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旋转变压器式传感器构成的测控系统
目 录
第1章 课程设计方案 1
1.1 概述 1
1.1.1.位移传感器工作原理 1
1.1.2.旋转变压器的应用 1
1.1.3．旋转变压器角度位置伺服控制系统 1
1.1.4. 旋转变压器的工作原理 2
1.2 系统总体结构 4
第2章 课程设计内容 5
2.1 单片机最小系统设计 5
2.1.1 单片机的选择 5
2.1.2 时钟电路 6
2.1.3 复位电路 6
2.2 功能电路设计 6
2.2.1 A/D转换电路 6
2.2.2 显示电路 7
2.2.3 键盘电路 7
2.2.4 角位移反馈检测电路 8
2.2.5 功率放大电路 9
2.3 系统硬件电路原理图设计 10
2.4 软件流程图设计 12
第3章 课程设计总结 14
参考文献
附页
第1章 课程设计的方案
1.1概述
1.1.1位移传感器工作原理
位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光
电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。
电感式位移传感器是一种属于金属感应的线性器件，接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的。
电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制。
1.1.2 旋转变压器的应用
旋转变压器的应用，近期发展很快。除了传统的、要求可靠性高的军用、航空航天领域之外，在工业、交通以及民用领域也得到了广泛的应用。特别应该提出的是，这些年来，随着工业自动化水平的提高，随着节能减排的要求越来越高，效率高、节能显著的永磁交流电动机的应用，越来越广泛。而永磁交流电动机的位置传感器，原来是以光学编码器居多，但这些年来，却迅速地被旋转变压器代替。可以举几个明显的例子，在家电中，不论是冰箱、空调、还是洗衣机，目前都是向变频变速发展，采用的是正弦波控制的永磁交流电动机。目前各国都在非常重视的电动汽车中，电动汽车中所用的位置、速度传感器都是旋转变压器。例如，驱动用电动机和发电机的位置传感、电动助力方向盘电机的位置速度传感、燃气阀角度测量、真空室传送器角度位置测量等等，都是采用旋转变压器。在应用于塑压系统、纺织系统、冶金系统以及其他领域里，所应用的伺服系统中关键部件伺服电动机上，也是用旋转变压器作为位置速度传感器。旋转变压器的应用已经成为一种趋势。
1.1.3 旋转变压器角度位置伺服控制系统
图1.1是一个比较典型的角度位置伺服控制系统。XF称作旋变发送机，XB称作旋变变压器。旋变发送机发送一个与机械转角有关的、作一定函数关系变化的电气信号；旋变变压器接受这个信号、并产生和输出一个与双方机械转角之差有关的电气信号。伺服放大器接受选变压器的输出信号，作为伺服电动机的控制信号。经放大，驱动伺服电动机旋转，并带动接受方旋转变压器转轴及其它相连的机构，直至达到和发送机方一致的角位置。
图1.1旋转变压器角度位置伺服控制系统
1.1.4 旋转变压器的工作原理
前面已经介绍过，旋转变压器有旋变发送机和旋变压器之分。作为旋变发送机它的励磁绕组是由单相电压供电，电压可以写为式（1）形式：
（1）
其中，U1m—励磁电压的幅值，ω—励磁电压的角频率。励磁绕组的励磁电流产生的交变磁通，在次级输出绕组中感生出电动势。当转子转动时，由于励磁绕组和次级输出绕组的相对位置发生变化，因而次级输出绕组感生的电动势也发生变化。又由于次级输出的两相绕组在空间成正交的90°电角度，因而两相输出电压如式（2）所示：
（2）
其中，U2Fs—正弦相的输出电压，U2Fc—余弦相的输出电压，U2Fm—次级输出电压的幅值；αF—励磁方和次级输出方电压之间的相位角，θF—发送机转子的转角。可以看出，励磁方和输出方的电压是同频率的，但存在着相位差。正弦相和余弦相在电的时间相位上是同相的，但幅值彼此随转角分别作正弦和余弦函数变化。
图1.2旋变发送机两相输出电压和转角的关系曲线
旋变发送机的两相次级输出绕组，和旋变变压器的原方两相励磁绕组分别相联。这样，式（2）所表示的两相电压，也就成了旋变变压器的励磁电压，并在旋变变压器中产生磁通φB。旋转变压器的单相绕组作为输出绕组，旋变发送机次级绕组和旋变变压器初级绕组中流过的电流为 （3）
