基于LVDT传感器的圆柱体直径测量仪的设计

　　本文介绍一种基于LVDT传感器的高精度、低功耗、数字式柱体直径测量仪。

　　1　测量原理

　　图1为圆柱体的横截面的一部分,图中A、B、C三点为测量仪的三个触头,其中A、B为两个支撑触头,C为LVDT传感器触头。A、B两个触头是固定的,传感器触头C可朝离圆心方向移动。A、B、C三点在同一平面的一个等腰三角形上,CA=CB,触头C没有移动时,C到AB的距离为常量L。在测量时,最先接触到柱体面的是测量仪的传感器触头C,在压力作用下触头C向离圆心方向移动,直到A、B两个触头都与柱面接触,而无法移动。这时可测得传感器触头C的位移为h,而此时C到AB的距离变为H=L+h。另外A、B两个支撑点间的距离为常数w。此时图中三角形CBD间存在如下关系:

　　由几何知识可知,三角形CBD与COE相似,

　　从而得出圆柱体的直径d为:

　　式(1)中w、L为常量,h为触头C的位移。

　　2　系统硬件设计

　　本测量仪硬件主要由单片机、键盘、LCD显示器、时钟电路、数据采集电路和外部数据存储器等几个部分组成(系统构成图如图2所示)。通过键盘可输入有关数字和字母、设置日期和时间,测量结果以日期和时间为前缀存储在外部数据EEPROM里面,便于查询,最多可存储16KB测量数据,且能通过串口RS232与PC机通信将测量结果下载到PC机上。液晶显示器上实时显示测量结果和当前时间,时钟电路为系统提供日期和时间。单片机为本仪器的主控制器,数据采集电路为本仪器的核心电路,用于测量位移值。

　　2.1　主要器件选择

　　2.1.1　P89LPC936单片机

　　本仪器选用的是飞利蒲公司生产的P89LPC936型单片机,该单片机主要有以下优点:

　　(1)低功耗、宽电压供电2.4~3.6V,内带16K字节可重复擦写10万次的FLASH, 256字节的RAM。因此系统无需外扩程序存储器。

　　(2)该单片机指令与8051系列机兼容,但指令周期只有8051的六分之一。并可通过串口在系统编程(ISP),直接将程序下载到单片机,因此给开发带来方便。

　　(3)该单片机有9个中断源, 4级中断优先级,并可编程设置中断优先级。有专门的键盘接口,简化了电路设计。功能丰富,最多有23个I/O口可用,而引脚只有28个。

　　2.1.2　模数转换芯片ADS1112

　　本测量仪对采样精度要求高,而对采样速率要求却不高,ADS1112芯片正好符合这个要求,其转换位数最大为16位,转换速率为15SPs。低功耗、工作电流只有220μA,输出为IIC接口,模拟信号输入有两种方式即两路差分输入或三路单独输入(本电路采用的是单独输入方式)。内部自带参考电压、自校准电路、增益电路和振荡电路。引脚少、外围电路设计简单,同时节省空间。