基于STC12C5A16S2單片機(jī)電子水平儀設(shè)計(jì)

基于STC12C5A16S2單片機(jī)電子水平儀設(shè)計(jì)專業(yè)電氣工程學(xué)院學(xué)生姓名班級(jí)學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師專業(yè)系主任顧春雷發(fā)放日期2012年2月10日博雅學(xué)院摘要基于傳感器、數(shù)字信號(hào)處理、單片機(jī)技術(shù)的數(shù)字水平儀是當(dāng)前傾角測(cè)試儀器數(shù)字化開展的方向。利用角度傳感器感應(yīng)水平傾角，通過(guò)信號(hào)處理和STC12C5A16S2單片機(jī)的控制、運(yùn)算將傾角以數(shù)值的形式直接在LCD1602的本文提出了差動(dòng)式傾角電容傳感器在分辨力為0．001mm/m的智能電子水平儀的應(yīng)用方案，差動(dòng)輸出信號(hào)通過(guò)交流放大、整流濾波、直流放大后被送到A/D轉(zhuǎn)換器。采用ICL8038集成芯片作為差動(dòng)電容電橋的鼓勵(lì)電源，使用ADC0809對(duì)所得信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。關(guān)鍵詞智能電子水平儀；差動(dòng)電容傳感器；A/D;STC12C5A16S2目錄摘要11緒論32方案論證52.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證52.2各模塊的方案選擇和論證5控制器模塊5顯示模塊63電子水平儀的總體設(shè)計(jì)83.1方案確實(shí)定83.2傳感器的選擇9電容傳感器9本課題所采用的傳感器類型133.3A/D轉(zhuǎn)換器的選擇143.3.1AD轉(zhuǎn)換器的分類及介紹14本課題中對(duì)AD轉(zhuǎn)換器的選擇164系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)184.1傾角傳感器的設(shè)計(jì)184.1.1差動(dòng)電容傳感器測(cè)角原理184.1.2差動(dòng)電容傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)184.2角度轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)194.2.1測(cè)量電橋204.2.2第一級(jí)放大電路224.2.3整流濾波電路244.2.4第二級(jí)放大電路284.3信號(hào)采集與A/D轉(zhuǎn)換294.4主電路325系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)335.1總體流程圖335.2程序清單30總結(jié)43致謝43參考文獻(xiàn)44緒論概述電子水平儀是一種非常急需的測(cè)量小角度的量具。用它可測(cè)量對(duì)于水平位置的傾斜度、兩部件相互平行度和垂直度，機(jī)床、儀器導(dǎo)軌的直線度，工作臺(tái)平面度，以及平板的平面度等。已成為橋梁架設(shè)、鐵路鋪設(shè)、土木工程、石油鉆井、航空航海、工業(yè)自動(dòng)化、智能平臺(tái)、機(jī)械加工等領(lǐng)域不可缺少的重要工具。在機(jī)械測(cè)量及光機(jī)電技術(shù)一體化技術(shù)應(yīng)用中占有重要地位。國(guó)外許多國(guó)家很早就開始了電子水平儀的研制和制造，但隨著精密制造技術(shù)的開展，已有的電子水平儀不能滿足精度要求，國(guó)內(nèi)數(shù)顯式電子水平儀靈度、反響時(shí)間等比國(guó)外差距較大。水平儀從過(guò)去簡(jiǎn)單的氣泡水平儀到現(xiàn)在的電子水平儀已經(jīng)歷經(jīng)屢次更新。電子水平儀是一種非常急需的測(cè)量小角度的量具。用它可測(cè)量對(duì)于水平位置的傾斜度、兩部件相互平行度和垂直度，機(jī)床、儀器導(dǎo)軌的直線度，工作臺(tái)平面度，以及平板的平面度等。在機(jī)械測(cè)量及光機(jī)電技術(shù)一體化技術(shù)應(yīng)用中占有重要地位。隨著精密制造技術(shù)的開展，已有的電子水平儀不能滿足精度要求，國(guó)內(nèi)數(shù)顯式電子水平儀靈敏度、反響時(shí)間等與國(guó)外相比，差距較大。研究分辨率更高、性能更好的智能電子水平儀具有重要意義。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷開展，微控制器在工業(yè)測(cè)量和控制領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛；在很多計(jì)量檢測(cè)儀器中應(yīng)用了單片機(jī)，使計(jì)量檢測(cè)儀器具有了一定程度的智能，但在電子水平儀中微控制器的應(yīng)用尚不多見。在自動(dòng)控制和工程設(shè)計(jì)中，常常需要對(duì)某一個(gè)平面或基準(zhǔn)進(jìn)行傾角測(cè)量，或進(jìn)行自動(dòng)水平調(diào)節(jié)，特別是在自動(dòng)控制中，經(jīng)常需要對(duì)某一物體進(jìn)行動(dòng)態(tài)水平控制，這就要求儀器能對(duì)水平傾角進(jìn)行自動(dòng)動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量；在某些高精度的測(cè)量系統(tǒng)中，還要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行快速調(diào)平或?qū)δ承┭b置與水平面的傾斜角進(jìn)行快速高精度的測(cè)量。這些都是傳統(tǒng)傾角測(cè)量系統(tǒng)和水平儀很難做到的。