学院基于单片机电子水平仪设计说明.docx

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学院基于单片机电子水平仪设计说明

基于STC12C5A16S2单片机电子水平仪设计

专业

电气工程学院

学生

班级

学号

指导教师

专业系主任

顾春雷

发放日期

2012年2月10日

博雅学院

摘要

基于传感器、数字信号处理、单片机技术的数字水平仪是当前倾角测试仪器数字化发展的方向。

利用角度传感器感应水平倾角，通过信号处理和STC12C5A16S2单片机的控制、运算将倾角以数值的形式直接在LCD1602的上显示或上传到计算机进行显示、处理，从而使角度测量变得方便、快捷，实现了倾角的高精度测量。

本文提出了差动式倾角电容传感器在分辨力为0．001mm/m的智能电子水平仪的应用方案，差动输出信号通过交流放大、整流滤波、直流放大后被送到A/D转换器。

采用ICL8038集成芯片作为差动电容电桥的激励电源，使用ADC0809对所得信号进行A/D转换。

关键词智能电子水平仪；差动电容传感器；A/D;STC12C5A16S2单片机

1.绪论

1.1概述

电子水平仪是一种非常急需的测量小角度的量具。

用它可测量对于水平位置的倾斜度、两部件相互平行度和垂直度，机床、仪器导轨的直线度，工作台平面度，以与平板的平面度等。

已成为桥梁架设、铁路铺设、土木工程、石油钻井、航空航海、工业自动化、智能平台、机械加工等领域不可缺少的重要工具。

在机械测量与光机电技术一体化技术应用中占有重要地位。

国外许多国家很早就开始了电子水平仪的研制和制造，但随着精密制造技术的发展，已有的电子水平仪不能满足精度要求，国数显式电子水平仪灵度、反应时间等比国外差距较大。

水平仪从过去简单的气泡水平仪到现在的电子水平仪已经历经多次更新。

电子水平仪是一种非常急需的测量小角度的量具。

用它可测量对于水平位置的倾斜度、两部件相互平行度和垂直度，机床、仪器导轨的直线度，工作台平面度，以与平板的平面度等。

在机械测量与光机电技术一体化技术应用中占有重要地位。

随着精密制造技术的发展，已有的电子水平仪不能满足精度要求，国数显式电子水平仪灵敏度、反应时间等与国外相比，差距较大。

研究分辨率更高、性能更好的智能电子水平仪具有重要意义。

随着计算机应用技术的不断发展，微控制器在工业测量和控制领域的应用越来越广泛；在很多计量检测仪器中应用了单片机，使计量检测仪器具有了一定程度的智能，但在电子水平仪中微控制器的应用尚不多见。

在自动控制和工程设计中，常常需要对某一个平面或基准进行倾角测量，或进行自动水平调节，特别是在自动控制中，经常需要对某一物体进行动态水平控制，这就要求仪器能对水平倾角进行自动动态跟踪测量；在某些高精度的测量系统中，还要求对系统进行快速调平或对某些装置与水平面的倾斜角进行快速高精度的测量。

这些都是传统倾角测量系统和水平仪很难做到的。

以电子倾角器为传感器而设计的数字倾角测量系统或数字水平仪不仅能满足自动测量与控制的要求，而且能使测量的精度和速度大大提高。

2．方案论证

2.1系统设计方案论证

方案1：

采用光学反射放大镜和传感器（PSD）在VB平台上设计一种应用程序，通过计算机与电子水平仪的串行通信，实现计算机对电子水平仪的的控制。

由于采用VB设计，而且设计较复杂，需要光学以与测绘知识的应用，电路程序繁琐。

方案2：

采用单片机STC12C5A16S2为核心，利用倾角器作为倾角传感器，其输出的模拟电压与倾斜角正弦成比例。

将该模拟电压进行A/D转换后送入单片机，通过编制好的计算程序进行计算，将计算结果通过串口中断方式传送到上位计算机。

单片机只要用于工业过程控制与智能控制仪器中，特别是在传感器智能仪器发展中，已显示出巨大的优越性。

单片机编程灵活，控制简单，能够很好的控制水平仪实现精度检测和角度的显示。

比较以上两种方案，方案2所设计的测量精度高、使用方便,具有很好的实用价值。

因此采用方案2.

