石英晶片厚度检测仪研究设计

关键词：石英晶片；差动传感器；单片机；厚度检测仪 中图分类号：TP216+．1 文献标识码：A The thickness gauges research and design of quartz crystal YANG Ting,TIAN Shi-feng Abstract: In the paper, the research and design of the quartz crystals thickness gange are discussed, the thickness gauges design idea, operating principle, constitution and function are detailed discussion. Then, the principle and constitution of data acquisition system, the data processing system and the functional configuration of the data display system are detailed discussed in modular circuits. It is designed for the quality measuring of the quartz crystal products to the national enterprises and can replace the expensive like products of overseas. And also can be used to check the grinding thickness in the production process. Key words: quartz crystal; differential transducer; single chip microcomputer; thickness gauge 1 引言 随着电子工业的快速发展，对石英晶体产品的产量、质量和性能提出了更高的要求，这就相应的要求晶体生产行业加速生产设备与质量检测设备的研究与开发。而在石英晶片的生产过程中晶片厚度是一个很重要的测量参数，其频率与晶片的厚度是成线性反比关系的，因此，控制生产过程中晶片的厚度就可以生产所需频率的晶片。 2 石英晶片厚度检测仪设计原理 2．1 系统工作原理 石英晶片厚度检测仪的工作原理是利用差动位移传感器(LVDT)将晶片厚度变化信号转化为传感器内部铁芯的位移变化，在初级线圈激磁电压的作用下引起次级线圈的互感反应，产生互感电动势，经次级线圈进行反相连接输出，即可将晶片厚度信息转换为LVDT的互感电压信号。再利用信号调理电路对LVDT电压信号进行信号放大、相敏检波等处理将交流电压信号变换为标准模拟直流电压信号，然后利用单片微机处理系统对标准模拟电压信号进行采样、A／D转换、数据处理等转化为晶体厚度信号，最后在LCD液晶显示器进行晶体厚度测量结果显示输出。其工作原理过程如图1所示。 2．2 测试机构工作原理 石英晶片厚度检测仪所用螺管形LVDT传感器是电磁式传感器的一种，它本身是一个变压器，其工作原理是将被测量的变化转换成变压器的互感变化，变压器初级线圈输入交流电压，次级线圈则感应出电动势。应用中将被测石英晶片厚度变化量转换为传感器的互感变化，使次级线圈感应电压也产生相应的变化，再经由单片机微处理系统进行信号采集、处理来测出石英晶片厚度。设计中采用三段形LVDT差动变压器，其电气等效电路如图2所示。 由等效电路图可以得出： 由于石英晶片的厚度将使传感器中铁芯发生位移变化，此位移变化将会引起互感变化ΔM，当线圈回路的形状、大小、匝数、周围介质及线圈的相对位置固定不变时，ΔM的数值变化与铁心位移成正比，进而可以将石英晶片厚度信号转化为对应电压变化输出，其关系如式(6)所示。 3 系统整体设计 石英晶片厚度检测仪的设计包括硬件设计和软件设计两大部分。晶片厚度检测仪硬件主要是有电源模块、传感器接口与A／D采样电路、处理器模块、硬件复位电路、LCD液晶显示模块、面板设定等几个模块组成。其硬件结构框图如图3所示： 其组成原理为：由石英晶片厚度传感器 LVDT将被检测石英晶片厚度信号转换为可测量的直流电压信号，经信号调理转换电路AD2S93完成厚度检测电压信号调理与A／D采样转换，然后由单片机微处理器AT89C52完成信号采集与处理，经单片机处理器进行处理后，厚度电压信号转换为晶片厚度信号，经液晶显示驱动电路HTl621完成厚度信号接收与传送，在LCD液晶显示器进行显示输出。电源模块完成外接220V交流电压到单片机5V直流工作电压的转换。键盘完成工作状态选择与工作参数标定。当厚度检测仪运行出现故障或受到干扰出现不能正常工作时，由 MC33064复位电路完成系统复位，进入正常运行状态。 