以電子傾角器為傳感器而設(shè)計(jì)的數(shù)字傾角測(cè)量系統(tǒng)或數(shù)字水平儀不僅能滿足自動(dòng)測(cè)量與控制的要求，而且能使測(cè)量的精度和速度大大提高。2．方案論證2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證方案1：采用光學(xué)反射放大鏡和傳感器〔PSD〕在VB平臺(tái)上設(shè)計(jì)一種應(yīng)用程序，通過(guò)計(jì)算機(jī)與電子水平儀的串行通信，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)電子水平儀的的控制。由于采用VB設(shè)計(jì)，而且設(shè)計(jì)較復(fù)雜，需要光學(xué)以及測(cè)繪知識(shí)的應(yīng)用，電路程序繁瑣。方案2：采用單片機(jī)STC12C5A16S2為核心，利用傾角器作為傾角傳感器，其輸出的模擬電壓與傾斜角正弦成比例。將該模擬電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，通過(guò)編制好的計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果通過(guò)串口中斷方式傳送到上位計(jì)算機(jī)。單片機(jī)只要用于工業(yè)過(guò)程控制及智能控制儀器中，特別是在傳感器智能儀器開展中，已顯示出巨大的優(yōu)越性。比擬以上兩種方案，方案2所設(shè)計(jì)的測(cè)量精度高、使用方便,具有很好的實(shí)用價(jià)值。因此采用方案2.2.2各模塊的方案選擇和論證2.2.1方案一：采用FPGA〔現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列〕作為系統(tǒng)的控制器。FPGA可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有的器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可以利用EDA軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。FPGA采用并行的輸入方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。但是由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度要求不是很高，F(xiàn)PGA高速處理的優(yōu)勢(shì)得不到充分的表達(dá)，并且由于其集成度高，使其本錢偏高，同時(shí)由于芯片的引腳較多，實(shí)物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的操作。方案二:采用單片機(jī)STC12C5A16S2綜上所述，選擇方案二，采用單片機(jī)STC12C5A16S2構(gòu)成系統(tǒng)控制局部2.2.2方案一：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。傳統(tǒng)數(shù)碼管具有：低能耗，低損耗，壽命長(zhǎng)，防火，防潮，對(duì)外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。但顯示資源有限。方案二：使用液晶顯示屏顯示計(jì)時(shí)值。液晶顯示屏〔LED〕具有輕薄短小，低耗電量，無(wú)輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢(shì)，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。所以我們選擇LCD1602作為顯示器。3.電子水平儀的總體設(shè)計(jì)3.1方案確實(shí)定電子水平儀的測(cè)量系統(tǒng)主要由機(jī)械系統(tǒng)、傾角傳感器、AD轉(zhuǎn)換、微處理器、數(shù)碼顯示五局部構(gòu)成。進(jìn)行測(cè)量時(shí)，水平儀發(fā)生微小傾斜，傳感器探頭與擺盤的相對(duì)位置發(fā)生變化，于是傳感器輸出與探頭、擺盤間距成正比的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)，按照測(cè)量算法就可得到傾斜角，結(jié)果通過(guò)LED數(shù)碼顯示器顯示出來(lái)。其系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-l所示。傾角傳感器信號(hào)調(diào)理模塊A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)LCD顯示電源待測(cè)角度角度轉(zhuǎn)換模塊數(shù)據(jù)處理模塊圖2-1水平儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖設(shè)計(jì)的智能電子水平儀的分辨力到達(dá)0.001mm/m傾角傳感器信號(hào)調(diào)理模塊A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)LCD顯示電源待測(cè)角度角度轉(zhuǎn)換模塊數(shù)據(jù)處理模塊圖2-1水平儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖3.2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。在本課題中，假設(shè)采用電阻式傳感器作為傾角傳感器，由于電阻式傳感器是接觸式測(cè)量，所以將傳感器的一端固定在上端蓋，探頭與擺盤固連在一起。