【正文】 2) 針對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)要求，本畢業(yè)設(shè)計(jì)擬設(shè)計(jì)一種采用差動(dòng)電容式傳感器作為微驅(qū)動(dòng)傳感器的電子水平儀，差動(dòng)電容式傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要，關(guān)系到因變量的確定，檢測(cè)方式的確定，計(jì)算的復(fù)雜程度以及單片機(jī)工作量的大小。對(duì)幾種非接觸式位移傳感器進(jìn)行比較后，選擇了單片式差動(dòng)電容傳感器。應(yīng)用于飛機(jī)上，可防止空間定向障礙；在醫(yī)學(xué)檢測(cè)重，利用手動(dòng)信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)激光掃描線的位置，還可對(duì)人體進(jìn)行某些病理檢測(cè)[4]。通過(guò)算法對(duì)串行信號(hào)的處理來(lái)判斷氣泡的位置，算出氣泡的中心，最后通過(guò)氣泡中心位置得到傾斜角度。傳感器有兩個(gè)金屬圓筒構(gòu)成，小圓筒固定在大圓筒內(nèi)并密封。謹(jǐn)以此向王老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。得到以如下結(jié)論：1．采用接觸式位移傳感器，需要相當(dāng)大的力來(lái)驅(qū)動(dòng)，靈敏度不高，容易引起誤差，因此測(cè)量系統(tǒng)所采用的傳感器應(yīng)為非接觸式的傳感器。參考文獻(xiàn) 結(jié)論本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外電子水平儀的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行系統(tǒng)分析、比較研究的基礎(chǔ)上，對(duì)水平儀機(jī)械系統(tǒng)、傳感器及其信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)測(cè)量系統(tǒng)軟硬件展開了研究。單片機(jī)的P0口作為顯示字的輸出，采用并行輸出方式。也就是說(shuō)用中值濾波法取10個(gè)數(shù)據(jù)，然后用算術(shù)平均濾波進(jìn)行處理。測(cè)量系統(tǒng)上電復(fù)位后，先進(jìn)行初始化，然后查詢開始鍵是否按下，如果開始鍵按下則進(jìn)行測(cè)量，依次運(yùn)行的程序?yàn)閿?shù)據(jù)采集、濾波處理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)碼顯示，這部分程序在結(jié)束鍵按下之前是循環(huán)執(zhí)行的，當(dāng)結(jié)束鍵按下后，再次對(duì)單片機(jī)初始化，等待下個(gè)測(cè)量任務(wù)。UiUxUo圖327自動(dòng)調(diào)零系統(tǒng)及其相關(guān)部分電路圖從根本上說(shuō)，這種零點(diǎn)調(diào)整就是在阻容電橋平衡時(shí)，把前置放大器的微小輸出誤差信號(hào)給抵消掉。將以上標(biāo)定過(guò)程中所得數(shù)據(jù)寫人ROM中保存，實(shí)際測(cè)量中，水平儀根據(jù)溫度傳感器的輸人和量程系數(shù)來(lái)確定在補(bǔ)償系數(shù)在ROM中的插值位置，進(jìn)行計(jì)算補(bǔ)償，然后將數(shù)據(jù)輸出顯示。2) 計(jì)算設(shè)定適當(dāng)?shù)男盘?hào)通道增益。整臺(tái)儀器的輸人與輸出的關(guān)系可表示為式中y為儀器最終輸出量；K2為傳感器后續(xù)放大電路的放大倍數(shù)，與量程有關(guān)。動(dòng)態(tài)顯示方式是一位一位地分時(shí)輪流點(diǎn)亮各位顯示器，對(duì)每一位顯示器來(lái)說(shuō)，每隔一段時(shí)間輪流點(diǎn)亮一次。一個(gè)顯示器由八個(gè)發(fā)光二極管組成，其中七個(gè)發(fā)光二極管控制a～g七段的亮或暗，另外一個(gè)發(fā)光二極管控制一個(gè)小數(shù)點(diǎn)的亮或暗。SK5鍵留做今后功能擴(kuò)展用。(1) 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路單片機(jī)采用內(nèi)部振蕩電路的形式，如圖320所示,當(dāng)外接3MHz的石英晶體諧振器時(shí)，需采用兩個(gè)30pF177。、SCLK、DOUT、DIN相連，用于查詢AD7706的轉(zhuǎn)換狀態(tài)，即采用查詢方式控制AD7706。(4) AD7706與單片機(jī)接口電路AD7706的串行數(shù)據(jù)接口包括5個(gè)信號(hào)，其中片選輸入CS、串行時(shí)鐘輸入SCLK、數(shù)據(jù)輸入DIN、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出DOUT用于傳輸數(shù)據(jù)，狀態(tài)信號(hào)DRDY輸出指示什么時(shí)候輸出數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，可以讀取。 4) COMMON：模擬通道3的輸入以此輸入端為基準(zhǔn)。其中串行接口包括寄存器組，它由通訊寄存器、設(shè)置寄存器、時(shí)鐘寄存器、數(shù)據(jù)輸出寄存器、零點(diǎn)校正寄存器和滿程校正寄存器等組成?！?。另外，外接采樣/保持電容C1=C2=，電源為177。ICL7650的工作原理如圖315所示。這個(gè)時(shí)鐘頻率能夠在第5引腳用一個(gè)低電容探頭測(cè)得。內(nèi)部四階開關(guān)電容濾波器由內(nèi)部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，這個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘又由選擇的轉(zhuǎn)折頻率決定。第4腳為分頻比f(wàn)clk/fc編程端，接正電源時(shí)為100，即時(shí)鐘頻率與濾波器截至頻率的比值為100：接地時(shí)為200，時(shí)鐘頻率與濾波器截至頻率的比值為200：接負(fù)電源時(shí)為400；時(shí)鐘頻率與濾波器截至頻率的比值為400。