基于二维水平传感器通讯控制软件的设计.docx
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基于二维水平传感器通讯控制软件的设计
西安工业大学北方信息工程学院
本科毕业设计（论文）
题目：
基于二维水平传感器通讯控制
软件的设计
系别：
光电系
专业：
测控技术与仪器
班级：
B100101
学生：
甘泽民
学号：
B10010104
指导教师：
陈丁
2014年5月
基于二维水平传感器通讯控制软件的设计
摘要
角度测量是测量应用中的一个重要组成部分，随着生产和科学技术的发展，对产品和零部件或者某一平台的角度测量应用越来越广泛，对精度要求也越来越高，所以在工作前和工作中都需要进行水平校准，特别是在现代工业技术中，能够快速准确的获得某一角度显得尤为重要。
因此，需要获得一种测量倾斜角的信号快速，准确，自动获取的方法，本课题是利用Delphi软件开发环境编写一个针对该二维水平传感器的通讯控制软件，以实现对固定平台倾斜角的数值采集及显示、角度单位转换（十进制、分秒、弧度、密位）、工作模式设置（通讯速率、自动式/应答式、相对/绝对零点设置，传感器地址设置）等，使操作者可方便地通过通讯控制软件的使用来校准和控制该型号传感器。
结论表明，该二维水平通讯控制软件对该传感器可以控制，操作简单、方便，获取倾斜角度快速，测量结果更加精确。
关键字：
二维水平传感器；通讯控制软件；Delphi软件；RS-485总线；Spcomm控件
Basedontwo-dimensionallevelsensorcommunicationcontrolsoftwaredesign
Abstract
Anglemeasurementofmeasurementapplicationsisanimportantpart,withthedevelopmentofproductionandscienceandtechnology,productsandcomponentsforanglemeasurementoraplatformmorewidely,areincreasinglyhighrequirementsforprecision,sobothbeforeandduringtheoperationlevelrequiredforthecalibration,especiallyinthemodernindustrialtechnology,itispossibletoobtainanangle,itisimportanttoquicklyandaccurately.
Therefore,theneedtoobtainameasureofthetiltangleofthesignalfast,accuratemethodforautomaticacquisition,thisprojectistheuseofDelphisoftwaredevelopmentenvironmenttowriteacommunicationscontrolsoftwareforthetwo-dimensionallevelsensorinordertoachievethefixedplatformtiltanglevaluesacquisitionanddisplay,theangleunitconversion（decimal,minutesandseconds,radians,mils）,themodesetting（communicationspeed,automatic/responsetype,relative/absolutezerosetting,sensoraddresssetting）,sothattheoperatorcaneasilybyusingthecommunicationcontrolsoftwaretocalibrateandcontrolthetypesensor.
Conclusionsshowthatthelevelofcommunicationandcontrolsoftwareforthetwo-dimensionalsensorcancontrol,simpleoperation,easy,quickaccesstothetiltangle,themeasurementresultsmoreaccurate.
KeyWord:
Dimensionallevelsensor；Communicationcontrolsoftware；
Delphisoftware；RS-485bus；Spcommcontrols
1绪论
1.1研究背景
在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经进入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息进行获取、筛选和传输，来实现自动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。
传感器技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一，从宇宙开发到海底探秘，从生产的过程到现代文明生活，几乎每一项技术都离不开传感器。
航天、航空、国防、科技和工农业生产等各个领域中都需要传感器。
可是很多传感器操作起来不方便，设备架设、撤收很不容易，这样给工作人员带来了不少困难，因此，研究一款针对某传感器的通讯控制软件，使得传感器智能化，人性化，而且获得的测量结果更加准确，这样可以减少操作人员的工作量，测量操作也更加简易，获取数据会很准确方便[1]。
1.2研究的目的和意义
随着我国经济的迅速发展，科技的进步，国内二维水平传感器市场急需一种高分辨率、低功耗、反应快、精度高、受温度影响小、成本低的产品。
二维水平传感器广泛用于需要提供水平面的仪器或设备上，进行测量倾角、铺路作业、测绘工程等。
目前，测量倾角的传感器都是采用电解质、热能斜度测量仪。
传统的二维水平传感器的反应速度慢、功耗高，并且对测量环境要求高，受温度影响大、精度低，传统的倾角传感器已不能满足市场提出的更高要求。
比如现在很多装备都要求在某一基准工作平面平台始终保持“绝对”水平状态，所以在工作前和工作中都需要进行水平校准，如：
火炮固定平台。
火炮射击对发射角的要求很高，发射角的精确计算又要依赖火炮的固定平台，尤其是现代战争，更讲究安全操作,精确打击，如何精确控制发生的角度呢?
