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1、本科毕业设计（论文）水平仪的设计与研究燕 山 大 学2011年6月本科毕业设计（论文）水平仪的设计与研究学院（系）：电气工程学院 专 业：测控技术与仪器 学生 姓名： 学 号： 指导 教师： 答辩 日期： 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：电气工程学院 系级教学单位：仪器科学与工程 学号学生姓名专 业班 级题目题目名称水平仪的设计与研究题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ）
2、 主要内容1.掌握水平仪的设计结构及设计方案2.掌握水平仪的测量原理3.测量系统电路设计4.设计温度补偿方案基本要求对水平仪结构进行设计，并对温度漂移进行补偿。参考资料1、单片机类参考资料2、电容传感器方面资料周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容查阅资料，熟悉课题方案分析与确定系统及测量电路设计撰写论文初稿修改论文，准备答辩指导教师：职称： 2011年12月20日系级教学单位审批： 年 月 日摘要基于传感器、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，通过信号处理和单片机的控制、运算将倾角以数值的形式直接在数码管上显
3、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0001mm/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AD7706对所得信号进行A/D转换，并给出了零点和温度补偿方法。通过对温度补偿原理的理论推导，提出了智能电子水平仪中的温度补偿策略。提出了使用软件和硬件结合等多项自动补偿与自动校正技术进行温度补偿，最大限度简化了电路，提高了系统的稳定性和可靠性。关键词智能电子水平仪；差动电容传感器；温度补偿；自动调
4、零AbstractBased on sensor, digital signal process and SCM technology，a high precision digital gradienter is introducedBy using angle sensor to measure level obliquity，and using M CU to control and calculate level obliquity，the value of level obliquity given by numerical form is showed through digitro
5、n，or uploaded to computer to display and processThe measurement by using the digital gradienter is convenient，while rapid operated，and has high precisionThe application proposal of differential capacitive sensor in intellectual electronic level gauge with resolution 0.001mm/m was introducedDifferent
6、ial output signal was sent to the A / D converter, through the AC zoom, rectification filter and DC zoom. It used integrated chip ICL8038 to excite the differential capacitor bridgeAD7706 was used to convert the sampling signals to digital signa1Finally the key point for temperature compensation and
7、 zero compensation were introduced. Via the theoretic derivation of temperature compensation，the temperature compensation strategy of intellect electronic level instrument is introducedSeveral automatic compensation and automatic calibration techniques, such as integration of software and hardware，a
8、re put forward to simplify the electric circuit and improve the stability and reliability of the system Keywords intellectual electronic level gauge; differential capacity principle; temperature compensation; Automatic zero adjust 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 课题的目的和意义11.1.2 国内外在该方向的研究现状及分析1
9、1.2 课题任务31.3 本文结构4第2章 电子水平仪的总体设计52.1 方案的确定52.1.1 温度补偿的方案62.1.2 零点补偿的方案72.2 传感器的选择82.2.1 电容传感器82.2.2 本课题所采用的传感器类型122.3 A/D转换器的选择122.3.1 AD转换器的分类及介绍122.3.2 本课题中对AD转换器的选择142.4 单片机的选择142.5 本章小结15第3章 系统的硬件设计163.1 倾角传感器的设计163.1.1 差动电容传感器测角原理163.1.2 差动电容传感器结构设计163.2 角度转换模块的设计173.2.1 激励源电路设计183.2.2 测量电桥203.
