【正文】 傳感器具有一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、分辨率高、可非接觸式測(cè)量等。這些優(yōu)點(diǎn)，隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是集成電路的高速發(fā)展，將得到進(jìn)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(yīng)用前景[13,14]。電子水平儀采用一個(gè)具有可變參數(shù)的電容作為傳感器，有兩個(gè)平行板組成的電容器的電容量為： (22)當(dāng)被測(cè)參數(shù)使得A、d或ε發(fā)生變化時(shí)，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(duì)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(dòng)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(dāng)動(dòng)極板因被測(cè)量變化而向上移動(dòng)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(duì)變化量為 (24)上式按級(jí)數(shù)展開為 (25)略去式（25）中的高次（非線性）項(xiàng)，可得近似的線性關(guān)系和靈敏度S分別為 (26)和 (27)如果考慮式(25)的線性項(xiàng)及二次項(xiàng)，則 (28)因此，以式(26)作為傳感器的特性使用時(shí)，其相對(duì)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(cè)量范圍)時(shí)，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(cè)小至的線位移，故在微位移檢測(cè)中應(yīng)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(cè)量通過動(dòng)極板移動(dòng)，引起兩極板有效覆蓋面積A改變，從而得到電容的變化。動(dòng)極板圖24變面積型電容傳感器原理圖定極板設(shè)動(dòng)極板相對(duì)定極板沿長(zhǎng)度方向平移時(shí)，則電容為： (210)式中為初始電容，相對(duì)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(cè)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(dòng)、極距為，相對(duì)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(gè)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(zhǎng)度和寬度，為第二種介質(zhì)進(jìn)入極間的長(zhǎng)度。若電介質(zhì)l為空氣，當(dāng)時(shí)傳感器的初始電容 (214)當(dāng)介質(zhì)2進(jìn)入極間后引起電容的相對(duì)變化為 (215)可見，電容的變化與電介質(zhì)2的移動(dòng)量成線性關(guān)系。 本課題所采用的傳感器類型針對(duì)本課題對(duì)傳感器測(cè)量?jī)A角的要求，變介質(zhì)型傳感器并不適合角度測(cè)量，變面積型傳感器雖然可以用于角度的測(cè)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(diǎn)。差動(dòng)電容式傳感器的靈敏度高、非線性誤差小，同時(shí)還能減小靜電引力給測(cè)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(cè)量控制場(chǎng)合中，用到的電容式傳感器大多是差動(dòng)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(hào)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(dòng)式變極距型傾角傳感器。 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇實(shí)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(duì)ADC進(jìn)行粗略的分類介紹。 AD轉(zhuǎn)換器的分類及介紹 實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的方法有很多，常見的有逐次逼近法、計(jì)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(gè)電壓比較器將模擬輸入電壓與一個(gè)n位DAC的輸出電壓進(jìn)行比較，這個(gè)n位DAC的數(shù)字輸入是由一個(gè)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(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。2．跟蹤計(jì)數(shù)器跟蹤計(jì)數(shù)型與逐次逼近型有相似之處，但轉(zhuǎn)換器包含一個(gè)電壓比較器和一個(gè)n位DAC，一個(gè)可逆計(jì)數(shù)器代替了逐次逼近寄存器和控制邏輯，可逆計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘脈沖作用下不停的計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的值作為DAC的輸出不停地跟蹤模擬輸入電壓，計(jì)數(shù)器的值即為ADC的數(shù)字輸出值。跟蹤計(jì)數(shù)型ADC的電路結(jié)構(gòu)比逐次逼近型簡(jiǎn)單，計(jì)數(shù)器能及時(shí)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(hào)的關(guān)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(shí)間間隔，在這時(shí)間間隔內(nèi)一個(gè)n位計(jì)數(shù)器對(duì)頻率固定的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，最終的計(jì)數(shù)值與時(shí)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(duì)積分精度的影響，通常要對(duì)輸入電壓和參考電壓各進(jìn)行一次積分，因此又稱為雙積分型ADC。積分器和計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hào)，然后在單位時(shí)間內(nèi)用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值與頻率成正比，反映了模擬電壓的大?。@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(jì)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(hào)數(shù)字化，利用過采樣計(jì)數(shù)、噪聲整形和數(shù)字濾波計(jì)數(shù)增加有效分辨率。近年來ΣΔ模數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)發(fā)展很快，轉(zhuǎn)換分辨率可以高達(dá)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(hào)處理場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用，有取代雙積分型ADC的趨勢(shì)。 本課題中對(duì)AD轉(zhuǎn)換器的選擇由于本課題設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓、低功耗等特點(diǎn)，非常適合應(yīng)用在儀表測(cè)量、工業(yè)控制等領(lǐng)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(cè)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(hào)的幅度進(jìn)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(jìn)行量化編碼。它是根據(jù)信號(hào)的包絡(luò)形狀進(jìn)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(shù)實(shí)現(xiàn)，制造簡(jiǎn)單。另一方面它采用了極高的采樣頻率和ΣΔ調(diào)制技術(shù)，可獲得極高的分辨率。