一台安装在火炮固定转动支架上的旋转变压器能够测量到火炮的俯仰角，再根据炮弹出口时的速度与射角便能够准确计算出炮弹落点离炮台距离，从而为准备打击目标提供保障。
1.3国内外研究状况
传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅速发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要指标，它几乎渗透到人类活动的各个领域。
传感器也正向着微型化，高精度，高可靠性，低功耗，智能化，数字化发展。
世界传感器市场正在稳步发展中，新的应用领域也在不断的增长，各国将加速新一代传感器的开发和产业化。
基于MEMS技术的二维水平传感器目前已经具备广阔的市场，未来的市场需求也将不断增大[2]。
近年
来，角度传感器技术随着高科技的发展，在各个领域中的应用不断扩大，同时也对角度传感器技术本身的发展提出新的要求。
a.向标准化、系列化发展，这样容易解决生产实践中的问题，缩短组成系统的时间。
b.向高精度发展，其精度已达到万分之几，当组成系统时也应达到相应的精度。
c.向数字化和固态化发展，增量运动的发展是全数字控制，为适应这一要求，当前有3种结构形式:
①传统电机加D/A转换模块。
②直接以输入或输出脉冲的电机，如步进电动机，脉冲测速机。
旋转变压器旋转变压器分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、特殊函数旋转变压器三种基本类型。
多极双通道旋转变压器是发展起来的一类新型高精度角度检测和解算元件，它用电气变速代替机械变速，提高了系统的精度，简化了系统的结构。
旋转变压器发展迅速，其精确度以千倍百倍数量级的速度提高，并且，演变和发展出许多系列，其中有多极旋变、感应同步器、移相器、多极移相器以及大大小小的特殊品种。
国外旋转变压器是以提高精度、带温度补偿绕组、采用盘式、环形结构和无接触式为发展方向。
国外的多极旋变已经有了突破性进展，出现了“游标式旋变”，即无接触式多极旋变。
为适应高精度轴角或直线位移检测数字显示和控制系统信号反馈的需要，已有双通道和三通道旋变一数字转换器（R/D），它可直接与NC系统总线接口。
现在，自动控制系统中不断应用旋机组，机组是将几种控制电机安装在一个机壳中，共用一轴，体积小可靠性高。
欧美国家使用的多极旋变多于日本，现在基本上是无刷型的。
1988年日本旋变市场销售10万台，产值15-25亿日元；而现在日本的交流电机中，20%的同步型、90%的非同步型安装了旋转变压器[3]。
磁性编码器目前国外已广泛应用的多数是小型、分辨率不高、价格较低、既有100-1024脉冲/r的低成本增量型磁性编码器，又有输出为64000脉冲/r的内带温度等补偿回路和电路细分的正弦波磁性编码器。
最近日本开发了100万脉冲/r的高分辨率的编码器，现在的磁性编码器有通过轴回转在磁鼓与磁盘上进行多极激磁并把磁传感器检测的磁极信号作为编码器脉冲信号加以利用的型式和利用在磁性齿轮与磁传感器侧设置的偏置磁铁检测磁通变化的磁阻型两类。
而目前在磁鼓磁盘上多极激磁的形式较多，磁性编码器结构简单、高速回转、响应速度快，具有不易受尘埃和结构影响等优点。
目前，日本在这方面占有绝对的优势,1984年即推出了增量型和绝对型两种编码器。
激光编码器使用半导体激光（二极管）光源，利用激光波的相干性，出现了应用衍射、干涉等物理光学原理的编码器。
1989年日本CANON公司研制生产出CanonX一1型超高分辨率的激光式旋转编码器。
该编码器与驱动装置一起运动时，一转之内可输出22.5万个正弦波形，其分辨率为1.8千万个脉冲/r。
由于该编码器采用了透射光学系统，故它用以检测和控制数控机床、直接驱动电动机、高密度的读写盘以及其它机械。
它具有很强的坚固性，且具有不接触、精度高、响应快、不受电磁干扰等优点。
尽管这种传感器结构较复杂，但作为适用于振动、冲击等环境下的角度传感器，预计将有大的发展。
光纤编码器光电编码器不易受外部磁场的影响，但受强电磁噪声、从电源返回的电气噪声的影响，为此，用光纤取代接收与发光元件，在符号盘两面上设置相对的接收与发光用的光纤，用光纤将光信号传输到安全区，并将传输的光信号转换为电信号，开发了可进行计算的光纤编码器。
由于利用接触旋转式心盘的所有光线进行信号处理，所以该装置可以应用到强电磁噪声环境下正常工作的火箭上。