2.2各模块的方案选择和论证

2.2.1.控制器模块

方案一：

采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。

FPGA可以实现系统的各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有的器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可以利用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。

FPGA采用并行的输入方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。

但是由于本设计对数据处理的速度要求不是很高，FPGA高速处理的优势得不到充分的体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的操作。

方案二:

采用单片机STC12C5A16S2作为系统的控制器。

单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法，并且具有功耗低，体积小，技术成熟，成本低廉等有点，使其在各个领域应用广泛。

综上所述，选择方案二，采用单片机STC12C5A16S2构成系统控制部分。

2.2.2显示模块

方案一：

使用传统的数码管显示。

传统数码管具有：

低能耗，低损耗，寿命长，防火，防潮，对外界环境要求低，易于维护等优势。

但显示资源有限。

方案二：

使用液晶显示屏显示计时值。

液晶显示屏（LED）具有轻薄短小，低耗电量，无辐射危险，平面直角显示以与影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。

所以我们选择LCD1602作为显示器。

3.电子水平仪的总体设计

3.1方案的确定

电子水平仪的测量系统主要由机械系统、倾角传感器、AD转换、微处理器、数码显示五部分构成。

进行测量时，水平仪发生微小倾斜，传感器探头与摆盘的相对位置发生变化，于是传感器输出与探头、摆盘间距成正比的电压信号，该电压信号经过AD转换送入单片机，按照测量算法就可得到倾斜角，结果通过LED数码显示器显示出来。

其系统的总体结构框图如图2-l所示。

设计的智能电子水平仪的分辨力达到0.001mm/m，传感电容的变化量仅有几个或几十个皮法，屏蔽环境干扰、导线布置、温度等引起的寄生电容比传感电容大得多，例如屏蔽电缆电容一般为100PF/m，多路开关输入电容一般为8pF，而传感器的电容约为1pF，杂散电容将待测电容传感器信号淹没，如何消除寄生电容的影响，把有用的微小信号拾取出来成为难点之一。

本设计除在电容式传感器的设计中采取措施外，根据已有的小电容测量电路原理[7]，设计了一种高分辨力的信号调理电路。

选择检测电路时主要从输出信号的稳定性和精度两方面分别进行对比。

而运算检测电路的优点不仅可以保证输出的稳定性，而且其输出与变极距型传感器的极距成正比，可以保证测量精度会大大高于其它测量电路。

因此，本课题采用运算放大器检测电路作为本课题的电容检测电路。

3.2传感器的选择

传感器的分类方法多种多样，按照其测量原理可分类为电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器。

在本课题中，若采用电阻式传感器作为倾角传感器，由于电阻式传感器是接触式测量，所以将传感器的一端固定在上端盖，探头与摆盘固连在一起。

当壳体倾斜时，传感器输出并不灵敏，输出值的误差也相当大，原因是要驱动电阻式传感器需要比较大的力，而机械系统无法提供那么大的力，因此电阻式传感器不适于本课题，本课题中的倾角传感器采用非接触式的比较合适。

在非接触式位移测量方面，与电感传感器相比，电容式传感器测量精度更高，灵敏度也更好，因此在本课题中选用电容式位移传感器。

3.2.1电容传感器

（1）电容传感器的优点

电容式传感器具有一系列突出的优点，如结构简单、体积小、分辨率高、可非接触式测量等。

这些优点，随着电子技术的迅速发展，特别是集成电路的高速发展，将得到进一步的体现，而它存在的分布电容、非线性等问题以又将不断地得到克服，因此电容式传感器有着非常好的应用前景。

