畢業(yè)設計（論文）水平儀的設計與研究

1、 本科畢業(yè)設計（論文）水平儀的設計與研究燕 山 大 學2011年6月本科畢業(yè)設計（論文）水平儀的設計與研究學院（系）：電氣工程學院 專 業(yè)：測控技術與儀器 學生 姓名： 學 號： 指導 教師： 答辯 日期： 燕山大學畢業(yè)設計（論文）任務書學院：電氣工程學院 系級教學單位：儀器科學與工程 學號學生姓名專 業(yè)班 級題目題目名稱水平儀的設計與研究題目性質1.理工類：工程設計 （ ）；工程技術實驗研究型（ ）；理論研究型（ ）；計算機軟件型（ ）；綜合型（ ）2.管理類（ ）；3.外語類（ ）；4.藝術類（ ）題目類型1.畢業(yè)設計（ ） 2.論文（ ）題目來源科研課題（ ） 生產(chǎn)實際（ ）自選題目（

2、） 主要內(nèi)容1.掌握水平儀的設計結構及設計方案2.掌握水平儀的測量原理3.測量系統(tǒng)電路設計4.設計溫度補償方案基本要求對水平儀結構進行設計，并對溫度漂移進行補償。參考資料1、單片機類參考資料2、電容傳感器方面資料周 次14周58周912周1316周1718周應完成的內(nèi)容查閱資料，熟悉課題方案分析與確定系統(tǒng)及測量電路設計撰寫論文初稿修改論文，準備答辯指導教師：職稱： 2011年12月20日系級教學單位審批： 年 月 日摘要摘要基于傳感器、數(shù)字信號處理、單片機技術的數(shù)字水平儀是當前傾角測試儀器數(shù)字化發(fā)展的方向。利用角度傳感器感應水平傾角，通過信號處理和單片機的控制、運算將傾角以數(shù)值的形式直接在數(shù)碼

3、管上顯示或上傳到計算機進行顯示、處理，從而使角度測量變得方便、快捷， 實現(xiàn)了傾角的高精度測量。本文提出了差動式傾角電容傳感器在分辨力為0001mm/m 的智能電子水平儀的應用方案，差動輸出信號通過交流放大、整流濾波、直流放大后被送到a/d轉換器。采用icl8038集成芯片作為差動電容電橋的激勵電源，使用ad7706對所得信號進行a/d轉換，并給出了零點和溫度補償方法。通過對溫度補償原理的理論推導，提出了智能電子水平儀中的溫度補償策略。提出了使用軟件和硬件結合等多項自動補償與自動校正技術進行溫度補償，最大限度簡化了電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。關鍵詞智能電子水平儀；差動電容傳感器；溫度補償；

4、自動調(diào)零i 燕山大學本科生畢業(yè)設計（論文）abstractbased on sensor, digital signal process and scm technology，a high precision digital gradienter is introducedby using angle sensor to measure level obliquity，and using m cu to control and calculate level obliquity，the value of level obliquity given by numerical form is sh

5、owed through digitron，or uploaded to computer to display and processthe measurement by using the digital gradienter is convenient，while rapid operated，and has high precisionthe application proposal of differential capacitive sensor in intellectual electronic level gauge with resolution 0.001mm/m was

6、 introduceddifferential output signal was sent to the a / d converter, through the ac zoom, rectification filter and dc zoom. it used integrated chip icl8038 to excite the differential capacitor bridgead7706 was used to convert the sampling signals to digital signa1finally the key point for temperat

7、ure compensation and zero compensation were introduced. via the theoretic derivation of temperature compensation，the temperature compensation strategy of intellect electronic level instrument is introducedseveral automatic compensation and automatic calibration techniques, such as integration of sof

8、tware and hardware，are put forward to simplify the electric circuit and improve the stability and reliability of the system keywords intellectual electronic level gauge; differential capacity principle; temperature compensation; automatic zero adjusti 目 錄摘要iabstractii第1章 緒論11.1 課題背景11.1.1 課題的目的和意義11

9、.1.2 國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析11.2 課題任務31.3 本文結構4第2章 電子水平儀的總體設計52.1 方案的確定52.1.1 溫度補償?shù)姆桨?2.1.2 零點補償?shù)姆桨?2.2 傳感器的選擇82.2.1 電容傳感器82.2.2 本課題所采用的傳感器類型122.3 a/d轉換器的選擇122.3.1 ad轉換器的分類及介紹122.3.2 本課題中對ad轉換器的選擇142.4 單片機的選擇142.5 本章小結15第3章 系統(tǒng)的硬件設計163.1 傾角傳感器的設計163.1.1 差動電容傳感器測角原理163.1.2 差動電容傳感器結構設計163.2 角度轉換模塊的設計173.2.1 激勵

10、源電路設計183.2.2 測量電橋203.2.3 第一級放大電路213.2.4 整流濾波電路233.2.5 第二級放大電路273.3 數(shù)據(jù)處理模塊的設計293.3.1 信號采集與a/d轉換293.3.2 單片機測量系統(tǒng)設計333.3.3 led顯示363.3.4 溫度與零點誤差補償383.4 本章小結41第4章 系統(tǒng)的軟件設計424.1 總體流程圖424.2 按鍵服務程序434.3 濾波程序434.4 ad轉換程序444.5 數(shù)據(jù)處理464.6 led顯示程序464.7 自動調(diào)零程序464.8 本章小結47結論48參考文獻49致謝51附錄1 開題報告52附錄2 文獻綜述61附錄3 中期報告67

