【正文】 4) 在水平儀的設(shè)計(jì)過程中會(huì)產(chǎn)生機(jī)械系統(tǒng)的誤差，這是不可避免的，在做好水平儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后一定要估計(jì)一下它的機(jī)械系統(tǒng)誤差，以防止超出允許范圍，因?yàn)樗絻x本身就是一個(gè)測(cè)微小角度的精密儀器。（二）擬解決的主要問題1) 為了降低環(huán)境對(duì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)工作的影響， 應(yīng)設(shè)法減小系統(tǒng)對(duì)溫度的有害靈敏度。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。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(cè)量小角度，主要用于測(cè)量工件表面的平面度，也可測(cè)量機(jī)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(guó)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，[67]。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(duì)變化量，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，在目前廣泛應(yīng)用的數(shù)字式電子水平儀中多采用這種傳感器。軍械工程學(xué)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(shí)時(shí)產(chǎn)生一條激光掃描線，使這條掃描線總是與地平線平行。50′，″，反應(yīng)時(shí)間小于10ms(CCD采樣頻率為20MHz)[2]。上海交通大學(xué)的李佳列、顏國(guó)正等研制的數(shù)字式電子水平儀，由帶CCD的普通探頭、CCD信號(hào)驅(qū)動(dòng)板、整形電路、單片機(jī)及后繼電路四部分構(gòu)成，采用普通水平儀的探頭、內(nèi)灌黑色油狀液體放在一個(gè)暗盒內(nèi)，頂部有一氣泡，氣泡長(zhǎng)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(gè)象元的線陣CCD傳感器(該傳感器用到其中的2048個(gè)象元)。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(dǎo)線，當(dāng)它水平時(shí)有一電容值，當(dāng)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)。近年來，國(guó)內(nèi)在水平儀的研制開發(fā)方面取得了不少進(jìn)展。在此向這些對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)提供參考資料的作者們表示感謝。設(shè)計(jì)中，王老師提出了許多很好的建議并及時(shí)指出系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤和不妥之處，這些都非常有助于設(shè)計(jì)的順利完成。2．對(duì)電容檢測(cè)電路進(jìn)行了研究，采用運(yùn)算放大器電容檢測(cè)電路作為電容電壓轉(zhuǎn)換電路。本設(shè)計(jì)中采用線性溫度傳感器REFD2作為測(cè)溫元件對(duì)儀器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。電子水平儀通過檢測(cè)輸出角度的絕對(duì)位置，獲得相應(yīng)斜面傾斜角度的信息。 本章小結(jié)本章對(duì)測(cè)量系統(tǒng)整體流程以及各個(gè)子程序的程序流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)。如圖45所示為數(shù)碼顯示流程圖。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(dǎo)出的公式進(jìn)行計(jì)算，得到傾斜角的值，在此不再贅述。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(jì)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。圖42鍵盤去抖動(dòng)程序流程圖 濾波程序在本測(cè)量系統(tǒng)中，經(jīng)過電容檢測(cè)電路處理的信號(hào)送入AD進(jìn)行轉(zhuǎn)換供單片機(jī)進(jìn)行處理，對(duì)于固定的被測(cè)面來說，該信號(hào)理論上是一個(gè)固定不變的量，考慮到此時(shí)的干擾信號(hào)主要可能有兩種：一種是脈沖干擾；一種是周期性的干擾，如電子干擾或振動(dòng)干擾等，為了得到更準(zhǔn)確穩(wěn)定的測(cè)量值，采用平均值濾波方法，即先用中值濾波法濾除由于脈沖干擾引起的誤差的采樣值，然后再把采集到的信號(hào)用算術(shù)平均濾波法進(jìn)行處理，濾除周期性干擾。在程序?qū)崿F(xiàn)上，當(dāng)系統(tǒng)初始化完畢，程序運(yùn)行到需要用戶輸入指令處，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，等待用戶用鍵盤輸入指令。最后還對(duì)溫度補(bǔ)償和零點(diǎn)補(bǔ)償進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)和分析第4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 總體流程圖電子水平儀運(yùn)用單片機(jī)為核心元件。 本章小結(jié)本章首先對(duì)對(duì)微小電容檢測(cè)電路進(jìn)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(yùn)算放大器檢測(cè)電路作為電容電壓轉(zhuǎn)換電路，對(duì)運(yùn)算放大檢測(cè)電路的輸出進(jìn)行了交直流濾波、交直流放大、等處理，經(jīng)過處理后的信號(hào)被AD模塊采集送入微處理器進(jìn)行運(yùn)算。誤差電壓信號(hào)經(jīng)過放大以后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)可以根據(jù)電壓信號(hào)的大小控制數(shù)字電位器自動(dòng)進(jìn)行調(diào)零。