用兩級(jí)器件級(jí)聯(lián)可實(shí)現(xiàn)十階濾波電路腳。其中R1=500Ω，R2=365Ω，R3=750KΩ，R4=50KΩ。MAX536A可以接受的輸入信號(hào)在07V(按有效值計(jì)算)之間，輸入信號(hào)電壓的極限峰值在177。如圖38所示為AD620引腳圖，圖39為AD620電路原理圖。用u2與ul的比值作為最終的采樣值，再以此比值進(jìn)行標(biāo)定，這樣就可以消除干擾信號(hào)產(chǎn)生的激勵(lì)源波形的失真。采用可變電阻后失真率范圍可小于1％，為進(jìn)一步減小失真，采用兩個(gè)100KΩ的電位器(見圖36)，這樣連接后失真會(huì)減小為0．5％左右。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)。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。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(lái)線性地反映被測(cè)量。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。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。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(guò)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。在中低速場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。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(lái)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。它與變極距型不同的是，被測(cè)量通過(guò)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。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。這種方法不僅操作麻煩，也不利于實(shí)現(xiàn)傳感儀表的小型化和便攜式。適用于檢測(cè)系統(tǒng)中溫度敏感參數(shù)的單一溫度補(bǔ)償。這些基本環(huán)節(jié)的靜特性都與環(huán)境溫度有關(guān)。進(jìn)行測(cè)量時(shí)，水平儀發(fā)生微小傾斜，傳感器探頭與擺盤的相對(duì)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(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)，按照測(cè)量算法就可得到傾斜角，結(jié)果通過(guò)LED數(shù)碼顯示器顯示出來(lái)。3) 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮引線屏蔽、電容器的邊緣效應(yīng)等因素。對(duì)幾種非接觸式位移傳感器進(jìn)行比較后，選擇了差動(dòng)電容傳感器。應(yīng)用于飛機(jī)上，可防止空間定向障礙；在醫(yī)學(xué)檢測(cè)重，利用手動(dòng)信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)激光掃描線的位置，還可對(duì)人體進(jìn)行某些病理檢測(cè)[4]。通過(guò)算法對(duì)串行信號(hào)的處理來(lái)判斷氣泡的位置，算出氣泡的中心，最后通過(guò)氣泡中心位置得到傾斜角度。傳感器有兩個(gè)金屬圓筒構(gòu)成，小圓筒固定在大圓筒內(nèi)并密封。在機(jī)械測(cè)量及光機(jī)電技術(shù)一體化技術(shù)應(yīng)用中占有重要地位。隨著精密制造技術(shù)的發(fā)展，已有的電子水平儀不能滿足精度要求，國(guó)內(nèi)數(shù)顯式電子水平儀靈敏度、反應(yīng)時(shí)間等與國(guó)外相比，差距較大。大圓筒和小圓筒之間充滿整個(gè)容量一半左右的流體介質(zhì)。圓柱面半徑為l所時(shí)，量程為177。目前生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的電子水平儀在原理上以重物鉛垂線為直線基準(zhǔn)，這類水平儀主要有電感式和電容式兩種。2) 掌握水平儀的基本測(cè)量原理，本課題所設(shè)計(jì)的電子水平儀是根據(jù)擺原理，結(jié)合傳感器技術(shù)、微機(jī)測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)而成的。4) 在軟件設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)軟件完成的主要任務(wù)是：對(duì)信號(hào)采集進(jìn)行編程控制，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，精確計(jì)算測(cè)量角度值并在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。其系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2l所示。對(duì)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(jí)管的特性都隨環(huán)境溫度而變化[8]，導(dǎo)致放大器的放大倍數(shù)以及直流放大器的零點(diǎn)也隨環(huán)境溫度而變化。(2) 反饋式溫度補(bǔ)償原理該原理利用反饋原理，通過(guò)自動(dòng)調(diào)整過(guò)程，始終保持自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的零點(diǎn)和靈敏度不隨溫度而變化。