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反馈式力传感器反馈控制设计
西南科技大学
毕业设计（论文）
题目名称：
反馈式力传感器反馈控制设计
年级：
2003■本科□专科
学生学号：
2005080
学生姓名：
王亮指导教师：
李凤保李俊国
学生单位：
信息工程学院技术职称：
研究员副教授
学生专业：
生物医学工程教师单位：
信息工程学院
西南科技大学教务处制
反馈式力传感器反馈控制设计
摘要：
传感器技术是现代信息技术的重要基础之一。
传感器的性能对自动化系统的功能起决定作用，在一般运用场合中传感器测量主要采用开环测量方式，这种方式结构简单，能满足一般精度的需求。
但在高精度测量条件下，如电子分析天平，则必需采用闭环控制引入反馈环节，提高测量精度。
本论文设计了一种用于高精度测量的反馈式力传感器。
通过对位移量的处理输出反馈控制信号，使系统达到平衡状态。
系统结构由前向通道和反馈控制两部分组成。
本文给出了反馈控制模块设计制作方案，主要完成了单片机控制系统、1602显示模块、PID控制算法设计、系统电源电路的设计，并给出了具体参数、分析过程和调试结果及相应的实物图。
整个控制系统设计简洁，集成度较高，控制效果较好，达到了设计要求。
关键字：
反馈控制；单片机；PID算法
TheDesignofFeedbackControllingbasedonFeedbackPressureSensor
Abstract：
Thetechnologyofthesensorisoneoftheimportantbasisofmoderninformationtechnology.Itsperformanceplaysacrucialpartintheautomaticsystem,andinthegeneralsituationsthemeasurementofsensorusuallyselectstheopencyclemode,whichissimpleinconstructionandcansatisfythemeasurementofweightwithgeneralprecision.Butinthoseoccasionswhichrequirehighprecisionsuchaselectronicanalyticalbalance,theclose-loopmodemustbeemployedtoimprovetheprecisionofmeasurement.Thispaperexactlydevisesonekindoffeedbacktypepressuresensorwithhigh-precisionmeasurement.Itmakesthesystemachievedbalanceafterdealingwiththedisplacementsignalthenoutputtingthefeedbacksteeringsignal.Thesystemstructureiscomposedbytwosegments--frontalchannelandfeedbackcontrolling.Thispaperprovidesthefeedbackcontrolscheme,andmainlycompletesthecurbofmonolithicprocessor,thevideomoduleof1602,thePIDcontrolalgorithmandthedesignofthesystempowersupply,alongwithconcreteparameter,analyticalprocedure,debuggingresultsandthepicturesofthecorrespondingobjects.Thecircuitwithaplaindesign,upperintegrationlevelandbeneficentcurbmeetsthedesignrequirementwell.
Keywords:
feedbackcontrolling,monolithicprocessor,PIDcontrolalgorithm
第1章绪论
在科学技术高度发达的现代社会中,人类已进入瞬息万变的信息时代。
人们在从事工业生产和科学实验等活动中,主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理。
传感器处于研究对象与测控系统的接口位置,是感知、获取与检测信息的窗口,一切科学实验和生产过程,特别是自动检测和自动控制系统要获取的信息,都要通过传感器将其转换为容易传输与处理的电信号。