在精密測(cè)量中，零點(diǎn)漂移往往不可避免，因此，在放大檢波環(huán)節(jié)的集成運(yùn)放的輸入端引入由單片機(jī)控制的數(shù)字電位器進(jìn)行零點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整。分別測(cè)量某一溫度下傾角最大、最小使得電橋不平衡電壓，計(jì)算零點(diǎn)偏置溫度系數(shù)及靈敏度溫度系數(shù)。溫度仍為最低值，分別測(cè)量?jī)A角最大、最小時(shí)的電橋不平衡電壓，計(jì)算出零點(diǎn)偏置溫度系數(shù)及靈敏度溫度系數(shù)。過程如下：1) 設(shè)定溫度為最低值，小角度儀的傾斜角為0。1. 硬件方面在本設(shè)計(jì)中采用線性溫度傳感器REF02作為測(cè)溫元件對(duì)儀器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 溫度與零點(diǎn)誤差補(bǔ)償(1) 溫度補(bǔ)償式(34)的推導(dǎo)只是在理想條件下的推導(dǎo)過程，在實(shí)際的電子水平儀系統(tǒng)中關(guān)系式應(yīng)進(jìn)行修正，因?yàn)闄z測(cè)系統(tǒng)的輸出零點(diǎn)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。調(diào)整導(dǎo)通電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。這種顯示方式編程容易，管理也較簡(jiǎn)單，但占用I/O口資源較多。本次設(shè)計(jì)所采用LED顯示的方式，由3個(gè)LED組成，顯示的角度是以度為單位的精確到秒的數(shù)據(jù)。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。這兩種顯示器成本低廉，配置靈活，與單片機(jī)接口方便。電路中沒有去抖動(dòng)電路，用軟件實(shí)現(xiàn)去抖動(dòng)的功能。圖320 單片機(jī)時(shí)鐘電路復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。本系統(tǒng)的微控制器采用單片機(jī)。AD7706的MCLK IN為芯片的主時(shí)鐘信號(hào)輸入端，可以采用晶振或者外部時(shí)鐘。在寫操作模式下，89C55WD的數(shù)據(jù)輸出為L(zhǎng)SB在前，而AD7706的寫時(shí)序要求MSB在前；同樣在讀操作時(shí)，AD7706輸出的數(shù)據(jù)是MSB在前，89C55WD串行口的時(shí)序要求LSB在前，從串行緩沖器(SBUF)讀取到的數(shù)據(jù)在使用之前需要重新排序。AD7706與89C55WD連接時(shí)，一種方法是利用89C55WD的串行口與AD7706的DIN、DOUT引腳連接在一起，并接一個(gè)10K的上拉電阻。這個(gè)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。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。時(shí)鐘頻率的范圍為500kHz～5MHz。主要引腳的功能說明如下: 1) SCLK：串行接口時(shí)鐘輸入端。該器件還包括自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)選項(xiàng),以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差。當(dāng)電源電壓為5V、可將輸入信號(hào)范圍從0～20mA到0～。(1) AD7706主要特點(diǎn)AD7706具有三個(gè)偽差分輸入通道，%，增益可編程，其可調(diào)整范圍為1～128，輸出數(shù)據(jù)更新率可編程，可進(jìn)行自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)，帶有三線串行接口，采用3V或5V工作電壓。 數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)處理和信號(hào)輸出兩部分，主要完成對(duì)角度轉(zhuǎn)換模塊輸出電壓的采集與A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)計(jì)算處理和數(shù)字顯示等任務(wù)。為了保證輸出信號(hào)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。電路通過電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換來進(jìn)行兩個(gè)階段工作，第一是在內(nèi)部時(shí)鐘的上半周期，電子開關(guān)A和B導(dǎo)通，和C斷開，電路處于誤差檢測(cè)和寄存階段；第二是在內(nèi)部時(shí)鐘的下半周期，電子開關(guān)和C導(dǎo)通,A和B斷開，電路處于動(dòng)態(tài)校零和放大階段。1. 芯片結(jié)構(gòu)ICL7650 采用14 腳雙列直插式和8腳金屬殼兩種封裝形式，圖314所示是最常用的14腳雙列直插式封裝的引腳排列圖。圖313MAX280電路原理圖 第二級(jí)放大電路經(jīng)過直流濾波電路的處理后，信號(hào)會(huì)有較大的衰減，直流電壓幅度達(dá)不到系統(tǒng)的要求，因此需要對(duì)直流電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理。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(jì)算Cclk，然后將Cclk的值增大，并用電位器調(diào)節(jié)得到f′clk。％的誤差。為了達(dá)到通帶內(nèi)最大平坦度的幅值響應(yīng)，外部電阻電容應(yīng)該由下式來確定： (35)這里fc為濾波器選擇的轉(zhuǎn)折頻率，根據(jù)應(yīng)用要求為10Hz，取R為250KΩ。設(shè)計(jì)過程如下：首先，根據(jù)應(yīng)用要求確定濾波器的轉(zhuǎn)折頻率fc。器件第5引腳為時(shí)鐘輸入端，該端懸空時(shí)，以內(nèi)部時(shí)鐘fclk=140KHz驅(qū)動(dòng)，外接Rclk、Cclk。為實(shí)現(xiàn)巴特沃思特性要求，要求滿足RC=(2πf)。