【正文】 5) 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。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。但是硬件電路的設(shè)計(jì)又不能太復(fù)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(duì)設(shè)計(jì)提出了要求。4) 采用匯編語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，以解決水平度計(jì)算、數(shù)碼顯示以及溫度補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題。2) 在掌握了測(cè)量原理的基礎(chǔ)上逐步進(jìn)行系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)檢測(cè)電路、溫度補(bǔ)償電路以及零點(diǎn)補(bǔ)償電路等。1) 掌握水平儀的基本測(cè)量原理，尤其是準(zhǔn)備設(shè)計(jì)的這類水平儀的詳細(xì)測(cè)量原理。二、 研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問(wèn)題 （一）研究的基本內(nèi)容本課題研究的主要內(nèi)容是：通過(guò)查閱資料了解各種水平儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)課題要求確定要設(shè)計(jì)的水平儀的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)的具體方案。目前國(guó)外數(shù)字式電子水平儀的產(chǎn)品主要有：瑞士Wyler公司和法國(guó)EDA公司的電子水平儀，美國(guó)Federal公司的V4683電子水平儀聯(lián)機(jī)系統(tǒng)等。其中電容式電子水平儀的原理是將差動(dòng)式電容傳感器的兩個(gè)固定極板固定在水平儀的底座上，當(dāng)水平儀處于自然水平位置時(shí)，可動(dòng)極板位于兩固定極板的正中位置，與兩個(gè)極板的間隙相等，電容量相等，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出為零。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。它可安裝于運(yùn)動(dòng)物體上，采集地平儀信號(hào)，在較大的視場(chǎng)顯示地平線，實(shí)時(shí)顯示出物體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。測(cè)量范圍可達(dá)[3]。由南京理工大學(xué)應(yīng)用物理系的袁紅星、賀安之等人研制的用PSD構(gòu)成的全方位高準(zhǔn)確度數(shù)字水平儀，是用連續(xù)型光電位置探測(cè)器作為傳感器，由半導(dǎo)體激光器另加配重并懸掛于殼體頂部作為豎直基準(zhǔn)，輔以高準(zhǔn)確度信號(hào)變換電路，以單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。圓柱面半徑為l所時(shí)，量程為177。檢測(cè)水平度時(shí)，讓燈泡發(fā)光，有氣泡處CCD接收到光信號(hào)，輸出信號(hào)數(shù)字信號(hào)1(整形后)，無(wú)氣泡處光信號(hào)被溶液吸收，輸出數(shù)字信號(hào)0。隨著光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，也相應(yīng)的產(chǎn)生了一些基于光電原理的光電式水平儀和激光式水平儀。每一個(gè)傾斜角度對(duì)應(yīng)一個(gè)電容值，于是在測(cè)量物體的傾斜度時(shí)，可用電容值的變化來(lái)反應(yīng)被測(cè)物體的傾斜角度，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和8031的處理后，傾斜角度由液晶顯示器顯示出來(lái)。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)。湛江師范學(xué)院測(cè)試中心的孫國(guó)敏、林勁松研制的智能化水平儀，以單片機(jī)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(dòng)檢測(cè)物體與標(biāo)準(zhǔn)水平面的傾斜程度。尤其是存在著智能化程度不高，對(duì)數(shù)據(jù)缺乏處理能力，無(wú)法一次性測(cè)量出被測(cè)面傾斜角和方位角等缺點(diǎn)。最后感謝學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)、老師，特別是測(cè)控技術(shù)與儀器系的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)在我大學(xué)四年學(xué)習(xí)期間的關(guān)心、支持和幫助。此外，在設(shè)計(jì)中參考了許多學(xué)者專家的文章和著作，還有一些沒(méi)有在參考文獻(xiàn)中列出。同時(shí)，王老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和高深的學(xué)術(shù)水平使我受益匪淺。