电子水平仪采用一个具有可变参数的电容作为传感器，有两个平行板组成的电容器的电容量为：

（2-2）

当被测参数使得A、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。

电容传感器的分类

按照变化参量的不同，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型，以下对这三种类型的电容传感器分别予以介绍。

1．变极距型电容传感器

如图2-3变极距型电容传感器原理图所示。

传感器的ε和A为常数，初始极距为

。

由式（2-2）可知其初始电容量

，当动极板因被测量变化而向上移动使

减小

，电容量增大

则有：

（2-3）

可见,传感器输出特性

是非线性的。

由式（2-3）可知：

电容相对变化量为

（2-4）

上式按级数展开为

（2-5）

略去式（2-5）中的高次（非线性）项，可得近似的线性关系和灵敏度S分别为

（2-6）

和

（2-7）

如果考虑式（2-5）的线性项与二次项，则

（2-8）

因此，以式（2-6）作为传感器的特性使用时，其相对非线性误差

为

（2-9）

由上讨论可知：

1）变极距型电容传感器只有在

很小（小测量围）时，电容才有近似的线性输出；2）灵敏度S与初始极距

的平方成反比，故可以用减小

的办法来提高灵敏度。

由于变极距型的分辨力很高，可测小至

的线位移，故在微位移检测中应用很广。

2．变面积型电容传感器

如图2-4变面积型电容传感器原理图所示。

它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。

设动极板相对定极板沿长度

方向平移

时，则电容为：

（2-10）

式中

为初始电容，相对变化量为：

（2-11）

很明显，这种传感器的输出特性呈线性。

因而其量程不受线性围的限制，适合于测量较大的直线位移和角位移。

它的灵敏度为

（2-12）

3．变介质型电容传感器

如图2-5变介质型电容传感器原理图所示，两平行极板固定不动、极距为

，相对介电常数为

的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。

传感器的总电容量C为两个电容

和

的并联结

果。

由式（2-2）得

（2-13）

式中

、

为极板长度和宽度，

为第二种介质进入极间的长度。

若电介质l为空气

，当

时传感器的初始电容

（2-14）

当介质2进入极间

后引起电容的相对变化为

（2-15）

可见，电容的变化与电介质2的移动量

成线性关系。

3.2.2本课题所采用的传感器类型

针对本课题对传感器测量倾角的要求，变介质型传感器并不适合角度测量，变面积型传感器虽然可以用于角度的测量，但精度不高，普通单片式变极距型传感器存在灵敏度较低，输出电容非线性误差较大的缺点。

差动电容式传感器的灵敏度高、非线性误差小，同时还能减小静电引力给测量带来的影响，并能有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差，因而在许多测量控制场合中，用到的电容式传感器大多是差动式电容传感器。

然而，电容式传感器的电容值十分微小，必须借助信号调理电路，将微小电容的变化转换成与其成正比的电压、电流或频率的变化，这样才可以显示、记录以与传输。

本课题采用差动式变极距型倾角传感器。

3.3A/D转换器的选择

实现模数转换的方法有很多，不同的电路结构的ADC的工作原理差异很大，性能上的差异也可能很大。

本节主要按转换电路和工作原理的不同对ADC进行粗略的分类介绍。

3.3.1AD转换器的分类与介绍

实现AD转换的方法有很多，常见的有逐次逼近法、计数法、积分法、电压频率转换法、Σ-Δ转换法等。

1．逐次逼近型

这种ADC是用一个电压比较器将模拟输入电压与一个n位DAC的输出电压进行比较，这个n位DAC的数字输入是由一个逐次逼近寄存器提供的。

逐次逼近寄存器在转换器的控制电路控制下，从高位到低位逐位被置1或清0，使DAC的输出电压逐步逼近模拟输入电压，经过n次比较和逼近，最终逐次逼近寄存器中的数字（即DAC的输入）就是模数转换的结果。

