基于单片机的光纤智能位移计.docx

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基于单片机的光纤智能位移计

摘要

目前有很多位移测量的方法，光纤测位移测量是众多位移测量方法中发展较快、应用较多的一种。

其中，反射式光纤测位移是发展较早且技术相对成熟的一种，选用此原理制成的光纤位移传感器具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、结构简单、体积小、质量轻、耐腐蚀、防爆等一系列独特的优点[1]。

因此，本设计采用反射式光纤位移传感器，制成专用于微小距离测量的光纤智能位移计。

系统的设计主要分为两部分，第一部分为硬件电路的器件选取与设计，第二部分为软件整体设计与具体程序编写与调试。

其中，硬件电路选用了AT89C52单片机作为系统的控制中心，通过数据采集电路对位移量进行实时采集、通过MCP3001A/D转换电路对采集的模拟信号进行转换，通过LCD1602进行提示信息与数据的显示，通过行列式键盘实现人对光纤智能位移计的控制，同时还设计有上下限报警电路和独立复位按钮等。

软件设计中，整体采用模块化设计，主要划分为按键处理模块、A/D转换部分、数据处理部分、LCD显示部分等。

其中，每种模块在设计时又均采用子程序调用的方法，从而使得软件的编程更加高效、精简。

同时采用C语言进行程序编写，大大增加了程序的可读性，使得软件调试变得较为方便。

本设计主要采用PROTEUS进行硬件的设计及其仿真，采用Keil进行程序编写。

在设计中，首先进行PROTEUS中的硬件系统搭建，在搭建完成后进行仿真运行，检查硬件系统搭建是否合理。

在硬件搭建合理的前提下，阅读相关芯片的编程学习资料，并运用C语言在Keil中进行模块化程序设计。

在每部分的软件编程完成后，都运用PROTEUS与Keil进行联合调试，确保其能完成设计所需的功能。

为了使调试更加直观简便，在调试的过程中，我们按照显示部分、按键部分、A/D转化部分、数据采集的顺序进行，后面的部分以前面的部分为基础。

整个设计完成后进行了软硬件的联合调试，最终实现了对位移的实时测量。

关键词：

单片机；光纤位移传感器；位移测量；PROTEUS

Abstract

Therearealotofdisplacementmeasurementmethod,opticalmeasuringdisplacementmeasurementisoneofmanydisplacementmeasurementmethoddevelopmentfaster,moreakindofapplication.Amongthem,thereflectivefiberopticdisplacementmeasurementtechnologyisrelativelymature,andtheolderone,theuseoffiberopticdisplacementsensormadeofthisprinciplehasastronganti-electromagneticinterferencecapability,highsensitivity,simplestructure,smallsize,lightweight,corrosionresistance,aseriesofuniqueadvantages,suchasproof.Therefore,thedesignusesfiberopticdisplacementsensordedicatedtothesmalldistancemeasurementsmadefiberintelligentdisplacementmeter.

Designofthesystemisdividedintotwoparts,thefirstpartofthedevicetoselectanddesignthehardwarecircuit,thesecondpartistheoveralldesignandspecificsoftwareprogramminganddebugging.

Amongthem,thechoiceofhardwarecircuitAT89C52microcontrollerasthesystemcontrolcenter,dataacquisitioncircuitfordisplacementofreal-timeacquisition,throughMCP3001A/Dconvertercircuitforconvertingtheanalogsignalacquisition,throughpromptLCD1602displayinformationanddatathroughdeterminantkeyboardtoachievecontrolleddisplacementmeterforfibersmart,butalsothedesignofthecircuitandaseparateupperandloweralarmresetbutton.

Softwaredesign,theoverallmodulardesign,mainlydividedintokeyprocessingmodule,A/Dconversionsection,dataprocessing,LCDdisplaysectionandsoon.Whereeachmoduleareusedinthedesigntimeandmethodofsubroutinecalls,makingprogrammingsoftwaremoreefficient,streamlined.WhileusingtheCprogramminglanguage,whichgreatlyincreasesthereadabilityoftheprogram,makingthesoftwaredebuggingbecomesmoreconvenient.

