便攜式傾角傳感器的設(shè)計(jì)

1、便攜式傾角傳感器的設(shè)計(jì)張江波1 王培先2( 1鄭州航天電子技術(shù)有限公司，河南鄭州 450001,2鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州，450121 )Design of Portable inclinometerZHANG Jiangbo 1 WANG Peixian 2 （1. Zhengzhou Aerospace Electronic Technology Co.,Ltd, Zhengzhou 450001, China 2. Zhengzhou Professional Technology Institute，Zhengzhou 450121,China；）Abstract Because

2、of having measure and display part dividually, traditional military inclinometer has huge physical volume and hard to receive data. So we designed a kind of portable inclinometer in this paper. This inclinometer not only combines the abilities of measure and display, and also has the advantage of hi

3、gh accuracy and stability. It can be applied in various military and industrial places extensively for its great capabilities.Keywords portability, inclinometer, integrative design摘 要 傳統(tǒng)軍用測(cè)角儀器采用分體設(shè)計(jì)，其體積龐大、讀數(shù)困難，因此該文提出了一種便攜式傾角傳感器，該傳感器將測(cè)量和顯示功能一體化，并采用干電池供電，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易快捷的測(cè)量，具有便攜式、高精度、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。該產(chǎn)品綜合性能較高，可廣泛應(yīng)用于高精

4、度測(cè)角需求的軍事和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。關(guān)鍵詞 便攜式 傾角傳感器 一體化設(shè)計(jì)中圖分類號(hào) TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼1 引言傳統(tǒng)的傾角傳感器以其測(cè)量精度高、可靠性強(qiáng)在水平、垂直度檢測(cè)以及小角度測(cè)量領(lǐng)域占據(jù)有重要的地位，已經(jīng)作為多種大型號(hào)軍用設(shè)備配套儀器在航天發(fā)射、雷達(dá)車調(diào)平、火炮初始化調(diào)平等專業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但在比較惡劣的環(huán)境條件、無(wú)市電供應(yīng)狀態(tài)下該類傳感器產(chǎn)品不能進(jìn)行測(cè)量工作。因此研究可適應(yīng)惡劣環(huán)境及民用要求的小體積、輕重量、電池供電、使用方便靈活的傾角傳感器產(chǎn)品成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)對(duì)課題的討論，以及對(duì)方案涉及到的新技術(shù)、新工藝的試驗(yàn)論證，確立方案如下：以現(xiàn)有的傾角傳感器中使用的模擬處理電路及

5、其敏感元件為基礎(chǔ)，增加了A/D轉(zhuǎn)換器（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、微處理器、電源穩(wěn)壓處理、液晶顯示、RS-232數(shù)據(jù)處理等電路模塊，采用微功耗電子元器件，提高傾角傳感器的數(shù)據(jù)處理功能，改變電源供電的形式，增加人機(jī)對(duì)話接口，整體提高了儀器的技術(shù)含量和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。2 電路系統(tǒng)方案2.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了模塊化設(shè)計(jì)的方法，經(jīng)過(guò)分析將便攜式傾角傳感器分為以下幾個(gè)主要模塊：1） 傳感器敏感元件模塊；2）電源供電模塊；3）傳感器信號(hào)采集與放大模塊；4）A/D轉(zhuǎn)換模塊；5）微處理器模塊；6）液晶顯示模塊；7）RS-232信號(hào)傳輸模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該水平傾角傳感器系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：敏感元

6、件是對(duì)角度變化敏感的液體式電導(dǎo)液，其輸出的電導(dǎo)信號(hào)在小范圍內(nèi)與角度成線性變化，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)變后使其以電壓信號(hào)的形式輸出。通過(guò)運(yùn)算放大器的適度放大后，變?yōu)閷?duì)用戶有用的電壓信號(hào)。傳統(tǒng)的水平傾角傳感器多采用電壓信號(hào)輸出的形式實(shí)現(xiàn)其功能。在本系統(tǒng)中，將其通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)并將數(shù)字信號(hào)傳送入微處理器中進(jìn)行濾波、限幅、角度化等處理，使之變?yōu)閷?duì)應(yīng)的精確的角度實(shí)時(shí)信號(hào)，并通過(guò)液晶模塊進(jìn)行顯示以實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。另外配置了RS-232信號(hào)傳輸模塊，系統(tǒng)可以通過(guò)該模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。為滿足儀器的便攜式要求，在電源處理及電路元器件選擇上，我們主要采取了選用干電池電源穩(wěn)壓處理模塊和采用微功耗器件實(shí)現(xiàn)