11、附錄4 文獻翻譯75附錄5 文獻翻譯原文83iii第1章 緒論 第1章 緒論1.1 課題背景1.1.1 課題的目的和意義水平儀從過去簡單的氣泡水平儀到現(xiàn)在的電子水平儀已經(jīng)歷經(jīng)多次更新。電子水平儀是一種非常急需的測量小角度的量具。用它可測量對于水平位置的傾斜度、兩部件相互平行度和垂直度，機床、儀器導軌的直線度，工作臺平面度，以及平板的平面度等。在機械測量及光機電技術一體化技術應用中占有重要地位。隨著精密制造技術的發(fā)展，已有的電子水平儀不能滿足精度要求，國內(nèi)數(shù)顯式電子水平儀靈敏度、反應時間等與國外相比，差距較大。研究分辨率更高、性能更好的智能電子水平儀具有重要意義。隨著計算機應用技術的不斷發(fā)展，微

12、控制器在工業(yè)測量和控制領域內(nèi)的應用越來越廣泛；在很多計量檢測儀器中應用了單片機，使計量檢測儀器具有了一定程度的智能，但在電子水平儀中微控制器的應用尚不多見。1.1.2 國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析目前國內(nèi)已有的水平儀不能很好的滿足生產(chǎn)和應用的需求，國內(nèi)電子水平儀的生產(chǎn)和研制能力與國外相比相對落后。尤其是存在著智能化程度不高，對數(shù)據(jù)缺乏處理能力，無法一次性測量出被測面傾斜角和方位角等缺點。近年來，國內(nèi)在水平儀的研制開發(fā)方面取得了不少進展。湛江師范學院測試中心的孫國敏、林勁松研制的智能化水平儀，以單片機作為中樞系統(tǒng)配上傳感器、a/d轉換器等外圍部件，可自動檢測物體與標準水平面的傾斜程度。傳感器有

13、兩個金屬圓筒構成，小圓筒固定在大圓筒內(nèi)并密封。大圓筒和小圓筒之間充滿整個容量一半左右的流體介質。電介質呈粘滯性液體，在小圓筒內(nèi)壁和大圓筒外壁各引出一根導線，當它水平時有一電容值，當平板發(fā)生一偏轉角度后，該圓柱電容值的變化與偏轉角度的正切成線性關系，形如，a、b為常量，只與傳感器本身有關。每一個傾斜角度對應一個電容值，于是在測量物體的傾斜度時，可用電容值的變化來反應被測物體的傾斜角度，經(jīng)a/d轉換和8031的處理后，傾斜角度由液晶顯示器顯示出來。不過該傳感器在靈敏度方面有所欠缺，有待于進一步改進1。隨著光學應用領域的不斷擴展，也相應的產(chǎn)生了一些基于光電原理的光電式水平儀和激光式水平儀。上海交通大

14、學的李佳列、顏國正等研制的數(shù)字式電子水平儀，由帶ccd的普通探頭、ccd信號驅動板、整形電路、單片機及后繼電路四部分構成，采用普通水平儀的探頭、內(nèi)灌黑色油狀液體放在一個暗盒內(nèi)，頂部有一氣泡，氣泡長度為57mm之間，探頭一邊為毛玻璃和一組小燈泡，模擬出近似的平行光源，另一邊為有2160個象元的線陣ccd傳感器(該傳感器用到其中的2048個象元)。檢測水平度時，讓燈泡發(fā)光，有氣泡處ccd接收到光信號，輸出信號數(shù)字信號1(整形后)，無氣泡處光信號被溶液吸收，輸出數(shù)字信號0。通過算法對串行信號的處理來判斷氣泡的位置，算出氣泡的中心，最后通過氣泡中心位置得到傾斜角度。研制出的樣機探頭長為28.7mm，圓

15、柱面半徑為l所時，量程為±50，分辨率達到23.1，反應時間小于10ms(ccd采樣頻率為20mhz)2。由南京理工大學應用物理系的袁紅星、賀安之等人研制的用psd構成的全方位高準確度數(shù)字水平儀，是用連續(xù)型光電位置探測器作為傳感器，由半導體激光器另加配重并懸掛于殼體頂部作為豎直基準，輔以高準確度信號變換電路，以單片機進行數(shù)據(jù)處理和顯示。當激光器的懸掛點距光敏面垂直距離r=100mm時，psd敏感面為時，測量準確度達9.25。測量范圍可達3。軍械工程學院的牛燕雄等人研制出的激光水平儀是一種智能化顯示裝置儀器，該儀器在二維空間實時產(chǎn)生一條激光掃描線，使這條掃描線總是與地平線平行。它可安裝

16、于運動物體上，采集地平儀信號，在較大的視場顯示地平線，實時顯示出物體的運動姿態(tài)。應用于飛機上，可防止空間定向障礙；在醫(yī)學檢測重，利用手動信號來調(diào)節(jié)激光掃描線的位置，還可對人體進行某些病理檢測4。目前生產(chǎn)中廣泛應用的電子水平儀在原理上以重物鉛垂線為直線基準，這類水平儀主要有電感式和電容式兩種。由于電容傳感器和其他傳感器相比有輸入能量極低，只需要非常小的輸入力就可以獲得較大的相對變化量，且結構簡單、運行可靠等優(yōu)點，在目前廣泛應用的數(shù)字式電子水平儀中多采用這種傳感器。其中電容式電子水平儀的原理是將差動式電容傳感器的兩個固定極板固定在水平儀的底座上，當水平儀處于自然水平位置時，可動極板位于兩固定極板的