當(dāng)殼體傾斜時(shí)，傳感器輸出并不靈敏，輸出值的誤差也相當(dāng)大，原因是要驅(qū)動(dòng)電阻式傳感器需要比擬大的力，而機(jī)械系統(tǒng)無(wú)法提供那么大的力，因此電阻式傳感器不適于本課題，本課題中的傾角傳感器采用非接觸式的比擬適宜。在非接觸式位移測(cè)量方面，與電感傳感器相比，電容式傳感器測(cè)量精度更高，靈敏度也更好，因此在本課題中選用電容式位移傳感器。3.2.1電容傳感器電容傳感器的優(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。這些優(yōu)點(diǎn)，隨著電子技術(shù)的迅速開展，特別是集成電路的高速開展，將得到進(jìn)一步的表達(dá)，而它存在的分布電容、非線性等問(wèn)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(yīng)用前景。電子水平儀采用一個(gè)具有可變參數(shù)的電容作為傳感器，有兩個(gè)平行板組成的電容器的電容量為：(2-2)當(dāng)被測(cè)參數(shù)使得A、d或ε發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。電容傳感器的分類按照變化參量的不同，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型，以下對(duì)這三種類型的電容傳感器分別予以介紹。1．變極距型電容傳感器圖2-3變極距型電容傳感器原理圖定極板ε圖2-3變極距型電容傳感器原理圖定極板ε動(dòng)極板由式(2-2)可知其初始電容量，當(dāng)動(dòng)極板因被測(cè)量變化而向上移動(dòng)使減小，電容量增大那么有：(2-3)可見,傳感器輸出特性是非線性的。由式〔2-3〕可知：電容相對(duì)變化量為(2-4)上式按級(jí)數(shù)展開為(2-5)略去式〔2-5〕中的高次〔非線性〕項(xiàng)，可得近似的線性關(guān)系和靈敏度S分別為(2-6)和(2-7)如果考慮式(2-5)的線性項(xiàng)及二次項(xiàng)，那么(2-8)因此，以式(2-6)作為傳感器的特性使用時(shí)，其相對(duì)非線性誤差為(2-9)由上討論可知：1)變極距型電容傳感器只有在很小(小測(cè)量范圍)時(shí)，電容才有近似的線性輸出；2)靈敏度S與初始極距的平方成反比，故可以用減小的方法來(lái)提高靈敏度。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。2．變面積型電容傳感器如圖2-4變面積型電容傳感器原理圖所示。它與變極距型不同的是，被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)，引起兩極板有效覆蓋面積A改變，從而得到電容的變化。動(dòng)極板動(dòng)極板圖2-4變面積型電容傳感器原理圖定極板設(shè)動(dòng)極板相對(duì)定極板沿長(zhǎng)度方向平移時(shí)，那么電容為：(2-10)式中為初始電容，相對(duì)變化量為：(2-11)很明顯，這種傳感器的輸出特性呈線性。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。它的靈敏度為(2-12)3．變介質(zhì)型電容傳感器如圖2-5變介質(zhì)型電容傳感器原理圖所示，兩平行極板固定不動(dòng)、極距為，相對(duì)介電常數(shù)為的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。傳感器的總電容量C為兩個(gè)電容和的并聯(lián)結(jié)圖2-5變介質(zhì)型電容傳感器原理圖定極板定極板果。由式(2-2)得圖2-5變介質(zhì)型電容傳感器原理圖定極板定極板(2-13)式中、為極板長(zhǎng)度和寬度，為第二種介質(zhì)進(jìn)入極間的長(zhǎng)度。假設(shè)電介質(zhì)l為空氣，當(dāng)時(shí)傳感器的初始電容(2-14)當(dāng)介質(zhì)2進(jìn)入極間后引起電容的相對(duì)變化為(2-15)可見，電容的變化與電介質(zhì)2的移動(dòng)量成線性關(guān)系。3.2.針對(duì)本課題對(duì)傳感器測(cè)量?jī)A角的要求，變介質(zhì)型傳感器并不適合角度測(cè)量，變面積型傳感器雖然可以用于角度的測(cè)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(diǎn)。差動(dòng)電容式傳感器的靈敏度高、非線性誤差小，同時(shí)還能減小靜電引力給測(cè)量帶來(lái)的影響，并能有效地改善由于溫度等環(huán)境影響所造成的誤差，因而在許多測(cè)量控制場(chǎng)合中，用到的電容式傳感器大多是差動(dòng)式電容傳感器。然而，電容式傳感器的電容值十分微小，必須借助信號(hào)調(diào)理電路，將微小電容的變化轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓、電流或頻率的變化，這樣才可以顯示、記錄以及傳輸。本課題采用差動(dòng)式變極距型傾角傳感器。3.3A/D轉(zhuǎn)換器的選擇實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法有很多，不同的電路結(jié)構(gòu)的ADC的工作原理差異很大，性能上的差異也可能很大。本節(jié)主要按轉(zhuǎn)換電路和工作原理的不同對(duì)ADC進(jìn)行粗略的分類介紹。3.3.1實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的方法有很多，常見的有逐次逼近法、計(jì)數(shù)法、積分法、電壓頻率轉(zhuǎn)換法、Σ-Δ轉(zhuǎn)換法等。1．逐次逼近型這種ADC是用一個(gè)電壓比擬器將模擬輸入電壓與一個(gè)n位DAC的輸出電壓進(jìn)行比擬，這個(gè)n位DAC的數(shù)字輸入是由一個(gè)逐次逼近存放器提供的。