【正文】 界具有領(lǐng)先地位，制造包括慣性傳感器、速度計(jì)和傾角儀器。 The Jewell LCF 系列是應(yīng)用存在沖擊和振動(dòng)領(lǐng)域的傾角范圍為177。 ? 177。的高水平裝置。他們連接到直流電源且完整的操作系統(tǒng)讀出或控制。 到177。滿量程輸出滯后小于 且振動(dòng)小于 50μ G/G2 時(shí)可用。同時(shí)在查閱的過程中可以看出， LCF 型傳感器由于其動(dòng)態(tài)性能好，精度高，因此在傾角測量中也得到廣泛的應(yīng)用。 加速度傳感器部分由2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 5 ADXL213 及其外圍濾波和調(diào)節(jié)電路構(gòu)成 ， 可以進(jìn)行帶寬和測量頻率的選擇 ；利用單片機(jī)處理 ADXL213 產(chǎn)生的占空比調(diào)制信號(hào) ， 并計(jì)算傾斜角度和誤差補(bǔ)償 ； 加速度值和傾角值可以實(shí)時(shí)在 LCD 上顯示 ， 并通過單片機(jī)的串行通信功能和 RS232 轉(zhuǎn)換電路與外圍設(shè)備連接。 其系統(tǒng)硬件原理框圖如圖 3所示： 設(shè)計(jì) 優(yōu)點(diǎn)：這種設(shè)計(jì) 具有響應(yīng)速度快，使用方便等特點(diǎn)。輸出為周期可調(diào)的占空比調(diào)制信號(hào) , 無需經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換直接與計(jì)數(shù)器或單片機(jī)連接。 基于加速度傳感器設(shè)計(jì)的傾角測量儀 ， 響應(yīng)速度快 、 使用方便。 ， 可以滿足工程應(yīng)用對(duì)傾角測量的要求。此外，本設(shè)計(jì)簡單精度不是很高，成本相對(duì)較低，適合大多數(shù)工程應(yīng)用領(lǐng)域。但是方案一中所測得傾角還不夠穩(wěn)定、精確，下面將對(duì)高精度傾角傳感器 LCF100 進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高精 度、高穩(wěn)定性的電路設(shè)計(jì)方案。該方案具有設(shè)計(jì)較為簡單，成本低廉，應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)。信號(hào)而且精度極高，因此對(duì)單片機(jī)的要求很高，主要體現(xiàn)在以下兩方面：一是必須選用具有高精度的 A/D 轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)。器件工作時(shí)，先由△ ∑調(diào)制器將輸入2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 7 信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖串，利用 Since3 可編程低通濾波器可以從數(shù)據(jù)流中 10選 1，實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。信號(hào)的 A/D 轉(zhuǎn)換功能。 [8] 原理圖如下所示： 圖 方案原理框圖 優(yōu)點(diǎn)：這個(gè)方案 本設(shè)計(jì) 是在上面方案的基礎(chǔ)上 利用 加法器 和反相放大器 解決了 LCF100 高精度傾角傳感器采集負(fù)信號(hào)的處理問題。 信號(hào)的處理 。 方案優(yōu)化與拓展 考慮到實(shí)際的應(yīng)用，航天航空等領(lǐng)域需求傾角的測量精度高、穩(wěn)定性好，在 的方案二的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)正加了 AD7701轉(zhuǎn)換原件。 這種設(shè)計(jì)的基本原理為：高精度傾角傳感器→低通濾波→電壓跟隨器2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 8 → A/D 轉(zhuǎn)換 （異步通訊方式）→單片機(jī)處理→轉(zhuǎn)換成 422 信號(hào)→通過 BUS傳出去， A/D 轉(zhuǎn)換器 經(jīng)單片機(jī)和 CD4040 分頻提供脈沖。 1 176。利用 28V的電源經(jīng)過電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了177。傾角信號(hào) 通過 MAX293 低通濾波器 濾掉了高頻和噪聲信號(hào)，使信號(hào)更加的穩(wěn)定。電壓跟隨器 具有很高的阻抗，傳感器采集的 5V的電壓信號(hào) 經(jīng)過 MAX293 低通濾波器濾掉了低于 10HZ的低頻和噪聲信號(hào)，得到的 5V傾角信號(hào)經(jīng)過 電壓跟隨器和兩個(gè) 10K 的電阻實(shí)現(xiàn)分壓 信號(hào) 。