ThisdesignusesPROTEUShardwaredesignandsimulation,usingKeilforprogramming.Inthedesign,firstPROTEUShardwaresystemconstruction,builtafterthecompletionofthesimulationrun,checkthehardwaresystemsetupisreasonable.Inthecaseofhardwaretobuildareasonablepremise,Readchipprogramminglearningmaterials,andtheuseofClanguageprograminKeilinmodulardesign.Afterthecompletionofeachpartofsoftwareprogramming,allusingPROTEUSwithKeiljointcommissioning,ensurethatitcancompletethedesignoftherequiredfunctionality.Inordertomakemoreintuitiveandeasytodebug,debuggingprocess,wefollowthedisplaysection,thekeypart,A/Dconversionsection,theorderofdataacquisition,withthebackpartofthefrontpartofthefoundation.Afterthecompletionoftheentiredesignofthejointcommissioningofhardwareandsoftware,andultimatelyachievereal-timemeasurementofdisplacement.

Keywords:

microcontroller;fiberopticdisplacementsensor;displacementmeasurement;PROTEUS

第一章绪论

1.1单片机的概述

21世纪是一个信息化的时代，在信息化的快速发展中，单片机技术做出了不可磨灭的贡献。

单片机的发展已经经历了相当漫长的过程，在这漫长的过程中也形成了其独特的优点。

目前，市面上的单片机大多具有，硬件体积小、使用可靠性高、功耗低、控制功能强大、价格便宜等优点[2]。

凭借其独特优点，单片机的使用范围正在逐渐扩大，当前在所有工业领域几乎都有着单片机的应用，从生产中使用的智能仪表，工业控制如数据采集系统、计算机通信系统、分布式控制总线到生活中使用的智能家电、智能办公设备、以及家用电气和智能汽车设备等，都可以看到单片机的身影[3]。

而近年来，随着人们对传感器智能化需求的不断提高，将单片机技术应用于传感器的设计成为近几年传感器的重要研究方向。

当下，随着传感器对半导体硅片材料需求的增加，单片机技术与传感器的结合已经成为一种不可阻挡的趋势[4]。

1.2光纤智能位移计的研究意义、现状及发展趋势

1.2.1研究意义

本设计研究的目的在于开发一种能用于测量微小位移的光纤智能位移计，该位移计可以通过硬件和软件方法去除各种干扰信号，并且能够将有效的微弱信号提取出来加以放大，从而使其达到预定精度，经过相应的数据处理后，显示出高精度的测量结果。

光纤智能位移计作为一种新型传感器，在许多领域显示出强大的生命力，它具有灵敏度高、性能稳定、抗电磁干扰、与电隔离安全级别高和适应恶劣环境能力强等一系列优点，正受到工程应用领域越来越多的青睐[5]，这种通过研究升级，由传统的位移测量系统改良而成的光纤智能位移测量系统目前具有很广阔的开发前景和应用前景。

另外，这种光纤智能位移计具有很大的潜在应用环境，可以广泛的应用于计算机磁盘驱动，航空，电子汽车工业等领域[6]。

在复杂运动分析方面，如微机械运动液压步进电机机械振动脉冲的位移与波形滚动轴承性能的测量；在高频测量方面，如超声波装置部件的振幅测量，声呐变换器的位移频率的波形的测量；在非接触震动分析方面，如磁盘读写头的位置测量等方面都具有广阔的应用前景[7]。

