2012年电子设计大赛实验报告——倾角测量仪.doc
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1、倾角测量仪的设计摘 要当前,大多数行业测量角度时依然沿用传统的水泡式(条式)水平仪.其检测方法有诸多缺点,如测量值因人而易、功能单一、测量范围小等。本倾角测量仪,它与传统的水泡式(条式)水平仪相比具有电子检测、即时数值显示、测量精度高、测量范围大、使用及携带方便等特点,大大提高了工作效率。 本文详细介绍了一种利用倾角传感器 、AD 转换器 、单片机实现高精度倾角测量的方法,它可以测量-45+45范围内的任意倾角,分辨率可达0.1。 此外,由于该倾角仪输出为数字结果,因此它也可以与其他的数字设备结合起来,组成一个功能更加强大的仪器。该装置可满足大量工程上的应用。该数字倾角仪具有携带方便、精度高、
2、功能多等特点。它使用方便 ,应用范围广泛 。该数字倾角仪可广泛用于建筑、机械、道路、桥梁、石油、煤矿和地质勘探等各种需要测量重力参考系下倾角的场合。 关键词:倾角测量;AD转换器;单片机目 录引 言. 6第1章 绪论 . 71.1 测试系统方案选择 . 71.2 测试系统一般结构 . 7第2章 系统硬件设计 . 92.1 系统硬件组成. 92.2 倾角传感器选择 . 92.2.1 选择传感器的的基本原则. 92.2.2 倾角传感器原理 . 102.2.3 本设计选用的传感器 . 112.3 单片机的选择及其外围电路设计 . 162.3.1 89S52单片机的原理与结构 . 172.3.2 89
3、S52在本设计中的应用 . 192.4 A/D转换电路设计 . 222.4.1 AD574A的A/D转换原理 . 222.4.2 AD574A在本设计中的应用 . 232.4.3 AD574A在本系统中的应用 . 262.5 显示模块设计. 272.5.1 LED驱动器功能简介 . 282.5.2 本设计LED显示器的应用 . 32第3章 系统软件设计 . 353.1 系统主流程图. 353.2 系统初始化设计 . 353.3 A/D转换子程序设计 . 363.4 数制转换程序设计 . 373.5 LED显示模块子程序设计 . 383.6 X5045模块程序设计 . 39致 谢 . 43参考文
4、献 . 44附录A 电气原理图. 45附录C 主要参考文献及其摘要 . 51附录D 程序清单 . 53引 言当前,大多数行业测量角度时依然沿用传统的水泡式(条式)水平仪.其检测方法依然是水泡移动,肉眼分辨。这种原始的检测方法有诸多缺点,如测量值因人而易(由于是用肉眼观察水泡的位置来估计值,所以测量误差偏大,且测量误差主要有认为因素导致)、功能单一(其只能在一定的环境下测量角度,而不能完成其他测量)、测量范围小(传统的水泡式水平仪由于是靠观察水泡的位置来估计值的,所以其测量范围受到很大的限制)等9。 本倾角测量仪,它与传统的水泡式(条式)水平仪相比具有电子检测、即时数值显示、测量精度高、测量范围
5、大、使用及携带方便等特点,彻底摆脱了看水泡移动、估计值的传统测量方法,大大提高了工作效率。此外,由于该倾角仪输出为数字结果,因此它也可以与其他的数字设备结合起来,组成一个功能更加强大的仪器。该装置测量误差小于0.1,可满足大量工程上的应用。该数字倾角仪具有携带方便、精度高、功能多等特点。它使用方便,应用范围广泛,该倾角测量仪可广泛用于建筑、机械、道路、桥梁、石油、煤矿和地质勘探等各种需要测量重力参考系下倾角的场合。所以该倾角仪有良好的发展前景和使用价值。它与传统的一些测量角度的仪器相比有着很大的优越性,所以其必将逐渐取代传统的水泡式(条式)水平仪。 本文分3章对本设计进行了阐述。第1章绪论介绍
6、了系统整体方案的选择,提出了系统的整体结构及设计思路。第2章为系统硬件的设计,对倾角传感器、主控模块、A/D转换模块和显示模块的选择及应用分别做了说明。第3章为系统软件的设计,介绍了系统各个模块的软件设计思想及程序。嵌入式应用软件园,版权所有,请勿转载/销售。- 7 -第1章 绪论1.1 测试系统方案选择本设计采用了单片机测试系统。 随着超大规模集成电路技术的发展,微型计算机正以惊人的速度飞速发展。目前,微型计算机的发展有两个大的趋向:一个发展是向128位以上的巨型机迈进,另一个发展方向是向更加微型化、多功能化,使其在一块芯片是构成一台完整的微型计算机,即所谓的单片机。单片机只要用于工业过程控