信號(hào)控制單元是本 設(shè)計(jì)的核心，通過ADuC845 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的控制 。 其硬件框圖如下： 該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以充分發(fā)揮 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的高精度轉(zhuǎn)換。具有很強(qiáng)的實(shí)用性。信號(hào) 輸入的 高精度 A/D 轉(zhuǎn)換芯片（例如 AD7701）來 解決 LCF100 負(fù)信號(hào)的傳送顯示問題 ，設(shè)計(jì)較為簡單，同時(shí)提高了測量的精度， 符合本設(shè)計(jì)的需求 。 2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 10 第三章 硬件設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集單元電路設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集單元主要是 LCF100 高精度傾角傳感器采集儀器設(shè)備的傾角。 高精度傾角傳感器 SCA103T系列是芬蘭 VTI科技公司 ( VTI Technologies Oy )開發(fā)的一類新型傾角儀 ,它們使用差動(dòng)測量原理 ,采用了高度集成電子和成熟的 MEMS傳感器技術(shù) . 其典型應(yīng)用是用于高精度測量儀器中 ,比如 ,水平儀和激光器 . 在 8Hz帶寬情況下 ,模擬信號(hào)分辨力是 0. 001176。 /LSB . 該產(chǎn)品含有內(nèi)部溫度測量和補(bǔ)償 . 再加上高于 0. 014176。0. 14176。 30176。 15176。 [9] Jewell 儀器公司 LCF 型傳感器可廣泛用于多種工業(yè)、商業(yè)和航空航天。 1176。 90176。 LCF 加速度是完全獨(dú)立的。輸出是一個(gè)正比于加速度高水平的直流信號(hào)，傾斜角度是177。 20g， LCF 加速度響應(yīng)速度變化 小到 1ug。 LCF 單元優(yōu)異性表現(xiàn)在具有重復(fù)開啟低疲勞和非常低的磁滯性。該型高精確度傳感器的功能： 177。 to 177。和177。20g，滿量程； 2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 11 ％非線性； 高水平電壓 5 伏輸出； 噪聲小于 伏； ％重復(fù)性和遲滯； u 度分辨率和直流響 應(yīng) [6]； 通過上述傳感器的簡單論述，結(jié)合本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，我選了 Jewell 公司的 LCF 型高精度傾角傳感器。 低通 濾波電路設(shè)計(jì) 圖 濾波電路原理圖 如圖所示 本設(shè)計(jì)采用以 MAX293 為核心的低通濾波電路。 以便于以后的電路去處理傾角信號(hào)。通過2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 12 V+ 和 V_接 5V 的數(shù)字電壓，電壓放大器件 MAX293 的 LCK 接 C8 電容 56nF起到信號(hào)濾波的作用，濾掉了低頻和噪聲信號(hào)，穩(wěn)定電壓信號(hào)。外接電路極為簡單靈活，可接濾波電容，用以濾除電源中的干擾。 電壓跟隨及分壓電路設(shè)計(jì) 圖 電壓跟隨及分壓電路 如圖所示 OP07 電壓跟隨器 OP07+IN 口接電壓放大器件的輸出，接受5V的傾角信號(hào)，管腳 TRIM 接穩(wěn)壓源 ADR421 的 TP 端口， NC 接 ADR421的 TRIM 端口， 12V的電壓源對(duì) OP07 進(jìn)行供電， OUT 實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸出。 電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的 ， 減小對(duì)被測電路的影響。 在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級(jí)及隔離級(jí)。在這個(gè)時(shí)候，就需要電壓跟隨器來從中進(jìn)行緩沖。應(yīng)用電壓跟 隨器的另外一個(gè)好處就是，提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應(yīng)用高品質(zhì)的電容提供了前提保證。但是由于引入了大環(huán)路負(fù)反饋電路，揚(yáng)聲器的反電動(dòng)勢(shì)就會(huì)通過反饋電路，與輸入信號(hào)疊加。但是，由于放大器的末級(jí)的工作電流變化很大，其失真 度很難保證。 [10] A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 圖 A/D 轉(zhuǎn)換模塊電路圖 2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 14 AD7701 是一款采用Σ Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)的 16 位 ADC。