在中低速场合得到广泛的应用。

2．跟踪计数器

跟踪计数型与逐次逼近型有相似之处，但转换器包含一个电压比较器和一个n位DAC，一个可逆计数器代替了逐次逼近寄存器和控制逻辑，可逆计数器在时钟脉冲作用下不停的计数，计数器的值作为DAC的输出不停地跟踪模拟输入电压，计数器的值即为ADC的数字输出值。

跟踪计数型ADC的电路结构比逐次逼近型简单，计数器能与时跟踪模拟输入电压，特别适用于需要快速跟踪的伺服系统。

3．积分型

从转换型号的关系来说，积分型ADC属于间接转换型。

转换器中的积分器把模拟输入电压转换成与之成比例的时间间隔，在这时间间隔一个n位计数器对频率固定的时钟脉冲计数，最终的计数值与时间间隔成正比，反映了输入平均电压的大小。

为了减小积分器的元件参数和参考电压对积分精度的影响，通常要对输入电压和参考电压各进行一次积分，因此又称为双积分型ADC。

积分器和计数器结构简单，成本低，此外积分器具有低通特性，能抑制高频噪声，但工作速度低，因此积分型ADC被广泛用于低频、高精度的数字仪表电路中。

4．压频转换型

压频转换又称为VF转换，首先把模拟电压转换成频率与该电压成正比的脉冲信号，然后在单位时间用计数器对脉冲计数，计数值与频率成正比，反映了模拟电压的大小．显然，VF型也属于间接转换型，中间变量是频率。

专用的VF转换芯片已非常成熟，再与计数器配合可以构成高分辨率、低成本的ADC。

5．Σ-Δ型

Σ-Δ型ADC以很低的采样分辨率（1位）和很高的采样速率将模拟信号数字化，利用过采样计数、噪声整形和数字滤波计数增加有效分辨率。

近年来Σ-Δ模数转换计数发展很快，转换分辨率可以高达24位，在各类模数转换器中分辨率是最高的，因此在低成本、高分辨率的低频信号处理场合得到了广泛的应用，有取代双积分型ADC的趋势。

3.3.2本课题中对AD转换器的选择

由于本课题设计的水平仪精度较高，所以需要选用高分辨率的AD转换器，考虑转换速度、成本等因素选用逐次逼近式AD转换器ADC0809。

ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。

其部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

是目前国应用最广泛的8位通用A/D芯片。

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。

1.ADC0809主要特性

1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。

2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）　

4）单个+5V电源供电

5）模拟输入电压围0～+5V，不需零点和满刻度校准。

6）工作温度围为-40～+85摄氏度

7）低功耗，约15mW。

2.外部特性（引脚功能）

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。

下面说明各引脚功能。

　　IN0～IN7：

8路模拟量输入端。

　　2-1～2-8：

8位数字量输出端。

　　ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路

　　ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

　　START：

A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

　　EOC：

A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

　　OE：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

　　CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

　　REF（+）、REF（-）：

基准电压。

　　Vcc：

电源，单一+5V。

GND：

地。

4.系统的硬件设计

4.1倾角传感器的设计

4.1.1差动电容传感器测角原理

差动电容传感器越来越广泛地应用于诸如压力、加速度、直线位移、转角等物理量的测量，其电路结构依测量要求不同而不同，但其基本原理都是利用比例信号处理法以传感器电容容量的变化来反映被测量的变化，电容变化可以是线性或非线性的。

所谓比例信号处理法即用传感器中两电容之差与两电容之和的比值来线性地反映被测量。

因此需要专门的信号处理电路将传感器电容变化转换为易于检测的电量，已经出现的技术方法有开关-电容（S/C）法，模数转换（A/D）法、电容/频率转换法、电容/相位转换法等，其中适用于CMOS集成电路的S/C法由于时钟馈线的影响精度较低，C/F法可以达到很高的精度，但由于需要微处理器来进行比例运算而难以满足时实、快速的要求。