4 厚度检测系统硬件实现 4．1 信号采集与输入模块设计 石英晶片厚度检测量经LVDT传感器转换为电压信号后，需要进行信号调理和A／13转换变换为单片机所需要的数字信号。设计中，传感器信号调理与A／D转换接口电路选用高度集成低功率差动传感器数字输出接口芯片AD2S93，它不仅可以完成差动变压器式传感器等的信号调理工作，而且还可以完成A／D变换并将数字信号以串行方式输出。 LVDT传感器、AD2S93及其外围电路和单片机系统接口电路如图4所示：AD2S93的17脚接 VDD，16脚接VSS，参考信号电压最大输入VREF=2．0Vrms±10％。为了在额定范围内工作，A - B的输入必须小于1Vrms±10％。LVDT的接地端与AGND相连。5脚DATA端接单片机P1．7脚，6脚SCLK接单片机P1．6脚，7脚端接单片机P1．5脚，构成数据采集转换与输送电路。 测试头绝对位置的测量结果是通过三线的串行口输出的。当输入为高电平时DATA端呈高阻状态，而当输人为低电平时DATA端将输出测试头绝对位置的测量结果，通过SCLK端输入时钟脉冲可以从DATA端读出数据，读出数据的最大速度为2MHz。 4．2 电源与复位接口电路模块 电源是单片机系统不可缺少的部件，为了在工业现场应用的方便，我们设计外接220V交流电压的电源模块，它可以将220V交流电压变换为12V直流电压输出，12V直流电压作为线性三端稳压芯片LM7805的输入，稳压后可以很好的输出5V标准直流电压。 复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把系统初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序，以及程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，重新启动程序，使单片机系统正常工作。在设计中，采用具有快速上电复位、掉电复位功能的Motorola公司生产的专用芯片 MC33064。 4．3 信号输出与显示功能模块设计 信号输出与显示模块是石英晶片厚度检测仪的重要组成部分，它将由LVDT传感器测得的石英晶片厚度信息经单片微机处理器信号处理的结果直接显示出来。在设计中显示模块采用6位 LCD液晶显示，驱动采用HOLTEK公司生产的 LCD显示器专用驱动芯片HTl621。HTl621内部具有32×4位显示RAM，用于存储显示数据。显示RAM内部由32个地址连续的RAM单元组成，从地址为O的单元至地址为31的单元，分别对应段电极输出SEG0至SEG31，其中每一RAM单元又分为4位，从低位至高位分别对应背电极输出 COM0至COM3。其与单片机连接电路如图5所示。 图5 输出模块与LCD显示器接口电路 5 软件功能设计与实现 在石英晶片厚度检测仪的整个软件开发中，对系统软件的设计采用模块化设计方法，把仪器软件按功能分成一个个功能模块，然后分别进行独立设计、编程、测试、查错工作，最终配置在一起，由主模块控制形成系统功能软件。系统软件由初始化模块、主监控软件、参数设定模块、延时子程序、数据采样子程序、数据处理及运算功能模块、LCD液晶显示子程序等构成。其中监控主程序是系统软件的主要组成部分，是整个检测仪软件的核心，上电复位后仪器首先进入监控主程序，系统根据键盘扫描程序结果进行功能模式选择，完成系统参数设定 或者进入运行模式进行石英晶片厚度检测。监控主程序的任务是识别命令、解释命令，并获得完成该命令的相应模块的入口，起着引导仪器进入正常工作状态，协调各部分软件有条不紊地工作的重要作用。石英晶片厚度检测仪系统中，人机对话、晶片厚度实时测量、实时数据处理及显示等功能的管理和实现，均由系统软件来完成。 数据处理监控主程序框图如图6所示。监控主程序模块主要完成系统初始化与状态自检，然后对按键状态进行不问断扫描，以决定工作状态，参数设定状态对数据处理系统参数进行标定，运行状态完成对采样得到的数据进行处理变换，再把数据送LCD显示器显示等功能。 图6 数据处理主程序流程图 晶片厚度检测仪监控主程序工作过程为，系统进入监控主程序后，首先进行系统初始化与状态自检，如果自检没有发现系统故障，则进行按键不间断状态扫描，以决定是否进行系统参数标定，然后根据按键扫描状态进入厚度检测运行工作模式，进行数据采集、转换与输送处理，结果送LCD显示器。 参考文献 [1] 刘迎春，叶湘斌．传感器原理、设计与应用[M]．长沙：国防科技大学出版社． [2] 刘政，李刚等．差动变压器式传感器的接口芯片AD2S93[J]．国外电子元器件，1998． [3] MOTOLORA Analog lc Device Data．Undervoltage Sensing cir．cuit． [4] 白浩伟，李大斌等．多功能LCD驱动器HTl621及其应用[J]．国外电子元器件，1999．