自動電子安平儀控制系統(tǒng)硬件

1、個人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用摘要摘要 ：本文介紹了以硅光電池作為安平儀敏感元件的光電式角度傳感器的工作原理，設(shè)計了自動電子安平儀的硬件電路，介紹了軟件系統(tǒng)的主要設(shè)計任務(wù)和總體思路，采取數(shù)字濾波濾除了干擾信號，采取 PID 控制算法提高了系統(tǒng)的性能指標(biāo)，通過實驗對自動電子安平儀傳感器的性能進行了測試，最后對樣機進行了測試，結(jié)果表明自動電子安平儀兩個主要指標(biāo)，即安平精度和安平時間基本達到設(shè)計要求。另外本文還設(shè)計了自動電子安平儀的硬件系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了光電式角度傳感器，前置放大器、轉(zhuǎn)換器。主控單片機及直流電機 驅(qū)動等的工作原理。關(guān)鍵詞安平儀光電角度傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)測試中圖分類號：TH712文獻標(biāo)識碼：

2、引言自動電子安平儀作為新一代的測平儀器，是一種用來測量水平度并自動調(diào)整姿態(tài)的儀器，主要由電子水平儀和動控制系統(tǒng)構(gòu)成，通過測量儀器所處的水平度 ，若儀器不處在水平位置，則自動調(diào)整控制儀器的姿態(tài)使儀器處于水平狀態(tài) ，然后輸出水平的激光標(biāo)識線。自動電子安平儀可以很方便地用于實驗室、建筑施工、管網(wǎng)布線、設(shè)備調(diào)平家居裝飾裝潢、木瓦 工放線、庭院整理等水平測試及水平指示場合。它也作為一種重要的通用工具，廣泛應(yīng)用在橋梁架設(shè)，鐵路鋪設(shè)，土木工程，地質(zhì)勘探，石油鉆井，航空航海，工業(yè)自動化，機械加工，精密制造，教案研究，國防軍事等各個領(lǐng)域和行業(yè)中。 b5E2RGbCAP2 系統(tǒng)硬件設(shè)計自動電子安平儀主要由電子水平

3、儀和控制系統(tǒng)構(gòu)成，通過測量儀器所處的水平度，調(diào)整控制儀器的姿態(tài)使儀器總是處于水平狀態(tài)，然后輸出水平的激光標(biāo)識線。 p1EanqFDPw1/10個人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用 總體結(jié)構(gòu)和工作原理自動電子安平儀主要由電子水平儀和控制系統(tǒng)構(gòu)成，通過測量儀器所處的水平度，調(diào)整控制儀器的姿態(tài)使儀器總是處于水平狀態(tài)，然后輸出水平的激光標(biāo)識線 DXDiTa9E3d我們設(shè)計自動安平儀控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖所示。該系統(tǒng)主要由傾角傳感器 、前置放大 電路、 轉(zhuǎn)換電路微處理器及姿態(tài)調(diào)整電路等部分組成系統(tǒng) 以硅光電池為測量敏感部件，構(gòu)成高精度的光電角度傳感器作為輸入單元， 作 為中央 處理器 為模 數(shù)<） 轉(zhuǎn)換器 并

4、對各種 擾源 進行分析 ，并提 出相應(yīng)的抗干擾措施。RTCrpUDGiT自動電子安平儀的工作原理如下：方 向角度傳感器將儀器的方 向的水平度測量，經(jīng)方向的前置放大器 放大后 ，輸出到雙通道位串行模數(shù) 轉(zhuǎn)換器 的 通道，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后經(jīng) 接口輸出至微處理 器 ， U 判斷 是否達到 了平衡 ，若末達 到平衡，通過調(diào)節(jié)控制 方 向電機驅(qū)動，使儀器的水平度變化 ，直到達到平衡要求的精度。 方向也同樣采用類 似的方法，這 樣，整個儀 器在水平面達到水平，此時，5PCzVD7HxA控制激光 二極管輸出水平的標(biāo)識線。光電式角度傳感器的設(shè)計我們所研制的電子安平儀的傳感器部分利用硅光電池作為關(guān)鍵元件,其結(jié)構(gòu)

5、圖如圖 所示。將硅光電池和水泡密封在暗盒內(nèi)，在氣泡的兩端分別置發(fā)光 一二極管 光 電池付于水泡的下方，當(dāng)兩個發(fā)光二極2/10個人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用和 ，管點亮?xí)r發(fā)射的光線透過水泡照射到電池喪麗。在水泡位于水乎狀態(tài)時，兩個光電池所接受的照度相等經(jīng)過差分放大器后輸出的電壓為零。由于位置不同時，氣泡在水泡中也會處于不同的位置，這樣氣泡會擋住一部分的光線，因此就會產(chǎn)電壓差。理論上，光生電動勢的輸出時采用差動式的，所以輸出電壓為0 即表示裝置處于水平狀態(tài)如裝置不在水平狀態(tài)，如裝置不在水平狀態(tài)，氣泡不會處在水泡的中間，那么就會在光電池的兩端產(chǎn)生 電壓惹經(jīng)幕動輸出后產(chǎn)生或負(fù)電壓，輸出信號經(jīng)過濾波 ，放大并

6、經(jīng) 轉(zhuǎn)換后輸入片機進行分析處理，并驅(qū)動直流電機調(diào)整電子水平儀至水平狀態(tài) 。 jLBHrnAILg3/10個人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用 前置通道電路設(shè)計4/10個人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用前置通道電路包括恒流源的設(shè)計，傳感器輸 出信號 的放大電路設(shè)計等。 恒流源的選擇光電池屬于光敏感器件 ，對入射光非常敏感，微弱光線的變化都會影響轉(zhuǎn)換精度 ，必須保持硅光 電池的入射光強度相 當(dāng)穩(wěn)定，這就要求發(fā)光源發(fā)出的光非常穩(wěn)定，因此選擇恒流源作 為發(fā)光二極管的電源部分，而且光源要嚴(yán)格密封 ，以免引入外界光線的干擾。恒流源電路由兩個三極管并聯(lián)組成， 電路原理圖如圖。xHAQX74J0X 前置信號的放大光電池輸 出的電壓

