雙通道高精度角度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)開題報(bào)告

1、 中 北 大 學(xué)畢業(yè)論文開題報(bào)告學(xué) 生 姓 名：學(xué) 號(hào)：10051041學(xué) 院：信息與通信工程學(xué)院專 業(yè)：光電信息工程論 文 題 目：雙通道高精度角度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師:李文強(qiáng) 2014 年 3 月 10 日開題報(bào)告填寫要求1開題報(bào)告作為畢業(yè)論文答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)論文工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在系審查后生效；2開題報(bào)告內(nèi)容必須用按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見；3學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊(cè)）。文中應(yīng)用

2、參考文獻(xiàn)處應(yīng)標(biāo)出文獻(xiàn)序號(hào)，文后“參考文獻(xiàn)”的書寫，應(yīng)按照國(guó)標(biāo)GB 771487文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則的要求書寫，不能有隨意性；4學(xué)生的“學(xué)號(hào)”要寫全號(hào)（如0201140102），不能只寫最后2位或1位數(shù)字；5. 有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo)GB/T 740894數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”；6. 指導(dǎo)教師意見和所在系意見用黑墨水筆工整書寫，不得隨便涂改或潦草書寫。畢 業(yè) 論 文 開 題 報(bào) 告1結(jié)合畢業(yè)論文情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述1.1本課

3、題研究背景在現(xiàn)代的控制系統(tǒng)、目標(biāo)跟蹤、機(jī)床控制、工業(yè)控制等領(lǐng)域，角度位置信號(hào)的測(cè)量都非常重要，尤其是在運(yùn)動(dòng)物體的控制和檢測(cè)系統(tǒng)中, 人們不僅需要準(zhǔn)確的線參量, 更需要準(zhǔn)確的角參量(尤其是角加速度) 信息。而且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 角加速度傳感器的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛, 比如航空航天領(lǐng)域的運(yùn)載火箭的飛行, 制造業(yè)中的機(jī)器人工作, 汽車工業(yè)中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制, 軍事領(lǐng)域中巡航導(dǎo)彈的控制等諸多領(lǐng)域, 角度測(cè)量都是一項(xiàng)非常重要的工作，其測(cè)量精準(zhǔn)度直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的精度1。1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及前景 最早在測(cè)角技術(shù)中研究的是電磁分度式和機(jī)械式測(cè)角技術(shù)2。電磁分度測(cè)角技術(shù)主要有兩種:圓磁柵測(cè)角和感應(yīng)同步器測(cè)角

4、3。圓磁柵測(cè)角法是將圓磁柵和被測(cè)件放在一起旋轉(zhuǎn),磁柵上的記錄信號(hào)通過(guò)放磁頭來(lái)提取出來(lái)并進(jìn)行處理。按信號(hào)提取方式不同,放磁頭可以分為動(dòng)態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭兩種。動(dòng)態(tài)時(shí)的分度準(zhǔn)確度可以很高,但是錄磁準(zhǔn)確度卻被降低,而靜態(tài)時(shí)準(zhǔn)確度很難提高。日本電子通訊大學(xué)代表著目前最高精度的電磁分度測(cè)角技術(shù),其研制的多面棱體自動(dòng)檢定系統(tǒng)在95%的置信區(qū)間內(nèi),檢定誤差可小于 0.07。 機(jī)械式測(cè)角技術(shù)可以用多齒分度盤來(lái)代表。美國(guó) Gate 公司最早于20世紀(jì)30年代就開始研制多齒分度盤,并于1960年獲得專利,作為一個(gè)完整的圓分度器件,當(dāng)時(shí)其分度達(dá)±0.25。因?yàn)椴豢赡軣o(wú)限制增加多齒分度盤的齒數(shù),所以細(xì)分受到限