多圈式绝对编码器由于大规模集成技术及微机技术的不断进步，目前日本的三菱、多摩川、安川等公司相继研制成功一种高分辨率的理想检测元件-多圈式绝对编码器，吸取了已有的检测元件的优点，具有体积小、分辨率高（15位）、高响应（可用于4500r/min）、多圈记忆（9999/r）、数据存储（采用超大容量电容时，即使不用电池绝对值信号也可保持96h以上）、串行输出（接口信号少，可靠性高，便于长短距离传送）、超低耗电型（使用BR型电池可连续使用4年以上）。
多圈式绝对型编码器作为绝对位置系统中最合适的检测量，今后将得到广泛应用和发展。
1.4角度传感器的发展及介绍
近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段。
其中角度传感器也广泛应用于航天、航空、国防科研、机械、电力、交通等诸多领域，可以说几乎渗透到人类活动的各个领域。
[4]以下是几种角度传感器：
电子罗盘电子罗盘也叫数字指南针，是应用现代电子制造技术通过地磁场来确定方向的一种装置。
现在一般用磁阻传感器和磁通门来加工电子罗盘。
电子罗盘可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘。
平面电子罗盘要求用户在使用时必须保持罗盘的水平，否则当罗盘发生倾斜时，也会给出航向的变化而实际上航向并没有变化。
虽然平面电子罗盘对使用时要求很高，但如果能保证罗盘所附载体始终水平的话，平面罗盘是一种性价比很好的选择。
三维电子罗盘克服了平面电子罗盘在使用中的严格限制，因为三维电子罗盘在其内部加入了倾角传感器，如果电子罗盘发生倾斜时可以对罗盘进行倾斜补偿，这样即使罗盘发生倾斜，航向数据依然准确无误。
有时为了克服温度漂移，罗盘也可内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。
实物如图1.1：
图1.1三维电子罗
光电编码器光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90的两路脉冲信号。
光电编码器是利用光栅衍射原理实现位移-数字变换，通过光电转换，将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲数字量的传感器。
常见的光电编码器由光栅盘，发光元件和光敏元件组成。
光栅实际上是一个刻有规则透光和不透光线条的圆盘，光敏元件接收的光通量随透光线条同步变化，光敏元件输出波形经整形后，变为脉冲信号，每转一圈，输出一个脉冲。
根据脉冲的变化，可以精确测量和控制设备位移量。
实物见图1.2：
图1.2光电编码器
光电传感器光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。
它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。
光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：
发送器、接收器和检测电路。
发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。
光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。
接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。
在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。
在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。
此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。
实物如图1.3：
图1.3光电传感器
角加速度传感器顾名思义，角度传感器是用来测量角度的，可以感受被测角度并转换成可用输出信号的传感器。
它的身体中有一个孔，可以配合轴。
当连结到RCX上时，轴每转过1/16圈，角度传感器就会计数一次。
往一个方向转动时，计数增加，转动方向改变时，计数减少。
计数与角度传感器的初始位置有关。
当初始化角度传感器时，它的计数值被设置为0，如果需要，你可以用编程把它重新复位。
实物见图1.4：
图1.4角加速度传感器
惯性导航系统也称作惯性参考系统，是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量（如无线电导航那样）的自主式导航系统。