10、2.3 第一级放大电路213.2.4 整流滤波电路233.2.5 第二级放大电路273.3 数据处理模块的设计293.3.1 信号采集与A/D转换293.3.2 单片机测量系统设计333.3.3 LED显示363.3.4 温度与零点误差补偿383.4 本章小结41第4章 系统的软件设计424.1 总体流程图424.2 按键服务程序434.3 滤波程序434.4 AD转换程序444.5 数据处理464.6 LED显示程序464.7 自动调零程序464.8 本章小结47结论48参考文献49致谢51附录1 开题报告52附录2 文献综述61附录3 中期报告67附录4 文献翻译75附录5 文献翻译原文8
11、3第1章 绪论1.1 课题背景1.1.1 课题的目的和意义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，以及平板的平面度等。在机械测量及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，国内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内的应用越来越广泛；在很多计量检测仪
12、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。1.1.2 国内外在该方向的研究现状及分析目前国内已有的水平仪不能很好的满足生产和应用的需求，国内电子水平仪的生产和研制能力与国外相比相对落后。尤其是存在着智能化程度不高，对数据缺乏处理能力，无法一次性测量出被测面倾斜角和方位角等缺点。近年来，国内在水平仪的研制开发方面取得了不少进展。湛江师范学院测试中心的孙国敏、林劲松研制的智能化水平仪，以单片机作为中枢系统配上传感器、A/D转换器等外围部件，可自动检测物体与标准水平面的倾斜程度。传感器有两个金属圆筒构成，小圆筒固定在大圆筒内并密封。大圆筒和小圆筒之
13、间充满整个容量一半左右的流体介质。电介质呈粘滞性液体，在小圆筒内壁和大圆筒外壁各引出一根导线，当它水平时有一电容值，当平板发生一偏转角度后，该圆柱电容值的变化与偏转角度的正切成线性关系，形如，a、b为常量，只与传感器本身有关。每一个倾斜角度对应一个电容值，于是在测量物体的倾斜度时，可用电容值的变化来反应被测物体的倾斜角度，经A/D转换和8031的处理后，倾斜角度由液晶显示器显示出来。不过该传感器在灵敏度方面有所欠缺，有待于进一步改进1。随着光学应用领域的不断扩展，也相应的产生了一些基于光电原理的光电式水平仪和激光式水平仪。上海交通大学的李佳列、颜国正等研制的数字式电子水平仪，由带CCD的普通探
14、头、CCD信号驱动板、整形电路、单片机及后继电路四部分构成，采用普通水平仪的探头、内灌黑色油状液体放在一个暗盒内，顶部有一气泡，气泡长度为57mm之间，探头一边为毛玻璃和一组小灯泡，模拟出近似的平行光源，另一边为有2160个象元的线阵CCD传感器(该传感器用到其中的2048个象元)。检测水平度时，让灯泡发光，有气泡处CCD接收到光信号，输出信号数字信号1(整形后)，无气泡处光信号被溶液吸收，输出数字信号0。通过算法对串行信号的处理来判断气泡的位置，算出气泡的中心，最后通过气泡中心位置得到倾斜角度。研制出的样机探头长为28.7mm，圆柱面半径为l所时，量程为50，分辨率达到23.1，反应时间小于
15、10ms(CCD采样频率为20MHz)2。由南京理工大学应用物理系的袁红星、贺安之等人研制的用PSD构成的全方位高准确度数字水平仪，是用连续型光电位置探测器作为传感器，由半导体激光器另加配重并悬挂于壳体顶部作为竖直基准，辅以高准确度信号变换电路，以单片机进行数据处理和显示。当激光器的悬挂点距光敏面垂直距离R=100mm时，PSD敏感面为时，测量准确度达9.25。测量范围可达3。军械工程学院的牛燕雄等人研制出的激光水平仪是一种智能化显示装置仪器，该仪器在二维空间实时产生一条激光扫描线，使这条扫描线总是与地平线平行。它可安装于运动物体上，采集地平仪信号，在较大的视场显示地平线，实时显示出物体的运动
16、姿态。应用于飞机上，可防止空间定向障碍；在医学检测重，利用手动信号来调节激光扫描线的位置，还可对人体进行某些病理检测4。目前生产中广泛应用的电子水平仪在原理上以重物铅垂线为直线基准，这类水平仪主要有电感式和电容式两种。由于电容传感器和其他传感器相比有输入能量极低，只需要非常小的输入力就可以获得较大的相对变化量，且结构简单、运行可靠等优点，在目前广泛应用的数字式电子水平仪中多采用这种传感器。其中电容式电子水平仪的原理是将差动式电容传感器的两个固定极板固定在水平仪的底座上，当水平仪处于自然水平位置时，可动极板位于两固定极板的正中位置，与两个极板的间隙相等，电容量相等，电桥处于平衡状态，输出为零。当
17、底座有微小倾斜时，装在底座上的两个极板随之倾斜，于是可动极板与两个固定极板之间的空气间隙便不相等，造成电容量不等，从而破坏电桥的平衡，则输出即为反应倾斜量的电压信号5。目前国外数字式电子水平仪的产品主要有：瑞士Wyler公司和法国EDA公司的电子水平仪，美国Federal公司的V-4683电子水平仪联机系统等。其中最著名的是瑞士Wyler公司，其生产的NT系列新型电子水平仪适用于测量小角度，主要用于测量工件表面的平面度，也可测量机床的几何误差，其中的NT11型平面式电子水平仪最高分辨率可达0.001mm/m，具有数字显示功能，可选择角度读数和mm/m读数，国内的同类产品主要有青岛前哨SDSIO