92 參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn)1. 孫國(guó)敏，林勁松．智能化水平儀的研制[J]．湛江師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1998，19(2)：42472. 李佳列，顏國(guó)政等．一種采用CCD的數(shù)字式水平儀研制[J]．儀表技術(shù)與傳感器，2001，(6)：18193. 袁紅星，賀安之等．用PSD構(gòu)成全方位高準(zhǔn)確度數(shù)字水平儀[J]．儀器儀表學(xué)報(bào)，1999，20(5)：5175184. 牛燕雄，郭曉維等．激光水平儀理論模型的建立[J]．光電子激光，1996，7(2)：94975. 張玉華，干安敏，干成江．差動(dòng)電容式傳感器在智能電子水平儀中的應(yīng)用[J]．傳感器技術(shù)，2002，21(12)：52556. 夏家和，趙忠，衛(wèi)育新．微型智能電子水平儀設(shè)計(jì)[J]．測(cè)控技術(shù)，2005，24(1)：69717. 張玉艷，王玉田，王莉田．用于差動(dòng)電容傳感器的高分辨率電路的研究[J]．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，3：52548. Daniele Marioli，Emilio Sardini，Andrea Taroni．Measurement of small capacitance variations[J]．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1991，40(2)：4264289. Atmanand M A，Kumar V，Murti G K．A novel method of mea．surement of L and C[J]．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，1995，44(4)：89890310. Muhammad Akbar，Michael A Shanblatt．A fully integrated temperature pensation technique for piezoresistive pressure Sensors[J]．IEEE．Transactions on Instrumentation and Measurement．1993，42(3)：77177511. 楊光友、周國(guó)柱、[J].儀表技術(shù)與傳感器，2004(5)：303112. 賈伯年，俞樸等．傳感器技術(shù)[M]．南京：東南大學(xué)出版社，2000，813. 黃繼昌，徐巧魚等．傳感器工作原理及應(yīng)用實(shí)例[M]．北京：人民郵電出版社，1998，1214. 何希才．傳感器及其應(yīng)用電路北京：電子工業(yè)出版社200115. AD7706數(shù)據(jù)手冊(cè)．．21ic．，199916. ICL7650數(shù)據(jù)手冊(cè)．．21ic．，199917. 李相鍵，彭春文等．AD7705ΣΔA/D轉(zhuǎn)換器在溫度壓力測(cè)量中的應(yīng)用[J]．儀表技術(shù)與傳感器，2000，12：424418. 敖振浪、李源鴻等． 十六位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705及其應(yīng)用[J]．成都信息工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，3：281286致謝 致謝本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在王娜老師的悉心指導(dǎo)下完成的。3．對(duì)單片機(jī)檢測(cè)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)按鍵電路、復(fù)位電路、AD模塊、數(shù)碼顯示模塊等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。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(cè)量系統(tǒng)的位移傳感器。將對(duì)應(yīng)的模擬量轉(zhuǎn)換為微處理器可識(shí)別的數(shù)字量，微處理器通過(guò)對(duì)傳感器信息的處理，計(jì)算出所需要檢測(cè)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(cè)量。由于溫度對(duì)電容式傳感器電介質(zhì)及電路元器件的影響幾乎與信號(hào)具有相同的數(shù)量級(jí)，設(shè)計(jì)中必須對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。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)，與一個(gè)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，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。探索研制了一種高精度電子水平儀。當(dāng)開始鍵按下后，本測(cè)量系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)行，當(dāng)結(jié)束鍵按下后，單片機(jī)重新初始化，準(zhǔn)備下一次測(cè)量。