調(diào)制器輸出由具有一個(gè)六極高斯響應(yīng)的一個(gè)片上數(shù)字濾波器進(jìn)行處理，它更新輸出數(shù)據(jù)寄存器字率高達(dá) 4 千赫 16位二進(jìn)制字。該 ADC 固有的線性度非常好，端點(diǎn)精度通過零點(diǎn)和滿量程自校準(zhǔn)保證，可在任何時(shí)候啟動(dòng)。 AD7701 的數(shù)字濾波器就像一個(gè) 只有 一些細(xì)微的差別 模擬濾波器 。 模擬濾波不能做到這一點(diǎn) 。在 兆赫 — 最大時(shí)鐘頻率 ， 該過濾器 的截止頻率 是 10赫茲，輸出速度為 4 kHz。 這是一個(gè) 六階高斯響應(yīng)， 為 10赫茲的 截止 頻率提供 60 赫茲 55 分貝 的抑制 。 正常的s 域?yàn)V波器的零極點(diǎn)如圖 11 所示。 CMOS 構(gòu)造可確保低功耗，斷電空閑模式把功耗降低到了只有 10微瓦 。 不丟失編碼確保真實(shí)、可用、 16 位動(dòng)態(tài)范圍、不需要可編程增益和電平設(shè)置電路 溫度漂移的影響通過芯片自校準(zhǔn)被消除，從而消除零誤差和增益誤差。 一個(gè)靈活的同步 /異步接口使 AD7701 能直接接到 UARTs 或串行端口行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的微控制器界面。 CLKOUT 引腳為 時(shí)鐘輸出， 通過 CLKOUT 和 CLKIN之間 的連接生成晶體內(nèi)部主時(shí)鐘。 本設(shè)計(jì)使用 時(shí)鐘輸入外部時(shí)鐘 引腳 CLKIN和 LCKIN之間串連一個(gè) 的Y2 晶振，使用內(nèi)部時(shí)鐘， 給 芯片 正常工作提供穩(wěn) 定的時(shí)鐘信號(hào)。如果在兩個(gè)極板上加上交變的電壓，晶片便會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形震蕩，同時(shí)這種機(jī)械震蕩還會(huì)產(chǎn)生交變的電場（比較的微?。钱?dāng)外加交變的電壓的頻率與晶片固有的頻率（由其形狀和尺寸決定）相等時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的幅度會(huì)加劇，產(chǎn)生交變電場也增大。 2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 16 CS 為芯片選擇輸入接口，接著 ADUC845 單片機(jī)的 PWN1 端，接受單片機(jī)發(fā)出信號(hào)的控制， 數(shù)據(jù)傳輸是由 CS變低開始。 SDATA 輸出將會(huì)進(jìn)入三態(tài)。 圖 1 Timing Diagram for Asynchronous Communications Mode 相比 AD7701 的 4 kHz 輸出更新率 UART 的波特率是 非常 低。但是，如果 CS 之間已經(jīng)采取高字節(jié)，當(dāng)一個(gè)新的數(shù)據(jù)可用時(shí)， AD7701 可以在第二個(gè)字節(jié)傳輸之前 更新輸出寄存器。當(dāng)使用交流電模式，顯然必須謹(jǐn)慎，以確保這不會(huì)發(fā)生。 mode 至 5 V 時(shí)， AD7701 工作于異步通信（交流）模式， 提供一個(gè) UART 兼容接口，使 AD7701 數(shù)據(jù)從遠(yuǎn)程位置異步方式傳輸。 SCLK 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備端，在數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)數(shù)據(jù) 準(zhǔn)備好時(shí)為低電平，而數(shù)據(jù)傳送完畢后為高電平。 SC SC2 系統(tǒng)校準(zhǔn)選擇斷， CAL 為高電平時(shí)決定了校準(zhǔn)類型2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 17 為自校準(zhǔn)模式。 VREF為參考電壓輸入端，決定了單極模式正滿量程和雙極模式正負(fù)滿量程電壓值。 BP/UP 休眠模式引腳接低電平時(shí)處于睡眠方式，此時(shí)功耗僅為10uW 。 VREF。 DRDY 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備輸出端口接著單片機(jī)的 PWMCLK 引腳，在輸出寄存器中當(dāng)信號(hào)有效時(shí) DRDY 為低電平，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸完畢后DRDY 將變?yōu)楦唠娖健?SDATA 串行數(shù)據(jù)輸出端接單片機(jī)的串行輸入端口， AD7701 輸出 16 位的串行字給單片機(jī)進(jìn)行處理。 