其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。
惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
惯性导航系统属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。
惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系，使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中，并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度，经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。
陀螺仪由传统的绕线陀螺发展到静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺等。
激光陀螺测量动态范围宽，线性度好，性能稳定，具有良好的温度稳定性和重复性，在高精度的应用领域中一直占据着主导位置。
由于科技进步，成本较低的光纤陀螺（FOG）和微机械陀螺（MEMS）精度越来越高，是未来陀螺技术发展的方向。
倾角传感器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，倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。
理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。
如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。
所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。
当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。
重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。
随着MEMS技术的发展，惯性传感器件在过去的几年中成为最成功,应用最广泛的微机电系统器件之一，而微加速度计（microaccelerometer）就是惯性传感器件的杰出代表。
作为最成熟的惯性传感器应用，现在的MEMS加速度计有非常高的集成度，即传感系统与接口线路集成在一个芯片上。
倾角传感器把MCU、MEMS加速度计、模数转换电路、通讯单元全都集成在一块非常小的电路板上面。
可以直接输出角等倾斜数据，让人们更方便的使用它。
其特点是：
硅微机械传感器测量（MEMS）以水平面为参面的双轴倾角变化。
输出角度以水准面为参考，基准面可被再次校准。
数据方式输出，接口形式包括RS232、RS485和可定制等多种方式。
抗外界电磁干扰能力强。
实物见图1.5：
图1.5倾角传感器
电子水泡配合专门的电极、液体、线圈、光电发射和接收组合等原理完成水平倾角与电学量间转换的圆形水准泡或管状水准泡。
分为电感式和光电式，电感式电子水泡以管状水准泡为主，沿水泡管轴两侧分布有两个线圈，配合水泡内的导磁液，在水平状态下气泡居中两线圈电感对称相等，水泡微倾后，气泡移动，两线圈电感不等有电桥解出对应倾角的电压变化。
光电式电子水泡有圆形水准泡、管状水准泡两种形式，发光二极管光源透过水准器，水准器另一侧对称装有2个/4个光敏接收原件。
在水平状态下气泡居中，每组两个光敏接收原件接收到得光通量相等，水泡微倾后，气泡移动，2个光敏接收原件光通量不能，经光电转换后解出对应倾角的电压变化[5]。
本课题传感器内部采用的电子水泡见图1.6：
图1.6电子水泡实物
1.5通讯控制软件串口
随着科学技术的进步和计算机网络的发展，计算机通信技术已经日趋成熟，串口通信以其灵活可靠方便等特点已经并将继续在国防科技和社会生活等各方面发挥着作用。
在传统的通信控制领域中几乎都是利用PC机作为上位机以开发板作为下位机的，这是因为PC机性价比高、处理速度快，而单板使用灵活、抗干扰能力强，因而通常要求PC机能在用户界面上具有控制信号的产生和传输等功能，而产生信号的传输则通常利用串口来实现。
在工业应用中，特别是数据采集和实时控制系统开发过程中，串行口通讯作为一种灵活方便的通讯方式被广泛使用。