光纤智能位移计能用在许多传统位移测量计所不能及的方面，并且具有简洁的测量方式和较低的成本；与此同时，它还具有良好的人机交互。

因此可以断定，在以后的微小位移测量领域，这种光纤智能位移计将会占有重要一席。

1.2.2国内外发展现状

虽然早在二十世纪70年代末期就有光线传感器的报道，但大量研究是在二十世纪80年代末才开始的。

20世纪90年代初，由于技术不成熟、可靠性不高等原因，只有少数光纤传感器在市场上出现[8]。

另外由于早期的光纤传感器失效批量生产，性价比也相对较低。

在此之后，随着光纤技术的不断发展，光纤传感器不断走向商业化，目前世界上已有许多厂家在生产各类光纤传感器。

作为高技术的重要组成部分，光纤传感器的发展水平已经成为综合国力的重要体现[9]。

美国是世界上最早研究光纤位移传感器的国家，也是发展水平最高的国家，在军事和民用领域的应用方面，进展都十分迅速。

目前，除美国之外的许多发达国家在光纤传感器的应用方面发展也很迅速，并且许多传感器早已在军事和民用上得以成功应用[10]。

在光纤传感器的研究上，我国的起步时间与国际相差不远，自20世纪80年代初就开始了[11]。

目前，我国已有上百个单位在这一领域开展工作，取得了一个又一个成果，其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值，有的达到世界先进水平。

但比起发达国家来，我国还有许多不及之处，我国的大多数产品处在实验室研制阶段，还没有投入工厂进行批量化生产，也没能工程化应用[12]。

1.2.3发展趋势

由于其独特优势，光纤传感器已进入实用化阶段，已成为传感领域的一个新生分支。

光纤传感器不但在新兴的高、精、尖领域得到应用，在传统的工业领域中其发展也是异常迅速；其具有强大的生命力，本身产品不断推陈出新，一定程度上推动了科学技术的发展[13]。

尽管如此，光纤传感器仍然不能完全满足实际需要，还存在着许多有待解决的问题，需要科技人员的不断努力。

如光纤传感器的输出信号有时会受到探测器老化和管线传输损耗变化的影响，有时会受到组成光纤传感器的本身性能对测量精度的影响，有时还会受到光源波动的影响等[14]。

在未来，除了认真研究光纤传感器的各部分元件的性能，改进敏感原件的制作工艺及结构，探索新的敏感机理外；如何充分发挥微处理技术和计算机软件功能来改善和补偿光纤传感器的性能，发展数字化、集成化、自动化、工程化的新型光纤传感器，研制出适合于网络化应用的光纤传感器阵列及特殊测量要求的新型光纤传感器是一种不可阻挡的趋势[15]。

未来光纤传感器将主要沿着多参量实时化、阵列化、网络化、易于构成分布式监测系统、高精度实用化、全光纤微型化等方向发展[16]。

1.3光纤测位移研究的目的及其可行性

作为选择使用的传感器，光纤传感器可与很多种测量技术组合，其潜在意义相当明显。

位移测量在航空航天、军事器械以及工业生产过程中起着十分重要的作用，光纤传感器的诞生会给各种职能仪器的产生和发展起到推进的作用。

本毕业设计利用单片机的优点将传统的位移测量系统改良成为光纤智能位移测量系统，设计一个能对位移信息进行实时数据采集，数据处理，数据显示，并可以设定阀值具有报警系统的智能位移计。