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換的輸出高于正的上限，就控制數(shù)字電位器使其輸出電位下降，反之，逆向調(diào)節(jié)，直至輸出值在設(shè)定范圍內(nèi)，自動(dòng)調(diào)零結(jié)束。圖45數(shù)碼顯示流程圖 自動(dòng)調(diào)零程序根據(jù)自動(dòng)調(diào)零原理，按下調(diào)零按鈕之后，單片機(jī)進(jìn)入調(diào)零子程序進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零，自動(dòng)調(diào)零程序框圖如圖46所示。用P2口的低三位從右到左進(jìn)行動(dòng)態(tài)位掃描。 LED顯示程序數(shù)碼顯示主要用來(lái)顯示數(shù)據(jù)處理得到的傾斜角的值。在本測(cè)量系統(tǒng)中，設(shè)定AD7706工作條件是增益為1，沒(méi)有濾波同步，雙極性模式，無(wú)緩沖，2MHz的時(shí)鐘和50Hz的輸出更新率。用戶通過(guò)AD7706串行數(shù)據(jù)輸入端對(duì)AD7706的片內(nèi)寄存器進(jìn)行訪問(wèn)。如圖43所示為濾波程序流程圖。對(duì)中值濾波法N取3，算術(shù)平均濾波法N取10。如圖42所示為鍵盤去抖動(dòng)程序流程圖。指令輸入后，系統(tǒng)根據(jù)程序運(yùn)行的狀態(tài)和鍵盤輸入的鍵值進(jìn)入相應(yīng)程序，繼續(xù)程序的運(yùn)行。如圖41為總體流程圖圖41總體流程圖 按鍵服務(wù)程序系統(tǒng)程序運(yùn)行的控制就是不斷查詢鍵盤輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)有鍵盤輸入時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)程序運(yùn)行的當(dāng)前狀態(tài)和鍵值做出既定的響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)程序運(yùn)行地控制和干預(yù)。電容傳感器檢測(cè)電路輸出的信號(hào)經(jīng)AD7706轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)的I/O口讀入，然后根據(jù)算法完成對(duì)被測(cè)面的測(cè)量，并將結(jié)果輸出到LED顯示器上。AD轉(zhuǎn)換電路采用的芯片是AD7706，該芯片所占口線較少，對(duì)于今后系統(tǒng)做擴(kuò)展比較有利。其次根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，對(duì)單片機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)位電路、看門狗電路、按鍵電路、數(shù)碼顯示電路、AD轉(zhuǎn)換電路等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。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(dòng)端電壓為ux，集成運(yùn)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(jì)中進(jìn)行了擴(kuò)流，即是圖327中運(yùn)放A的功能。由于數(shù)字電位器X9C104是100級(jí)可調(diào)的，適當(dāng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)零。在前置放大電路中采用低溫漂、高共模抑制比的運(yùn)算放大器后，當(dāng)把傳感器輸出信號(hào)短接后對(duì)水平儀進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，由于運(yùn)放的溫漂及其他元件參數(shù)的影響而導(dǎo)致的前置放大輸出誤差是很小的,所以數(shù)字電位器的兩個(gè)固定端的參考電壓范圍不需要很大，但是與前置放大的增益有關(guān)，一般在幾毫伏到數(shù)十毫伏，需要經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。調(diào)零時(shí)，將水平儀放在被測(cè)平面上，按下圖中所示的調(diào)零開關(guān)SWPB，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整, 當(dāng)顯示傾斜度為零時(shí)，使開關(guān)復(fù)位，完成調(diào)零。(2) 零點(diǎn)誤差補(bǔ)償圖327是自動(dòng)調(diào)零系統(tǒng)及其相關(guān)部分的電路圖。如果特殊點(diǎn)選得過(guò)多，雖然準(zhǔn)確度得以提高，但由于計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響儀器的穩(wěn)定時(shí)間。5) 個(gè)別點(diǎn)調(diào)節(jié)。4) 確定高溫時(shí)的量程系數(shù)及溫度系數(shù)。3) 確定低溫時(shí)的量程系數(shù)及溫度系數(shù)。確定零點(diǎn)偏置溫度系數(shù)及其符號(hào)。