7、制及智能控制仪器中,特别是在传感器智能仪器发展中,已显示出巨大的优越性,因而深受人们的欢迎,成为近年来最为活跃的领域3。 单片机之所以在智能仪器中广泛采用,主要是因为其具有以下特点11。 体积小、价格低廉目前的单片机不但把CPU、存储器及I/O接口集成在一块芯片上,而且集成了用户常用的硬件内容,使用起来特别方便、灵活。例如,目前刚传入国内不久的高速SOC(system on chip,片上系统)美国CYGNAL公司的80C51系列单片机,全兼容51指令集、最高配置为芯片上集成了高达64KB的Flash存储器、4352B的RAM、12位ADC(转换速率为500kb/s,32通道输入)、两路12位
8、DAC(带基准电源)、两路模拟电压比较器、温度传感器等,采用TQ48、 TQ64、 TQ100和MLP11封装。芯片的输入、输出口由用户自定义,而且直接在线仿真编程、擦除、校验、加密,大大简化了传统的仿真器+编程器结构。 便于产品小型化、智能化由于单片机体积小、功能强、用它不仅能代替常规的控制逻辑,而且还具有计算和处理功能,因而被广泛用于智能化仪器、自动化测控装置、家用电器和机器人等广大领域。 研发周期短、可靠性高一般微型机用于过程控制和智能仪器的研制周期都比较长,需要二次开发;而单片机通过简单的开发装置,即可实现所谓在线开发,因而大大缩短了研制周期。 此外,由于单片机都集成在一块芯片上,所以
9、节省了大量的外部连线,简化了印刷线路板的设计和加工,因而减小了外部干扰,其可靠性大大提高。 单片机集成度高、运算速度快、体积小、运行可靠、价格低廉,因此在非电量测控、传感器智能化仪器仪表中得到了广泛应用9。 基于以上单片机的优点和使用范围,本设计采用了单片机为倾角测量系统的微处理器。1.2 测试系统一般结构传感器与单片机相结合构成的检测系统,本质上就是单片机控制系统。一般说来,采用单片机做智能控制部件的测控系统,为了对被测控非电量实施控制,对其参数和状态进行检测是必不可少的。单片机控制是以自动化控制理论和计算机技术为基础的。控嵌入式应用软件园,版权所有,请勿转载/销售。- 8 -制对象从小到大
10、,从简单到复杂,都可以有单片机参与控制。 传感器与单片机相结合构成的检测系统,根据其用途和功能的不同可以采用各种不同的类型。但是,实际上这些系统的基本结构是完全相同的,如图1-1所示。收集信息端把从传感器得到的信息通过输入接口送给单片机,把结果通过输出接口送给显示器、记录设备等11。根据本设计的任务要求: 测量范围:-45+45 测量精度:0.1 本倾角测量仪的设计按照图1-1系统结构进行设计。检测对象传感器输入接口单片机输出接口显示/记录设备图1-1 单片机测试系统的一般结构嵌入式应用软件园,版权所有,请勿转载/销售。- 9 -第2章 系统硬件设计前面我们对测试系统的一般结构有了个大概的了解
11、,在接下来的一章中我们将对倾角测量仪的传感器、A/D转换电路、单片机电路、LED显示以及驱动电路等进行设计和分析并给出以上各部分的实际电路,为系统软件开发打下坚实的基础。2.1 系统硬件组成系统硬件结构主要包括以下组成部分:倾角传感器、A/D转换模块、单片机、显示模块、如图2-1所示。其中,倾角传感器作为测试单元输出电压信号; A/D转换模块则将调理过的电压模拟信号转换为数字信号,以便送给单片机进行数据的处理;单片机是整个系统的核心,负责协调各部分的工作,以及进行数据处理;显示模块则是人机交互的通道。2.2 倾角传感器选择从单片机诞生的最初年代开始,非电量测量技术和仪器仪表行业就成为单片机应用
12、的重要领域。传统的仪器仪表配以单片机做智能部件,构成了当今各种的所谓智能化仪器仪表。这些智能化仪器仪表主要由硬件和软件两部分组成。其中的硬件主要由传感器(包括信号的采集和放大)和单片机两部分组成。二者通过一定的接口进行连接,构成典型的智能化仪表。所以选择一个合适的倾角传感器对本设计至关重要12。2.2.1 选择传感器的的基本原则实现非电量测量的关键技术之一就是正确地选择和使用好传感器。传感器处于系统前向通道的最前端,是构成系统信息输入的主要窗口,为系统提供进行处理和决策控制所必须原始信息。倾角传感器的精度直接影响整个自动测试系统的精度,能否找到一些恰当的传感器来准确、迅速、全面反映倾角的特性,