近年来，人们在提高精度和速度方面不断探索，提出了各种提高精度和速度的方法，本设计采用A/D转换法。

4.1.2差动电容传感器结构设计

设计采用倾角传感器为专门设计定制的差动电容式传感器,其结构简图如图3-1所示。

固定极板与水平仪底座和测量平面固定在一起，动极板由悬丝悬挂，当被测平面有一定倾角时，由于重力作用，动极板始终保持竖直状态，与一固定极板的极距减小，而与另一极板极距增大，形成差动输出。

由几何关系可知:

（3-1）

由于所测倾角变化极小，可认为动极板与固定极板始终平行。

由式（3-1）可以看出θ与Δd之间成线性关系。

4.2角度转换模块的设计

角度转换模块就是将传感器敏感的角度信号转换为电信号，然后经过调理、放大、滤波、运算分析等的加工处理，以抑制有害干扰噪声、提高信噪比，便于进一步的传输和后续处理。

电路结构主要由传感器角度测量和电信号调理2部分组成，其工作原理如图4-3所示：

4.2.1测量电桥

采用温度特性良好的精密电阻与差动电容传感器来组成阻容电桥，两个精密电阻的参数选择尽量完全匹配，如图4-7所示。

图4-7电桥电路图

电桥的不平衡输出电压u2与激励源电压u1之间的关系为

（3-2）

其中R为桥臂电阻；d为电容两极板之间的距离；Δd为电容两极板间距离的变化量；ω为激励源角频率；ε为电介质常数；s为电容极板面积；u1为激励源电压；u2为电桥不平衡电压输出。

令

，则

，则上式变为

（3-3）

因为

，所以上式简化为

（3-4）

式中

为灵敏度。

由式（3-4）可以看出，在激励源不变的条件下，电桥不平衡输出电压u2与Δd成一简单的线性关系，由式（3-1）可知与倾角θ也成一简单的线性关系。

对正弦波形输出电压与放大后的交流电桥输出电压同时采样由式（3-4）可以看出，电桥不平衡电压输出u2，与激励源电压ul之比在△d一定的情况下为常数。

设计中对ul与u2同时进行采样，并将两路信号与温度信号（共三路信号）送人AD7706进行AD转换。

用u2与ul的比值作为最终的采样值，再以此比值进行标定，这样就可以消除干扰信号产生的激励源波形的失真。

4.2.2第一级放大电路

从电桥输出的信号为交流信号，为便于后续处理先对其进行信号放大。

在精度要求不是太高的情况下采用通用运放组成的信号放大电路是可行的，但是由于通用运放放大电路的外接电阻很难精密匹配，由分立原件组成的放大电路共模抑制比不高，会影响到检测精度。

有鉴于此，在本课题中采用了集成仪用放大器。

美国AD公司开发了许多性能优良的仪表专用放大器芯片，如：

AD521、AD524、AD620、AD624等，这些芯片现在已经广泛应用到各种电路设计中。

由于AD620具有精度高、增益选择围大和高性价比等特点，本课题采用该芯片作为放大器芯片，其主要特点见表3-1：

表3-1AD620的特性

供电电源

增益选择

增益围

最大增益误差%

带宽

±2.3～±18V

电阻编程

1～10k

0.7%

（G=1OOO）

1MHz（G=1，

小信号-3dB）

功耗

输入失调电压

输入失调漂移

输入偏置电流

最小共模抑制比

最大650mW

最大125μV

最大1μV/℃

最大2.0mA

9.3dB（G=10）

为了正确地使用AD620，发挥其固有的性能，在使用中应该注意AD620的输入过载能力，两个输入端应分别串联一只400Ω的薄膜电阻，这样可以安全地承受长达几小时的输入高达+15V或+6mA的过载，这种保护功能对所有增益均有效，当信号源和放大器分别供电时更为重要。