中心控制單元電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)型號(hào)的選擇 一個(gè)好的智能儀器儀表必須有好的硬件系統(tǒng)，才能夠現(xiàn)場完成信息的傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)。目前市場上單片機(jī)種類繁多，有很多單片機(jī)都適合 LCF100 高精度傾角傳感器信號(hào)的處理控制，經(jīng)查閱資料和老師的指導(dǎo)， ADUC845 單片機(jī)有功能多、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，且價(jià) 格比較合適，很適合本設(shè)計(jì)，最 后選擇了這個(gè)芯片。 該系統(tǒng)芯片集成了ADI 公司精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、可編程微控制器 (MCU)和閃速存儲(chǔ)器 ,為需要精確測量寬動(dòng)態(tài)范圍低頻信號(hào)的設(shè)計(jì)工程師提供了解決方案?？梢詳嘌?， ADuC845/847/848 是目前最容易掌握、開發(fā)和應(yīng)用的單片機(jī)。 主要性能參數(shù)： 4KB 片內(nèi)閃速 /電擦除數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（可擦寫 10 萬次） 64k 字節(jié)片內(nèi)閃速 /電擦除程序存儲(chǔ)器 兩級(jí)程序內(nèi)存保密 片內(nèi)可編程鎖相環(huán) PLL 最高時(shí)鐘頻率 2304 字節(jié)內(nèi)部 RAM 3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù) 器 USRT 12C 和 SPI 串行口 11 個(gè)中斷源 2 個(gè)優(yōu)先級(jí) 26 條可編程輸入輸出線 32KHZ 外部晶振 （ 1）高達(dá) 24 位分辨率的 ADC，對(duì)絕大多數(shù)低頻信號(hào)不需要放大和濾2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 19 波就能夠直接采樣。這個(gè)特點(diǎn)是其他任何一款單片機(jī)都不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。所以該芯片較適合高精度傳感器的設(shè)計(jì) [12]。該芯片 片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（ PROM）和 128bytes 的隨機(jī)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高速度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲(chǔ)單元， 圖 1 AT89c51 功能強(qiáng)大 AT89C51 單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活用于各種控制領(lǐng)域 [13]。它是一個(gè) 16 位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī)。其開發(fā)工具簡便，而且價(jià)格也相對(duì)低廉，并且還可以實(shí)現(xiàn)在線編程。因此，從本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的具體要求來看， ADUC845 最適合本次的設(shè)計(jì)，因此，本設(shè)計(jì)采用 美國模擬器件公司 (ADI)發(fā)布 的 一款 Micro Converter 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)芯片 (So C)ADuC845。在近距離通信系統(tǒng)中，直接進(jìn)行端到端的連接。單片機(jī)輸出的是 TTL 電壓信號(hào) 。 ADUC845在振蕩器運(yùn)行時(shí)，在引腳 RESET 上出現(xiàn) 16 個(gè)主周期以上的高電平將 使單片機(jī)復(fù)位。電路原理圖如圖 所示。 晶振電路設(shè)計(jì) ADUC845常采用 一個(gè)從 32MHz晶振產(chǎn)生 ( PLL)， 因?yàn)樗軌蚍浅?zhǔn)確的計(jì)算出定時(shí)初值，不會(huì)產(chǎn)生因波特率誤差而影響串行通信的同步性能。它作為反饋元件與單片機(jī)內(nèi)部的用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器一起構(gòu)成自激振蕩器。電路原理圖如圖所示。 /PSEN 為程序存取器選擇端，若程序從內(nèi)部執(zhí)行，就是單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器有效，此時(shí)接高電平；若程序從外面擴(kuò)展的