18、和SDS11型，航空304所的TD-80型数字型电子水平仪，其最高精度均可达到0.001mm/m6。1.2 课题任务（一）研究的基本内容本课题研究的主要内容是：1) 通过查阅资料了解各种水平仪的结构设计特点，并在此基础上根据课题要求确定要设计的水平仪的结构及设计的具体方案。对几种非接触式位移传感器进行比较后，选择了差动电容传感器。2) 掌握水平仪的基本测量原理，本课题所设计的电子水平仪是根据摆原理，结合传感器技术、微机测量技术设计而成的。3) 在掌握了测量原理的基础上逐步进行系统电路的设计，包括单片机检测电路、温度补偿电路以及零点补偿电路等。4) 确定温度补偿的方案，包括硬件补偿和软件补偿。5
19、) 采用汇编语言对单片机进行编程，以解决水平度计算、数码显示以及温度补偿等问题。（二）拟解决的主要问题1) 为了降低环境对自动检测系统工作的影响，应设法减小系统对温度的有害灵敏度。但是硬件电路的设计又不能太复杂，而且还要提高系统的稳定性和可靠性，这就在软件方面对设计提出了要求。2) 针对毕业设计的任务要求，本毕业设计拟设计一种采用差动电容式传感器作为微驱动传感器的电子水平仪，差动电容式传感器的结构设计尤为重要，关系到因变量的确定，检测方式的确定，计算的复杂程度以及单片机工作量的大小。3) 在设计过程中，应综合考虑引线屏蔽、电容器的边缘效应等因素。4) 在软件设计中，系统软件完成的主要任务是：对
20、信号采集进行编程控制，对采集到的数据进行分析处理，精确计算测量角度值并在数码管上显示出来。1.3 本文结构本文将围绕设计一个完整的电容式传感器信号处理系统的过程展开,包括角度转换模块和数据处理模块。本文主要内容如下：第1章绪论，阐述了选题背景和意义，分析了国内外相关技术的发展动态及研究现状，并对本论文的主要工作进行了介绍。第2章，通过对角度转换中涉及的倾角传感器和信号调理以及数据处理中涉及的A/D转换、数码显示等各部分综合分析，确定本系统的总体方案，并给出系统总体结构框图，为后续设计做准备。第3章，先简单介绍了电子水平仪的结构原理、设计技术，并对其选型和性能进行分析。然后详细介绍了角度转换模块
21、和数据处理模块中信号调理电路、A/D转换电路、输入输出接口、显示模块，并详细介绍了所用到的主要器件性能及其连接电路图。第2章 电子水平仪的总体设计2.1 方案的确定倾角传感器信号调理模块A/D转换单片机数码显示电池电源管理系统待测角度角度转换模块数据处理模块图2-1水平仪系统设计原理框图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
22、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
23、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。2.1.1 温度补偿的方案检测系统都是由敏感组件、变换放大环节等几个基本环节组合而成。这些基本环节的静特性都与环境温度有关。对于电子线路而言，由于电阻的阻值、电容器的电容值、二极管和三级管的特性都随环境温度而变化8，导致放大器的放大倍数以及直流放大器的零点也随环境温度而变化。因此对于测量仪器特别是精密测量仪器来说，温度补偿的质量直接影响仪器的总精度。由于温度对电路及电介质的影响几乎与信号具有相同的数量级而使仪器无法正常工作9,10，为此就必须对其进行温度补偿。为降低环境对自
24、动检测系统工作的影响，应设法减小系统对温度的有害灵敏度。主要从两方面着手，一方面减小自动测量系统输出零点对温度的有害灵敏度；另一方面减小自动检测系统灵敏度对温度的敏感性。常用的温度补偿方法有以下两种：(1) 并联式温度补偿并联式温度补偿即是人为地附加一个温度补偿环节，并与被补偿自动检测系统(或其组成环节)成并联形式，为达到温度补偿目的，应按下列条件选择温度补偿环节 (2-1)式中自动检测系统的零点(其值随T而变，是T的函数) 自动检测系统的灵敏度(其值随T而变，是T的函数)式(2-1)表明，按选择参数，可使自动检测系统灵敏度提高一倍。理论上并联式温度补偿可以实现完全补偿，但实际上只能进行近似补
25、偿，特性曲线的温度补偿只能做到两点或三点是全补偿，其它的点不是过补偿就是欠补偿。适用于检测系统中温度敏感参数的单一温度补偿。(2) 反馈式温度补偿原理该原理利用反馈原理，通过自动调整过程，始终保持自动检测系统的零点和灵敏度不随温度而变化。反馈式温度补偿有两个关键问题：一是把自动检测系统的输出零点、灵敏度通过某个环节(电路)检测出来，并变换成适于进行比较的信号，如电压信号；二是通过某一控制过程产生控制作用，自动改变和以达到自动补偿掉环境温度T对口和的影响。反馈式温度补偿适用于检测系统中复杂温度敏感参数的综合温度补偿，但其硬件电路的设计和实现比较复杂。已有的温度补偿一般采用软硬件结合的办法进行补偿