逐次逼近存放器在轉(zhuǎn)換器的控制電路控制下，從高位到低位逐位被置1或清0，使DAC的輸出電壓逐步逼近模擬輸入電壓，經(jīng)過(guò)n次比擬和逼近，最終逐次逼近存放器中的數(shù)字(即DAC的輸入)就是模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果。在中低速場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。2．跟蹤計(jì)數(shù)器跟蹤計(jì)數(shù)型與逐次逼近型有相似之處，但轉(zhuǎn)換器包含一個(gè)電壓比擬器和一個(gè)n位DAC，一個(gè)可逆計(jì)數(shù)器代替了逐次逼近存放器和控制邏輯，可逆計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘脈沖作用下不停的計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的值作為DAC的輸出不停地跟蹤模擬輸入電壓，計(jì)數(shù)器的值即為ADC的數(shù)字輸出值。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)。3．積分型從轉(zhuǎn)換型號(hào)的關(guān)系來(lái)說(shuō)，積分型ADC屬于間接轉(zhuǎn)換型。轉(zhuǎn)換器中的積分器把模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成與之成比例的時(shí)間間隔，在這時(shí)間間隔內(nèi)一個(gè)n位計(jì)數(shù)器對(duì)頻率固定的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，最終的計(jì)數(shù)值與時(shí)間間隔成正比，反映了輸入平均電壓的大小。為了減小積分器的元件參數(shù)和參考電壓對(duì)積分精度的影響，通常要對(duì)輸入電壓和參考電壓各進(jìn)行一次積分，因此又稱為雙積分型ADC。積分器和計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，本錢低，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?。@然，VF型也屬于間接轉(zhuǎn)換型，中間變量是頻率。專用的VF轉(zhuǎn)換芯片已非常成熟，再與計(jì)數(shù)器配合可以構(gòu)成高分辨率、低本錢的ADC。5．Σ-Δ型Σ-Δ型ADC以很低的采樣分辨率(1位)和很高的采樣速率將模擬信號(hào)數(shù)字化，利用過(guò)采樣計(jì)數(shù)、噪聲整形和數(shù)字濾波計(jì)數(shù)增加有效分辨率。近年來(lái)Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)開展很快，轉(zhuǎn)換分辨率可以高達(dá)24位，在各類模數(shù)轉(zhuǎn)換器中分辨率是最高的，因此在低本錢、高分辨率的低頻信號(hào)處理場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用，有取代雙積分型ADC的趨勢(shì)。3.3.2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、本錢等因素選用逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器ADC0809。ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比擬器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近存放器、邏輯控制和定時(shí)電路組成。ADC0809主要特性1〕8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。2〕具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕?〕轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs(時(shí)鐘為640kHz時(shí))，130μs〔時(shí)鐘為500kHz時(shí)〕4〕單個(gè)+5V電源供電5〕模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。6〕工作溫度范圍為-40～+85攝氏度7〕低功耗，約15mW。2.外部特性〔引腳功能〕ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如下圖。下面說(shuō)明各引腳功能。IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。2-1～2-8：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖〔至少100ns寬〕使其啟動(dòng)〔脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換〕。EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平〔轉(zhuǎn)換期間一直為低電平〕。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能翻開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。REF〔+〕、REF〔-〕：基準(zhǔn)電壓。Vcc：電源，單一+5V。GND：地。4.