在本課題中選擇MAXIM公司的單片集成五階巴特沃思低通濾波器MAX280。故所選擇的濾波器必須能夠無損耗的通過10Hz以內(nèi)的信號(hào)，同時(shí)為了濾除50Hz的工頻干擾，就要求濾波器的過渡帶很窄，即過渡帶內(nèi)增益衰減很快。連接在4和14針腳的電容CAV是一個(gè)重要的參數(shù)，CAV越大轉(zhuǎn)換精度越高，但是輸出穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)，由于水平儀為靜態(tài)測(cè)量，對(duì)輸出穩(wěn)定時(shí)間要求不高，因此經(jīng)查閱取CAV=5μF，%。18V。該集成芯片外圍電路簡(jiǎn)單，性能優(yōu)越。為了減小輸人端的噪聲干擾采用屏蔽電纜方法?！?77。在精度要求不是太高的情況下采用通用運(yùn)放組成的信號(hào)放大電路是可行的，但是由于通用運(yùn)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(huì)影響到檢測(cè)精度。對(duì)正弦波形輸出電壓及放大后的交流電橋輸出電壓同時(shí)采樣由式(34)可以看出，電橋不平衡電壓輸出u2，與激勵(lì)源電壓ul之比在△d一定的情況下為常數(shù)。圖36激勵(lì)源電路圖 測(cè)量電橋采用溫度特性良好的精密電阻與差動(dòng)電容傳感器來組成阻容電橋，兩個(gè)精密電阻的參數(shù)選擇盡量完全匹配，如圖37所示。若恒流源CSCS2的電流不滿足上述關(guān)系，則3腳輸出非對(duì)稱的鋸齒波，2腳輸出非對(duì)稱的正弦波，9腳輸出占空比為2%～98%的脈沖波形。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。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。可同時(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。由式(31)可以看出θ與Δd之間成線性關(guān)系。近年來，人們?cè)谔岣呔群退俣确矫娌粩嗵剿?，提出了各種提高精度和速度的方法，本設(shè)計(jì)采用A/D轉(zhuǎn)換法。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。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。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。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)。它是根據(jù)信號(hào)的包絡(luò)形狀進(jìn)行量化編碼。 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。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小．顯然，VF型也屬于間接轉(zhuǎn)換型，中間變量是頻率。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)。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。本課題采用差動(dòng)式變極距型傾角傳感器。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。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。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。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。 電容傳感器(1) 電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)電容式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。 傳感器的選擇傳感器的分類方法多種多樣，按照其測(cè)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]。傳統(tǒng)的儀表調(diào)零大多采用在控制面板上安裝機(jī)械電位器進(jìn)行調(diào)整。反饋式溫度補(bǔ)償有兩個(gè)關(guān)鍵問題：一是把自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的輸出零點(diǎn)、靈敏度通過某個(gè)環(huán)節(jié)(電路)檢測(cè)出來，并變換成適于進(jìn)行比較的信號(hào)，如電壓信號(hào)；二是通過某一控制過程產(chǎn)生控制作用，自動(dòng)改變和以達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)償?shù)舡h(huán)境溫度T對(duì)口和的影響。常用的溫度補(bǔ)償方法有以下兩種：(1) 并聯(lián)式溫度補(bǔ)償并聯(lián)式溫度補(bǔ)償即是人為地附加一個(gè)溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，并與被補(bǔ)償自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)(或其組成環(huán)節(jié))成并聯(lián)形式，為達(dá)到溫度補(bǔ)償目的，應(yīng)按下列條件選擇溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié) (21)式中——自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的零點(diǎn)(其值隨T而變，是T的函數(shù)) ——自動(dòng)檢測(cè)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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度提高一倍。因此對(duì)于測(cè)量?jī)x器特別是精密測(cè)量?jī)x器來說，溫度補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量直接影響儀器的總精度。因此，本課題采用運(yùn)算放大器檢測(cè)電路作為本課題的電容檢測(cè)電路。，傳感電容的變化量?jī)H有幾