1.1反馈式力传感器设计的背景，意义及其目的
1.1.1设计背景
随着现代科学技术的发展,传感技术作为一种与现代科学密切相关的新兴学科也得到迅速的发展,并且在工业自动化、测量和检测技术、航天技术、军事工程、医疗诊断等学科被越来越广泛地利用。
各国对传感技术在信息社会的作用也有了新的认识,认为传感器技术是信息技术的关键之一。
然而目前的传感器，无论是在数量上、质量上还是功能上，还远不适应社会多方面发展的需要。
因此，人们在充分利用先进的电子技术条件、研究和采用合适的外部电路以及最大限额地提高现有传感器的性价比的同时，也正在努力寻求提高传感器测量精度的新途径——其一是开发新材料、新工艺和开发新型传感器；其二是在后续处理中添加适当的补偿方法或引入反馈控制环节提高测量精度。
（1）开发新的敏感、传感材料
传感器材料是传感器技术的重要基础,由于材料科学的进步,使传感器技术越来越成熟,传感器种类越来越多。
除了早期使用的材料,如:
半导体材料、陶瓷材料以外,光导纤维以及超导材料的发展,为传感器技术发展提供物质基础。
未来将会有更新式材料开发出来,如纳米材料等。
最近,美国NRC公司已开发纳米ZrO气体传感器L在控制汽车尾气的排放效果很好,应用前景广阔。
采用纳米材料制作的传感器具有庞大的界面,提供大量的气体通道,导通电阻很小,有利于传感器向微型化发展。
（2）引入反馈控制环节
当前大部分传感器都采用开环测量方式，这种控制方式结构简单，动态特性好，其精度主要决定于敏感元件，对敏感元件的材料和结构要求很高。
为了降低对敏感元件材料和结构的精度要求，并提高测量精度，通常引入反馈控制环节构成一个闭环测量系统。
随着传感器在工业、国防等方面的应用越来越广泛，所处地位越来越重要。
传感器正向着高精度化、新型化及开发仿生传感器的方向发展。
这也为本课题研究的反馈式力传感器提供了一个更为广阔的前景和方向。
1.1.2设计的意义及其目的
随着科学技术和生产的发展人们对称重及测量技术提出了更高的要求，尤其是微处理技术和传感技术的巨大进步，传统的机械式杠杆和刀刃的称重装置正在为电子称重装置所代替，从而进入到传感器，电子学和微处理机领域、使得称重装置变成为电子仪器。
称重技术的突破是微处理机的应用。
称重技术的这种发展是由于，不仅要求获得静态称重数据，而且进一步要求称重工作的自动化，实现快速称量，以及测量各种动态参数，提高测量精度和各种数据的及时处理。
这些精度、速度、性能和功能方面的要求是传统的机械测量系统无法满足的。
也就是说、这种技术发展中的突破是必然的结果。
电子称量装置通常分为三个部分，即称重部分，传感器和电气部分。
电气部分包括模拟电路部分和微处理机部分。
在测量方法上通常有两种：
直读法和零位法。
应用到称重装置上为：
通过测量弹性元件的变形或物体的应变来测定被测物体的重量：
和利用杠杆平衡原理通过已知重量来测定被测物体的重量。
前者结构简单、操作方便、但精度较低。
后者主要优点是精度高，但操作比较复杂，但是，在电子称重装置中，采用电磁力反馈平衡方式，操作复杂方面的缺点可以很容易克服。
因此，在电子称重装置结构的形式，通常采用电磁力反馈平衡方式，使得电子称重装置做到测量精度高、测量速度快、有很好的线性和很高的灵敏度。
基于目前传感器的发展现状及力传感器在高精度测量中的应用及其与单片机系统的结合等，设计一种精度高、抗干扰能力强、响应速度快、稳定、智能化的反馈式力传感器已迫在眉睫。
本设计正是在这种背景下研究利用单片机控制的、采用电磁力反馈平衡方式、PID自动回路调节的用于称重的反馈式力传感器。
它具有精度高、抗干扰能力强、稳定、智能化等特点。
1.2主要完成的任务及设计思想
本课题“反馈式力传感器”主要由两部分组成——反馈式力传感器前向通道和反馈控制设计。
通过对位移检测电路测量的位移量进行处理输出反馈控制信号，控制执行结构使系统达到平衡状态。
其中“反馈式力传感器反馈控制设计”此部分主要内容是完成系统的反馈控制设计及调试，如：
用于反馈控制力发生器的PWM波的产生及软件设计、PID控制算法的设计、单片机控制系统的设计、系统电源的设计、显示模块LCD1602驱动程序设计等等。
1.3本文的结构组成
本论文分为五部分。
绪论：
主要阐述传感器及其技术的发展现状，介绍设计研究背景、目的及意义，说明了设计任务及主要的设计思想，介绍本论文的组成。
第2章：
反馈式力传感器系统反馈控制各模块设计方案的比较及选定，介绍了几种设计方案，通过对方案的比较，确定了反馈式力传感器各模块设计方案。
第3章：
介绍了反馈式力传感器系统中的一个组成部分——反馈式力传感器反馈控制相关硬件电路的设计，详细分析各单元的硬件电路，并给出相关电路原理图。
第4章：
