【正文】 27是自動調零系統(tǒng)及其相關部分的電路圖。假設調零狀態(tài)下前置放大的輸出電壓為ui，數(shù)字電位器的滑動端電壓為ux，集成運放的輸出電壓u0與ui 和ux的關系為： (39)所謂調零就是使得u0=0，有 (310)另外，由于數(shù)字電位器的輸出電流不是很大，只有1～3mA，設計中進行了擴流，即是圖327中運放A的功能。如圖41為總體流程圖圖41總體流程圖 按鍵服務程序系統(tǒng)程序運行的控制就是不斷查詢鍵盤輸入來實現(xiàn)的，當有鍵盤輸入時，系統(tǒng)根據程序運行的當前狀態(tài)和鍵值做出既定的響應，從而實現(xiàn)用戶對程序運行地控制和干預。如圖43所示為濾波程序流程圖。用P2口的低三位從右到左進行動態(tài)位掃描。探索研制了一種高精度電子水平儀。在常用的非接觸式位移傳感器中，電容傳感器與電感傳感器相比，具有更好的精度和靈敏度，因此選用電容傳感器作為測量系統(tǒng)的位移傳感器。此外，在設計中參考了許多學者專家的文章和著作，還有一些沒有在參考文獻中列出。大圓筒和小圓筒之間充滿整個容量一半左右的流體介質。圓柱面半徑為l所時，量程為177。目前生產中廣泛應用的電子水平儀在原理上以重物鉛垂線為直線基準，這類水平儀主要有電感式和電容式兩種。1) 掌握水平儀的基本測量原理，尤其是準備設計的這類水平儀的詳細測量原理。3) 在設計過程中，應綜合考慮引線屏蔽、 電容器的邊緣效應等因素。但是硬件電路的設計又不能太復雜，而且還要提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，這就在軟件方面對設計提出了要求。二、 研究的基本內容，擬解決的主要問題 （一）研究的基本內容本課題研究的主要內容是：通過查閱資料了解各種水平儀的結構設計特點，并在此基礎上根據課題要求確定要設計的水平儀的結構及設計的具體方案。它可安裝于運動物體上，采集地平儀信號，在較大的視場顯示地平線，實時顯示出物體的運動姿態(tài)。檢測水平度時，讓燈泡發(fā)光，有氣泡處CCD接收到光信號，輸出信號數(shù)字信號1(整形后)，無氣泡處光信號被溶液吸收，輸出數(shù)字信號0。湛江師范學院測試中心的孫國敏、林勁松研制的智能化水平儀，以單片機作為中樞系統(tǒng)配上傳感器、A/D轉換器等外圍部件，可自動檢測物體與標準水平面的傾斜程度。同時，王老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和高深的學術水平使我受益匪淺。將對應的模擬量轉換為微處理器可識別的數(shù)字量，微處理器通過對傳感器信息的處理，計算出所需要檢測的傾斜角度和方位角度，并在液晶顯示器上讀出具體值，從而完成傾斜角測量。當開始鍵按下后，本測量系統(tǒng)循環(huán)運行，當結束鍵按下后，單片機重新初始化，準備下一次測量。 LED顯示程序數(shù)碼顯示主要用來顯示數(shù)據處理得到的傾斜角的值。對中值濾波法N取3，算術平均濾波法N取10。電容傳感器檢測電路輸出的信號經AD7706轉換，由單片機的I/O口讀入，然后根據算法完成對被測面的測量，并將結果輸出到LED顯示器上。由于數(shù)字電位器X9C104是100級可調的，適當選取數(shù)字電位器兩端的參考電壓“Ref+”和“Ref”，便能夠保證在滿足給定精度的條件下實現(xiàn)自動調零。如果特殊點選得過多，雖然準確度得以提高，但由于計算時間過長，影響儀器的穩(wěn)定時間。確定零點偏置溫度系數(shù)及其符號。所以上式應修正為 (38)式中S(t)為電橋的靈敏度；u0(t)為電橋的輸出零點。2) 動態(tài)顯示方式在多位LED顯示時，為了節(jié)省I/O口線，降低成本，一般采用動態(tài)顯示方式。圖324中為七段顯示器的結構。實際上，在現(xiàn)階段用到的為開始鍵S結束鍵S4，S3鍵按下時，水平儀開始測量，輸出結果；結束鍵S4按下時，系統(tǒng)跳出測量主程序，等待下一次測量。根據單片機的特性和功能，本測量系統(tǒng)所選用的單片機是ATMEL公司生產的AT89C55WD。另一種方案采用如圖319所示的方案，用89C55WD的并行口模擬串行口的時序，完成對AD7706的操作。完成對一個完全的輸出字的讀操作后，DRDY引腳立即回到高電平。圖318 AD7706引腳圖3) AIN1/ AIN2/ AIN3：模擬輸入通道1/2/3的輸入端。內部結構如圖317所示，其內部由多路模擬開關、緩沖器、可編程增益放大器(PGA)、ΣΔ調制器、數(shù)字濾波器、基準電壓輸入、時鐘電路及串行接口組成。(2) 內部結構該器件可以接受直接來自傳感器的低電平的輸入信號，然后產生串行的數(shù)字輸出。