17、正中位置，與兩個極板的間隙相等，電容量相等，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出為零。當?shù)鬃形⑿A斜時，裝在底座上的兩個極板隨之傾斜，于是可動極板與兩個固定極板之間的空氣間隙便不相等，造成電容量不等，從而破壞電橋的平衡，則輸出即為反應傾斜量的電壓信號5。目前國外數(shù)字式電子水平儀的產(chǎn)品主要有：瑞士wyler公司和法國eda公司的電子水平儀，美國federal公司的v-4683電子水平儀聯(lián)機系統(tǒng)等。其中最著名的是瑞士wyler公司，其生產(chǎn)的nt系列新型電子水平儀適用于測量小角度，主要用于測量工件表面的平面度，也可測量機床的幾何誤差，其中的nt11型平面式電子水平儀最高分辨率可達0.001mm/m，具有數(shù)字顯示

18、功能，可選擇角度讀數(shù)和mm/m讀數(shù)，國內(nèi)的同類產(chǎn)品主要有青島前哨sdsio和sds11型，航空304所的td-80型數(shù)字型電子水平儀，其最高精度均可達到0.001mm/m6。1.2 課題任務（一）研究的基本內(nèi)容本課題研究的主要內(nèi)容是：1) 通過查閱資料了解各種水平儀的結構設計特點，并在此基礎上根據(jù)課題要求確定要設計的水平儀的結構及設計的具體方案。對幾種非接觸式位移傳感器進行比較后，選擇了差動電容傳感器。2) 掌握水平儀的基本測量原理，本課題所設計的電子水平儀是根據(jù)擺原理，結合傳感器技術、微機測量技術設計而成的。3) 在掌握了測量原理的基礎上逐步進行系統(tǒng)電路的設計，包括單片機檢測電路、溫度補償電

19、路以及零點補償電路等。4) 確定溫度補償?shù)姆桨?，包括硬件補償和軟件補償。5) 采用匯編語言對單片機進行編程，以解決水平度計算、數(shù)碼顯示以及溫度補償?shù)葐栴}。（二）擬解決的主要問題1) 為了降低環(huán)境對自動檢測系統(tǒng)工作的影響，應設法減小系統(tǒng)對溫度的有害靈敏度。但是硬件電路的設計又不能太復雜，而且還要提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，這就在軟件方面對設計提出了要求。2) 針對畢業(yè)設計的任務要求，本畢業(yè)設計擬設計一種采用差動電容式傳感器作為微驅動傳感器的電子水平儀，差動電容式傳感器的結構設計尤為重要，關系到因變量的確定，檢測方式的確定，計算的復雜程度以及單片機工作量的大小。3) 在設計過程中，應綜合考慮引線屏蔽

20、、電容器的邊緣效應等因素。4) 在軟件設計中，系統(tǒng)軟件完成的主要任務是：對信號采集進行編程控制，對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，精確計算測量角度值并在數(shù)碼管上顯示出來。1.3 本文結構本文將圍繞設計一個完整的電容式傳感器信號處理系統(tǒng)的過程展開,包括角度轉換模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。本文主要內(nèi)容如下：第1章緒論，闡述了選題背景和意義，分析了國內(nèi)外相關技術的發(fā)展動態(tài)及研究現(xiàn)狀，并對本論文的主要工作進行了介紹。第2章，通過對角度轉換中涉及的傾角傳感器和信號調(diào)理以及數(shù)據(jù)處理中涉及的a/d轉換、數(shù)碼顯示等各部分綜合分析，確定本系統(tǒng)的總體方案，并給出系統(tǒng)總體結構框圖，為后續(xù)設計做準備。第3章，先簡單介紹了電子水平儀

21、的結構原理、設計技術，并對其選型和性能進行分析。然后詳細介紹了角度轉換模塊和數(shù)據(jù)處理模塊中信號調(diào)理電路、a/d轉換電路、輸入輸出接口、顯示模塊，并詳細介紹了所用到的主要器件性能及其連接電路圖。47 第2章 電子水平儀的總體設計 第2章 電子水平儀的總體設計2.1 方案的確定傾角傳感器信號調(diào)理模塊a/d轉換單片機數(shù)碼顯示電池電源管理系統(tǒng)待測角度角度轉換模塊數(shù)據(jù)處理模塊圖2-1水平儀系統(tǒng)設計原理框圖電子水平儀的測量系統(tǒng)主要由機械系統(tǒng)、傾角傳感器、ad轉換、微處理器、數(shù)碼顯示五部分構成。進行測量時，水平儀發(fā)生微小傾斜，傳感器探頭與擺盤的相對位置發(fā)生變化，于是傳感器輸出與探頭、擺盤間距成正比的電壓信號

22、，該電壓信號經(jīng)過ad轉換送入單片機，按照測量算法就可得到傾斜角，結果通過led數(shù)碼顯示器顯示出來。其系統(tǒng)的總體結構框圖如圖2-l所示。設計的智能電子水平儀的分辨力達到0.001mm/m，傳感電容的變化量僅有幾個或幾十個皮法，屏蔽環(huán)境干擾、導線布置、溫度等引起的寄生電容比傳感電容大得多，例如屏蔽電纜電容一般為100pf/m，多路開關輸入電容一般為8pf，而傳感器的電容約為1pf，雜散電容將待測電容傳感器信號淹沒，如何消除寄生電容的影響，把有用的微小信號拾取出來成為難點之一。本設計除在電容式傳感器的設計中采取措施外，根據(jù)已有的小電容測量電路原理7，設計了一種高分辨力的信號調(diào)理電路。選擇檢測電路時主