由于上位机的串口程序编写比较困难，编程人员通常使用第三方开发的串口调试助手，例如啸峰工作室的串口调试助手，SSCOM调试助手等进行调试。
传统的串口调试助手软件支持常用300-115200bps波特率，能设置校验、数据位和停止位，能以ASCII码或十六进制接收或发送任何数据或字符（包括中文），可以任意设定自动发送周期，并能将接收数据保存成文本文件，能发送任意大小的文本文件。
然而同时也存在如下几点缺点:
无法自动计算接收数据的校验和，从而无法验证接收数据的有效性；并未实现与汇编程序源文件变量名及注释接口。
本设计的Delphi通讯控制软件，重新规划了软件的功能结构，保留了传统调试助手合理的部分，改善了它的缺点，将校验和检查做成按键开关，适应了带校验和以及无校验和两种协议方式的接收，在保留传统软件控制台模式显示的特点的同时，增加了地址模式的接收数据显示，并且实现了程序与汇编程序源文件变量名及注释的接口，同时将串行通讯的配置参数、汇编程序源文件地址以及常用的发送命令保存在配置文件中.实现了运行时自动加载程序所需的信息数据。
此次编写的针对特定传感器的通讯控制软件对该传感器能很好的的控制，能对传感器测量到的数据进行计算，补偿等，最终显示出来。
2硬件部分
2.1传感器原理
此次采用的传感器型号为HN-DAM-10型二维水平传感器，是河北衡水华诺公司生产的传感器。
此传感器具有优良的稳定性，系统内置高精度A/D差分转换器，从而可以测量传感器输出相对于水平面的倾斜和俯仰角度；输出接口RS485，非接触式安装的特性使其具有卓越的系统集成性，只需用螺丝将传感器固定在被测的物体表面，即可自动计算出物体的姿态倾角，使用简单，无需找回相对变化变的两个面安装；抗外界电磁干扰能力强、承受冲击震动能力强，在国内同行产品中是具有绝对的竞争优势，专业应用于高端用户要求的工业和军工领域。
它能在较宽的温度范围内保持高精度，性能可靠、功耗低、及通用性强等突出特点。
传感器实物见图2.1:
图2.1传感器实物图
传感器工作原理:
二维水平电子传感器接通电源时，红外发光管发出的光经光学透镜后，其光源扩大均匀，光束光斑各点差异小，受温度的影响小，其光束穿过圆水泡垂直入射至硅光电池板，实现光电转换。
随着传感器的倾斜圆水泡发生移动，穿过圆水泡的光束照射在红外硅光电池板X,Y轴的光信号随之变化，光信号变化转换的输出电压信号也随之变化。
即二维水平电子传感器，将携带倾斜角度信息的感应光信号转化为电流信号，再通过专用电路将此电流信号转换为电压信号输出，每个电压信号都对应特定的倾斜角度。
本实用新型二维水平电子传感器，包括:
双轴水泡座，双轴发光板，光学透镜，双轴硅光电池板，圆水泡，十字槽盘头螺钉，硅光电池；其连接方式如下:
光学透镜，安装在双轴水泡座的下部凹槽内，用光敏胶粘贴固定；双轴发光板安装在双轴水泡座的底部，用十字槽盘头螺钉固定；圆水泡安装在双轴水泡座的上部凹槽内，用十字槽盘头螺钉固定；双轴硅光电池板安装在双轴水泡的上部，用十字槽盘头螺钉固定[6]。
传感器内部结构如图2.2：
图2.2传感器内部结构
传感器电气接口该二维水平传感器共有4根线，分别是AFRP-2000.15红电源正极、AFRP-2000.15黑电源负极、AFRP-200黄RS485A端口、AFRP-2000.12黑RS485B端口，见图2.3：
图2.3传感器电气接口导线
2.2RS-485
RS-485通信协议是工业控制中使用最为广泛的双向、平衡传输线标准,它支持多点联接,允许创建多达32个接点的网络,并可以在网络中增加另外32个模块；RS-485接口芯片已经广泛应用于工业控制、仪器仪表、机电一体化等诸多领域。
RS-485总线作为一种简易廉价的通信技术，比起RS-232，RS-485不因外界的电气干扰而导致信号传输错误，因此，本次设计选用RS-485。
RS485采用差分信号负逻辑，＋2V～＋6V表示“0”，- 6V～- 2V表示“1”[7]。
RS-485采用平衡发送和差分接收,其接口定义分主机端和从机端，接口定义如下：
1连接主机端的接口
RS485接口信号定义
3---------------------------------BRXD-接受数据
4---------------------------------ARXD+接受数据
5---------------------------------YTXD+发送数据
7---------------------------------ZTXD-发送数据
2连接从机端的接口
RS485接口信
升级会员 