如圖316 ICL7650電路原理圖所示，RR5和CC4組成RC低通濾波電路，考慮到ICL7650內部時鐘斬波頻率為200Hz，所以把第一階濾波截止頻率設計為160Hz，取R4=10KΩ，C3=；把第二階濾波截止頻率設計為200Hz，取R5=8KΩ，圖316 ICL7650電路原理圖C4=。圖314 ICL7650的引腳排列圖2. 工作原理ICL7650利用動態(tài)校零技術消除了CMOS器件固有的失調和漂移，從而擺脫了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零電路的束縛，克服了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零放大器的這些缺點。例如這里要得到lK的時鐘頻率，由式(36)初步計算得到Cclk為3900pF，將這個值增大，取值6800pF，并用50K的電位器。再次，由轉折頻率確定開關電容濾波器的驅動時鐘頻率，即確定Rclk、Cclk的值。元件可將驅動脈沖頻率調整到更低，也可外接其它時鐘發(fā)生器作外驅動。它是由內部四階開關電容網絡與外接一組RC元件構成的五階巴特沃思低通濾波器，通帶增益為1，可以調節(jié)的最高轉折頻率fcmax=20KHz。MAX536A的轉換精度可以通過外圍的器件來改善，R4用以調整偏移量，通過調整R4保證當信號輸入端Vm輸入為零時信號輸出端Vout輸出也為零；通過調整R1可以對輸出信號進行校正。它可以計算出包含交流和直流成分的任何復雜輸入波形的有效值，并能轉換成直流信號出口。18V電阻編程1～10k%(G=1OOO)1MHz(G=1，小信號3dB)功耗輸入失調電壓輸入失調漂移輸入偏置電流最小共模抑制比最大650mW最大125μV最大1μV/℃(G=10)為了正確地使用AD620，發(fā)揮其固有的性能，在使用中應該注意AD620的輸入過載能力，兩個輸入端應分別串聯(lián)一只400Ω的薄膜電阻，這樣可以安全地承受長達幾小時的輸入高達+15V或+6mA的過載，這種保護功能對所有增益均有效，當信號源和放大器分別供電時更為重要。設計中對ul及u2同時進行采樣，并將兩路信號與溫度信號(共三路信號)送人AD7706進行AD轉換。4. 激勵源連接電路激勵源電路圖如圖36所示，為減小輸出正弦波波形失真，管腳11與管腳l2之間的82KΩ采用可變電阻。兩個比較器分別被內部基準電壓設定在23Vs與13Vs。 角度轉換模塊的設計角度轉換模塊就是將傳感器敏感的角度信號轉換為電信號，然后經過調理、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。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、轉角等物理量的測量，其電路結構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。片內含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，兼容標準MCS5l指令系統(tǒng)，引腳兼容工業(yè)標準89C5l和89C52芯片，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內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)。一方面ΣΔ型AD轉換器采用了極低位(1bit)的量化器，非常適合MOS技術實現(xiàn)，制造簡單。專用的VF轉換芯片已非常成熟，再與計數(shù)器配合可以構成高分辨率、低成本的ADC。逐次逼近寄存器在轉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)轉換的結果。 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。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。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]。為實現(xiàn)精確調節(jié)，必須采用體積較大的多圈精密電位器，通過手動旋轉電位器實現(xiàn)零點調整[11]。理論上并聯(lián)式溫度補償可以實現(xiàn)完全補償，但實際上只能進行近似補償，特性曲線的溫度補償只能做到兩點或三點是全補償，其它的點不是過補償就是欠補償。 溫度補償?shù)姆桨笝z測系統(tǒng)都是由敏感組件、變換放大環(huán)節(jié)等幾個基本環(huán)節(jié)組合而成。