0.006758。

图7 数据采集以后程序前面板

图8 Matlab中的拟合直线

由于电容传感器自带了一个双T型电桥电路,利用上述相同的方法进行测试,同样采用Matlab的Cftool工具箱进行数据处理以后,得到的拟合直线f(x)=0.06618x-0.8437,均方根误差0.01367,方差为0.002617。

由两者的拟合直线来看,发现利用交流电桥测出的数据偏离拟合直线很少,而利用双T型电桥测出的数据相比较偏离拟合直线较大。计算后者的线性度为2.76%,可见本文设计的调理电路具有更好的线性度。

5 结语

本文设计的测量系统实现了数据采集、数据记录和数据处理的有机结合,大大地简化了实验过程。同时,本系统在测量过程中可提供更多的信息,实时观测相敏检波信号、交流放大信号和直流电压等信号,以加深对实验原理的认识与理解。系统的另外一个优点是可扩展性,学生可以根据自己的需要去编写单片机程序和上位机软件,实现更多的扩展功能。

[1] 孟凡文,高连军,张玉香等.高精度电容位移传感器设计[J].北京:传感器世界,2007,3,16-17

[2] 周继明,江世明.传感技术与应用(第二版)[M].长沙:中南大学出版社,2009.1

[3] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2000

[4] 丁士心,庄严.一种实用相敏检波器电路的设计[J].北京:计量技术,1999,12:32-33

[5] 姚永平.STC12C5201AD系列单片机器件手册[EB/OL].2008-11-22

[6] 李朝青.单片机原理及接口技术(第三版)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005,9

[7] 郭惠,吴迅.单片机C语言程序完全自学手册[M].北京:电子工业出版社,2008,10