7、電路功能的方法。系統(tǒng)中元器件的供電都采用由干電池組合并經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓處理的5V電源供電。為實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約以滿足較長(zhǎng)時(shí)間的工作需求，數(shù)字處理部分元器件都采用了節(jié)電的COMS器件，其封裝除了微處理器仍采用傳統(tǒng)的DIP直插式結(jié)構(gòu)為滿足程序燒寫的要求以外，其他元器件盡量采用低功耗的SOP封裝形式，這樣可以將系統(tǒng)電路中的功耗大幅降低，滿足便攜式儀器的應(yīng)用要求。2.2電路設(shè)計(jì)為便于分析儀器工作原理，將電路分為模擬和數(shù)字兩大部分。2.2.1模擬電路部分模擬部分工作的原理如圖2所示：模擬部分工作原理：由信號(hào)源產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)加到測(cè)量電橋上。若水平敏感元件處于水平狀態(tài)，則測(cè)量電橋平衡，信號(hào)輸出為零；當(dāng)其向某一方向傾斜時(shí)

8、，由于水平敏感元件的兩個(gè)角敏電阻阻值分別向相反方向變化，電橋失去平衡，其輸出信號(hào)值與傾角在一定范圍內(nèi)成近似線性關(guān)系，信號(hào)輸出將在一定范圍內(nèi)和此傾角保持線性輸出關(guān)系。輸出電壓大小在一定范圍可以調(diào)整。信號(hào)極性同傾斜方向有關(guān)。交流放大器將電橋輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)相敏檢波器對(duì)角度信號(hào)進(jìn)行解調(diào)為直流電壓，再經(jīng)進(jìn)一步放大后，輸出合適的電壓信號(hào)，以供數(shù)字電路部分處理。圖2 模擬部分工作原理圖（1）傳感器敏感元件模塊為了測(cè)量水平面或豎直面，系統(tǒng)采用兩個(gè)相互垂直放置的水平敏感元件作為系統(tǒng)的測(cè)量單元。水平敏感元件采用我公司常用的水平液體擺式傳感器件。該器件反應(yīng)靈敏，在較小的角度范圍內(nèi)，其傾斜所產(chǎn)生的電導(dǎo)

9、信號(hào)與實(shí)際角度成很好的線性關(guān)系，利用此原理可以實(shí)現(xiàn)精確的角度測(cè)量。而且敏感元件內(nèi)封裝的電導(dǎo)液體因其化學(xué)成分合理的配比，使其對(duì)溫度變化的響應(yīng)不靈敏，因此溫度變化對(duì)敏感元件測(cè)量精確度產(chǎn)生的影響很小。在零位附近因外界變化對(duì)敏感器件的影響具有平衡性，所以用該敏感元件組成傳感器常用于測(cè)量水平度或者垂直度。（2）電源供電模塊儀器為滿足便攜式要求，采用干電池供電。設(shè)計(jì)中采用了四節(jié)可充電的鎳氫電池作為整個(gè)系統(tǒng)的電源?？紤]到電池的放電過(guò)程中，會(huì)隨著電路的耗能而逐漸減小自身存儲(chǔ)的電量，導(dǎo)致供電電壓不足，而使電路中部分元器件停止工作，所以必須采用穩(wěn)壓電源供電模塊來(lái)使之輸出比較穩(wěn)定的電壓。經(jīng)過(guò)能耗及電源轉(zhuǎn)換效率的考慮

10、，電路中的正電源部分采用了MAXIM公司的+5V、300mA輸出、開關(guān)式DC-DC轉(zhuǎn)換器MAX603。此DC-DC模塊可以允許的輸入電壓范圍是3V15V，包含了四節(jié)1.5V干電池供電電壓變化曲線中的范圍。通過(guò)此模塊使干電池組電壓在降低到比較低值的狀態(tài)后，仍舊可以供應(yīng)穩(wěn)定的+5V直流電壓。而且此模塊的外形尺寸比較小，可以節(jié)約空間(封裝形式為SO8)。系統(tǒng)中除了+5V電源以外還需要-5V的電源，經(jīng)過(guò)選擇，采用了MAXIM公司的開關(guān)型DC-DC轉(zhuǎn)換器MAX764作為-5V電源變換器。通過(guò)此模塊可以為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的-5V電壓，為系統(tǒng)提供所需負(fù)電源。MAX764可以允許輸入的電壓范圍為3V15V，四節(jié)干

