【正文】 傳感器具有一系列突出的優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)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： (22)當被測參數(shù)使得A、d或ε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極距型、變面積型和變介質(zhì)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23變極距型電容傳感器原理圖定極板ε動極板如圖23變極距型電容傳感器原理圖所示。傳感器的ε和A為常數(shù)，初始極距為。由式(22)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： (23)可見,傳感器輸出特性是非線性的。由式（23）可知：電容相對變化量為 (24)上式按級數(shù)展開為 (25)略去式（25）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 (26)和 (27)如果考慮式(25)的線性項及二次項，則 (28)因此，以式(26)作為傳感器的特性使用時，其相對非線性誤差為 (29)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24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24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： (210)式中為初始電容，相對變化量為： (211)很明顯，這種傳感器的輸出特性呈線性。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 (212)3．變介質(zhì)型電容傳感器如圖25變介質(zhì)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(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)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(jié)圖25變介質(zhì)型電容傳感器原理圖定極板定極板果。由式(22)得 (213)式中、為極板長度和寬度，為第二種介質(zhì)進入極間的長度。若電介質(zhì)l為空氣，當時傳感器的初始電容 (214)當介質(zhì)2進入極間后引起電容的相對變化為 (215)可見，電容的變化與電介質(zhì)2的移動量成線性關系。 本課題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(zhì)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(zhuǎn)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。 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法有很多，不同的電路結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換電路和工作原理的不同對ADC進行粗略的分類介紹。 AD轉(zhuǎn)換器的分類及介紹 實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換法、ΣΔ轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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的輸入)就是模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換型號的關系來說，積分型ADC屬于間接轉(zhuǎn)換型。轉(zhuǎn)換器中的積分器把模擬輸入電壓轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換型壓頻轉(zhuǎn)換又稱為VF轉(zhuǎn)換，首先把模擬電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換型，中間變量是頻率。專用的VF轉(zhuǎn)換芯片已非常成熟，再與計數(shù)器配合可以構(gòu)成高分辨率、低成本的ADC。5．ΣΔ型ΣΔ型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ΣΔ模數(shù)轉(zhuǎn)換計數(shù)發(fā)展很快，轉(zhuǎn)換分辨率可以高達24位，在各類模數(shù)轉(zhuǎn)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。 本課題中對AD轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，考慮轉(zhuǎn)換速度、成本等因素選用ΣΔ型AD轉(zhuǎn)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ΣΔ型AD轉(zhuǎn)換器主要用于高分辨率的中、低頻(直至直流)測量中。ΣΔ型AD轉(zhuǎn)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ΣΔ型AD轉(zhuǎn)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ΣΔ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。ΣΔ型AD轉(zhuǎn)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率，去除多余信息，減輕數(shù)據(jù)處理的負擔。而且ΣΔ型AD轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器那樣需要修調(diào)。 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公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS5l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。 本章小結(jié)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(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。第3章 系統(tǒng)的硬件設計 第3章 系統(tǒng)的硬件設計 傾角傳感器的設計 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(zhuǎn)角等物理量的測量，其電路結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換(A/D)法、電容/頻率轉(zhuǎn)換法、電容/相位轉(zhuǎn)換法等，其中適用于CMOS集成電路的S/C法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(zhuǎn)換法。 差動電容傳感器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡圖如圖31所示。圖31差動電容傳感器結(jié)構(gòu)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32測角模型圖由幾何關系可知: (31)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(31)可以看出θ與Δd之間成線性關系。 角度轉(zhuǎn)換模塊的設計角度轉(zhuǎn)換模塊就是將傳感器敏感的角度信號轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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33所示：圖33 角度轉(zhuǎn)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 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(～300kHz)，輸出電平高(TTL～28V)，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/℃，%，工作電源為 177。5V～177。12V 或者+ 12V～+ 25V。2. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)由圖35可知，該芯片由三角波振蕩電路、比較器比較器觸發(fā)器、三角波—正弦波變換電路、恒流源CSCS2等組成。圖35 ICL8038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C93211610I2I1恒流源CSCS2主要用于對外接電容C進行充電放電，可利用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(zhuǎn)。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