用步進電機改進位移式傳感器實驗系統

王士湖， 陳 奇

(淮陰工學院 電子與電氣工程學院，江蘇 淮安 223003)

0 引 言

傳感器技術或自動檢測技術是一門實踐性很強的課程，一般都會在教學計劃中安排適當的實驗項目來鍛煉學生的實踐能力。位移傳感器是重要的一部分，針對位移傳感器開設的實驗的項目有很多，如浙江高聯科技開發有限公司生產的CSY-XS-01型傳感器系列實驗系統中就可以開設電容式位移傳感器實驗、差動變壓器的性能實驗、激勵頻率對差動變壓器特性的影響實驗、差動變壓器零點殘余電壓補償實驗、差動變壓器測位移實驗、差動變壓器測振動實驗、電渦流傳感器位移特性實驗、被測體材質和面積對電渦流傳感器特性影響實驗、電渦流傳感器測振動實驗、線性霍爾傳感器位移特性實驗、光纖位移傳感器測位移特性實驗等實驗項目。這些項目中的位移變化都是通過手動調節螺旋測微儀的微分筒進行，調節到位后進行讀數和記錄操作，操作結束后由學生在課后進行數據處理和分析，從而完成實驗報告的撰寫。在整個實驗過程中學生必須非常小心和耐心地調節微分筒以免過調，由于機械回差的原因，過調后不能回調，這樣就丟失一個數據點，若回調則測得的該點數據可信度就極大降低，該點數據往往是個壞數據，數據處理時也應予以剔除。在數據量較多的情況下，學生要有足夠的耐心，實驗強度也較大。當然,其實驗系統可以外置數據采集卡,實現數據的自動采集,但學生仍需要調節測微儀,上述的缺陷仍然不能彌補,另外，每次讀數時測微儀微分筒的定位是靠人工判斷，也會帶來讀數誤差。為了改變這一現狀，對原有系統進行了改進。

1 原實驗系統

電容傳感器實驗為例介紹原實驗系統，其安裝示意圖如圖1所示。圖中上部分是機頭安裝部分，下部分是各種基于各種傳感器的變換電路及信號源與指示儀表。差動電容位移傳感器實驗的連接如圖1所示，基本原理是：差動電容傳感器將位移信息轉換為差動電容的變化，理論上，在量程范圍內，電容變化與位移成正比，電容變換電路將電容變化轉換為直流輸出電壓，再經過差動放大器放大后送入數顯表頭指示，放大后的直流輸出電壓與電容變化量正比，即直流輸出電壓與位移成正比，研究輸出電壓與位移的關系就可以得到電容傳感器的特性。做其他實驗時只要將電容傳感器和變換器用其他傳感器和相應變換器替換即可。

圖1 改進前實驗系統結構圖

2 改進方案硬件結構

針對原系統存在的如下缺陷：① 實驗效率低；② 實驗強度大；③ 實驗課堂容量小；④ 無法避免讀數誤差；⑤ 課后還要進行枯燥的數據處理。在仔細分析和觀察的基礎上，發現學生的大部分課堂時間用于調節和記錄以及課后的數據處理上。改進的思路是采用單片機為核心控制器，控制直線式步進電機來驅動各種傳感器的連桿實現位移的改變[1-3]。設計了兩種模式，① 無上位機模式(即本地模式);② 有上位機模式。在有上位機的情況下，定位后由單片機控制A/D轉換器進行A/D轉換，并將轉換結果存儲到存儲體器中，當正程和回程均測量完畢后，將測量數據上傳到上位機，由上位機負責數據處理。在無上位機模式下，采用固定量程，直接通過下位機的鍵盤控制步進電機產生恒定的步進位移，通過原來的數顯表讀取實驗結果，人工進行數據處理，系統結構示意圖如圖2所示。

圖2 系統結構示意圖

圖2中，單片機采用通用單片機AT89C52[4],它具有較為豐富的資源，“看門狗”電路的設置是為了防止系統跑飛;鍵盤用于設定必要的參數：步進電機的轉向(即正程或回程)、量程、本地處理還是上傳處理;顯示器采用1602液晶顯示器顯示設置值和每次的采樣結果，為了滿足原來系統的測量精度要求，A/D轉換器采用12位A/D轉換器[2]。為了實現直線步進電機在運行中的平穩性, 在控制上采用了細分控制策略。其控制方法是在每個齒距下,對直線步進電機繞組按細分規律通電, 采用每個整步距下逐漸變占空比的PWM 恒流控制辦法。即:一相繞組的PWM占空比按正弦規律由大變小;另一相繞組的占空比按余弦曲線由小變大。這種逐漸過渡的變占空比控制方法可使電機磁勢幅值均勻變化, 出力均勻,從而實現平穩運行，如果每個整步(不細分) 的細分步數為N,則在每個輸入脈沖下步進電機運行步距為不細分時步距的1/n,從正、余弦波形來看, 細分數n取偶數容易做到半周期等細分,一般取n=2n(n=1,2,…,k),k為正整數。本系統單片機為8位,k最大為8,則n最大為256。但是細分數過多,電機快速運轉時容易出現“丟步”或“越步”,直線位移不準確，在本系統的應用中要求直線位移準確、步進平穩，而對速度沒有過高要求。細分控制驅動電路采用全橋PWM微型步進電機驅動器3957，該芯片將微步控制與H 橋功率器件集成在一起,是一種具有16細分功能的兩相步進電機專用驅動芯片[5,15]。一片可以用來驅動一相電機繞組, 工作電壓最高可達50 V,電流達1.5 A,易于與單片機接口,節約了單片機的軟件開銷，步進電機采用廉價的帶絲桿的相機調焦電機改裝。在結構上，只需要在原來安裝測微頭的位置上安裝步進電機，控制器單獨封裝，在實驗時與步進電機連接。

3 軟件設計

為了簡化設計，在該控制系統中，步進電機采用恒定的轉速v，在本地處理時采用恒定的位移量Δx和恒定量程l，顯示采用原來系統的數顯表頭顯示，這樣在本地處理時的操作就極為簡單，只需要設定轉向后每次按動“NEXT”按鈕，便產生恒定的位移量Δx，然后讀取數值并記錄，相當于一個點動控制，每點動一次位移一個恒定的位移量Δx。在上位機模式下，由于數據處理無需人工進行，所以數據量可以大一點，步進電機的量程l、每次位移量Δx均由上位機設定后下傳。系統軟件流程如圖3所示。

圖3 系統軟件流程圖

4 結 語

改進后的方案，由于位移的產生由步進電機控制，避免了回調，也就避免了機械回差的產生，數據可信度更高。在上位機模式下，位移產生、數據采集和處理均

自動完成，大大降低了實驗強度，提高了實驗效率，擴大了實驗容量，更為有效地利用了有限課內實驗學時。

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