因此它是用高采樣率來?yè)Q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(hào)數(shù)字化，通過過采樣技術(shù)、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)增加有效分辨率，去除多余信息，減輕數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)。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(jī)的選擇單片機(jī)由于集成度高、功能強(qiáng)、通用性好、體積小、重量輕、能耗低、價(jià)格便宜、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)和使用方便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使得單片機(jī)得到迅速推廣和應(yīng)用，它已成為測(cè)量控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。單片機(jī)可分為通用機(jī)和專用機(jī)兩種，本測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)采用通用機(jī)，自己設(shè)計(jì)接口和程序。本系統(tǒng)中采用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能的CMOS 8位單片機(jī)AT89C55WD。片內(nèi)含20KB的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的RAM，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS5l指令系統(tǒng)，引腳兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)89C5l和89C52芯片，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微處理器可提供許多高性價(jià)比的解決方案，適用于多數(shù)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。AT89C55WD有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)l6位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫口線，以及片內(nèi)時(shí)鐘電路。AT89C55WD具有PLCC、PDIP和TQFP三種封裝形式， 以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求，本測(cè)量系統(tǒng)采用的是PDIP封裝。本測(cè)量系統(tǒng)采用AT89C55WD的主要原因是，程序中計(jì)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(jī)，由于空間不夠會(huì)導(dǎo)致燒寫失敗，而AT89C55WD有20K Flash ROM，足夠使用。同時(shí)AT89C55WD內(nèi)置的看門狗電路也避免了再進(jìn)行外圍擴(kuò)展。 本章小結(jié)本章對(duì)水平儀的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了整體上的設(shè)計(jì)，機(jī)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(cè)量系統(tǒng)。對(duì)測(cè)量系統(tǒng)所采用的傳感器進(jìn)行了選擇，在選定采用電容式傳感器的基礎(chǔ)上，分析了三種不同類型的電容傳感器，選定了差動(dòng)式變極距型電容傳感器作為本測(cè)量系統(tǒng)的位移傳感器。對(duì)單片機(jī)及AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了分析和選擇，最后根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要選擇了AT89C55WD單片機(jī)和AD7706轉(zhuǎn)換器。第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 傾角傳感器的設(shè)計(jì) 差動(dòng)電容傳感器測(cè)角原理差動(dòng)電容傳感器越來越廣泛地應(yīng)用于諸如壓力、加速度、直線位移、轉(zhuǎn)角等物理量的測(cè)量，其電路結(jié)構(gòu)依測(cè)量要求不同而不同，但其基本原理都是利用比例信號(hào)處理法以傳感器電容容量的變化來反映被測(cè)量的變化，電容變化可以是線性或非線性的。所謂比例信號(hào)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(cè)量。因此需要專門的信號(hào)處理電路將傳感器電容變化轉(zhuǎn)換為易于檢測(cè)的電量，已經(jīng)出現(xiàn)的技術(shù)方法有開關(guān)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(shí)鐘饋線的影響精度較低，C/F法可以達(dá)到很高的精度，但由于需要微處理器來進(jìn)行比例運(yùn)算而難以滿足時(shí)實(shí)、快速的要求。近年來，人們?cè)谔岣呔群退俣确矫娌粩嗵剿鳎岢隽烁鞣N提高精度和速度的方法，本設(shè)計(jì)采用A/D轉(zhuǎn)換法。 差動(dòng)電容傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)采用傾角傳感器為專門設(shè)計(jì)定制的差動(dòng)電容式傳感器,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖31所示。圖31差動(dòng)電容傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖懸絲底座動(dòng)極板固定極板固定極板與水平儀底座和測(cè)量平面固定在一起，動(dòng)極板由懸絲懸掛，當(dāng)被測(cè)平面有一定傾角時(shí)，由于重力作用，動(dòng)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(dòng)輸出。圖32測(cè)角模型圖由幾何關(guān)系可知: (31)由于所測(cè)傾角變化極小，可認(rèn)為動(dòng)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(guān)系。 角度轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)角度轉(zhuǎn)換模塊就是將傳感器敏感的角度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)過調(diào)理、放大、濾波、運(yùn)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(jìn)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(cè)量和電信號(hào)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(cè)角度傾角傳感器激勵(lì)源測(cè)量電橋第一級(jí)運(yùn)算放大器整流濾波第二級(jí)運(yùn)算放大器直流輸出 激勵(lì)源電路設(shè)計(jì)為了減小激勵(lì)源輸出電壓波形失真及減小干擾信號(hào)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的干擾，設(shè)計(jì)中采用精密波形發(fā)生器集成芯片ICL8038作為激勵(lì)源。1. ICL8038的主要特點(diǎn):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(zhǔn)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(shí)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(duì)外接電容C進(jìn)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(shí)間常數(shù)，從而改變10腳三角波的頻率。兩個(gè)比較器分別被內(nèi)部基準(zhǔn)電壓設(shè)定在23Vs與13Vs。使兩個(gè)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(shí)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(dāng)C上電壓上升到比較器1的門限電壓23Vs時(shí)，觸發(fā)器輸出Q=1。開關(guān)S導(dǎo)通，CS2把電流I2加到