根据仪器的硬件构成和功能要求，给出了相应的软件设计，给出主要程序流程图。
第5章：
各模块调试及系统联机调试。
第2章反馈式力传感器各模块方案分析
反馈式力传感器系统主要是由敏感结构、力发生器、用于位移检测的位移检测电路和反馈控制系统这几部分组成的。
控制器（或调节器）根据位移量检测值E（t）与设定值R的偏差，按照一定的控制算法输出控制量U，对被控过程进行控制。
力发生器接受控制器送来的控制信息调节敏感结构，从而达到预期的控制目的。
过程输出的位移信号经过位移检测电路，反馈到单片机控制器的输入端，构成闭环控制系统[3]。
如图2-1所示。
图2-1闭环反馈控制系统
对于不同的反馈控制系统，在具体细节上有所不同。
在确定最后的总体设计方案之前，首先需要对组成系统的各个组成模块的实现方案进行论证。
考虑到每个模块都有多种不同的实现方案，故对各种实现方案的特性进行全面的分析、反复比较选择最合适的方案。
力求使各模块的设计达到紧凑、简单,体积和功耗最小,可靠性最高，成本最低。
2.1测量结构设计方案分析
在整个系统中,反馈式力传感器前向通道主要是完成力发生器及驱动电路、位移检测电路，系统的整体机械结构等外围电路的设计。
其中位移的测量、检测方式及其机械结构关系到整个系统设计的进展方向,在确定反馈控制系统具体组成细节之前首先要确定系统的测量结构方案。
下面对几种可能的测量方案及机械结构进行了试验和论证，从中进行选择。
下面列出几种可能的测量结构的原理和优缺点，从这几种测量结构中选择一种既简便易行又能达到设计要求的方案作为实际的测量方案。
方案一：
当力作用于弹性体上，使弹性体产生一定变形，通过传感器（反馈环节检测传感器）将位移测量出来，反馈给调节器，调节器输出电流，此电流通过一线圈对弹性体产生与被测力方向相反的力，使弹性体回复到初始状态。
此时线圈产生的力与被测力大小相等，而线圈产生的力与电流成一定关系。
通过测量反馈电流的大小，即可得出被测力的大小。
如下图所示。
图2-2
这种方法中力发生器主要是采用电磁吸引力来实现的,优点是结构简单但也存在很多缺点，如线圈产生的引力过小加之其吸引力不稳定，随距离的改变电磁吸力发生很大的改变不易控制，且线圈易发热等原因。
方案二：
鉴于上一种方案存在的缺点,这种方案采用上下相对的两个E型铁芯，具体结构如下图所示。
图2-3
经过试验发现这种方案推力较大、稳定性较好，材料选取也比较容易，但要求的驱动电流比较大，且线圈在大电流下发热量较大,功耗很大。
方案三：
鉴于上面所示方案不能满足要求，重新设计了以下这种方案，即，将原来的动磁铁改用永磁铁来代替，用一定磁感强度的永磁铁作为螺线管的铁芯，并在不接触永磁铁（减小摩擦力）的外围绕制一定规格的漆包线，在漆包线上设置两个弹簧片（目的是方便放被称物体），利用漆包线与永磁铁在通电情况下由于磁通量变化而引起的相互的排斥力致使系统回到初始状态，完成物体的测量。
方案四：
在总结了前两种方案的设计后，决定采用类似天平的机械结构,即在力臂上架一个托盘,用指针式万用表的表头来代替力发生器,当有重物作用于托盘时，力臂向下运动，位移传感器会测得一个位移量，通过控制系统驱动力发生器（指针式万用表表头）致使表头产生向上的力来对抗力臂位置的改变,并通过测量平衡时电流的大小计算物体的重量。
图2-4系统机械结构图
第四种方案虽不如第二种方案的电磁力及测量范围大，但由于其制作简单、材料收集容易、控制方便、便于测量等，故最后采用这种测量方案。
2.2反馈控制部分各模块设计方案分析
2.2.1显示模块方案分析
在本设计中，为了方便观察最后的测量结果，需要对测量数据进行显示。
要求具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点的显示模块。
下面对几种可能的方案进行论证。
方案一：
采用4位LED数码显示数据
采用4位LED数码显示数据的优点有成本低，应用广泛，在系统实时性要求不高的情况下可采用动态扫描方式显示数据，在系统实时性要求较高的情况下应采用静态显示方式。
如下图所示，采用静态显示方式，节约了CPU工作时间，但增加了外围器件和外围电路复杂程度。
而且显示信息太单调只能显示数字0---9，操作界面差。
图2-5LED静态显示电路图
方案二：
利用液晶显示模块
液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。
LCD1602显示模块内集成了丰富的字符库，能显示所有大小写的英文字符和其他很多常用的特殊字符。
并且性价比较高，拥有丰富的资料和用户群，完全符合设计需求。
