C8051F在磁致伸缩位移传感器中的应用-电子发烧友网

0引言

磁致伸缩位移(液位)传感器，是根据磁致伸缩原理制造的行程长、精度高绝对位置测量的位移传感器，可以测量运动物体的液位信号或者直线位移，根据不同的输出信号，可分为数字式和模拟式两种。位移传感器的测量方式为非接触式，有效地避免了部件因互相接触而造成的磨损，非常适合应用于不需定期维护、环境恶劣的场合。由于位移传感器中运动物体的位置变化产生模拟信号，怎样将模拟信号进行数字化处理是值得探讨的。近年来，借助微机的强大数据处理能力，磁致伸缩位移传感器在精度、性能上都有了较大提高，通过对硬件电路、软件的优化设计，达到将模拟信号数字化和数据快速精准采集处理的目的。

1系统概况

磁致伸缩传感器数据采集系统

本系统由单片机、位移传感器、信号转换滤波放大电路、A/D转换电路，液晶显示器等组成，系统框图如上图所示。磁致位移传感器安装在油缸活塞中，测杆安装在法兰中心，活塞在测杆上运动时，传感器完成测量点的数据采集，单片机对采集的数据进行处理，并将位移数值在液晶显示器上进行显示。

2系统硬件及硬件电路

2.1系统硬件

2.1.1单片机

本系统的位移数据采集设计，选用的是C8051F020单片机，C8051F系列单片机是美国德克萨斯州德的Cygna公司设计和制造的混合信号片上系统单片机，其主要模块包括模拟外设、片内JTAG调试、边界扫描、高速控制器内核、数字外设等几个部分。它是一种高性能的数字和模拟混合微处理器，采用流水线结构、高速的8051兼容内核，运行速度达100MIPS,真正12位、8通道ADC,可在系统编程的64K字节Flash存储器，5个通用16位定时器，硬件实现的SPI和两个UART申行接口，在本采集系统中，不需要再进行扩展存储器就可以实现功能，简化了设计电路，也提高了可靠性。同以往51系列单片机相比，C8051F020单片机功能更加强大，其稳定性和速度也有了很大提升。

2.1.2液晶显示器

液晶显示器具有工作耗能低，显示信息量大，接口灵活方便等优点，现在已经被应用广泛。在计算机，检测仪表等领域，液晶显示器成为了人机对话和测量显示的重要工具。本系统选用的是图形点阵液晶显示模块，该模块带有LED底光，温度范围较广，属宽温型，点阵数256×128,支持图形、文本以及图文合成的三显方式，能达到图文并茂的效果，并且该液晶显示模块还具有独立的CPU和LCD控制器，可以通过串口和控制模块的MCU进行数据传输。

2.1.3磁致伸缩位移传感器

1842年，著名的物理学家JamesPrescottJoule发现了磁致伸缩效应。磁致伸缩材料是一种铁、镍合金材料，当受到外磁场作用时，材料被磁化了，它的磁畴结构也会发生变化，晶体的原子间距也发生了改变，导致了体积、形状跟着变化，特别是铁磁体物质在磁场方向上的长度的变化很明显，成为人们研究探索的对象，这种磁效应现象就是：磁致伸缩效应。

磁致伸缩位移传感器主要有电子仓、测杆、非接触的可移动的磁环等构成，位移传感器工作的时候，非接触磁环产生磁场，电子仓内固定频率的电流也产生磁场，当两个磁场相交时，矢量叠加，就会产生磁致伸缩效应，产生的脉冲回应需要的时间周期乘以一个固定的速度(因为脉冲管上的速度是恒定的),就可以计算出非接触可移动磁环的位置，以此就实现了对位移量的测量。这个过程是持续不间断的过程，当运动至新位置，就会重新确定测量。

2.2系统硬件电路

2.2.1信号转换及滤波放大电路

位移传感器产生4mA～20mA的电流信号，该信号通过信号转换及滤波放大电路，转变为满足A/D转换器输入要求的标电信号，该信号调节电路的设计电路图如下图所示。信号滤波放大电路则是采用的AD8572型运算放大器，电路设计的放大量为放大100倍，输出电压为0.4V～2V,该型运算放大器的失调电压为1μV,失调电压漂移为0.005μV/℃,在工作温度范围内的漂移接近零，能够较好地满足设计的目标。

滤波、放大电路原理图

2.2.2A/D转换电路

A/D转换电路采用美国AD公司的ADS1211P芯片，该芯片属于一种数据采集—模数转换器，它是一种集成度比较高、价格比较低的逐次比较式12位A/D,通过三态缓冲器将转换结果输出，直接与16位数据总线微处理器接口相连接，输入信号采用了单极性方式，信号幅度为0～+5V,位移传感器的输出信号，先经滤波放大电路，然后进入ADS1211P的4脚，然后通过ADS1211P的21脚与单片机相连，其电路原理图如下图所示。ADS1211P工作一般分两个过程，一个过程是转换的过程，当CS=0,DRDY=0时，启动ADS1211P芯片开始转换工作，再一过程就是读取12位并行转换结果，当CS=0,DRDY=1时，就可一次读出转换的12位数据。

A/D转换电路原理图

3软件设计

整个控制系统的软件开发是在SilabIDE开发环境中进行的。软件以keil C语言编写，具有良好的可读性和可维护性，本软件为嵌入式系统应用软件，直接进行底层开发，不需要嵌入式操作系统支持，依靠MCU指令集和中断系统完成整个处理流程。其软件流程图如下图所示：当系统上电时，单片机系统对各个模块进行初始化，然后进入自循环模式，单片机会根据采集到的位移传感器信号进行处理并在液晶显示器上进行显示。