本文設(shè)計(jì)的電子水平儀提出了一種基于數(shù)字電位器和單片機(jī)的儀表數(shù)字調(diào)零方法，可以快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)儀表自動(dòng)調(diào)零。(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。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。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。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。近年來(lái)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)。因此它是用高采樣率來(lái)?yè)Q取高位量化的。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。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(lái)進(jìn)行比例運(yùn)算而難以滿足時(shí)實(shí)、快速的要求。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。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。圖36中741的作用是為正弦輸出提供緩沖及可變?cè)鲆妫锤淖冚敵龇档淖饔谩?第一級(jí)放大電路從電橋輸出的信號(hào)為交流信號(hào)，為便于后續(xù)處理先對(duì)其進(jìn)行信號(hào)放大。圖38 AD620引腳圖12348765RcIN+INVsRc+VsOUTPUTREFTOP VIEWAD620+圖39 AD620電路原理圖只要在l、8針腳之間加入一個(gè)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(duì)于所需要的增益，則外部控制增益電阻值為。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(shí)電源電壓最大值是+36V，雙電源供電時(shí)電源電壓最大值是177。圖310 MAX536A的引腳圖圖311 MAX536A電路原理圖在本測(cè)量系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)交直流轉(zhuǎn)換后，信號(hào)是一個(gè)靜態(tài)的直流信號(hào)，可以肯定頻率在10Hz以下。如圖312MAX280原理圖所示，輸入信號(hào)經(jīng)外部一階RC網(wǎng)絡(luò)，由第1腳輸入芯片，該芯片要求電容C由第1腳與內(nèi)部開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)耦合。圖312 MAX280原理圖內(nèi)部開關(guān)電路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部時(shí)鐘電路CRCclkRclk33pF41785632+5V5V(外部緩沖放大器)由上述內(nèi)容可知基于MAX280集成濾波器的濾波器電路的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于確定外接一階濾波電路的R、C的值和轉(zhuǎn)折頻率fc。為了達(dá)到通帶內(nèi)最大平坦度的幅值響應(yīng)，驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘應(yīng)設(shè)置為轉(zhuǎn)折頻率的100倍，即第4腳分頻比f(wàn)clk/fc編程端應(yīng)接正電源，所以驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率為1K．時(shí)鐘頻率可以由下式來(lái)確定 (36)因?yàn)樘幚碚`差，fclk可能會(huì)有177。如圖313所示為MAX280電路原理圖：其中R=250KΩ，C=，Rclk=50KΩ，Cclk=6800pF。圖中，MAIN是主放大器，NULL是調(diào)零放大器。15V。AD7706是3通道偽差分模擬輸入，有一個(gè)差分基準(zhǔn)輸入。圖317 AD7706的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖MCLK OUTMCLK INCHANNELSANALOGINPUT時(shí)鐘電路∑Δ調(diào)制器數(shù)字濾波器多路模擬開關(guān)緩沖器PGAVDDREF IN()REF IN(+)電荷平衡型A/D轉(zhuǎn)換器串行接口 寄存器組SCLKDINDOUTRESETDRDYGNDA=1～12%CS(3) 外部特性（引腳功能）AD7706的引腳排列如圖318所示。5) DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端。當(dāng)DRDY為低電平時(shí)表示數(shù)據(jù)可用；當(dāng)為高電平時(shí)表示輸出寄存器正在更新，不能讀取數(shù)據(jù)。采用并行口模擬串行口的方式可以避免數(shù)據(jù)的重新排序，加快AD轉(zhuǎn)換速度，因此本測(cè)量系統(tǒng)采用了方案2[17,18]。10pF的電容，所以單片機(jī)的機(jī)器周期為T=12(1/3)=4μs。圖322按鍵電路圖(3) 單片機(jī)接線圖圖323單片機(jī)接線圖 LED顯示在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中,使用的顯示器主要有LED(發(fā)光二極管)，LCD(液晶顯示器)。這種七段顯示器能顯示的字符較少，字符的形狀有些失真，但與單片機(jī)的控制接口非常簡(jiǎn)單，使用方便。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮和熄滅時(shí)間的比例有關(guān)。由式(38)可以看出，影響靈敏度的因素主要有：激勵(lì)源電壓幅值、激勵(lì)源電壓頻率、電介質(zhì)常數(shù)等。3) 確定低溫時(shí)的量程系數(shù)及溫度系數(shù)。(2) 零點(diǎn)誤差補(bǔ)償圖3