5、制。而利用差動(dòng)法則可解決這個(gè)問(wèn)題,具體方法是:采用兩組或多組多齒分度盤疊放在一起。理論來(lái)說(shuō),可以通過(guò)使用三層或更多層的多齒分度臺(tái)來(lái)提高精度,但由于復(fù)雜的齒盤起落結(jié)構(gòu),難以保證各層之間的同軸度等原因而難以實(shí)現(xiàn)。而采用細(xì)分結(jié)構(gòu),可以進(jìn)一步減小定位不確定性和擴(kuò)大應(yīng)用范圍和。多齒分度盤精度最高的是由前蘇聯(lián)考納斯機(jī)床廠所生產(chǎn),其最小分度間隔為15,測(cè)量準(zhǔn)確度為0.1。應(yīng)用較為廣泛是感應(yīng)同步器,它側(cè)重的原理是利用電磁轉(zhuǎn)換,關(guān)鍵器件是平面型印刷電路做成的電路繞組:定子和轉(zhuǎn)子。將余弦激勵(lì)加在轉(zhuǎn)子電路繞組上,則隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng),不同的感應(yīng)電勢(shì)在定子上生成,隨著定子和轉(zhuǎn)子的半徑增大,感應(yīng)電勢(shì)的變化也越大。測(cè)量則通過(guò)

6、比較正弦、余弦兩繞組的電壓和相位來(lái)進(jìn)行,而且隨著半徑增大,電極數(shù)也在增多,其靈敏度也就越高,從而提高精度。由于磁通的變化率決定耦合度,而電源波動(dòng)對(duì)其影響比較小,因此抗干擾能力比較強(qiáng),對(duì)使用環(huán)境的要求低,許多節(jié)距在工作時(shí)同時(shí)起作用,有平均效應(yīng),可以獲得較高的分度準(zhǔn)確度,當(dāng)轉(zhuǎn)速低于 60/°s 時(shí),測(cè)量精確度可以達(dá)到達(dá)到 1的數(shù)量級(jí)4。尺寸和自重較大,不容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,測(cè)量精度受到限制等是機(jī)械式和電磁式測(cè)角法的主要缺點(diǎn),這也制約了它的應(yīng)用范圍。中科院西安光機(jī)所開發(fā)的感應(yīng)同步器數(shù)顯表的測(cè)角分辨率可達(dá) 1",靜態(tài)測(cè)角精度為±1",可以測(cè)量位移和角度。發(fā)展到現(xiàn)代,

7、角度測(cè)量技術(shù)主要分為靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)煞N5。對(duì)前者而言,主要集中在如何提高測(cè)量精度和分辨率上,后者則主要表現(xiàn)在響應(yīng)速率上。人們對(duì)回轉(zhuǎn)量的測(cè)量要求隨著機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也越來(lái)越高,因此在現(xiàn)有角度測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)大量的研究產(chǎn)生了很多更為先進(jìn)的方法。測(cè)角技術(shù)最早的方法是用機(jī)械式和電磁式方法,如圓磁柵和多齒分度臺(tái)等,這些方法得需要具有高靈敏度以及高準(zhǔn)確度。1.3 設(shè)計(jì)的研究目的和意義 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)生產(chǎn)力的飛躍發(fā)展,使人類社會(huì)進(jìn)入了信息時(shí)代。以信息為中心的技術(shù)革命影響著整個(gè)社會(huì)6。而這個(gè)信息革命可分為三個(gè)環(huán)節(jié),分別是信息獲取、信息處理、信息傳輸。他們構(gòu)成信息科學(xué)與技術(shù)的三大學(xué)科分支。其中

8、信息獲取是科學(xué)與技術(shù)的源頭,因此是關(guān)鍵和基礎(chǔ)。 傳感器是獲取信息的工具,傳感器技術(shù)是關(guān)于傳感器的設(shè)計(jì)、制造、傳感器系統(tǒng)的建立與應(yīng)用的綜合技術(shù),傳感器技術(shù)是信息獲取的核心技術(shù)之一。傳感器的種類繁多,當(dāng)前國(guó)際市場(chǎng)有兩萬(wàn)多種傳感器。同一機(jī)理的傳感器可以測(cè)量多種物理量,如電阻型傳感器可以測(cè)量溫度、位移、壓力、加速度等物理量。而同一物理量也可以用多種不同的傳感器來(lái)測(cè)量。如位移量,可用電容式、電感式、電渦流式等傳感器進(jìn)行測(cè)量。除了傳統(tǒng)的傳感器以外,隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量技術(shù)的飛速發(fā)展,智能儀器技術(shù)開始成熟并向更高層次發(fā)展。因而在智能儀器上的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理上出現(xiàn)了很多新的課題。 傾角傳感器的應(yīng)用十分廣