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.1傾角傳感器的設(shè)計(jì)4.1.1差動(dòng)電容傳感器測(cè)角原理差動(dòng)電容傳感器越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于諸如壓力、加速度、直線位移、轉(zhuǎn)角等物理量的測(cè)量，其電路結(jié)構(gòu)依測(cè)量要求不同而不同，但其根本原理都是利用比例信號(hào)處理法以傳感器電容容量的變化來(lái)反映被測(cè)量的變化，電容變化可以是線性或非線性的。所謂比例信號(hào)處理法即用傳感器中兩電容之差與兩電容之和的比值來(lái)線性地反映被測(cè)量。因此需要專門的信號(hào)處理電路將傳感器電容變化轉(zhuǎn)換為易于檢測(cè)的電量，已經(jīng)出現(xiàn)的技術(shù)方法有開關(guān)-電容(S/C)法，模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)法、電容/頻率轉(zhuǎn)換法、電容/相位轉(zhuǎn)換法等，其中適用于CMOS集成電路的S/C法由于時(shí)鐘饋線的影響精度較低，C/F法可以到達(dá)很高的精度，但由于需要微處理器來(lái)進(jìn)行比例運(yùn)算而難以滿足時(shí)實(shí)、快速的要求。近年來(lái)，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。4.1.2差動(dòng)電容傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3-1所示。圖3-1差動(dòng)電容傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖3-1差動(dòng)電容傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖懸絲底座動(dòng)極板固定極板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。圖3-2測(cè)角模型圖圖3-2測(cè)角模型圖由幾何關(guān)系可知:(3-1)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。由式(3-1)可以看出θ與Δd之間成線性關(guān)系。4.2角度轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)角度轉(zhuǎn)換模塊就是將傳感器敏感的角度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)調(diào)理、放大、濾波、運(yùn)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(jìn)一步的傳輸和后續(xù)處理。電路結(jié)構(gòu)主要由傳感器角度測(cè)量和電信號(hào)調(diào)理2局部組成，其工作原理如圖4-3所示：圖4-3角度轉(zhuǎn)換模塊工作原理框圖圖4-3角度轉(zhuǎn)換模塊工作原理框圖待測(cè)角度傾角傳感器激勵(lì)源測(cè)量電橋第一級(jí)運(yùn)算放大器整流濾波第二級(jí)運(yùn)算放大器直流輸出4.2.1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(lái)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4-7所示。圖4-7電橋電路圖電橋的不平衡輸出電壓u2與鼓勵(lì)源電壓u1之間的關(guān)系為(3-2)其中R為橋臂電阻；d為電容兩極板之間的距離；Δd為電容兩極板間距離的變化量；ω為鼓勵(lì)源角頻率；ε為電介質(zhì)常數(shù)；s為電容極板面積；u1為鼓勵(lì)源電壓；u2為電橋不平衡電壓輸出。令，那么，那么上式變?yōu)?3-3)因?yàn)椋陨鲜胶?jiǎn)化為(3-4)式中為靈敏度。由式(3-4)可以看出，在鼓勵(lì)源不變的條件下，電橋不平衡輸出電壓u2與Δd成一簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，由式(3-1)可知與傾角θ也成一簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。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(3-4)可以看出，電橋不平衡電壓輸出u2，與鼓勵(lì)源電壓ul之比在△d一定的情況下為常數(shù)。設(shè)計(jì)中對(duì)ul及u2同時(shí)進(jìn)行采樣，并將兩路信號(hào)與溫度信號(hào)(共三路信號(hào))送人AD7706進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。用u2與ul的比值作為最終的采樣值，再以此比值進(jìn)行標(biāo)定，這樣就可以消除干擾信號(hào)產(chǎn)生的鼓勵(lì)源波形的失真。4.2.2第一級(jí)放大電路從電橋輸出的信號(hào)為交流信號(hào)，為便于后續(xù)處理先對(duì)其進(jìn)行信號(hào)放大。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。有鑒于此，在本課題中采用了集成儀用放大器。美國(guó)AD公司開發(fā)了許多性能優(yōu)良的儀表專用放大器芯片，如：AD521、AD524、AD620、AD624等，這些芯片現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各種電路設(shè)計(jì)中。