LCD1602可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0----D7，和RS、R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光。
该模块也可以只用D4-D7作为四位数据分两次传送。
这样的话可以节省MCU的I/O口资源。
与LED数码管显示相比较很容易看出液晶显示模块具有显示内容丰富、功耗低的优势，故采用液晶显示模块作为本设计的显示模块。
2.2.2单片机控制系统方案分析
为了对系统的反馈信号进行进一步的处理并输出调节信号，需要设计一个控制器对各模块输出控制信号并且能对各种数据进行处理，并且要求控制器运算速度快、工作稳定、内部集成度高。
下面对两种常用的单片机控制器进行比较论证，选择合适的控制处理。
方案一：
采用51系列单片机作为控制核心
51系列单片机是目前低端市场最常用的控制器，它具有4k字节可重擦写Flash闪速存储器，1000次擦写次数，OHz-24MHz的工作频率，32个可编程I/0口，2个16位定时/计数器，6个中断源，低功耗空闲和掉电模式。
优点是使用广泛，价格低廉，有很多成熟的技术资料可以采用，但缺点是I/O口驱动能力低，指令运算速度慢，主要是内部没有集成A/D转换器，必须外接独立的A/D转换器，增加了成本和外围电路的复杂性。
方案二：
采用MEGA16作为控制核心
AVR单片机是由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC（ReducedInstructionSetCPU）精简指令集高速8位单片机。
具有高性能、低功耗的特点，还采用了先进的RISC结构，只需两个时钟周期的硬件乘法器，16K字节的系统内可编程Flash，擦写寿命达10,000次，两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器，带有四通道PWM，8路10位ADC，8个单端通道、7个差分通道，2个具有可编程增益（1x,10x或200x）的差分通道。
可工作于主机/从机模式的SPI串行接口，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，6种睡眠模式：
空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式。
ATmega16L在1MHz,3V,25c时的功耗，正常模式：
1.1mA，空闲模式：
0.35mA，掉电模式：
<1NA。
通过比较51和MEGA16的产品特性可以看出MEGA16内部采用先进的RISC结构，四通道PWM，8路10位ADC，2个具有可编程增益（1x,10x，或200x）的差分通道，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，以及低功耗。
这些都是设计中需要用到，而51系列单片机不具备的，若要采用51系列作为控制器的话，就必须在外围硬件中加入独立的A/D转换器件和差分运算电路。
因此在设计中采用MEGA16可以在达到设计要求的情况下简化系统外围电路，节约设计制作成本。
2.3反馈控制算法设计方案的分析
为了能对前向通道输出的位移信号进行处理并输出相应的反馈调节信号，则必须加入反馈控制算法。
算法要求响应速度快，能达到较高的控制精度。
1、一般控制算法
利用单片机执行速度较快的特点，对位移采样，再根据采样结果进行判断，增加或减少PWM占空比。
图2-6一般控制算法流程图
优点是算法简单，利用简单的IF判别语句和PWM波占空比按固定值增加就能实现。
缺点是控制速度慢，系统达到平衡需要很久的时间，而且系统容易受外界干扰影响产生不必要的振动。
2、PID控制算法选择论证
为了使加快系统响应速度和提高系统稳定性，考虑采用PID控制算法完成系统得反馈控制。
常规的PID算法分为位置式PID，增量式PID等，在实际中又对这几种方法进行了改进，演变出了积分分离PID控制算法，不完全微分PID控制算法，微分先行PID控制算法，带死区的PID控制算法下面对这几种常用的PID控制算法进行分析比较，选择一个能满足系统控制要求的最简单PID控制算法[13]。
（1）、采用位置式PID控制算法
位置式PID控制算法的基本算式：
（2-1）
其中T是采样时间。
这种算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对采样值e（k）进行累加，计算机运算工作量大。
而且，因为计算机输出的U（k）对应的是执行机构的实际位置，如出现故障，U（k）的值产生大幅度变化，会引起执行机构的大幅度变化，这种情况是实践中不允许的，在某些场合还有可能造成重大的事故。
（2）、采用增量式PID控制算法