23、要從輸出信號的穩(wěn)定性和精度兩方面分別進行對比。而運算檢測電路的優(yōu)點不僅可以保證輸出的穩(wěn)定性，而且其輸出與變極距型傳感器的極距成正比，可以保證測量精度會大大高于其它測量電路。因此，本課題采用運算放大器檢測電路作為本課題的電容檢測電路。2.1.1 溫度補償?shù)姆桨笝z測系統(tǒng)都是由敏感組件、變換放大環(huán)節(jié)等幾個基本環(huán)節(jié)組合而成。這些基本環(huán)節(jié)的靜特性都與環(huán)境溫度有關。對于電子線路而言，由于電阻的阻值、電容器的電容值、二極管和三級管的特性都隨環(huán)境溫度而變化8，導致放大器的放大倍數(shù)以及直流放大器的零點也隨環(huán)境溫度而變化。因此對于測量儀器特別是精密測量儀器來說，溫度補償?shù)馁|量直接影響儀器的總精度。由于溫度對電路及

24、電介質的影響幾乎與信號具有相同的數(shù)量級而使儀器無法正常工作9,10，為此就必須對其進行溫度補償。為降低環(huán)境對自動檢測系統(tǒng)工作的影響，應設法減小系統(tǒng)對溫度的有害靈敏度。主要從兩方面著手，一方面減小自動測量系統(tǒng)輸出零點對溫度的有害靈敏度；另一方面減小自動檢測系統(tǒng)靈敏度對溫度的敏感性。常用的溫度補償方法有以下兩種：(1) 并聯(lián)式溫度補償并聯(lián)式溫度補償即是人為地附加一個溫度補償環(huán)節(jié)，并與被補償自動檢測系統(tǒng)(或其組成環(huán)節(jié))成并聯(lián)形式，為達到溫度補償目的，應按下列條件選擇溫度補償環(huán)節(jié) (2-1)式中自動檢測系統(tǒng)的零點(其值隨t而變，是t的函數(shù)) 自動檢測系統(tǒng)的靈敏度(其值隨t而變，是t的函數(shù))式(2-1)

25、表明，按選擇參數(shù)，可使自動檢測系統(tǒng)靈敏度提高一倍。理論上并聯(lián)式溫度補償可以實現(xiàn)完全補償，但實際上只能進行近似補償，特性曲線的溫度補償只能做到兩點或三點是全補償，其它的點不是過補償就是欠補償。適用于檢測系統(tǒng)中溫度敏感參數(shù)的單一溫度補償。(2) 反饋式溫度補償原理該原理利用反饋原理，通過自動調(diào)整過程，始終保持自動檢測系統(tǒng)的零點和靈敏度不隨溫度而變化。反饋式溫度補償有兩個關鍵問題：一是把自動檢測系統(tǒng)的輸出零點、靈敏度通過某個環(huán)節(jié)(電路)檢測出來，并變換成適于進行比較的信號，如電壓信號；二是通過某一控制過程產(chǎn)生控制作用，自動改變和以達到自動補償?shù)舡h(huán)境溫度t對口和的影響。反饋式溫度補償適用于檢測系統(tǒng)中復

26、雜溫度敏感參數(shù)的綜合溫度補償，但其硬件電路的設計和實現(xiàn)比較復雜。已有的溫度補償一般采用軟硬件結合的辦法進行補償，本設計中也采用這種方法，使用溫度傳感器作為測溫元件對儀器進行溫度補償，同時使用查表的方法進行軟件補償。2.1.2 零點補償?shù)姆桨噶泓c漂移是所有傳感儀表都必須考慮的一個問題，本文基于所設計的電子水平儀，提出了一種用單片機控制數(shù)字電位器實現(xiàn)水平儀自動調(diào)零的方法，并給出了硬件設計電路和軟件控制流程。傳統(tǒng)的儀表調(diào)零大多采用在控制面板上安裝機械電位器進行調(diào)整。為實現(xiàn)精確調(diào)節(jié)，必須采用體積較大的多圈精密電位器，通過手動旋轉電位器實現(xiàn)零點調(diào)整11。這種方法不僅操作麻煩，也不利于實現(xiàn)傳感儀表的小型化

27、和便攜式。本文設計的電子水平儀提出了一種基于數(shù)字電位器和單片機的儀表數(shù)字調(diào)零方法，可以快速準確地實現(xiàn)儀表自動調(diào)零。2.2 傳感器的選擇傳感器的分類方法多種多樣，按照其測量原理可分類為電阻式傳感器、電感式傳感器和電容式傳感器12。在本課題中，若采用電阻式傳感器作為傾角傳感器，由于電阻式傳感器是接觸式測量，所以將傳感器的一端固定在上端蓋，探頭與擺盤固連在一起。當殼體傾斜時，傳感器輸出并不靈敏，輸出值的誤差也相當大，原因是要驅動電阻式傳感器需要比較大的力，而機械系統(tǒng)無法提供那么大的力，因此電阻式傳感器不適于本課題，本課題中的傾角傳感器采用非接觸式的比較合適。在非接觸式位移測量方面，與電感傳感器相比，

28、電容式傳感器測量精度更高，靈敏度也更好，因此在本課題中選用電容式位移傳感器。2.2.1 電容傳感器(1) 電容傳感器的優(yōu)點電容式傳感器具有一系列突出的優(yōu)點，如結構簡單、體積小、分辨率高、可非接觸式測量等。這些優(yōu)點，隨著電子技術的迅速發(fā)展，特別是集成電路的高速發(fā)展，將得到進一步的體現(xiàn)，而它存在的分布電容、非線性等問題以又將不斷地得到克服，因此電容式傳感器有著非常好的應用前景13,14。電子水平儀采用一個具有可變參數(shù)的電容作為傳感器，有兩個平行板組成的電容器的電容量為： (2-2)當被測參數(shù)使得a、d或發(fā)生變化時，電容量c也隨之變化。(2) 電容傳感器的分類按照變化參量的不同，電容式傳感器可分為變