由于AD620具有精度高、增益選擇范圍大和高性價(jià)比等特點(diǎn)，本課題采用該芯片作為放大器芯片，其主要特點(diǎn)見表3-1：表3-1AD620的特性供電電源增益選擇增益范圍最大增益誤差%帶寬±2.3～±18V電阻編程1～10k0.7%(G=1OOO)1MHz(G=1，小信號(hào)-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/℃最大2.0mA9.3dB(G=10)為了正確地使用AD620，發(fā)揮其固有的性能，在使用中應(yīng)該注意AD620的輸入過(guò)載能力，兩個(gè)輸入端應(yīng)分別串聯(lián)一只400Ω的薄膜電阻，這樣可以平安地承受長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)的輸入高達(dá)+15V或+6mA的過(guò)載，這種保護(hù)功能對(duì)所有增益均有效，當(dāng)信號(hào)源和放大器分別供電時(shí)更為重要。如圖4-8所示為AD620引腳圖，圖4-9為AD620電路原理圖。圖圖4-8AD620引腳圖12348765Rc-IN+IN-VsRc+VsOUTPUTREFTOPVIEWAD620-+只要在l、8針腳之間參加一個(gè)外部增益控制電阻RG，就可以靈活的調(diào)節(jié)增益，增益方程式為，由此可以得出，對(duì)于所需要的增益，那么外部控制增益電阻值為。為了減小輸人端的噪聲干擾采用屏蔽電纜方法。對(duì)屏蔽給予適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)，可減小電纜電容和雜散電容造成的差分相移，保證交流共模抑制比不下降，圖3-9為差分屏蔽驅(qū)動(dòng)接法。圖4-9AD620電路原理圖4.2.3整流濾波電路1.交直流轉(zhuǎn)換電路經(jīng)過(guò)交流放大后的交流信號(hào)還需要被轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)才能進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。美國(guó)MAXIM公司的產(chǎn)品MAX536A可以有效的實(shí)現(xiàn)交流/直流有效值的轉(zhuǎn)換。該集成芯片外圍電路簡(jiǎn)單，性能優(yōu)越。它可以計(jì)算出包含交流和直流成分的任何復(fù)雜輸入波形的有效值，并能轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)出口。MAX536A可以接受的輸入信號(hào)在0-7V(按有效值計(jì)算)之間，輸入信號(hào)電壓的極限峰值在±25V之間，可以采用單電源供電和雙電源供電兩種工作模式，單電源供電時(shí)電源電壓最大值是+36V，雙電源供電時(shí)電源電壓最大值是±18V。如圖3-10所示為MAX536引腳圖，MAX536A采用雙電源供電模式，供電電壓為±15V。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，信號(hào)穩(wěn)定時(shí)間約為0.5S，精度約為0.1%。MAX536A的轉(zhuǎn)換精度可以通過(guò)外圍的器件來(lái)改善，R4用以調(diào)整偏移量，通過(guò)調(diào)整R4保證當(dāng)信號(hào)輸入端Vm輸入為零時(shí)信號(hào)輸出端Vout輸出也為零；通過(guò)調(diào)整R1可以對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行校正。2.整流濾波在本測(cè)量系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)交直流轉(zhuǎn)換后，信號(hào)是一個(gè)靜態(tài)的直流信號(hào)，可以肯定頻率在10Hz以下。故所選擇的濾波器必須能夠無(wú)損耗的通過(guò)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(guò)渡帶很窄，即過(guò)渡帶內(nèi)增益衰減很快。滿足這一要求就是要選用高階濾波器。但是高階有源RC濾波電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所用元器件多，占用儀器體積，同時(shí)也不利于電路參數(shù)的調(diào)整。所以這里選用有源集成濾波器巴特沃思類型的濾波器。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。它是由內(nèi)部四階開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)與外接一組RC元件構(gòu)成的五階巴特沃思低通濾波器，通帶增益為1，可以調(diào)節(jié)的最高轉(zhuǎn)折頻率fcmax=20KHz。用兩級(jí)器件級(jí)聯(lián)可實(shí)現(xiàn)十階濾波電路腳。如圖3-12MAX280原理圖所示，輸入信號(hào)經(jīng)外部一階RC網(wǎng)絡(luò)，由第1腳輸入芯片，該芯片要求電容C由第1腳與內(nèi)部開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)耦合。為實(shí)現(xiàn)巴特沃思特性要求，要求滿足RC=1.62/(2πf)。此外該RC低通網(wǎng)絡(luò)還起抗混疊濾波作用。第8腳為緩沖輸出端，從該端輸出時(shí)會(huì)引入2～20mV失調(diào)電壓。為減小失調(diào)電壓，也可以從第7腳直接輸出，但該端輸出阻抗較高，因此使用時(shí)應(yīng)外接緩沖器后輸出。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。元件可將驅(qū)動(dòng)脈沖頻率調(diào)整到更低，也可外接其它時(shí)鐘發(fā)生器作外驅(qū)動(dòng)。