【正文】 狀液體放在一個暗盒內(nèi)，頂部有一氣泡，氣泡長度為5～7mm之間，探頭一邊為毛玻璃和一組小燈泡，模擬出近似的平行光源，另一邊為有2160個象元的線陣CCD傳感器(該傳感器用到其中的2048個象元)。其中最著名的是瑞士Wyler公司，其生產(chǎn)的NT系列新型電子水平儀適用于測量小角度，主要用于測量工件表面的平面度，也可測量機床的幾何誤差，具有數(shù)字顯示功能，可選擇角度讀數(shù)和mm/m讀數(shù)，國內(nèi)的同類產(chǎn)品主要有青島前哨SDSIO和SDS11型，航空304所的TD80型數(shù)字型電子水平儀，[6]。然后詳細介紹了角度轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)處理模塊中信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、輸入輸出接口、顯示模塊，并詳細介紹了所用到的主要器件性能及其連接電路圖。常用的溫度補償方法有以下兩種：(1) 并聯(lián)式溫度補償并聯(lián)式溫度補償即是人為地附加一個溫度補償環(huán)節(jié)，并與被補償自動檢測系統(tǒng)(或其組成環(huán)節(jié))成并聯(lián)形式，為達到溫度補償目的，應按下列條件選擇溫度補償環(huán)節(jié) (21)式中——自動檢測系統(tǒng)的零點(其值隨T而變，是T的函數(shù)) ——自動檢測系統(tǒng)的靈敏度(其值隨T而變，是T的函數(shù))式(21)表明，按選擇參數(shù)，可使自動檢測系統(tǒng)靈敏度提高一倍。 電容傳感器(1) 電容傳感器的優(yōu)點電容式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。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(guān)系。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?。@然，VF型也屬于間接轉(zhuǎn)換型，中間變量是頻率。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。由式(31)可以看出θ與Δd之間成線性關(guān)系。若恒流源CSCS2的電流不滿足上述關(guān)系，則3腳輸出非對稱的鋸齒波，2腳輸出非對稱的正弦波，9腳輸出占空比為2%～98%的脈沖波形?！?77。連接在4和14針腳的電容CAV是一個重要的參數(shù)，CAV越大轉(zhuǎn)換精度越高，但是輸出穩(wěn)定時間越長，由于水平儀為靜態(tài)測量，對輸出穩(wěn)定時間要求不高，因此經(jīng)查閱取CAV=5μF，%。器件第5引腳為時鐘輸入端，該端懸空時，以內(nèi)部時鐘fclk=140KHz驅(qū)動，外接Rclk、Cclk。為了得到比較寬的頻率調(diào)節(jié)范圍，可以首先通過式(36)初步計算Cclk，然后將Cclk的值增大，并用電位器調(diào)節(jié)得到f′clk。為了保證輸出信號的質(zhì)量，必須在輸出端加低通濾波器，這里選用RC低通濾波電路。該器件還包括自校準和系統(tǒng)校準選項,以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差。這個輸出端上的邏輯低電平表示可以從AD7706的數(shù)據(jù)寄存器獲取新的輸出字。本系統(tǒng)的微控制器采用單片機。發(fā)光二極管的陽極連在一起稱共陽極顯示器，陰極連在一起的稱共陰極顯示器。 溫度與零點誤差補償(1) 溫度補償式(34)的推導只是在理想條件下的推導過程，在實際的電子水平儀系統(tǒng)中關(guān)系式應進行修正，因為檢測系統(tǒng)的輸出零點及靈敏度都是環(huán)境溫度的函數(shù)，都隨著溫度T的變化而變化。分別測量某一溫度下傾角最大、最小使得電橋不平衡電壓，計算零點偏置溫度系數(shù)及靈敏度溫度系數(shù)。最后還對溫度補償和零點補償進行了電路設(shè)計和分析第4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 總體流程圖電子水平儀運用單片機為核心元件。圖44所示為AD轉(zhuǎn)換流程圖：圖44 AD轉(zhuǎn)換流程圖 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理是指將經(jīng)過濾波處理的AD轉(zhuǎn)換采集到的數(shù)字量按照第二章中推導出的公式進行計算，得到傾斜角的值，在此不再贅述。本設(shè)計中采用線性溫度傳感器REFD2作為測溫元件對儀器進行溫度補償。近年來，國內(nèi)在水平儀的研制開發(fā)方面取得了不少進展。軍械工程學院的牛燕雄等人研制出的激光水平儀是一種智能化顯示裝置儀器，該儀器在二維空間實時產(chǎn)生一條激光掃描線，使這條掃描線總是與地平線平行。（二）擬解決的主要問題1) 為了降低環(huán)境對自動檢測系統(tǒng)工作的影響， 應設(shè)法減小系統(tǒng)對溫度的有害靈敏度。本課題所設(shè)計的電子水平儀是根據(jù)擺原理，結(jié)合傳感器技術(shù)、微機測量技術(shù)設(shè)計而成的。50′，″，反應時間小于10ms(CCD采樣頻率為20MHz)[2]。在此向這些對畢業(yè)設(shè)計提供參考資料的作者們表示感謝。電子水平儀通過檢測輸出角度的絕對位置，獲得相應斜面傾斜角度的信息。圖43濾波程序流程圖 AD轉(zhuǎn)換程序AD7706的初始化配置與設(shè)計的硬件緊密相關(guān)，只有在正確配置的情況下才能使AD7706正確的工作。 本章小結(jié)本章首先對對微小電容檢測電路進行了研究，為了克服單片式交極距型電容傳感器的非線性，并且保證轉(zhuǎn)換精度，采用了運算放大器檢測電路作為電容電壓轉(zhuǎn)換電路，對運算放大檢測電路的輸出進行了交直流濾波、交直流放大、等處理，經(jīng)過處理后的信號被AD模塊采集送入微處理器進行運算。溫度仍為最低值，分別測量傾角最大、最小時的電橋不平衡電壓，計算出零點偏置溫度系數(shù)及靈敏度溫度系數(shù)。調(diào)整導通電流和時間參數(shù)，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。這兩種顯示器成本低廉，配置靈活，與單片機接口方便。AD7706的MCLK IN為芯片的主時鐘信號輸入端，可以采用晶振或者外部時鐘。向片內(nèi)的輸入移位寄存器寫入的串行數(shù)據(jù)由此輸入。當電源電壓為5V、可將輸入信號范圍從0～20mA到0～。電路通過電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換來進行兩個階段工作，第一是在內(nèi)部時鐘的上半周期，電子開關(guān)A和B導通，和C斷開，電路處于誤差檢測和寄存階段；第二是在內(nèi)部時鐘的下半周期，電子開關(guān)和C導通,A和B斷開，電路處于動態(tài)校零和放大階段。％的誤差。為實現(xiàn)巴特沃思特性要求，要求滿足RC=(2πf)。18V。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電路是可行的，但是由于通用運放放大電路的外接電阻很難精密匹配，由分立原件組成的放大電路共模抑制比不高，會影響到檢測精度。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。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(shè)計采用A/D轉(zhuǎn)換法。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(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)處理的負擔。