29、極距型、變面積型和變介質型三種類型，以下對這三種類型的電容傳感器分別予以介紹。1變極距型電容傳感器圖2-3變極距型電容傳感器原理圖定極板動極板如圖2-3變極距型電容傳感器原理圖所示。傳感器的和a為常數(shù)，初始極距為。由式(2-2)可知其初始電容量，當動極板因被測量變化而向上移動使減小，電容量增大則有： (2-3)可見,傳感器輸出特性是非線性的。由式（2-3）可知：電容相對變化量為 (2-4)上式按級數(shù)展開為 (2-5)略去式（2-5）中的高次（非線性）項，可得近似的線性關系和靈敏度s分別為 (2-6)和 (2-7)如果考慮式(2-5)的線性項及二次項，則 (2-8)因此，以式(2-6)作為傳感器

30、的特性使用時，其相對非線性誤差為 (2-9)由上討論可知：1)變極距型電容傳感器只有在很小(小測量范圍)時，電容才有近似的線性輸出；2)靈敏度s與初始極距的平方成反比，故可以用減小的辦法來提高靈敏度。由于變極距型的分辨力很高，可測小至的線位移，故在微位移檢測中應用很廣。2變面積型電容傳感器如圖2-4變面積型電容傳感器原理圖所示。它與變極距型不同的是，被測量通過動極板移動，引起兩極板有效覆蓋面積a改變，從而得到電容的變化。動極板圖2-4變面積型電容傳感器原理圖定極板設動極板相對定極板沿長度方向平移時，則電容為： (2-10)式中為初始電容，相對變化量為： (2-11)很明顯，這種傳感器的輸出特性

31、呈線性。因而其量程不受線性范圍的限制，適合于測量較大的直線位移和角位移。它的靈敏度為 (2-12)3變介質型電容傳感器如圖2-5變介質型電容傳感器原理圖所示，兩平行極板固定不動、極距為，相對介電常數(shù)為的電介質以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質的極板覆蓋面積。傳感器的總電容量c為兩個電容和的并聯(lián)結圖2-5變介質型電容傳感器原理圖定極板定極板果。由式(2-2)得 (2-13)式中、為極板長度和寬度，為第二種介質進入極間的長度。若電介質l為空氣，當時傳感器的初始電容 (2-14)當介質2進入極間后引起電容的相對變化為 (2-15)可見，電容的變化與電介質2的移動量成線性關系。2.2.2 本課題

32、所采用的傳感器類型針對本課題對傳感器測量傾角的要求，變介質型傳感器并不適合角度測量，變面積型傳感器雖然可以用于角度的測量，但精度不高，普通單片式變極距型傳感器存在靈敏度較低，輸出電容非線性誤差較大的缺點。差動電容式傳感器的靈敏度高、非線性誤差小，同時還能減小靜電引力給測量帶來的影響，并能有效地改善由于溫度等環(huán)境影響所造成的誤差，因而在許多測量控制場合中，用到的電容式傳感器大多是差動式電容傳感器。然而，電容式傳感器的電容值十分微小，必須借助信號調(diào)理電路，將微小電容的變化轉換成與其成正比的電壓、電流或頻率的變化，這樣才可以顯示、記錄以及傳輸。本課題采用差動式變極距型傾角傳感器。2.3 a/d轉換器

33、的選擇實現(xiàn)模數(shù)轉換的方法有很多，不同的電路結構的adc的工作原理差異很大，性能上的差異也可能很大。本節(jié)主要按轉換電路和工作原理的不同對adc進行粗略的分類介紹。2.3.1 ad轉換器的分類及介紹 實現(xiàn)ad轉換的方法有很多，常見的有逐次逼近法、計數(shù)法、積分法、電壓頻率轉換法、-轉換法等。1逐次逼近型這種adc是用一個電壓比較器將模擬輸入電壓與一個n位dac的輸出電壓進行比較，這個n位dac的數(shù)字輸入是由一個逐次逼近寄存器提供的。逐次逼近寄存器在轉換器的控制電路控制下，從高位到低位逐位被置1或清0，使dac的輸出電壓逐步逼近模擬輸入電壓，經(jīng)過n次比較和逼近，最終逐次逼近寄存器中的數(shù)字(即dac的輸

34、入)就是模數(shù)轉換的結果。在中低速場合得到廣泛的應用。2跟蹤計數(shù)器跟蹤計數(shù)型與逐次逼近型有相似之處，但轉換器包含一個電壓比較器和一個n位dac，一個可逆計數(shù)器代替了逐次逼近寄存器和控制邏輯，可逆計數(shù)器在時鐘脈沖作用下不停的計數(shù)，計數(shù)器的值作為dac的輸出不停地跟蹤模擬輸入電壓，計數(shù)器的值即為adc的數(shù)字輸出值。跟蹤計數(shù)型adc的電路結構比逐次逼近型簡單，計數(shù)器能及時跟蹤模擬輸入電壓，特別適用于需要快速跟蹤的伺服系統(tǒng)。3積分型從轉換型號的關系來說，積分型adc屬于間接轉換型。轉換器中的積分器把模擬輸入電壓轉換成與之成比例的時間間隔，在這時間間隔內(nèi)一個n位計數(shù)器對頻率固定的時鐘脈沖計數(shù)，最終的計數(shù)值