11、電池供電允許降壓的范圍可以滿足此芯片的允許輸入電壓范圍。芯片也采用SOP封裝，性能優(yōu)越，功耗低，體積小，適合小型化、低功耗產(chǎn)品的需求?？紤]到以上選取的電源變換模塊屬于開關(guān)電源模塊，輸出端子處有較大的紋波，因此需要在電壓輸出端外接適當(dāng)?shù)呐月窞V波電容，以消除電源輸出紋波對(duì)系統(tǒng)中元器件所需電源供電的穩(wěn)定性的干擾。（3）傳感器信號(hào)采集與放大模塊傳感器輸出的信號(hào)較為微弱，因此需要經(jīng)過(guò)放大電路的處理后才提供給輸出端子。為了減小電路中的共模電壓對(duì)輸出信號(hào)的影響，系統(tǒng)采用了將敏感元件加入到惠斯頓電橋橋路中以產(chǎn)生差模電壓的輸出方式，從而抑制了共模分量。來(lái)自電橋的差模電壓經(jīng)過(guò)ADI公司的儀表放大器AD620放大。

12、其示意原理圖如下圖3：圖3 儀表放大器的使用2.2.2數(shù)字電路部分?jǐn)?shù)字部分電路的原理框圖如圖4所示：圖4 數(shù)字部分電路原理（1）微處理器模塊數(shù)字電路部分采用以AT89C52單片機(jī)為核心的微處理器主控模塊單元。AT89C52單片機(jī)應(yīng)用廣泛，有較多的源程序代碼可以直接借鑒，從而減少了工作量，節(jié)約了開發(fā)時(shí)間。AT89C52為ATMEL公司出品的以8051體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)具有8K FlashROM程序存儲(chǔ)器的8位微處理器。其提供的FlashROM以其較大的容量和方便靈活的輸出接口受到廣大工控設(shè)計(jì)人員的青睞。信號(hào)通過(guò)模擬電路部分處理后進(jìn)入數(shù)字電路部分。因?yàn)檩斎胄盘?hào)是雙路傳感器產(chǎn)生的，而在同一時(shí)間數(shù)字電路部

13、分只能處理唯一的一路數(shù)據(jù)，因此在進(jìn)入數(shù)字電路部分之前，必須增加模擬多路開關(guān)來(lái)選擇模擬部分輸入信號(hào)。故系統(tǒng)中選取了MAXIM公司的DG419模擬雙路開關(guān)芯片來(lái)進(jìn)行信號(hào)的選取?？刂颇M信號(hào)選取的控制端和單片機(jī)的一個(gè)I/O口相連，通過(guò)溢出時(shí)鐘脈沖置所控制的DG419信號(hào)選擇端0或1來(lái)選擇相應(yīng)的模擬輸出，以此控制輸入信號(hào)的選取。（2）A/D轉(zhuǎn)換模塊當(dāng)選擇了模擬信號(hào)以后，要把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成微處理器可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，必須采用A/D轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)的模擬信號(hào)為電壓信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器以后，每一個(gè)角度對(duì)應(yīng)的電壓值都被轉(zhuǎn)化為唯一確定的2進(jìn)制數(shù)字量信號(hào)，這個(gè)數(shù)字量是微處理器可以識(shí)別處理的信號(hào)形式。儀器中選用了M

14、AXIM公司的MAX194芯片作為A/D轉(zhuǎn)換器。MAX194是14位高速、高精度、低功耗串行A/D轉(zhuǎn)換器，特別適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)要求。其同系列更高精度的MAX195具有16位的分辨率，而且封裝形式、管腳定義、使用方法與MAX194完全相同。因此可以根據(jù)用戶要求，提高或降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的精度，選擇合適的芯片類型。（3）液晶顯示模塊本系統(tǒng)中選用了液晶模塊作為數(shù)據(jù)顯示的一種用戶接口方案。經(jīng)過(guò)選型，我們選擇了GTC08021液晶模塊作為顯示器件，該模塊將液晶顯示屏和液晶顯示控制器做在一個(gè)封裝好的模塊中，通過(guò)外接的引腳，可以直接與單片機(jī)的I/O端子及電源接口相連接。該模塊提供的液晶屏幕尺寸為：3515

15、（mm），顯示面積較大，用戶可以在這里清晰的觀察到測(cè)量并顯示的角度值數(shù)據(jù)信號(hào)。數(shù)據(jù)顯示為82的雙行顯示，有兩行顯示空間，每行可以顯示一個(gè)字符，可以滿足設(shè)計(jì)要求的雙路輸出顯示。整個(gè)液晶模塊外觀簡(jiǎn)潔、體積較小，可以滿足小型化、便攜式儀器的設(shè)計(jì)要求。（4）RS-232數(shù)據(jù)傳輸模塊系統(tǒng)還提供了與上位機(jī)通訊的RS-232信號(hào)傳輸模塊。所以必須將單片機(jī)串行I/O接口TXD輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為上位機(jī)可接收的RS-232電平信號(hào)。這里選用的RS-232處理模塊中，主控芯片選用的是MAXIM公司的DS232芯片。此芯片可以將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS-232電平，也可以將RS-232電平轉(zhuǎn)換成TTL電平，屬于雙向驅(qū)

