基于单片机的数字水平仪设计

基于STC12C5A16S2单片机电子水平仪设计

基于STC12C5A16S2单片机电子水平仪设计摘要基于传感器、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单片机目录摘要 (1)1 绪论 (3)2 方案论证 (8)2.1系统设计方案论证 (8)2.2各模块的方案选择和论证 (5)2.2.1控制器模块 (5)2.2.2显示模块 (6)3电子水平仪的总体设计 (8)3.1方案的确定 (18)3.2传感器的选择 (9)3.2.1电容传感器.................................................. 错误！未定义书签。

3.2.2本课题所采用的传感器类型 (13)3.3A/D转换器的选择 (14)3.3.1 AD转换器的分类及介绍 (14)3.3.2本课题中对AD转换器的选择 (16)4系统的硬件设计 (18)4.1倾角传感器的设计 (18)4.1.1差动电容传感器测角原理 (18)4.1.2 差动电容传感器结构设计 (18)4.2角度转换模块的设计 (19)4.2.1测量电桥...................................................... 错误！未定义书签。

4.2.2 第一级放大电路 (22)4.2.3整流滤波电路 (24)4.2.4第二级放大电路 (28)4.3信号采集与A/D转换 (29)4.4主电路 (32)5系统的软件设计 (33)5.1总体流程图 (33)5.2程序清单 (30)总结 (43)致谢 (43)参考文献 (44)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，以及平板的平面度等.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.在机械测量及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，国内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，需要光学以及测绘知识的应用，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.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，平面直角显示以及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.图2-1水平仪系统设计原理框图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：AC d ε= (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0d .由式(2-2)可知其初始电容量00AC d ε=，当动极板因被测量变化而向上移动使0d 减小d ∆，电容量增大C ∆则有：000011AC C C d d d d ε+∆==-∆⎛⎫∆- ⎪⎝⎭ (2-3)图2-3变极距型电容传感器原理图d可见,传感器输出特性()C f d =是非线性的.由式（2-3）可知：电容相对变化量为10001C d d C d d -⎛⎫∆∆∆=- ⎪⎝⎭ (2-4) 上式按级数展开为23000001C d d d d C d d d d ⎡⎤⎛⎫⎛⎫∆∆∆∆∆⎢⎥=++++ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦(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00C d C d ∆∆≈ (2-6) 和 0200C C A S d d d ε∆===∆ (2-7) 如果考虑式(2-5)的线性项及二次项，则0001C d d C d d ⎛⎫∆∆∆=+ ⎪⎝⎭(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f e 为 ()()20000000100100f d d e d d d d ∆=⨯=∆⨯∆ (2-9)由上讨论可知：1)变极距型电容传感器只有在0d d ∆很小(小测量范围)时，电容才有近似的线性输出；2)灵敏度S 与初始极距0d 的平方成反比，故可以用减小0d 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0.01m μ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0l 方向平移l ∆时，则电容为：()00000r l l b C C C d εε-∆=-∆= (2-10) 式中00000r l b C d εε=为初始电容，相对变化量为：00C l C l ∆∆= (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000r b C S l d εε∆==∆ (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0d ，相对介电常数为2r ε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1C图2-4变面积型电容传感器原理图和2C 的并联结果.由式(2-2)得()12001200r r b C C C l l l d εεε⎡⎤=+=-+⎣⎦ (2-13) 式中0l 、0b 为极板长度和宽度，l 为第二种介质进入极间的长度. 若电介质l 为空气()11r ε=，当0l =时传感器的初始电容00000r C l b d εε= (2-14)当介质2进入极间l 后引起电容的相对变化为()()000201r C C C C C l l ε∆=-=- (2-15)可见，电容的变化与电介质2的移动量l 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图2-5变介质型电容传感器原理图 2r ε定极板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.3.3 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.本节主要按转换电路和工作原理的不同对ADC进行粗略的分类介绍.3.3.1 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、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．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.其内部有一个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.是目前国内应用最广泛的8位通用A/D 芯片.ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，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）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准.6）工作温度范围为-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:2d lθ≈∆ (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.图3-2测角模型图图3-1差动电容传感器结构简图底座动极板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：图4-3 角度转换模块工作原理框图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11211111u R u R u R R s s j j d d d dj su R d d j R s d d j R s εεωωωεωεωε=-+++∆-∆⎛⎫=- ⎪+∆+-∆+⎝⎭(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d j R s K ωε+=，则j R s K d ωε=-，则上式变为()()21122112u K d u K d K d d K d u K d ⎛⎫=-- ⎪+∆-∆⎝⎭∆=---∆ (3-3)因为22K d >>∆，所以上式简化为()2122du K d u S d K ∆=--=∆ (3-4) 式中()122S K d u K =--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及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 及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、增益选择范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：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49.41GK G R Ω=+，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49.41G R K G =Ω-.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4-9 AD620电路原理图图4-8 AD620引脚图Rc -IN +IN -Vs TOP VIEW4.2.3 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CA V是一个重要的参数，CA V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CA V=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V out输出也为零；通过调整R1可以对输出信号进行校正.。