由这两个电流建立的空间和成磁动势为
（4）
式（4）表示在旋变发送机中，合成磁动势的轴线总是位于θF角上，亦即和励磁绕组轴线一致的位置上，和转子一起转动。可以知道，在旋变变压器中，合成磁动势的轴线相应地也是和A相绕组距θF角的位置上。只是由于电流方向相反，其方向也和在旋变发送机中相差180°。若旋变变压器转子转角为θB，则其单相输出绕组轴线和励磁磁场轴线夹角相差Δθ=θF－θB。那么，输出绕组的感应电动势应是： （5）
将输出绕组在空间移过90°。这样，在协调位置时，输出电动势为零。此时，输出电动势和失调角的关系成为正弦函数： （6）
图1.3旋变变压器输出电动势和失调角的关系曲线
从图1.3和式（6）可以看出，输出电动势有两个为零的位置，即Δθ＝0°和在Δθ＝180°。在0°和180°范围内，电动势的时间相位为正， 在 180°和 360°范围内， 电动势的时间相位变化了180°。Δθ＝180°的这个点属于不稳定点，因为在这个点上，电动势的梯度为负。当有失调角时，旋变变压器输出绕组电动势不为零，这个电动势控制伺服放大器去驱动伺服电动机，驱使旋变变压器和其它装置转到协调位置。这时，输出绕组的输出为零，伺服电动机停止工作。因此，根据信号幅值大小和正、负方向工作的伺服电动机，总是把旋变变压器的转轴带到稳定工作点Δθ＝ 0°的位置上。
1.2系统组成的总体结构
由角位移反馈检测电路对直流伺服电动机的转速进行检测，将测量结果经A/D转换后送单片机，单片机与内部的设定值进行比较，根据比较结果，通过一个功率放大、脉宽调制放大器PWM对电动机进行控制。
直流伺服电动机
传感器
数据采集
单片机
功率放大执行电路
A/D转换
键盘电路
报警电路
显示电路
图1.4 系统总体框图
第2章 课程设计内容
2.1单片机最小系统设计
2.1.1单片机选择
89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图2.1 89C51单片机引脚图
主要特性： ·与MCS-51 兼容 ·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命：1000写/擦循环 ·数据保留时间：10年
·全静态工作：0Hz-24MHz ·128*8位内部RAM
·三级程序存储器锁定 ·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器 ·5个中断源
·可编程串行通道 ·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
2.1.2时钟电路设计
时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，89C51内部有一个高增益反向放大器用于构成振荡器，在输入端和输出端之间跨接晶体或陶瓷谐振器就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器
图2.2 时钟电钟
2.1.3 复位电路设计
单片机的复位都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的ERSET引脚上出现24个时钟震荡脉冲以上的高电平单片机就能实现复位。
图2.3 复位电路
2.2 功能电路设计
2.2.1 A/D转换电路
A/D转化电路。亦称“模拟数字转换器”，简称“模数转换器”。将模拟量或连续变化的量进行量化（离散化），转换为相应的数字量的电路。
A/D变换包含三个部分：抽样、量化和编码。一般情况下，量化和编码是同时完成的。
图2.4 A/D转换电路
2.2.2 显示电路设计
3引脚分别接单片的RXD TXD VCC
图2.5显示电路
2.2.3 键盘电路
键盘的基本工作原理就是实时监视按键，将按键信息送入计算机。在键盘的内部设计中有定位按键位置的键位扫描电路、产生被按下键代码的编码电路以及将产生代码送入计算机的接口电路等等，这些电路被统称为键盘控制电路。根据键盘工作原理，可以把计算机键盘分为编码键盘和非编码键盘。键盘控制电路的功能完全依靠硬件来自动完成的，这种键盘称为编码键盘，它能自动将按下键的编码信息送入计算机。另外一种键盘，它的键盘控制电路功能要依靠硬件和软件共同完成，这种键盘称为非编码键盘。这种键盘响应速度不如编码键盘快，但它可通过软件为键盘的某些按键重新定义，为扩充键盘的功能提供了极大的方便，从而得到了广泛应用.