13、并把它变换成便于识别、传输、接收、处理和控制的信息,即尽可能地选择性能优异有价格低廉的合适倾角传感器至关重要13。倾角传感器单片机A/D转换模块显示模块图2-1 系统硬件结构框图嵌入式应用软件园,版权所有,请勿转载/销售。- 10 -传感器种类繁多,性能各异。从测量角度看,根据输出电信号形式的不同,可以把传感器分为开关式、数字式和模拟式3大类11。 (1)开关式传感器 其工作特性是:当输入位移量高于某一设定值(阈值)时,传感器处于接通状态,输出高电平(或低电平);当输入位移量低于某一设定值(阈值)时,传感器处于断开状态,输出低电平(或高电平)。所以这类传感器输出是高、低电平变化的。(2) 数字
14、式传感器采用数字式传感器可将被测参数直接转换成数字信号输出,因此它具有以下特点: 精确度和分辨率高; 抗干扰能力强,便于远距离传送; 信号易于处理和存储,便于与计算机接口; 可以减小读数误差。正因为如此,数字式传感器引起了人们的普遍重视。然而到目前为止,数字式传感器的种类还不多。根据工作原理不同可分为脉冲数字式传感器(如光电编码传感器、光栅传感器、感应同步器、磁栅传感器等)和频率输出式数字传感器(如振弦式传感器、振筒式传感器和振膜式传感器等)。(3) 模拟式传感器其输出以各种连续量的形式变化,可以是电压、电流、电阻、电感、电容等。连续变化量与数字系统连接,需要通过模拟通道,再经A/D转换器把模
15、拟信号转换成数字信号。 实际应用中,选择传感器的基本原则可概括为以下几方面: 具有确定的传感特性,即能保证一定的灵敏度、精确度、重视性和长时间的工作稳定性; 具有高的可靠性,能在价格适中的前提下有较长的工作寿命; 具有良好的工作环境适应性,受外界因素如高低温冲击、振动、潮湿等的影响小; 具有高的非电量识别和抑制能力,即在多个非电量环境中,要求传感器对不属于它们的自然输入量应有较强的识别和抑制能力; 具有较小或者适宜的几何尺寸和形状,便于使用。2.2.2 倾角传感器原理倾角传感器经常用于系统的水平测量,从工作原理上可分为固体摆式、液体摆式、气体摆三种倾角传感器1,下面就它们的工作原理进行介绍。
16、(1)固体摆式惯性器件 固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服系统,其由摆锤、摆线、支架组成, 摆锤受重力G和摆拉力T的作用,其合外力F为: F=Gsin=mgsin (2-1) 其中,为摆线与垂直方向的夹角。在小角度范围内测量时,可以认为F与成线性关系。如应变式倾角传感器就是基于此原理。 (2)液体摆式惯性器件液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液,并有三根铂电极和外部相连接,三嵌入式应用软件园,版权所有,请勿转载/销售。- 11 -根电极相互平行且间距相等。当壳体水平时,电极插入导电液的深度相同。如果在两根电极之间加上幅值相等的交流电压时,电极之间会形成离子电流,两根电极之间的液体相当于两个
17、电阻R1 和R2。若液体摆水平时,则R1R2。当玻璃壳体倾斜时,电极间的导电液不相等,三根电极浸入液体的深度也发生变化,但中间电极浸入深度基本保持不变。左边电极浸入深度小,则导电液减少,导电的离子数减少,电阻R1增大,相对极则导电液增加,导电的离子数增加,而使电阻R2减少,即R1R2。反之,若倾斜方向相反,则R1R2。在液体摆的应用中也有根据液体位置变化引起应变片的变化,从而引起输出电信号变化而感知倾角的变化。在实用中除此类型外,还有在电解质溶液中留下一气泡,当装置倾斜时气泡会运动使电容发生变化而感应出倾角的液体摆。 (3) 气体摆式惯性器件 气体在受热时受到浮升力的作用,如同固体摆和液体摆也
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