基于STC15单片机的数字式倾角仪应用设计

9作为一种小角度测量仪器,常用的水平仪有气泡式和数字式两种。

随着科技发展进步,广泛应用于机械工程、工作台调平、导轨平直度、电力系统以及建筑设计等角度测量中[1]。

由于外部测量环境的影响,要求水平仪有较好的抗干扰能力,设计出一种具有精度高、稳定性好、性价比高、使用简易的高性能数字式倾角测量仪,具有很大的实际应用价值。

1 系统概述本设计主要由电源模块、倾角测量模块、STC15单片机控制模块和液晶显示模块等部分组成。

其中,电源模块采用两节干电池作为电源,为水平仪供电;倾角测量模块使用6轴传感器MPU6050芯片为主芯片完成倾角测量;控制模块采用S T C 15系列单片机IAP15W4K61S4芯片作为主控芯片,完成读取倾角数据与数据滤波融合,并将处理后的数据送至显示模块显示;显示模块采用液晶显示,可在屏幕同时显示三个角度数据。

本设计介绍了数字倾角仪的软硬件设计,采用卡尔曼滤波算法提高测量精度和稳定性,采用低功耗元件降低整机功耗,可延长倾角仪的工作时间。

如图1所示。

2 倾角仪硬件电路设计倾角仪硬件电路主要由电源模块、倾角测量模块、单片机控制模块和液晶显示模块等部分组成。

倾角仪各模块芯片的工作电压不同,主控芯片工作电压是2.5V～5.5V,倾角传感器工作电压是2.5V～3.3 V,液晶显示屏的工作电压是3.3 V～5.5V。

考虑到倾角仪便携式的特点,采用两节干电池作为供电电源,比纽扣电池更合适,电池容量更大,更换更为方便[2]。

倾角仪的主控芯片,选用STC公司生产的IAP15W4K61S4芯片,具有宽电压供电,内置高数时钟和可靠复位电路,功耗非常低,掉电模式可由外部中断唤醒。

主控电路,主要是负责接收倾角传感器的获取的倾角数据并且进行数据处理,再将处理好的数据送至液晶显示器显示。

倾角传感器采用InvenSense公司推出的一款低成本的6轴传感器MPU6050模块,包括三轴加速度,三轴角速度, 免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题,减少了大量的封装空间,体积小巧,用途非常广。

基于ATMega16单片机的数字式水平测量仪设计

基于ATMega16单片机的数字式水平测量仪设计作者：梁小椿王庆泉来源：《科技视界》 2012年第7期梁小椿王庆泉(嘉兴学院机电工程学院浙江嘉兴314001)【摘要】设计了以ATMega16单片机为主控制器的数字式水平测量仪。

该系统采用双轴SCA100T倾角传感器，实现了对一定范围内任意平面水平角度的测量。

实验结果表明，所设计系统的误差为0.001°，性能稳定可靠，在建筑、桥梁、地质勘查等工程领域具有良好的应用价值。

【关键词】ATMega16单片机；双轴的SCA100T；任意平面；水平角度；系统误差0 引言目前市场上出售的水平仪种类很多,有气泡式和数字式的水平仪。

气泡式的水平仪可读性不是很好,而市场上出售的数字式水平仪,大多都是专业的水平仪且价格昂贵。

设计一种适合一线工程人员使用的高性价比实用水平测量仪是很有必要的,可以极大的方便广大工程人员。

1 水平仪测量的原理前人多采用差动变压器式传感器LVDT和CCD线列传感器等传感器来测量倾斜度[1],但这类传感器的精度、抗干扰等都赶不上MEMS技术开发生产的高精度双轴倾角传感器。

本文在设计中使用了MEMS技术的双轴的SCA100T倾角传感器来测量角度。

该传感器是芬兰VTI公司在2005年推出[2]，是一种静态加速度传感器,当它静止时作用在它上面的只有重力加速度，重力方向和传感器敏感轴间的夹角就是倾斜角。

该传感器具有两个模拟信号输出和一个数字SPI接口,模拟输出能提高信号的灵敏度并大大的减小共模噪声。

SCA100T输出的模拟电压v0的范围是0.5V到4.5V，电压转换成角度|?鄣|的公式为：由上式可以很方便的计算出SCA100T倾角传感器的单个敏感轴与水平面的夹角。