7、信號非常微弱，一般只有幾十毫伏 ，而且這些信號動態(tài)范圍較大往往還 有很 大的共模干擾成分 ,不能直接為單片微處理器所處理，必須經(jīng)過放大和濾波。 為此在傳感器后面接有放大器，為提高性能，這些放大器都采用運放構(gòu)成的儀 表放大器，設(shè)計時選擇單電源儀表放大器。 D 電路 對來自 傳感器的信 號進行精密放大 。同時抑制共模干擾成 分 ,提 高信號質(zhì)量。圖 為恒流源驅(qū)動 電路。 LDAYtRyKfE D 轉(zhuǎn)換器 的選擇 1 4 是美 國 M 公 司生產(chǎn)的新型 雙通道 位 串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器， X1 的兩個模擬輸入通道 H與可連接到兩個不同的信號源上。上電復(fù)位后。5/10個人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用將 自動對 C通

8、道的模擬信號進行A/ 轉(zhuǎn)換 ：轉(zhuǎn)換 完畢又 自動切換到通道并對 通道模擬信號進行 A/ 轉(zhuǎn)換 ，之后交替地在 H 0 和通道 問進行切換和轉(zhuǎn) 換。輸 出數(shù)據(jù) 中包含 的一 個通道標(biāo) 志 位 D, 用以確 定該數(shù)據(jù) 為哪一通道 轉(zhuǎn)換得到。全 自 電子安平儀有兩路模擬信號實際需要對這兩路模擬信號交替的進行轉(zhuǎn)換，并根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果對兩個方向交替的進行水平調(diào)整。 1 4 正好 可以滿足此要求。模 擬信號經(jīng)放大器放大和濾波后連接到 X1 4 的 H和 H1 端口 如圖 。 Zzz6ZB2Ltk6/10個人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用模擬信號電壓范圍為 . V , 可將 14的參考基準(zhǔn)電壓設(shè)置為.08 這樣可 以提高

9、轉(zhuǎn)換精度，也便于轉(zhuǎn)換數(shù) 據(jù)的后續(xù)處理， . 4 的基準(zhǔn)電壓可由 EF191提供 ,MAX144 與單片機的接口十分簡單，只須三根 /O接 口線，采 用內(nèi)部時鐘模式，單片機通過編程產(chǎn)生串行時鐘，并按時序讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。 dvzfvkwMI1由于輸 入信號一般都含有各種噪聲和干擾，為了得到精確的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，在設(shè)計時應(yīng)用了硬件抗干擾技術(shù)。將輸入信號串接一個7的精密電阻，并接一個 .的旁路電容，用以削弱開關(guān)電容濾波器所產(chǎn)生的時鐘噪聲。另外在設(shè)計 電路板 時，模擬輸入通道應(yīng)盡可能短，模擬信號和數(shù)字信 號應(yīng)分 開布線 ；模 擬地與數(shù)字 地應(yīng)隔rqyn14ZNXI離，在 X14 的地線附近將兩者短接；正電源引入

10、的高頻噪聲也會影響轉(zhuǎn)換精度,可以采用圖示的個并聯(lián)旁路電容網(wǎng)絡(luò)將其濾 除。 EmxvxOtOco 單片機 的選擇我們選擇T 9 2 5是美國愛特梅爾< A M ）半導(dǎo)體制造公司生產(chǎn)的1 種 高性 能單 片機 。它將多功能位 P和 K 的閃速存儲器集成在單個芯片中，使其成為一種高效的微控制器，價格低。 SixE2yXPq5單片機用來進行控制和數(shù)據(jù)采集、處理，用它的三根 /O口線P1.5,P1.6,P1.7 控制轉(zhuǎn)換 ,兩個 /O 口來7/10個人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用控制電機的正反轉(zhuǎn)。6ewMyirQFL 后置電路的設(shè)計·直流電機的驅(qū)動設(shè)計電子安平儀采用的型雙級性可逆驅(qū)動系統(tǒng):本電子

11、安平儀采用兩個方向的直流電機進行水平儀的水平位置調(diào)節(jié) ,設(shè)計時采用單片機,運用 型雙級性可逆 驅(qū)動系統(tǒng)對電機進行精密的控制。kavU42VRUs圖是 型雙級性可逆 驅(qū)動系統(tǒng) ，它主要由個開關(guān)管和續(xù) 流二極管組成 ，單電源供電個開關(guān)管分成兩組， 4、 3 為一組 ， T和 3 為另一 組。同一組的開關(guān)管同步導(dǎo)通或關(guān)斷，不同組的開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷正好相反。采用了兩個型三極管0 5 和兩個 N型三 極管 0 4 組成正反兩個方向的驅(qū)動電路。 y6v3ALoS898/10個人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用本文設(shè)計的自動電子安平儀已成功地試制成樣機經(jīng)過多次實驗 .表明該樣機的分辨率小于0”穩(wěn)定時間小于,達到了設(shè)計要求 .該自動電子安平儀具有結(jié)構(gòu)簡單 、性能穩(wěn)定,性價比高 ,使用方便的特點。 M2ub6vSTnP參考文獻【 1】王曉明 . 電動機的單片機控制 北京 ：北京航空航天大學(xué)出版社 ， 2002 2】龔迪 雙通道