如图4-8所示为AD620引脚图，图4-9为AD620电路原理图。

只要在l、8针脚之间加入一个外部增益控制电阻RG，就可以灵活的调节增益，增益方程式为

，由此可以得出，对于所需要的增益，则外部控制增益电阻值为

。

为了减小输人端的噪声干扰采用屏蔽电缆方法。

对屏蔽给予适当的驱动，可减小电缆电容和杂散电容造成的差分相移，保证交流共模抑制比不下降，图3-9为差分屏蔽驱动接法。

图4-9AD620电路原理图

4.2.3整流滤波电路

1.交直流转换电路

经过交流放大后的交流信号还需要被转换成直流信号才能进行AD转换。

美国MAXIM公司的产品MAX536A可以有效的实现交流/直流有效值的转换。

该集成芯片外围电路简单，性能优越。

它可以计算出包含交流和直流成分的任何复杂输入波形的有效值，并能转换成直流信号出口。

MAX536A可以接受的输入信号在0-7V（按有效值计算）之间，输入信号电压的极限峰值在±25V之间，可以采用单电源供电和双电源供电两种工作模式，单电源供电时电源电压最大值是+36V，双电源供电时电源电压最大值是±18V。

如图3-10所示为MAX536引脚图，MAX536A采用双电源供电模式，供电电压为±15V。

连接在4和14针脚的电容CAV是一个重要的参数，CAV越大转换精度越高，但是输出稳定时间越长，由于水平仪为静态测量，对输出稳定时间要求不高，因此经查阅取CAV=5μF，信号稳定时间约为0.5S，精度约为0.1%。

MAX536A的转换精度可以通过外围的器件来改善，R4用以调整偏移量，通过调整R4保证当信号输入端Vm输入为零时信号输出端Vout输出也为零；通过调整R1可以对输出信号进行校正。

2.整流滤波

在本测量系统中，经过交直流转换后，信号是一个静态的直流信号，可以肯定频率在10Hz以下。

故所选择的滤波器必须能够无损耗的通过10Hz以的信号，同时为了滤除50Hz的工频干扰，就要求滤波器的过渡带很窄，即过渡带增益衰减很快。

满足这一要求就是要选用高阶滤波器。

但是高阶有源RC滤波电路结构复杂，所用元器件多，占用仪器体积，同时也不利于电路参数的调整。

所以这里选用有源集成滤波器巴特沃思类型的滤波器。

在本课题中选择MAXIM公司的单片集成五阶巴特沃思低通滤波器MAX280。

它是由部四阶开关电容网络与外接一组RC元件构成的五阶巴特沃思低通滤波器，通带增益为1，可以调节的最高转折频率fcmax=20KHz。

用两级器件级联可实现十阶滤波电路脚。

如图3-12MAX280原理图所示，输入信号经外部一阶RC网络，由第1脚输入芯片，该芯片要求电容C由第1脚与部开关电容网络耦合。

为实现巴特沃思特性要求，要求满足RC=1.62/（2πf）。

此外该RC低通网络还起抗混叠滤波作用。

第8脚为缓冲输出端，从该端输出时会引入2～20mV失调电压。

为减小失调电压，也可以从第7脚直接输出，但该端输出阻抗较高，因此使用时应外接缓冲器后输出。

器件第5引脚为时钟输入端，该端悬空时，以部时钟fclk=140KHz驱动，外接Rclk、Cclk。

元件可将驱动脉冲频率调整到更低，也可外接其它时钟发生器作外驱动。

第4脚为分频比fclk/fc编程端，接正电源时为100，即时钟频率与滤波器截至频率的比值为100：

接地时为200，时钟频率与滤波器截至频率的比值为200：

接负电源时为400；时钟频率与滤波器截至频率的比值为400。