35、與時間間隔成正比，反映了輸入平均電壓的大小。為了減小積分器的元件參數(shù)和參考電壓對積分精度的影響，通常要對輸入電壓和參考電壓各進行一次積分，因此又稱為雙積分型adc。積分器和計數(shù)器結構簡單，成本低，此外積分器具有低通特性，能抑制高頻噪聲，但工作速度低，因此積分型adc被廣泛用于低頻、高精度的數(shù)字儀表電路中4壓頻轉換型壓頻轉換又稱為vf轉換，首先把模擬電壓轉換成頻率與該電壓成正比的脈沖信號，然后在單位時間內(nèi)用計數(shù)器對脈沖計數(shù)，計數(shù)值與頻率成正比，反映了模擬電壓的大小顯然，vf型也屬于間接轉換型，中間變量是頻率。專用的vf轉換芯片已非常成熟，再與計數(shù)器配合可以構成高分辨率、低成本的adc。5-型-型

36、adc以很低的采樣分辨率(1位)和很高的采樣速率將模擬信號數(shù)字化，利用過采樣計數(shù)、噪聲整形和數(shù)字濾波計數(shù)增加有效分辨率。近年來-模數(shù)轉換計數(shù)發(fā)展很快，轉換分辨率可以高達24位，在各類模數(shù)轉換器中分辨率是最高的，因此在低成本、高分辨率的低頻信號處理場合得到了廣泛的應用，有取代雙積分型adc的趨勢。2.3.2 本課題中對ad轉換器的選擇由于本課題設計的水平儀精度較高，所以需要選用高分辨率的ad轉換器，考慮轉換速度、成本等因素選用-型ad轉換器ad7706。ad7706受溫度的影響比較小，滿足水平儀工作環(huán)境溫度變化的要求，這種器件還具有高分辨率、寬動態(tài)范圍、自校準、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓、低功耗

37、等特點，非常適合應用在儀表測量、工業(yè)控制等領域15。目前-型ad轉換器主要用于高分辨率的中、低頻(直至直流)測量中。-型ad轉換器與傳統(tǒng)的lpcm型adc不同，不是直接根據(jù)信號的幅度進行量化編碼，而是根據(jù)前一采樣值與后一采樣值之差(增量)進行量化編碼。它是根據(jù)信號的包絡形狀進行量化編碼。一方面-型ad轉換器采用了極低位(1bit)的量化器，非常適合mos技術實現(xiàn)，制造簡單。另一方面它采用了極高的采樣頻率和-調(diào)制技術，可獲得極高的分辨率。因此它是用高采樣率來換取高位量化的。-型ad轉換器以極低的采樣分辨率(1位)和很高的采樣頻率將模擬信號數(shù)字化，通過過采樣技術、噪聲整形和數(shù)字濾波技術增加有效分辨

38、率，去除多余信息，減輕數(shù)據(jù)處理的負擔。而且-型ad轉換器的微分線性和積分線性性能優(yōu)秀，不像其他類型的模數(shù)轉換器那樣需要修調(diào)。2.4 單片機的選擇單片機由于集成度高、功能強、通用性好、體積小、重量輕、能耗低、價格便宜、可靠性高、抗干擾能力強和使用方便等獨特優(yōu)點，使得單片機得到迅速推廣和應用，它已成為測量控制系統(tǒng)中的關鍵部件。單片機可分為通用機和專用機兩種，本測控系統(tǒng)應采用通用機，自己設計接口和程序。本系統(tǒng)中采用美國atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能的cmos 8位單片機at89c55wd。片內(nèi)含20kb的可反復擦寫的flash只讀程序存儲器和256 bytes的ram，器件采用atmel公司的高

39、密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準mcs-5l指令系統(tǒng)，引腳兼容工業(yè)標準89c5l和89c52芯片，片內(nèi)置通用8位中央處理器和flash存儲單元，內(nèi)置功能強大的微處理器可提供許多高性價比的解決方案，適用于多數(shù)嵌入式應用系統(tǒng)。at89c55wd有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出(i/o)端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個l6位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，以及片內(nèi)時鐘電路。at89c55wd具有plcc、pdip和tqfp三種封裝形式， 以適應不同產(chǎn)品的需求，本測量系統(tǒng)采用的是pdip封裝。本測量系統(tǒng)采用at89c55wd的主要原因是，程序中計算部分所占用的rom空間

40、較大，若采用普通內(nèi)置8krom的單片機，由于空間不夠會導致燒寫失敗，而at89c55wd有20k flash rom，足夠使用。同時at89c55wd內(nèi)置的看門狗電路也避免了再進行外圍擴展。2.5 本章小結本章對水平儀的測量系統(tǒng)進行了整體上的設計，機械系統(tǒng)，位移傳感器、ad模塊、微處理器、數(shù)碼顯示五部分構成了水平儀的測量系統(tǒng)。對測量系統(tǒng)所采用的傳感器進行了選擇，在選定采用電容式傳感器的基礎上，分析了三種不同類型的電容傳感器，選定了差動式變極距型電容傳感器作為本測量系統(tǒng)的位移傳感器。對單片機及ad轉換器進行了分析和選擇，最后根據(jù)本設計的需要選擇了at89c55wd單片機和ad7706轉換器。第3