图2.6 键盘电路
2.2.4 角位移反馈检测电路
角位移反馈检查电路的原理
角位移检测反馈电路主要是防止放大电路过载。既当输入信号角位移过大时，从放大后的输出端反馈给输入端一个负信号角位移，用来抑制输入信号角位移的继续增大。正反馈则与之相反，一般用于自激震荡电路。TDA2030是一块集成功率放大器，在做为信号放大使用时，外围需要有负反馈电路才能稳定工作，否则容易产生自激，烧坏集成块。其实所有放大器都要有负反馈电路才能稳定工作。
图2.7 信号采集放大电路
2.2.5.功率放大电路：
SA03是由美国APEX公司生产,由伟健电子有限公司代理的高性能脉宽调制功率 放大器。它可为负载提供3000W功率。由于其内部自带45kHz振荡器,因而不需要外部元件。时钟输入级可将内部振荡频率二分频,从而提供22.5kHz的基准开关频率,也可以使用外部振荡器来降低开关频率或同步多个放大器。H桥的每半边都带有电流传感器,可用于给出幅值和方向信息。关断端可关掉H桥的输出驱动器。利用高压边电流限制和可设定的低压边电流限制,除了可防止负载短路之外,还可防止放大器与电源或地短路。通过直接检测基体温度可防止H桥输出MOS场效应管过热。
图2.8 PWM脉宽调制功率放大器
2.3系统硬件电路原理图设计
图2.9系统硬件电路原理图
程序见附页
2.4软件流程图设计
主程序开始
初始化子程序
开中断0
显示速度子程序
设置速度子程序
速度控制子程序
中断0子程序
RET1
采集A/D值
速度控制子程序
消进位标志
0=>最大值
RET
1=>最大值
显示速度值
RET
实际值与极限值比较C=1
显示子程序
Y
N
键盘扫描
延时去键抖动
有键闭合
扫描键盘
找到闭合键
计算键值
建立有效标志
闭合键释放
返回
建立无效标志
2.10软件流程图
第3章 课程设计总结
在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可少的。我们是在做单片机课程设计一切都要有据可依，有理可寻，在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。我们通过查阅大量有关资料，并在小组中互相讨论，交流经验和自学，若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教老师，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。我觉得作为一名自动化专业的学生，单片机的课程设计是很有意义的。
参考文献
[1] 梅丽凤, 单片机原理及接口技术，北京：清华大学出版社，2004：19-48，81-93
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[3] 张毅刚，单片机原理及应用，北京：高等教育出版社，2003：126—135
[4] 顾兴源，计算机控制系统，北京：冶金工业出版社, 1981：25—40
[5] 睢丙东, 单片机应用技术与实例, 西安: 电子工业出版社, 2005: 43—60
[6] 余 莲, 电子技术应用, 北京: 信息产业部电子第六研究所, 2001年1期
[7] 吕庆敏, 电力电子技术, 西安: 西安电力电子技术研究所, 2002年1期
[8] 刘学林, 传感器与微系统, 哈尔滨:中国电子科技集团公司第49研究所, 2006年11期
[9] 苟永明, 计算机测量与控制, 北京: 中国计算机自动测量与控制技术协会, 2008年8期
[10]谢裕春, 电机技术, 上海: 上海市电机技术研究所, 2006年1期
10篇，要求5篇期刊的参考文献
附 页
按键处理子程序：
ORG 0X00
MIAN:
MOVLW 0X00
MOVWF FLAG ;标志寄存器清零
BANKSEL TRISA
CLRF PIE1
CLRF PIE2 ;清除所有中断使能位
MOVLW B'000000'
MOVWF TRISA ;设定A口方向为输出
MOVLW B'00000001'
MOVWF TRISB ;设定RB0为输出，其余为输入
MOVWF B'11011011'
MOVWF TRISC ;设定,RC2,RC5为输出，其余为输入
MOVLW .63
MOVWF PR2 ;设定周期为256US
BANKSEL T2CON
MOVLW B'001111'
MOVWF PORTA ;设定A口的初始值
MOVLW B'11111111'
MOVWF PORTB ;设定B口的初始值
MOVLW B'11111111'
MOVWF PORTC ;设定C口的初始值
CLRF INTCON ;清除所有中断使能和标志位
CLRF PIR1
CLRF PIR2 ;清除所有中断标志位
CLRF TMR2 ;清除TMR2为零