9、泛,在很多自動(dòng)控制系統(tǒng)或者檢測(cè)系統(tǒng)都有應(yīng)用。這些應(yīng)用也不斷地提高人們的生活質(zhì)量7。在很多國(guó)家,對(duì)起重機(jī)有規(guī)定,要求對(duì)其進(jìn)行某種形式的傾斜監(jiān)控,特別是對(duì)于運(yùn)輸人的設(shè)備。離軌車輛需要利用傾斜度信息來(lái)對(duì)車輛的傾斜角度加以調(diào)控,從而避免發(fā)生事故;或使某些重要部件保持一定的角度,減少相互摩擦等。還有一些車輛,如自傾斜火車,需要利用傾斜來(lái)補(bǔ)償離心加速度。光學(xué)儀器,如平面激光儀,經(jīng)常需要處于水平或垂直位置。在許多實(shí)際工程中,也可能需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)互相垂直方向的傾斜度。如上情況,均需要使用傾斜角傳感器來(lái)測(cè)量?jī)A斜角。另外,傾斜角傳感器還常應(yīng)用于汽車四輪定位儀、鐵道軌距尺、水利大壩傾斜監(jiān)測(cè)、地下巖土工程、道路邊坡穩(wěn)定

10、、高層建筑物傾斜監(jiān)測(cè)以及各種傾斜儀器中。由此可以看出,在工程測(cè)量的許多領(lǐng)域,傾斜角傳感器都被廣泛的施以應(yīng)用,是一種非常重要的測(cè)量裝置。參考文獻(xiàn)：1 M.J.Barker ,M.S.Colough.A two dimensional capacitive position transducer with rotation output Rev.Sci.Instrum,1997,68(8): 3238 32402 M.J.Barker ,M.S.Colough.A two dimensional capacitive position transducer with rotation output

11、 Rev.Sci.Instrum,1997,68(8): 3238 3240 3 李蔚恒,李永田.精密電位器在測(cè)角系統(tǒng)中的應(yīng)用J.電子科技,2002(5): 62 64 呂濤.敏感型 Fabry Perot 腔高精度光纖角位移傳感器研究D.西南師范大學(xué)碩士學(xué)位論文,20055 柏受軍等,差動(dòng)變壓器式大量程精密角位移傳感器的設(shè)計(jì)J.傳感器與微系統(tǒng),2006(11):63 66 劉君華,郝惠敏,林繼鵬,白鵬,等.傳感器技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例M.北京:電子工業(yè)出版社,2008:19. 7 Che Hsin Lin,Shu Ming Kuo. 20th IEEE International Conferenc

12、e on Micro Electro Mechanical SystemsC.Kobe, Department of Mechanical and Electro-mechanical Engineering,National Sun Yat-Sen University,20078 GuoTianXiang.51 SCM C language tutorialM.Publishing house industry.2009.9 周景潤(rùn). 基于proteus的單片機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真.北京:航空航天大學(xué)出版社.2010,8.10 江世明. 基于proteus的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù).北京:電子工業(yè)出版社.2

13、010,6.11 胡杰. 51單片機(jī)的C語(yǔ)言開發(fā).北京:航空航天大學(xué)出版社.2003,7.12 張洪洞. 單片機(jī)的原理與應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社.2001,3. 13 張齊. 單片機(jī)的源于技術(shù)開發(fā).北京:電子工業(yè)出版社.2011,9. 14 張洪洞. 單片機(jī)原理及接口技術(shù)（C語(yǔ)言版）.北京:清華大學(xué)出版社.2000,2.15 劉小成. 單片機(jī)原理及C51的應(yīng)用.上海:華東理工大學(xué)出版社.2010,7. 16 楊治潔. 單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京:北京科海電子出版社.2005,2.17 樓然苗，李光飛.51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)力.北京:航空航天大學(xué)出版社.2003,1.18 黃宇飛. 單片機(jī)單總線技術(shù)