26、，本设计中也采用这种方法，使用温度传感器作为测温元件对仪器进行温度补偿，同时使用查表的方法进行软件补偿。2.1.2 零点补偿的方案零点漂移是所有传感仪表都必须考虑的一个问题，本文基于所设计的电子水平仪，提出了一种用单片机控制数字电位器实现水平仪自动调零的方法，并给出了硬件设计电路和软件控制流程。传统的仪表调零大多采用在控制面板上安装机械电位器进行调整。为实现精确调节，必须采用体积较大的多圈精密电位器，通过手动旋转电位器实现零点调整11。这种方法不仅操作麻烦，也不利于实现传感仪表的小型化和便携式。本文设计的电子水平仪提出了一种基于数字电位器和单片机的仪表数字调零方法，可以快速准确地实现仪表自动调
27、零。2.2 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12。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。2.2.1 电容传感器(1) 电容
28、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13,14。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或发生变化时，电容量C也随之变化。(2) 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图2-3变极
29、距型电容传感器原理图定极板动极板如图2-3变极距型电容传感器原理图所示。传感器的和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)的线性项及二次项，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(小测量范围)时，电
30、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。动极板图2-4变面积型电容传感器原理图定极板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范围的限制，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
31、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图2-5变介质型电容传感器原理图定极板定极板果。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。2.2.2 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
32、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、记录以及传输。本课题采用差动式变极距型倾角传感器。2.3 A/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
33、换电路和工作原理的不同对ADC进行粗略的分类介绍。2.3.1 AD转换器的分类及介绍 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、-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
34、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，计数器能及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，在这时间间隔内一个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
35、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，然后在单位时间内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-型-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
36、效分辨率。近年来-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。2.3.2 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-型AD转换器AD7706。AD7706受温度的影响比较小，满足水平仪工作环境温度变化的要求，这种器件还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压、低功耗等特点，非常适合应用在仪表测量、工业控制等领域15。目前-型AD转换器主要用于高分辨率的中、低频(直至直流)测
37、量中。-型AD转换器与传统的LPCM型ADC不同，不是直接根据信号的幅度进行量化编码，而是根据前一采样值与后一采样值之差(增量)进行量化编码。它是根据信号的包络形状进行量化编码。一方面-型AD转换器采用了极低位(1bit)的量化器，非常适合MOS技术实现，制造简单。另一方面它采用了极高的采样频率和-调制技术，可获得极高的分辨率。因此它是用高采样率来换取高位量化的。-型AD转换器以极低的采样分辨率(1位)和很高的采样频率将模拟信号数字化，通过过采样技术、噪声整形和数字滤波技术增加有效分辨率，去除多余信息，减轻数据处理的负担。而且-型AD转换器的微分线性和积分线性性能优秀，不像其他类型的模数转换器