MOVLW B'00000001'
MOVWF T2CON ;设定T2的工作方式，选用4分频
MOVLW B'00001111'
MOVWF CCP1CON ;设定占空比的高两位为0，CCP1工作在PWM方式
MOVLW .60
MOVWF CCPR1L ;CCP1的初始占空比为242US
BSF T2CON,TMR2ON ;PWM开始工作
LOOP:
BANKSEL PORTC
CLRF CNT3 ;采样结果寄存器
CLRF CNT5 ;处理结果寄存器
MOVLW .13
MOVWF CNT2 ;采样次数寄存器
MOVLW B'01000000'
MOVWF CNT4 ;采样结果屏蔽寄存器
LOOP1:
MOVF PORTC,W ;读PORTC的状态
ANDWF CNT4,W ;屏蔽掉无效位
MOVWF CNT3 ;存入采样结果寄存器
SWAPF CNT3,F ;进行高低位交换
BCF STATUS,C ;清除进位标志
RRF CNT3,F
RRF CNT3,W ;把第三位移到最低位
ADDWF CNT5,F ;处理结果寄存器加一，相当于把对POTRC.6的采样值加1
CALL DELAY ;延时
DECFSZ CNT2,F ;共采样13次
GOTO LOOP1
BCF STATUS,C
RRF CNT5,F
RRF CNT5,F
RRF CNT5,F ;把采样处理完的结果除八
BTFSS STATUS,C ;对商进行判断
GOTO FANGKAI ;为0，表示有键按下，转去检查是否放开；检测放开时原理一样，只是改为判1
GOTO LOOP ;返回继续采样
FANGKAI:
CLRF CNT3
CLRF CNT5
MOVLW .13
MOVWF CNT2
MOVLW B'01000000'
MOVWF CNT4
SIMPLY:
MOVF PORTC,W
ANDWF CNT4,W
MOVWF CNT3
SWAPF CNT3,F
BCF STATUS,C
RRF CNT3,F
RRF CNT3,W
ADDWF CNT5,F
CALL DELAY
DECFSZ CNT2,F
GOTO SIMPLY
BCF STATUS,C
RRF CNT5,F
RRF CNT5,F
RRF CNT5,F
BTFSS STATUS,C
GOTO FANGKAI
LOWSPEED:
BSF FLAG,0 ;标志位置1
BCF PORTC,5
MOVLW .43
MOVWF CCPR1L ;CCP1的占空比为168US，进入低速段运行
GOTO LOOP ;返回继续扫描
DELAY:
MOVLW .250
MOVWF CNT1
DELAY1:
DECFSZ CNT1,F
GOTO DELAY1
RETURN
END
4位LED动态显示子程序：
PORT EQU P0 ;段码从P0口输出
FRIST BIT P3.2 ;千位位选
SECOND BIT P3.3 ;白位位选
THIRD BIT P3.4 ;十位位选
FOURTH BIT P3.5 ;个位位选
DISPLAY: SETB FRIST
SETB SECOND
SETB THIRD
SETB FOURTH
MOV DPTR , #TAB
MOV A , 30H
MOVC A , @A+DPTR
MOV PORT,A
CLR FRIST
LCALL DELAY ;延时5毫秒
SETB FRIST
MOV A,31H
MOVC A,@A+DPTR
MOV PORT,A
CLR SECOND
LCALL DELAY ;延时5毫秒
SETB SECOND
MOV A,32H
MOVC A,@A+DPTR
MOV PORT,A
CLR THIRD
LCALL DELAY ;延时5毫秒
SETB THIRD
MOV A,33H
MOVC A,@A+DPTR
MOV PORT,A
CLR FOURTH
LCALL DELAY ;延时5毫秒
SETB FOURTH
RET
A/D转换程序：
初始化程序：
MOV R0, #0A0H ；数据存储区首地址
MOV R2, #08H ； 8路计数器
SETB IT1 ；边沿触发方式
SETB EA ；中断允许
SETB EX1 ；允许外部中断1中断
MOV DPTR, #0FEF8H ；D/A转换器地址
LOOP: MOVX @DPTR, A ；启动A/D转换
HERE: SJMP
HERE ； 等待中断
中断服务程序：
DJNZ R2, ADEND
MOVX A, @DPTR ；数据采样
MOVX @R0, A ；存数
INC DPTR ；指向下一模拟通道
INC R0 ；指向数据存储器下一单元
MOVX @DPTR, A
ADEND: RETI
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