单片机技术及光纤位移传感器技术的飞跃化发展使得研制这样一款智能化的光纤位移计成为可能。

单片机作为一门专业选修，在大学的学习中已经具备了初步的自学和应用能力；除此之外，目前市场上已经存在类似的智能位移计，这将能够为本设计提供一定的思路。

介于以上两点，利用大学最后的几个月时间来完成这样一个光纤智能位移计是完全可以实现的。

1.4光纤位移计研究的内容

在对光纤位移特性研究的基础上，本设计中设计了基于单片机的光纤智能位移计的硬件系统和软件系统，并对硬件部分和软件部分进行了联合调试。

硬件设计的总体目标是在完成设计目的的同时，追求结构简单、成本合理，功能完善。

在硬件电路的设计中，本毕业设计采用AT89C52作为系统控制核心，MCP3001作为串行A/D转换芯片，行列式键盘作为人机交互部分，LCD1602作为显示部分。

在软件设计中，本毕设采用模块化程序设计思想，将软件分为主程序模块、LCD显示模块，按键处理模块、数据采集处理模块，每个模块又由若干小模块组成。

对软件部分采用这种模块化处理方式具有多种优点，一方面能使软件的结构清晰，另一方面有利于软件的调试和修改。

除此之外，本论文分析了设计过程中存在的一些现象和问题，并针对此做出了相应的改进。

最后，由于能力有限，本论文还列出了设计中未解决的问题。

第二章光纤智能位移计的测量原理

2.1结构原理

反射式光纤位移传感器是一种传输型光纤传感器。

其原理如图2-1所示：

光纤采用Ｙ型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤和接收光纤[16]。

光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到接收光纤，最后由光电转换器接收，转换器接受到的光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关[17]。

当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。

显然，当光纤探头紧贴反射片时，接收器接收到的光强为零[18]。

随着光纤探头离反射面距离的增加，接收到的光强逐渐增加，到达最大值点后又随两者的距离增加而减小。

图2-2所示就是反射式光纤位移传感器的输出特性曲线，利用这条特性曲线可以通过对光强的检测得到位移量。

图2-1反射式位移传感器原理

图2-2反射式光纤位移传感器输出特性

光纤位移传感器的位移、输出电压特性曲线呈如图2.2所示的抛物线形，由图可以看出，其输出曲线有一个前坡和一个后坡。

两个坡的线性都很好，顶部域线性很差，因此可以利用其线性较好的前后坡进行测量，目前国内外所使用的光纤位移传感器仅仅是利用其线性较好的前坡[19]。

2.2光纤位移传感器原理

本设计采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半圆分布即双D型一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束。

两光束混合后的端部是工作端亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量，而光电转换器转换的电量大小与间距X有关，因此可用于测量位移[20]。

光纤位移传感器结构图如图2-3所示，由其结构我们可以看出，由光纤位移传感器制作的光纤智能位移计比较适宜测量微小距离，其电气原理图如图2-4所示。

图2-3光纤传感器安装示意图

图2-4光纤位移传感器接线图

2.3设计的工作原理

一个设计的开始，首先要进行系统的总体设计，也就是是在了解系统设计的任务要求后对系统做出初步设计。

认真分析任务要求，设计系统框图，并比较选择合适的光纤传感器。

根据设计要求，该设计需要将光纤检测技术与计算机技术相结合，对位移进行自动测量，并能显示实时数据，光纤测位移的工作原理图如图2-5所示。

图2-5工作原理

设计主要包括硬件设计和软件设计两部分。

首先，根据系统所要完成的功能选择硬件芯片，绘制硬件电路图，用PROTEUS软件绘制电路原理图和PCB图；其次，在完成硬件电路图的基础上，画出软件流程图；再次，根据电路原理图连接实际电路，编写程序；最后，在检查确认硬件电路无误后，分部分对软件进行调试，部分调试完成后进行整体调试，并在调试结束后进行实时位移测量和数据显示。

本设计采用LCD显示，10个按键，主要选用了中央处理器AT89C52，LCD1602，MCP3001A/D转换器等。

2.4光纤位移计的工作流程

首先，由光纤位移传感器接收距离信号，接着将信号转换为模拟量输出，并且通过信号转换电路转换为串行A/D转换接口芯片MCP3001可接收的0～5V电压信号，并由其转换为数字量输入单片机，通过采样模块进行数据处理得到位移值，通过LCD1602实时显示出来。

