基于单片机的机械位移测量系统的设计

　　1 引言

　　差动变压器式(lvdt)位移传感器广泛应用于工业现场和测试领域，如过程检测和自动控制、形变测量等，适用于油污、光照等恶劣环境。由于这种传感器的可靠性和耐用性，我们选用它监控机械位移量，为此，要设计与传感器配套的测量装置。

　　2 系统设计

　　本系统采用内含4kb程序存储器的8位单片微型计算机89c51，其内部4kb程序存贮器可以满足本系统的需求，同时可以较大限度地减少外围器件;按照有效量程和精度，本系统选用国内厂家的配套产品ac-lvdt传感器;使用四组(每组5个)led七段数码管同时显示四路测量值; 由于过程控制信号的采样，需采用较高速的a/d转换器。系统原理图如图1所示。　　

　　图1 系统原理图

　　2.1 硬件设计

　　系统选用ac-lvdt传感器，按照差动变压器的原理，首先需要在调理电路中提供一次绕组供电的音频电压，然后通过相敏解调电路与滤波电路，将二次电压转换成直流缓变讯号。其次，信号再经过低通滤波器滤除高频杂波，经运算放大器放大后送a/d转换器。电路中使用ac-lvdt专用集成电路ad698，此芯片提供lvdt的初级激励电压，同时将相敏解调电路与滤波电路集成，将lvdt传感器接入ad698的输入和输出端，即可得到传感器直流信号。参见电路图 2。　　

　　图2 信号调理电路

　　lvdt激励电压(初级电压)的频率和幅值可以通过芯片外围的电阻和电容计算选择，输出直流信号的范围和极性以同样的方式获得，因为不同厂家、不同型号的 ac-lvdt传感器的带宽和激励电压都不相同，阻容参数直接影响线性度和分辨率，所以应向厂家索取传感器的这些参数。

　　2.2 软件设计

　　由于采用动态扫描显示电路和a/d转换，都需要单片机实时进行控制，所以系统程序的时序要求较强，同时a/d转换器采样数据需要进行均值计算，将消耗相当的系统资源和运算时间，必须合理分配单片机的资源，调整程序各模块的逻辑和时序关系。图3为主程序框图。

　　3 系统稳定性说明

　　系统稳定性:主要分为温度稳定性和时间稳定性。因为此装置用于相对值测量，重点控制温度误差。

　　由器件发热造成的待测信号的漂移，可用两个参数来表述:一是零点温度系数，等效于输入-输出特性曲线中零位随温度的变化，二是量程温度系数，等效于特性曲线的斜率变化。

　　根据手册计算，ad698的零点温度系数为5ppm，量程温度系数(增益误差)为20ppm，按温升40℃计算，零点漂移0.2‰,可以忽略不计，增益误差0.8‰，最大有效行程(1000单位)漂移0.8个分度。