14、.單片機(jī)與嵌入式應(yīng)用系統(tǒng).2001,2. 畢 業(yè) 論 文 開 題 報(bào) 告本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）：2.1本課題的研究任務(wù)（1） 掌握角度、特別是加速度測(cè)量角度的原理、方法和特點(diǎn)； （2） 角度測(cè)量模塊設(shè)計(jì)與調(diào)試：雙通道，測(cè)量范圍±15°，精度±0.057°；（3） 顯示模塊設(shè)計(jì)與調(diào)試：LCD中文顯示；（4） 通信接口模塊設(shè)計(jì)與調(diào)試：RS232/RS485/USB接口。2.2需要解決的問(wèn)題（1）選擇合適的控制器和角度傳感器，使其能達(dá)到一定要求。 （2）選用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器，滿足控制要求的同時(shí)盡可能操作簡(jiǎn)單。（3）要求整個(gè)

15、系統(tǒng)能夠正常工作且能達(dá)到設(shè)計(jì)精度和測(cè)量范圍以及校正誤差等。2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案 基于對(duì)國(guó)內(nèi)外角度測(cè)量技術(shù)進(jìn)行的深入分析，考慮角度測(cè)量諸多因素，將角度測(cè)量和單片機(jī)控制結(jié)合，提出了雙通道高精度角度測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有角度測(cè)量技術(shù)的分析和比較，決定采用分辨精度高，響應(yīng)速度快的芬蘭VTI科技公司( VTI Technologies Oy )開發(fā)的新型傾角儀SCA103T-D04作為角度傳感器。微處理器對(duì)SCA103T傾角檢測(cè)一般有兩種方法,一種方法是SCA103T的兩個(gè)模擬輸出經(jīng)差動(dòng)運(yùn)算放大器(如INA114) ，送入AD轉(zhuǎn)換器，微處理器讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果得到傾角檢測(cè)結(jié)果。另一種方法是微處理器

16、通過(guò)SPI接口直接讀取SCA103T系列內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)果(11位AD) ,該方法對(duì)于微處理器內(nèi)部沒(méi)有AD轉(zhuǎn)換器和AD轉(zhuǎn)換器分辨率低于11位的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，具有節(jié)省硬件開銷、接口少、編程簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),我們打算采用后一種設(shè)計(jì)方案。主控器選用功能簡(jiǎn)單，成本低廉的51系列單片機(jī)作為主控制器。此外，系統(tǒng)采用雙通道軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。雖然相比單通道電路而言雙通道電路成本有所增加,但是,其靜差僅為單通道的 1/n(n為速比),轉(zhuǎn)換精度有了很大的提高。因此,性價(jià)比較高的雙通道的軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換電路被廣泛用于航天、航空、航海等各種領(lǐng)域中。在工作環(huán)境較為惡劣的情況下表現(xiàn)更為明顯。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用層次化、模塊化的方式。整

17、個(gè)系統(tǒng)由傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)處理模塊、顯示和通信模塊等組成。該系統(tǒng)要以80C51系列單片機(jī)為控制核心，以測(cè)量體角度為測(cè)量參數(shù)，角度傳感器與相對(duì)應(yīng)AD采集模塊相連，單片機(jī)作為主控制器處理從傾角傳感器采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)。圖 1 角度測(cè)量?jī)x系統(tǒng)方框圖本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)部分和軟件設(shè)計(jì)部分。該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分主要為角度傳感器通過(guò)感知測(cè)量體的角度變化獲得相關(guān)參數(shù)，通過(guò)信號(hào)提取電路和信號(hào)調(diào)電路的信號(hào)處理，微處理器通過(guò)SPI接口直接讀取SCA103T系列內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)果(11位AD)，然后經(jīng)過(guò)通信接口和上位機(jī)取得通信和數(shù)據(jù)交換，最后由顯示模塊將最終處理結(jié)果顯示出來(lái)。2.4本課題擬采用的研究步驟（1） 查閱相關(guān)資料學(xué)習(xí)研究角度測(cè)量原理和方法；（2） 依據(jù)所掌握的信息分析所采用的傾角傳