41、章 系統(tǒng)的硬件設計 第3章 系統(tǒng)的硬件設計3.1 傾角傳感器的設計3.1.1 差動電容傳感器測角原理差動電容傳感器越來越廣泛地應用于諸如壓力、加速度、直線位移、轉角等物理量的測量，其電路結構依測量要求不同而不同，但其基本原理都是利用比例信號處理法以傳感器電容容量的變化來反映被測量的變化，電容變化可以是線性或非線性的。所謂比例信號處理法即用傳感器中兩電容之差與兩電容之和的比值來線性地反映被測量。因此需要專門的信號處理電路將傳感器電容變化轉換為易于檢測的電量，已經(jīng)出現(xiàn)的技術方法有開關-電容(s/c)法，模數(shù)轉換(a/d)法、電容/頻率轉換法、電容/相位轉換法等，其中適用于cmos集成電路的s/c法

42、由于時鐘饋線的影響精度較低，c/f法可以達到很高的精度，但由于需要微處理器來進行比例運算而難以滿足時實、快速的要求。近年來，人們在提高精度和速度方面不斷探索，提出了各種提高精度和速度的方法，本設計采用a/d轉換法。3.1.2 差動電容傳感器結構設計設計采用傾角傳感器為專門設計定制的差動電容式傳感器,其結構簡圖如圖3-1所示。圖3-1差動電容傳感器結構簡圖懸絲底座動極板固定極板固定極板與水平儀底座和測量平面固定在一起，動極板由懸絲懸掛，當被測平面有一定傾角時，由于重力作用，動極板始終保持豎直狀態(tài)，與一固定極板的極距減小，而與另一極板極距增大，形成差動輸出。圖3-2測角模型圖由幾何關系可知: (3

43、-1)由于所測傾角變化極小，可認為動極板與固定極板始終平行。由式(3-1)可以看出與d之間成線性關系。3.2 角度轉換模塊的設計角度轉換模塊就是將傳感器敏感的角度信號轉換為電信號，然后經(jīng)過調(diào)理、放大、濾波、運算分析等的加工處理， 以抑制有害干擾噪聲、提高信噪比，便于進一步的傳輸和后續(xù)處理。電路結構主要由傳感器角度測量和電信號調(diào)理2部分組成，其工作原理如圖3-3所示：圖3-3 角度轉換模塊工作原理框圖待測角度傾角傳感器激勵源測量電橋第一級運算放大器整流濾波第二級運算放大器直流輸出3.2.1 激勵源電路設計為了減小激勵源輸出電壓波形失真及減小干擾信號對傳感器輸出信號的干擾，設計中采用精密波形發(fā)生器

44、集成芯片icl8038作為激勵源。1. icl8038的主要特點:icl8038波形發(fā)生器輸出頻率范圍廣(0.001hz300khz)，輸出電平高(ttl28v)，帶有自校準系統(tǒng)，輸出頻率在很寬的溫度范圍內(nèi)及不同供電電壓保持穩(wěn)定?？赏瑫r輸出任意的三角波、矩形波和正弦波等，占空比范圍為2%98%，低失真正弦波為1%，低溫度漂移為50ppm/，三角波輸出線性度為0.1%，工作電源為 ±5v±12v 或者+ 12v+ 25v。2. 內(nèi)部結構由圖3-5可知，該芯片由三角波振蕩電路、比較器1、比較器2、觸發(fā)器、三角波正弦波變換電路、恒流源cs1、cs2等組成。圖3-5 icl8038

45、內(nèi)部電路方框圖v+v- or gnd恒流源cs1恒流源cs2比較器1比較器2觸發(fā)器緩沖區(qū)緩沖區(qū)三角波正弦波變換電路c93211610i2i13.工作過程恒流源cs1、cs2主要用于對外接電容c進行充電放電，可利用4、5腳外接電阻調(diào)整恒流源的電流，以改變電容c的充放電時間常數(shù)，從而改變10腳三角波的頻率。兩個比較器分別被內(nèi)部基準電壓設定在23vs與13vs。使兩個比較器必須在大于23vs或小于13vs的范圍內(nèi)翻轉。其輸出同時控制觸發(fā)器，使其一方面控制恒流源cs2的通斷，另一方面輸出方波經(jīng)集電極開路緩沖器，由9腳輸出方脈沖，而10腳經(jīng)緩沖器直接由3腳輸出三角波，另外還經(jīng)三角波正弦波變換電路由2腳輸

46、出低失真正弦波。當c上電壓上升到比較器1的門限電壓23vs時，觸發(fā)器輸出q=1。開關s導通，cs2把電流i2加到c上反充電，當i2>i1時, 相當于c由一個凈電流i2-i1放電，此時c上電壓逐漸下降, 當下降到比較器2的門限電壓13vs時，r·s觸發(fā)器被復位，q=0，于是s斷開cs2，僅有cs1對c充電，如此反復形成振蕩。當兩個電流源cs1、cs2的電流分別設定為i、2i時，電容c上的充電、放電時間相等，則10腳三角波以及變換的正弦波就是對稱的，方波的占空比是50%。若恒流源cs1、cs2的電流不滿足上述關系，則3腳輸出非對稱的鋸齒波，2腳輸出非對稱的正弦波，9腳輸出占空比為2

47、%98%的脈沖波形。4. 激勵源連接電路激勵源電路圖如圖3-6所示，為減小輸出正弦波波形失真，管腳11與管腳l2之間的82k采用可變電阻。采用可變電阻后失真率范圍可小于1，為進一步減小失真，采用兩個100k的電位器(見圖3-6)，這樣連接后失真會減小為05左右。圖3-6中741的作用是為正弦輸出提供緩沖及可變增益，即改變輸出幅值的作用。圖3-6激勵源電路圖3.2.2 測量電橋采用溫度特性良好的精密電阻與差動電容傳感器來組成阻容電橋，兩個精密電阻的參數(shù)選擇盡量完全匹配，如圖3-7所示。圖3-7 電橋電路圖電橋的不平衡輸出電壓u2與激勵源電壓u1之間的關系為 (3-2)其中r為橋臂電阻；d為電容兩