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)。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。 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]。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|(zhì)量直接影響儀器的總精度。 本文結(jié)構(gòu)本文將圍繞設(shè)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(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。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(jié)構(gòu)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。電介質(zhì)呈粘滯性液體，在小圓筒內(nèi)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(zhuǎn)角度后，該圓柱電容值的變化與偏轉(zhuǎn)角度的正切成線性關(guān)系，形如，a、b為常量，只與傳感器本身有關(guān)。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。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。 課題任務（一）研究的基本內(nèi)容本課題研究的主要內(nèi)容是：1) 通過查閱資料了解各種水平儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)課題要求確定要設(shè)計的水平儀的結(jié)構(gòu)及設(shè)計的具體方案。47 第2章 電子水平儀的總體設(shè)計 第2章 電子水平儀的總體設(shè)計 方案的確定傾角傳感器信號調(diào)理模塊A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換模塊數(shù)據(jù)處理模塊圖21水平儀系統(tǒng)設(shè)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(zhuǎn)換、微處理器、數(shù)碼顯示五部分構(gòu)成。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。這些優(yōu)點，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]。 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。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。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(shù)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)。 角度轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)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。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。18V電阻編程1～10k%(G=1OOO)1MHz(G=1，小信號3dB)功耗輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)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。MAX536A的轉(zhuǎn)換精度可以通過外圍的器件來改善，R4用以調(diào)整偏移量，通過調(diào)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(diào)整R1可以對輸出信號進行校正。元件可將驅(qū)動脈沖頻率調(diào)整到更低，也可外接其它時鐘發(fā)生器作外驅(qū)動。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。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(nèi)部時鐘斬波頻率為200Hz，所以把第一階濾波截止頻率設(shè)計為160Hz，取R4=10KΩ，C3=；把第二階濾波截止頻率設(shè)計為200Hz，取R5=8KΩ，圖316 ICL7650電路原理圖C4=。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖317所示，其內(nèi)部由多路模擬開關(guān)、緩沖器、可編程增益放大器(PGA)、ΣΔ調(diào)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。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。根據(jù)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(chǎn)的AT89C55WD。圖324中為七段顯示器的結(jié)構(gòu)。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。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。電容傳感器檢測電路輸出的信號經(jīng)AD7706轉(zhuǎn)換，由單片機的I/O口讀入，然后根據(jù)算法完成對被測面的測量，并將結(jié)果輸出到LED顯示器上。 LED顯示程序數(shù)碼顯示主要用來顯示數(shù)據(jù)處理得到的傾斜角的值。將對應的模擬量轉(zhuǎn)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。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(zhuǎn)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。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)。但是硬件電路的設(shè)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(shè)計提出了要求。1) 掌握水平儀的基本測量原理，尤其是準備設(shè)計的這類水平儀的詳細測量原理。圓柱面半徑為l所時，量程為177。此外，在設(shè)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。探索研制了一種高精度電子水平儀。如圖43所示為濾波程序流程圖。假設(shè)調(diào)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(guān)系為： (39)所謂調(diào)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(shè)計中進行了擴流，即是圖327中運放A的功能。3) 確定低溫時的量程系數(shù)及溫度系數(shù)。顯示器的亮度既與導通電流有關(guān)，也與點亮和熄滅時間的比例有關(guān)。圖322按鍵電路圖(3) 單片機接線圖圖323單片機接線圖 LED顯示在單片機應用系統(tǒng)中,使用的顯示器主要有LED(