16、動(dòng)/接收器。系統(tǒng)通過(guò)此芯片作為與上位機(jī)相連接的處理單元，將系統(tǒng)信號(hào)數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)中，上位機(jī)通過(guò)接收調(diào)整合適的波特率，使用COM端口來(lái)接收傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，用戶可以在RS-232協(xié)議允許的距離內(nèi)通過(guò)上位機(jī)采集傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)，用戶可以方便的利用此數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行后向處理，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊。3、機(jī)械結(jié)構(gòu)分析 本系統(tǒng)的機(jī)械加工部分為整機(jī)的外殼以及測(cè)量安裝底板。為滿足提高便攜性，機(jī)體外殼采用長(zhǎng)方體形狀，尺寸為：長(zhǎng)寬高=2008080，安裝板測(cè)量面尺寸為：長(zhǎng)寬高=11567.564。本機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)外形尺寸比起原有的一體化結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)儀器，要小10至20倍。測(cè)量人員可徒手?jǐn)y帶儀器到野外工作，方便靈活，完全可以適應(yīng)便

17、攜式儀器的要求。4、軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)也采用了模塊化設(shè)計(jì)的原理。將實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的模塊程序做成子程序，然后在主程序中進(jìn)行調(diào)用。根據(jù)水平傾角測(cè)量?jī)x系統(tǒng)的需要，分為以下幾個(gè)子模塊：1）液晶模塊控制器初始化；2）A/D轉(zhuǎn)換器初始化；3）A/D轉(zhuǎn)換器采集數(shù)據(jù)并送交單片機(jī)；4）向液晶模塊送數(shù)據(jù)；5）液晶模塊顯示；6）RS-232數(shù)據(jù)傳輸。軟件流程程序框圖如圖5所示：圖5 程序框圖軟件設(shè)計(jì)的語(yǔ)言采用的匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言交叉編寫的方式。主程序因?yàn)樯婕暗剿惴ǖ膶?shí)現(xiàn)和程序的調(diào)用、管理，因此使用了Franklin C51語(yǔ)言編寫，可以方便的實(shí)現(xiàn)算法及程序調(diào)用管理。Franklin C51除其與硬件接口部分的語(yǔ)法外，與通

18、用的ANSI C語(yǔ)言語(yǔ)法相近似，具有ANSI C語(yǔ)言的一切優(yōu)點(diǎn)，可移植性、可讀性、靈活度、結(jié)構(gòu)化、目標(biāo)代碼質(zhì)量都比較強(qiáng)。 軟件中與系統(tǒng)硬件聯(lián)系比較緊密的子功能模塊，因其與硬件的聯(lián)系比較緊密，對(duì)端口的讀取比較頻繁，因此使用ASM51匯編語(yǔ)言進(jìn)行編寫效率更高。因此匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言的結(jié)合使用，可以提高系統(tǒng)軟件的執(zhí)行效率，滿足實(shí)時(shí)性要求比較嚴(yán)格的系統(tǒng)需求，并且使系統(tǒng)代碼的可讀性得以提高。具體的程序代碼在此不再贅述。5、結(jié)語(yǔ)樣機(jī)在組裝完成后對(duì)儀器整體性能的試驗(yàn)結(jié)果證明，便攜式水平傾角傳感器在使用4節(jié)鎳氫1.5V可充電池充滿電量后，可正常工作8小時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸、傳感器的靈敏度和精確度可以滿足大部分軍、民用水平傾角傳感器的要求。證明了方案的正確性、可行性。本次設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究了便攜式水平傾角傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：系統(tǒng)通過(guò)電源管理模塊實(shí)現(xiàn)了干電池供電，通過(guò)微處理器主控單元控制了液晶顯示、RS-232數(shù)據(jù)傳輸?shù)确绞降娜藱C(jī)接口。改造了原有的傳統(tǒng)傳感器產(chǎn)品只具備模擬量輸出的接口方式，改變了電源供電方式，縮小了產(chǎn)品外形體積。將傳統(tǒng)的水平傾角傳感器由固定的、根據(jù)使用場(chǎng)合來(lái)配置的測(cè)量方式改為不受環(huán)境約束的、可靈活移動(dòng)的方式，使信號(hào)的采集突破了空間的限制。便攜式傾角傳感器技術(shù)的應(yīng)用給水平傾角測(cè)量領(lǐng)域提供了更多新的選擇，滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，對(duì)便攜式