48、極板之間的距離；d為電容兩極板間距離的變化量；為激勵源角頻率；為電介質常數(shù)；s為電容極板面積； u1為激勵源電壓；u2為電橋不平衡電壓輸出。令，則，則上式變?yōu)?(3-3)因為，所以上式簡化為 (3-4)式中為靈敏度。由式(3-4)可以看出，在激勵源不變的條件下，電橋不平衡輸出電壓u2與d成一簡單的線性關系，由式(3-1)可知與傾角也成一簡單的線性關系。對正弦波形輸出電壓及放大后的交流電橋輸出電壓同時采樣由式(3-4)可以看出，電橋不平衡電壓輸出u2，與激勵源電壓ul之比在d一定的情況下為常數(shù)。設計中對ul及u2同時進行采樣，并將兩路信號與溫度信號(共三路信號)送人ad7706進行ad轉換。用u

49、2與ul的比值作為最終的采樣值，再以此比值進行標定，這樣就可以消除干擾信號產(chǎn)生的激勵源波形的失真。3.2.3 第一級放大電路從電橋輸出的信號為交流信號，為便于后續(xù)處理先對其進行信號放大。在精度要求不是太高的情況下采用通用運放組成的信號放大電路是可行的，但是由于通用運放放大電路的外接電阻很難精密匹配，由分立原件組成的放大電路共模抑制比不高，會影響到檢測精度。有鑒于此，在本課題中采用了集成儀用放大器。美國ad公司開發(fā)了許多性能優(yōu)良的儀表專用放大器芯片，如：ad521、ad524、ad620、ad624等，這些芯片現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應用到各種電路設計中。由于ad620具有精度高、增益選擇范圍大和高性價比等

50、特點，本課題采用該芯片作為放大器芯片，其主要特點見表3-1：表3-1 ad620的特性供電電源增益選擇增益范圍最大增益誤差%帶寬±2.3±18v電阻編程110k0.7%(g=1ooo)1mhz(g=1，小信號-3db)功耗輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)漂移輸入偏置電流最小共模抑制比最大650mw最大125v最大1v/最大2.0ma9.3db(g=10)為了正確地使用ad620，發(fā)揮其固有的性能，在使用中應該注意ad620的輸入過載能力，兩個輸入端應分別串聯(lián)一只400的薄膜電阻，這樣可以安全地承受長達幾小時的輸入高達+15v或+6ma的過載，這種保護功能對所有增益均有效，當信號源和放大

51、器分別供電時更為重要。如圖3-8所示為ad620引腳圖，圖3-9為ad620電路原理圖。圖3-8 ad620引腳圖12348765rc-in+in-vsrc+vsoutputreftop viewad620-+圖3-9 ad620電路原理圖只要在l、8針腳之間加入一個外部增益控制電阻rg，就可以靈活的調(diào)節(jié)增益，增益方程式為，由此可以得出，對于所需要的增益，則外部控制增益電阻值為。為了減小輸人端的噪聲干擾采用屏蔽電纜方法。對屏蔽給予適當?shù)尿寗?，可減小電纜電容和雜散電容造成的差分相移，保證交流共模抑制比不下降，圖3-9為差分屏蔽驅動接法。3.2.4 整流濾波電路1.交直流轉換電路經(jīng)過交流放大后的交

52、流信號還需要被轉換成直流信號才能進行ad轉換。美國maxim公司的產(chǎn)品max536a可以有效的實現(xiàn)交流/直流有效值的轉換。該集成芯片外圍電路簡單，性能優(yōu)越。它可以計算出包含交流和直流成分的任何復雜輸入波形的有效值，并能轉換成直流信號出口。max536a可以接受的輸入信號在0-7v(按有效值計算)之間，輸入信號電壓的極限峰值在±25v之間，可以采用單電源供電和雙電源供電兩種工作模式，單電源供電時電源電壓最大值是+36v，雙電源供電時電源電壓最大值是±18v。如圖3-10所示為max536a引腳圖，圖3-11為max536a電路原理圖。max536a采用雙電源供電模式，供電電壓

53、為±15v。連接在4和14針腳的電容cav是一個重要的參數(shù)，cav越大轉換精度越高，但是輸出穩(wěn)定時間越長，由于水平儀為靜態(tài)測量，對輸出穩(wěn)定時間要求不高，因此經(jīng)查閱取cav=5f，信號穩(wěn)定時間約為0.5s，精度約為0.1%。max536a的轉換精度可以通過外圍的器件來改善，r4用以調(diào)整偏移量，通過調(diào)整r4保證當信號輸入端vm輸入為零時信號輸出端vout輸出也為零；通過調(diào)整r1可以對輸出信號進行校正。其中r1=500，r2=365，r3=750k，r4=50k。圖3-10 max536a的引腳圖圖3-11 max536a電路原理圖2.整流濾波在本測量系統(tǒng)中，經(jīng)過交直流轉換后，信號是一個靜態(tài)的直流信號，可以肯定頻率在10hz以下。故所選擇的濾波器必須能夠無損耗的通過10hz以內(nèi)的信號，同時為了濾除50hz的工頻干擾，就要求濾波器的過渡帶很窄，即過渡帶內(nèi)增益衰減很快。滿足這一要求就是要選用高階濾波器。但是高階有源rc濾波電路結構復雜，所用元器件多，占用儀器體積，同時也不利于電路參數(shù)的調(diào)整