此外本设计有报警功能，将采样值同预先设定的报警上、下限进行比较，当超出报警范围时由单片机控制蜂鸣器发声，与此同时LCD显示“outmeasure！

”，方便操作人员对检测对象的及时的准确的监控。

第三章光纤智能位移计的硬件设计

3.1器件选取及介绍

3.1.1器件选择

主要有AT89C52、LCD1602、行列式键盘、蜂鸣器、MCP3001

3.1.2AT89C52介绍

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用[21]，其引脚如图3-1所示：

图3-1PDIP封装的AT89C52引脚图

单片机总共有40个引脚，根据功能可以将其分为三部分，分别为：

电源与晶振引脚、控制引脚和I/O端口。

连接好电源与晶振电路后，单片机可以通过控制引脚和I/O端口读取需要的信息，输出需要的控制信号。

3.1.3LCD1602介绍

如图3-2所示，LCD1602总共有16个引脚接口，其详细介绍如下：

第1脚：

VSS作为电源地，使用时接地。

第2脚：

VDD使用时接5V电源正极。

第3脚：

VEE作为1602的对比度调整端，对比度随接入电位的变高而降低。

此引脚在使用时通常加一个电位器，通过控制电位将对比度控制在合理范围内，从而避免产生“鬼影”。

第4脚：

RS用于选择寄存器。

输入为高电平

（1）时选择数据寄存器，输入为低电平（0）时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平

（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。

第6脚：

E为使能端,高电平

（1）时读取信息，负跳变时执行指令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：

空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

在仿真中，这两个引脚不可以使用。

图3-2LCD1602仿真图

3.1.4MCP3001介绍

IN+:

正模拟量输入。

IN-:

负输入。

VREF：

基准电压输入。

CLK：

时钟输入。

DO：

数字量输出。

—CS：

片选输入。

数字量输出：

DO=1024*VIN/VREF

其中，VIN=V（IN+）-V（IN-）

其管脚如图3-3所示：

图3-3MCP3001仿真管脚图

3.2硬件接线图

3.2.1AT89C52最小系统

本设计采用手动加上电复位方式进行复位，其中，晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。

通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。

两个引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。

在片外跨接一晶振和两个匹配电容C1、C2。

就构成一个自激振荡器。

振荡频率根据实际要求的工作速度，从几百千赫至24MHz可适当选取某一频率。

匹配电容C1、C2要根据石英晶体振荡器的要求选取。

当晶振频率为12MHz时，C1、C2一般选30pF左右。

最小系统如图3-4所示：

图3-4AT89C52最小系统图

3.2.2LCD1602接口电路

如图3-5所示，LCD1602由P0口驱动，其中RP1为阻排，作为上拉电阻使用。

图3-5LCD1602与AT89C52连接图

3.2.3MCP3001接口电路

MCP3001基准电压为4V，端子连接如图3-6所示：

图3-6MCP3001接口线路图

3.2.4键盘接口电路

键盘由行列式按键组成，由P2口控制，具体连接图如图3-7所示：

图3-73x3行列键盘连接图

3.2.5报警电路

报警电路硬件连接见图3-8，使用蜂鸣器进行报警，当采样值高于预先设定的报警上下限值时，蜂鸣器发出蜂鸣声，且LCD显示“outmeasure！

”。

图3-8报警电路

其中，Q1为三极管，主要用来放大控制电流，从而进一步起到放大声音的效果。

3.2.6总体硬件电路图

系统的总体硬件图如图3-9所示，单片机的1、2、3脚分别与MCP3001的6、5、7脚连接，单片机的4、5、6脚分别与LCD1的4、5、6脚连接，从而对采集与显示进行相应的控制。

整个系统中有10个按键，其中复位键由硬件电路决定，其余9个按键的功能通过软件编程实现。

整个硬件系统能够实现从数据采集到模数转换、数据处理到显示报警的功能。

图3-9硬件电路总体图

第四章光纤智能位移计的软件设计

4.1主程序设计

主程序流程如图4-1所示，main（）函数运行后，首先对系统使用变量进行初始化，赋予变量初值以便程序能够正常运行。

变量初始化结束后，还要进行LCD初始化，设置LCD工作模式。

紧接着对LCD进行操作，使其显示“measurestart？

”以实现人机