第4腳為分頻比f(wàn)clk/fc編程端，接正電源時(shí)為100，即時(shí)鐘頻率與濾波器截至頻率的比值為100：接地時(shí)為200，時(shí)鐘頻率與濾波器截至頻率的比值為200：接負(fù)電源時(shí)為400；時(shí)鐘頻率與濾波器截至頻率的比值為400。圖圖4-12MAX280原理圖內(nèi)部開關(guān)電路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部時(shí)鐘電路CRCclkRclk33pF41785632+5V-5V(外部緩沖放大器)由上述內(nèi)容可知基于MAX280集成濾波器的濾波器電路的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于確定外接一階濾波電路的R、C的值和轉(zhuǎn)折頻率fc。設(shè)計(jì)過(guò)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。本應(yīng)用系統(tǒng)有用信號(hào)頻率在10Hz以下的頻帶內(nèi)，所以選擇轉(zhuǎn)折頻率fc=10Hz。其次，根據(jù)選擇的轉(zhuǎn)折頻率決定外接一階濾波器R、C的值。該外部電阻電容是濾波器反響網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)局部，同時(shí)也構(gòu)成了濾波器的一個(gè)極點(diǎn)。為了到達(dá)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(lái)確定：(3-5)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，那么RC可取0.0258，取R為250KΩ，C應(yīng)為0.103uF，為滿足電容序列值要求實(shí)際取電容0.1uF。再次，由轉(zhuǎn)折頻率確定開關(guān)電容濾波器的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率，即確定Rclk、Cclk的值。內(nèi)部四階開關(guān)電容濾波器由內(nèi)部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，這個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘又由選擇的轉(zhuǎn)折頻率決定。為了到達(dá)通帶內(nèi)最大平坦度的幅值響應(yīng)，驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘應(yīng)設(shè)置為轉(zhuǎn)折頻率的100倍，即第4腳分頻比f(wàn)clk/fc編程端應(yīng)接正電源，所以驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率為1K．時(shí)鐘頻率可以由下式來(lái)確定(3-6)因?yàn)樘幚碚`差，fclk可能會(huì)有±19.5％的誤差。這個(gè)振蕩頻率能通過(guò)一個(gè)接在Cclk與地之間的電位器來(lái)調(diào)節(jié)，這個(gè)電位器就是Rclk。調(diào)節(jié)后的時(shí)鐘頻率由下式計(jì)算：(3-7)這里的fclk是Rclk為0時(shí)的時(shí)鐘頻率。當(dāng)用了電位器后，新的時(shí)鐘頻率總是高于未加電位器時(shí)的頻率。為了得到比擬寬的頻率調(diào)節(jié)范圍，可以首先通過(guò)式(3-6)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。例如這里要得到lK的時(shí)鐘頻率，由式(3-6)初步計(jì)算得到Cclk為3900pF，將這個(gè)值增大，取值6800pF，并用50K的電位器，那么時(shí)鐘頻率就能夠在500Hz到1.56kHz之間調(diào)節(jié)。這個(gè)時(shí)鐘頻率能夠在第5引腳用一個(gè)低電容探頭測(cè)得。如圖3-13所示為MAX280電路原理圖：如圖4-13AX280電路原理圖4.2.4第二級(jí)放大電路經(jīng)過(guò)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。本文中選用了斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器ICL7650。ICL7650是Intersil公司利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)和CMOS工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)放，它具有輸入偏置電流小、失調(diào)小、增益高、共模抑制能力強(qiáng)、響應(yīng)快、漂移低、性能穩(wěn)定及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。這種運(yùn)算放大器由一個(gè)時(shí)鐘控制，分節(jié)拍工作，前一節(jié)拍將輸入失調(diào)采集并存儲(chǔ)于一電容中，后一節(jié)拍采樣和放大信號(hào)，并將此刻的失調(diào)相抵消，所以電路總的失調(diào)很少，性能極為優(yōu)越、穩(wěn)定。圖4-14ICL7650引腳圖電路原理ICL7650內(nèi)部為交流放大，在對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、放大、解調(diào)、輸出放大后的直流信號(hào)過(guò)程中，輸出端會(huì)出現(xiàn)由于ICL7650內(nèi)部時(shí)鐘斬波頻率所引起的一些微小尖峰脈沖的干擾。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。