因此關(guān)鍵是建立電橋靈敏度溫度系數(shù)的矢量表，需要利用小角度標(biāo)定儀通過(guò)標(biāo)定測(cè)試求出靈敏度溫度系數(shù)。檢測(cè)電路圖如圖326所示：圖326 溫度檢測(cè)電路圖同時(shí)，在激勵(lì)源的設(shè)計(jì)上也考慮了溫度的影響，詳細(xì)介紹在激勵(lì)源部分。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。所以上式應(yīng)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(diǎn)。由于單片機(jī)I/O口有限，而靜態(tài)顯示需要占用大量的接口，故選用動(dòng)態(tài)顯示方式。這種顯示方式將七段LED顯示器的所有段選位并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位I/O口控制，而共陰極或共陽(yáng)極的公共端分別由相應(yīng)的I/O口控制，實(shí)現(xiàn)各位顯示器的分時(shí)選通。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)。2) 動(dòng)態(tài)顯示方式在多位LED顯示時(shí)，為了節(jié)省I/O口線，降低成本，一般采用動(dòng)態(tài)顯示方式。靜態(tài)顯示方式，顯示器中的各位相互獨(dú)立，而且各位的顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存的輸出將維持不變，因此亮度較高。(2) LED的顯示方式圖325 LED動(dòng)態(tài)顯示連接圖1) 靜態(tài)顯示方式靜態(tài)顯示方式就是當(dāng)顯示器顯示某一個(gè)字符是，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止，直到顯示另一個(gè)字符為止。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。圖324中為七段顯示器的結(jié)構(gòu)。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用七段顯示器。對(duì)于本次設(shè)計(jì)顯示角度來(lái)說(shuō)，只需要顯示數(shù)字就夠了，所以不需要采用LCD，采用LED比較合理。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)。實(shí)際上，在現(xiàn)階段用到的為開始鍵S結(jié)束鍵S4，S3鍵按下時(shí)，水平儀開始測(cè)量，輸出結(jié)果；結(jié)束鍵S4按下時(shí)，系統(tǒng)跳出測(cè)量主程序，等待下一次測(cè)量。圖321 單片機(jī)復(fù)位電路(2) 按鍵電路在本設(shè)計(jì)中共設(shè)置三個(gè)功能SSS5，如圖322按鍵電路圖所示?；镜膹?fù)位電路解決不了電源毛刺和電源緩慢下降等問(wèn)題。10pF的電容，所以單片機(jī)的機(jī)器周期為T=12(1/3)=4μs。根據(jù)單片機(jī)的特性和功能，本測(cè)量系統(tǒng)所選用的單片機(jī)是ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C55WD。圖319 AD7706與單片機(jī)接口電路 單片機(jī)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中，CPU是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的核心，完成數(shù)據(jù)接收、信息處理、結(jié)果顯示等。晶振震蕩器接在MCLK IN與MCLK OUT引腳之間，頻率的范圍應(yīng)在500K至5MHz之間。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]。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(shí)序，完成對(duì)AD7706的操作。這種連接方式節(jié)省微處理器管腳，但是在讀寫操作時(shí)輸入輸出的數(shù)據(jù)需要重新排序。時(shí)鐘接口TXD與AD7706的SCLK相連，為傳輸數(shù)據(jù)提供時(shí)鐘。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)。完成對(duì)一個(gè)完全的輸出字的讀操作后，DRDY引腳立即回到高電平。7) DRDY：邏輯輸出。6) DOUT：轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端。5) DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端。圖318 AD7706引腳圖3) AIN1/ AIN2/ AIN3：模擬輸入通道1/2/3的輸入端。為轉(zhuǎn)換器提供主時(shí)鐘信號(hào)，能以晶體/諧振器或外部時(shí)鐘的形式提供。串行時(shí)鐘，將一個(gè)外部的串行時(shí)鐘加于這一輸入端口，以訪問(wèn)AD7706的串行數(shù)據(jù)。圖317 AD7706的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖MCLK OUTMCLK IN