47 第2章 電子水平儀的總體設計 第2章 電子水平儀的總體設計 方案的確定傾角傳感器信號調理模塊A/D轉換單片機數(shù)碼顯示電池電源管理系統(tǒng)待測角度角度轉換模塊數(shù)據處理模塊圖21水平儀系統(tǒng)設計原理框圖電子水平儀的測量系統(tǒng)主要由機械系統(tǒng)、傾角傳感器、AD轉換、微處理器、數(shù)碼顯示五部分構成。2) 針對畢業(yè)設計的任務要求，本畢業(yè)設計擬設計一種采用差動電容式傳感器作為微驅動傳感器的電子水平儀，差動電容式傳感器的結構設計尤為重要，關系到因變量的確定，檢測方式的確定，計算的復雜程度以及單片機工作量的大小。 課題任務（一）研究的基本內容本課題研究的主要內容是：1) 通過查閱資料了解各種水平儀的結構設計特點，并在此基礎上根據課題要求確定要設計的水平儀的結構及設計的具體方案。它可安裝于運動物體上，采集地平儀信號，在較大的視場顯示地平線，實時顯示出物體的運動姿態(tài)。檢測水平度時，讓燈泡發(fā)光，有氣泡處CCD接收到光信號，輸出信號數(shù)字信號1(整形后)，無氣泡處光信號被溶液吸收，輸出數(shù)字信號0。湛江師范學院測試中心的孫國敏、林勁松研制的智能化水平儀，以單片機作為中樞系統(tǒng)配上傳感器、A/D轉換器等外圍部件，可自動檢測物體與標準水平面的傾斜程度。用它可測量對于水平位置的傾斜度、兩部件相互平行度和垂直度，機床、儀器導軌的直線度，工作臺平面度，以及平板的平面度等。研究分辨率更高、性能更好的智能電子水平儀具有重要意義。電介質呈粘滯性液體，在小圓筒內壁和大圓筒外壁各引出一根導線，當它水平時有一電容值，當平板發(fā)生一偏轉角度后，該圓柱電容值的變化與偏轉角度的正切成線性關系，形如，a、b為常量，只與傳感器本身有關。50′，″，反應時間小于10ms(CCD采樣頻率為20MHz)[2]。由于電容傳感器和其他傳感器相比有輸入能量極低，只需要非常小的輸入力就可以獲得較大的相對變化量，且結構簡單、運行可靠等優(yōu)點，在目前廣泛應用的數(shù)字式電子水平儀中多采用這種傳感器。3) 在掌握了測量原理的基礎上逐步進行系統(tǒng)電路的設計，包括單片機檢測電路、溫度補償電路以及零點補償電路等。 本文結構本文將圍繞設計一個完整的電容式傳感器信號處理系統(tǒng)的過程展開,包括角度轉換模塊和數(shù)據處理模塊。，傳感電容的變化量僅有幾個或幾十個皮法，屏蔽環(huán)境干擾、導線布置、溫度等引起的寄生電容比傳感電容大得多，例如屏蔽電纜電容一般為100PF/m，多路開關輸入電容一般為8pF，而傳感器的電容約為1pF，雜散電容將待測電容傳感器信號淹沒，如何消除寄生電容的影響，把有用的微小信號拾取出來成為難點之一。因此對于測量儀器特別是精密測量儀器來說，溫度補償?shù)馁|量直接影響儀器的總精度。反饋式溫度補償有兩個關鍵問題：一是把自動檢測系統(tǒng)的輸出零點、靈敏度通過某個環(huán)節(jié)(電路)檢測出來，并變換成適于進行比較的信號，如電壓信號；二是通過某一控制過程產生控制作用，自動改變和以達到自動補償?shù)舡h(huán)境溫度T對口和的影響。 傳感器的選擇傳感器的分類方法多種多樣，按照其測量原理可分類為電阻式傳感器、電感式傳感器和電容式傳感器[12]。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。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。本課題采用差動式變極距型傾角傳感器。跟蹤計數(shù)型ADC的電路結構比逐次逼近型簡單，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)。 本課題中對AD轉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轉換器，考慮轉換速度、成本等因素選用ΣΔ型AD轉換器AD7706。ΣΔ型AD轉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)據處理的負擔。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。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轉換法?？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。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。圖36激勵源電路圖 測量電橋采用溫度特性良好的精密電阻與差動電容傳感器來組成阻容電橋，兩個精密電阻的參數(shù)選擇盡量完全匹配，如圖37所示。在精度要求不是太高的情況下采用通用運放組成的信號放大