如圖3-15ICL7650電路原理圖所示，圖4-15ICL7650電路原理圖4.3信號(hào)采集與A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換我們采用的是ADC0809芯片，ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。1、ADC0809主要特性1〕8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。2〕具有轉(zhuǎn)換起停控制端。3〕轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs(時(shí)鐘為640kHz時(shí))，130μs〔時(shí)鐘為500kHz時(shí)〕4〕單個(gè)+5V電源供電5〕模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。6〕工作溫度范圍為-40～+85攝氏度7〕低功耗，約15mW。2、ADC0809與單片機(jī)接口電路圖4-16ADC0809與單片機(jī)接口電路3.按鍵電路在本設(shè)計(jì)中共設(shè)置三個(gè)功能S1、S2、S3，如圖4-17按鍵電路圖所示。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。實(shí)際上，在現(xiàn)階段用到的為開始鍵S1、S1鍵按下時(shí)，水平儀開始測(cè)量，輸出結(jié)果，S2、S3鍵留做今后功能擴(kuò)展用。圖4-17按鍵電路圖4.4主電路5系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)5.1總體流程圖電子水平儀運(yùn)用單片機(jī)為核心元件。電容傳感器檢測(cè)電路輸出的信號(hào)經(jīng)ADC0809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LCD顯示器上。測(cè)量系統(tǒng)上電復(fù)位后，先進(jìn)行初始化，然后查詢開始鍵是否按下，如果開始鍵按下那么進(jìn)行測(cè)量，依次運(yùn)行的程序?yàn)閿?shù)據(jù)采集、濾波處理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)碼顯示，這局部程序在結(jié)束鍵按下之前是循環(huán)執(zhí)行的，當(dāng)結(jié)束鍵按下后，再次對(duì)單片機(jī)初始化，等待下個(gè)測(cè)量任務(wù)。初始化初始化數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理顯示開始S1鍵按下按鍵否松開YNYN5.2程序清單#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitst=P2^3; //定義0809的關(guān)鍵位sbitoe=P2^2;sbiteoc=P2^1;sbitS1=P2^5;sbitlcden=P3^1; //液晶顯示控制位，其中rw位已用硬件拉低sbitrs=P3^0;uchartable[]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};ucharbai,shi,ge;uintshu;voiddisplay();//顯示程序/**************nms延時(shí)程序**************/voiddelaynms(uintx){uchari;while(x-->0){for(i=0;i<125;i++){;}}}voiddelay_50us(uintx){ uinta,b; for(a=x;a>0;a--) for(b=19;b>0;b--);}/******************************************************/voidwrite_com(ucharcom)//寫指令函數(shù){ P0=com; rs=0; lcden=0; delay_50us(4); lcden=1; delay_50us(4); lcden=0;}/***********************************************************/voidwrite_date(uchardate)//寫數(shù)據(jù)函數(shù){ P0=date; rs=1; lcden=0; delay_50us(4); lcden=1; delay_50us(4); lcden=0;}/********************************************************/voidinit()//液晶初始化函數(shù){ lcden=0; write_com(0x38);//顯示模式設(shè)置 delay_50us(4); write_com(0x0c);//開顯示，光標(biāo)不顯示 delay_50us(4); write_com(0x06); delay_50us(4); write_com(0x01); //清屏 delay_50us(4); }voidad0809(){ oe=0;//以下三條指令為起動(dòng)AD0809st=0; st=1; st=0; //delaynms(1); while(!eoc);//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束 oe=1;//取出讀得的數(shù)據(jù) shu=P1; oe=0;}voidmain(){ init(); //先對(duì)液晶初始化if(S1==0); while(1) //始終循環(huán)掃描 { ad0809(); display(); } Elseblack;}voiddisplay(){ shu=shu*5; //數(shù)據(jù)可能太小，需放大處理