38、那样需要修调。2.4 单片机的选择单片机由于集成度高、功能强、通用性好、体积小、重量轻、能耗低、价格便宜、可靠性高、抗干扰能力强和使用方便等独特优点，使得单片机得到迅速推广和应用，它已成为测量控制系统中的关键部件。单片机可分为通用机和专用机两种，本测控系统应采用通用机，自己设计接口和程序。本系统中采用美国ATMEL公司生产的低电压，高性能的CMOS 8位单片机AT89C55WD。片内含20KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的RAM，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-5l指令系统，引脚兼容工业标准89C5l和89C52芯片，片内置通
39、用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微处理器可提供许多高性价比的解决方案，适用于多数嵌入式应用系统。AT89C55WD有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，2个l6位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，以及片内时钟电路。AT89C55WD具有PLCC、PDIP和TQFP三种封装形式， 以适应不同产品的需求，本测量系统采用的是PDIP封装。本测量系统采用AT89C55WD的主要原因是，程序中计算部分所占用的ROM空间较大，若采用普通内置8KROM的单片机，由于空间不够会导致烧写失败，而AT89C55WD有20K Flash
40、ROM，足够使用。同时AT89C55WD内置的看门狗电路也避免了再进行外围扩展。2.5 本章小结本章对水平仪的测量系统进行了整体上的设计，机械系统，位移传感器、AD模块、微处理器、数码显示五部分构成了水平仪的测量系统。对测量系统所采用的传感器进行了选择，在选定采用电容式传感器的基础上，分析了三种不同类型的电容传感器，选定了差动式变极距型电容传感器作为本测量系统的位移传感器。对单片机及AD转换器进行了分析和选择，最后根据本设计的需要选择了AT89C55WD单片机和AD7706转换器。第3章 系统的硬件设计3.1 倾角传感器的设计3.1.1 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
41、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
42、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。3.1.2 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。图3-1差动电容传感器结构简图悬丝底座动极板固定极板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。图3-2测角模型图由几何关系可知: (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)可以看出与d之间成线性关系。3.2 角度转换模块的设计角度转
43、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3-3所示：图3-3 角度转换模块工作原理框图待测角度倾角传感器激励源测量电桥第一级运算放大器整流滤波第二级运算放大器直流输出3.2.1 激励源电路设计为了减小激励源输出电压波形失真及减小干扰信号对传感器输出信号的干扰，设计中采用精密波形发生器集成芯片ICL8038作为激励源。1. ICL8038的主要特点:ICL8038波形发生器输出频率范围广(0.001Hz300kHz)
44、，输出电平高(TTL28V)，带有自校准系统，输出频率在很宽的温度范围内及不同供电电压保持稳定。可同时输出任意的三角波、矩形波和正弦波等，占空比范围为2%98%，低失真正弦波为1%，低温度漂移为50ppm/，三角波输出线性度为0.1%，工作电源为 5V12V 或者+ 12V+ 25V。2. 内部结构由图3-5可知，该芯片由三角波振荡电路、比较器1、比较器2、触发器、三角波正弦波变换电路、恒流源CS1、CS2等组成。图3-5 ICL8038内部电路方框图V+V- OR GND恒流源CS1恒流源CS2比较器1比较器2触发器缓冲区缓冲区三角波正弦波变换电路C93211610I2I13.工作过程恒流源CS1、CS2主要用于对外接电容C进行充电放电，可利用4、5脚外接电阻调整恒流源的电流，以改变电容C的充放电时间常数，从而改变10脚三角波的频率。两个比较器分别被内部基准电压设定在23Vs与13Vs。使两个比较器必须在大于23Vs或小于13Vs的范围内翻转。其输出同时控制触发器，使其一方面控制恒流源CS2的通断，另一方面输出方波经集电极开路缓冲器
