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0引言

磁致伸縮位移(液位)傳感器，是根據磁致伸縮原理制造的行程長、精度高絕對位置測量的位移傳感器，可以測量運動物體的液位信號或者直線位移，根據不同的輸出信號，可分為數字式和模擬式兩種。位移傳感器的測量方式為非接觸式，有效地避免了部件因互相接觸而造成的磨損，非常適合應用于不需定期維護、環境惡劣的場合。由于位移傳感器中運動物體的位置變化產生模擬信號，怎樣將模擬信號進行數字化處理是值得探討的。近年來，借助微機的強大數據處理能力，磁致伸縮位移傳感器在精度、性能上都有了較大提高，通過對硬件電路、軟件的優化設計，達到將模擬信號數字化和數據快速精準采集處理的目的。

1系統概況

磁致伸縮傳感器數據采集系統

本系統由單片機、位移傳感器、信號轉換濾波放大電路、A/D轉換電路，液晶顯示器等組成，系統框圖如上圖所示。磁致位移傳感器安裝在油缸活塞中，測桿安裝在法蘭中心，活塞在測桿上運動時，傳感器完成測量點的數據采集，單片機對采集的數據進行處理，并將位移數值在液晶顯示器上進行顯示。

2系統硬件及硬件電路

2.1系統硬件

2.1.1單片機

本系統的位移數據采集設計，選用的是C8051F020單片機，C8051F系列單片機是美國德克薩斯州德的Cygna公司設計和制造的混合信號片上系統單片機，其主要模塊包括模擬外設、片內JTAG調試、邊界掃描、高速控制器內核、數字外設等幾個部分。它是一種高性能的數字和模擬混合微處理器，采用流水線結構、高速的8051兼容內核，運行速度達100MIPS,真正12位、8通道ADC,可在系統編程的64K字節Flash存儲器，5個通用16位定時器，硬件實現的SPI和兩個UART申行接口，在本采集系統中，不需要再進行擴展存儲器就可以實現功能，簡化了設計電路，也提高了可靠性。同以往51系列單片機相比，C8051F020單片機功能更加強大，其穩定性和速度也有了很大提升。

2.1.2液晶顯示器

液晶顯示器具有工作耗能低，顯示信息量大，接口靈活方便等優點，現在已經被應用廣泛。在計算機，檢測儀表等領域，液晶顯示器成為了人機對話和測量顯示的重要工具。本系統選用的是圖形點陣液晶顯示模塊，該模塊帶有LED底光，溫度范圍較廣，屬寬溫型，點陣數256×128,支持圖形、文本以及圖文合成的三顯方式，能達到圖文并茂的效果，并且該液晶顯示模塊還具有獨立的CPU和LCD控制器，可以通過串口和控制模塊的MCU進行數據傳輸。

2.1.3磁致伸縮位移傳感器

1842年，著名的物理學家JamesPrescottJoule發現了磁致伸縮效應。磁致伸縮材料是一種鐵、鎳合金材料，當受到外磁場作用時，材料被磁化了，它的磁疇結構也會發生變化，晶體的原子間距也發生了改變，導致了體積、形狀跟著變化，特別是鐵磁體物質在磁場方向上的長度的變化很明顯，成為人們研究探索的對象，這種磁效應現象就是：磁致伸縮效應。

磁致伸縮位移傳感器主要有電子倉、測桿、非接觸的可移動的磁環等構成，位移傳感器工作的時候，非接觸磁環產生磁場，電子倉內固定頻率的電流也產生磁場，當兩個磁場相交時，矢量疊加，就會產生磁致伸縮效應，產生的脈沖回應需要的時間周期乘以一個固定的速度(因為脈沖管上的速度是恒定的),就可以計算出非接觸可移動磁環的位置，以此就實現了對位移量的測量。這個過程是持續不間斷的過程，當運動至新位置，就會重新確定測量。

2.2系統硬件電路

2.2.1信號轉換及濾波放大電路

位移傳感器產生4mA～20mA的電流信號，該信號通過信號轉換及濾波放大電路，轉變為滿足A/D轉換器輸入要求的標電信號，該信號調節電路的設計電路圖如下圖所示。信號濾波放大電路則是采用的AD8572型運算放大器，電路設計的放大量為放大100倍，輸出電壓為0.4V～2V,該型運算放大器的失調電壓為1μV,失調電壓漂移為0.005μV/℃,在工作溫度范圍內的漂移接近零，能夠較好地滿足設計的目標。

濾波、放大電路原理圖

2.2.2A/D轉換電路

A/D轉換電路采用美國AD公司的ADS1211P芯片，該芯片屬于一種數據采集—模數轉換器，它是一種集成度比較高、價格比較低的逐次比較式12位A/D,通過三態緩沖器將轉換結果輸出，直接與16位數據總線微處理器接口相連接，輸入信號采用了單極性方式，信號幅度為0～+5V,位移傳感器的輸出信號，先經濾波放大電路，然后進入ADS1211P的4腳，然后通過ADS1211P的21腳與單片機相連，其電路原理圖如下圖所示。ADS1211P工作一般分兩個過程，一個過程是轉換的過程，當CS=0,DRDY=0時，啟動ADS1211P芯片開始轉換工作，再一過程就是讀取12位并行轉換結果，當CS=0,DRDY=1時，就可一次讀出轉換的12位數據。

A/D轉換電路原理圖

3軟件設計

整個控制系統的軟件開發是在SilabIDE開發環境中進行的。軟件以keil C語言編寫，具有良好的可讀性和可維護性，本軟件為嵌入式系統應用軟件，直接進行底層開發，不需要嵌入式操作系統支持，依靠MCU指令集和中斷系統完成整個處理流程。其軟件流程圖如下圖所示：當系統上電時，單片機系統對各個模塊進行初始化，然后進入自循環模式，單片機會根據采集到的位移傳感器信號進行處理并在液晶顯示器上進行顯示。