对位置式算式加以变换，可以得到PID调节算法的另一种实用形式：
（2-2）
令
，
，
可以得到一个方程，这个方程，经常用来在计算机上做逻辑运算，所谓增量式PID控制算法，指的是数字控制器的输出只是控制量△u（k）,由于计算机输出的是增量，所以误动作时影响小，必要时可以用逻辑判断的方法去掉。
算式中不需要累加，控制增量△u（k）的确定仅与最近K次的采样值有关。
（3）、带死区的PID控制算法
在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制动作的过于频繁，消除由于频繁动作所引起的振荡，可以采用带死区的PID控制算法，
（2-3）
在式中，死区
是一个可调的参数，其具体数值可根据实际控制对象由实验确定。
若
值太小，使控制动作过于频繁，达不到稳定控制对象的目的；若
值太大，则系统将产生较大的滞后。
此系统实际上是一个非线性系统。
即当
时，数字调节器输出为零；
当
时，数字调节器有PID输出。
分析上述几种控制算法的优劣可以得出，在控制系统设计中为了减少控制器运算工作量、消除由于频繁动作所引起的振荡，故综合增量式PID控制算法和死区概念的优点，采用带死区的增量式PID控制算法实现反馈控制。
第3章反馈控制系统硬件电路设计
整个反馈控制系统得主要作用是对位移检测电路检测到的位移信号进行处理，利用PID控制算法计算出控制参量，反馈给力发生器驱动电路，驱动力发生器发出调节信号。
另外还需要将测量数据传送给显示模块显示出来。
3.1系统硬件组成概述
反馈控制系统硬件由电磁力发生器，反馈电流驱动电路，位移检测电路，LCD1602显示电路，单片机控制系统，系统电源电路组成。
反馈控制部分设计主要包括：
LCD1602显示电路，单片机控制系统，系统电源电路硬件电路的设计制作。
系统框图如图3-1所示，系统机械结构图如图2-4所示。
图3-1系统框图
3.2系统电源设计
直流稳压电源的种类很多，常见的主要有以下四类：
第一类是稳压二极管稳压电源，它的特点是电路结构简单，但功率小，稳定精度低；第二类是晶体管串联调整式稳压电源，它的主要特点是电路结构比较简单，工作可靠，功率较大，稳压精度高，无电磁干扰，但效率低；第三类是集成稳压器，它的主要特点是体积小、可靠性高以及温度特性好，而且使用方便、价格便宜；第四类是开关式稳压管，它的主要特点是效率高，温升低，电路便于集成化，但电路较复杂，并有高频干扰存在[10]。
根据本设计对电源的要求——需要+5V单向直流稳压，我们选择了用集成稳压器来制作直流稳压源。
以下是直流稳压源的一般框图。
图3-2直流稳压电源组成框图
变压-----将交流电网电压变成所需的交流电压。
变压过程通常由变压器来完成。
整流-----将交流电变成直流电。
整流电路通常由半波整流电路，全波整流电路，桥式整流电路。
为了克服前两种整流电路的缺点，提高整流效率，通常采用桥式整流电路。
滤波-----将整流所得的脉动电流（大小发生规律性变化）中的交流成分滤除，常用的滤波电路有电容滤波，电感滤波及阻容滤波。
其中电容和电感是两种常见的滤波元件，其工作原理可看为：
一是利用它们在二极管导电时贮存一部分能量，然后再逐渐释放出来，从而得到比较平滑的波形；二是由于电容和电感对于交流成分和直流成分反映出来的阻抗不同，若将其放入适当的电路中，可以达到降低交流成分，保留直流成分的目的，体现出滤波的作用。
稳压-----将滤波电路输出的直流电压稳定不变，即使输出的直流电压不随电网电压，负载等的变化而变化。
稳压功能可由稳压二级管稳压电路，串联式稳压电路，开关式稳压电路等完成。
在本部分电源设计中
（1）变压部分,采用只有一个副边线圈的变压器，将220V的交流电转换成15V的交流电。
（2）整流部分，采用桥式整流电路，用只有一个副边线圈的变压器，而能达到全波整流的目的。
（3）滤波部分，采用电容滤波电路组成低通滤波器，利用电容器的充电和放电，对脉动电压起到了“填平补齐”的作用，使负载上的电压得到了平滑。
（4）稳压部分，采用集成稳压电源，集成稳压电源与一般分立元件的稳压电源相比较，具有性能优良、可靠性高、体积小、价格低廉的优点，78、79系列集成稳压器是一种有广泛用途的三端集成稳压器。
它有若干种输出电压和三种输出电流。
其内部设置了过流、过热及调整管安全区保护电路，所以芯片使用安全可靠。
典型使用时可不加外接件。
7805稳压器的应用电路
如图所示，220V交流电经变压器降压，再经桥式整流，滤波后，加到7805稳压器的输入端，从输出端便可输出稳定的标称直流电压。
为了改善纹波电压，常在输入端接入电容C1，一
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