下面讨论如何通过双轴倾角传感器的两个敏感轴测量出的角度来计算SCA100T倾角传感器与水平面之间的任意角度。

通过几何知识的理解和双轴倾角传感的两个模拟输出得到几何立体图形图1：图1中OX代表敏感轴X轴，OY代表敏感轴Y轴，由传感器的原理可以知道OX⊥OY，及△OXY是直角三角形，平面OXY代表的是倾角传感器所在的平面。

基于单片机模拟量数字显示课程设计

目录1.引言 (1)2.设计方案及原理 (2)3.模拟量数字仪表设计原理 (3)4.硬件设计 (4)4.2 ADC0804的功能介绍 (4)4.3 LED显示器 (5)4.3.1 4位数码管的驱动方式 (7)4.3.2 LED显示器的选择 (8)4.3.3 LED显示器与单片机接口设计 (8)5.总体电路设计 (11)6.软件设计 (12)7.总结 (13)8.参考文献 (15)1.引言本文介绍了一种基于单片机的简易数字显示仪器仪表的设计，该设计主要由三个模块：A\D模数转换器，数据处理模块及显示模块。

A\D模数转换器主要由ADC0804来完成，他负责把采集到的模拟量转换为相应的数字量再传送到数据处理模块。

数据处理则由芯片8751来完成，其负责把ADC0804传来的数字量经过一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示；此外，它还控制着ADC0804芯片的工作。

20世纪50年代初，世界上出现了第一台数字显示仪表。

近五十年来，随着现代科学技术的迅猛发展，尤其是数字化测量技术、半导体技术、大规模集成电路技术及计算机技术在仪表中的应用，使数字仪表很快地从电子管式、晶体管式发展到目前集成电路式和带有微处理哭的数字仪表。

数字仪表的出现适应了科学技术及自动化生产过程中高速、高准确度测量的需要，它具有模拟仪表无法比拟的优点。

该系统的数字显示仪表电路简单，所用原件较少，成本低，测量精度和可靠性较高，最终结果通过四位一体共阴极八段数码显示管显示出来。

2.设计方案及原理硬件电路设计有3个部分组成：A/D转换电路，8751单片机系统以及LED显示系统。

P0口作为与A/D转换电路的数据口，P3口部分接口作为A/D 转换电路的控制口,P0口作为LED显示系统的段选码输入口，P1口部分接口作为LED显示系统的位选控制端。

硬件电路设计框图如图1所示：图1 模拟量数字仪表系统硬件设计框图3.模拟量数字仪表设计原理利用A/D转换电路将待测的模拟信号转换成数字信号，通过相应换算后将测试结果以数字形式现实出来。

基于ATMega16单片机的数字式水平测量仪设计

结论得到了证明。
接下来推导图１中的计算公式。的计算公式推导如
下：
ｏ－
ＯＡ＝．ａＡＯＡＸ是亘角二角彤，ＯＡＸ＝Ｏ
图２数字式水平测量仪硬件组成
拟输出能提高信号的灵敏度并大大的减小共模噪声。ＳＡ１０Ｃ０Ｔ输出的模拟电压。的范围是０５．Ｖ到４５电．Ｖ，
压转换成角度的公式为：
～
明就是所求倾角传感器所在平面与水平面的夹角（两个平面的夹角定理）其证明如下：，
通讯作者：庆泉（９９）男，王１７一，汉族，西兴平人，士研究生，程师，究方向为嵌入式系统应用研究。陕硕工研
１ｌ科技视界ｓＮｃ８ｃＥＥ＆ＴｃＥＨＮ。Ｌ。ＧＹＶｓ。Ｎ
Ｓｉｎｅ＆ＴｅｈｏｏｙＶｉｏｃｅｃｃｎｌｇｓｎｉ
２１０２年０３月第０期７
科技视界
项目与课题
基于ＡＭｅａ６Ｔｇｌ单片机的数字式水平测量仪设计
梁小椿王庆泉（兴学院机电工程学院浙江嘉
【摘
一
嘉兴
３４０）１０１
．
．
。
．
得到几何立体图形图１：
又 ‘ ．。０ＸＹｎＡＸＹ＝ＸＹ
※项目资助：０１年度嘉兴学院校级重点ＳＲ２１Ｔ计划项目。目编号８１１００项５７１５。
作者简介：梁小椿（９６）男，１８一，汉族，四川合江人，嘉兴学院２０级本科生，ｑ￣息工程专业。０８，－ｇ

基于单片机技术的RCL数字测试仪设计111 [文档在线提供]

毕业设计（论文）题目：基于单片机技术的RCL数字测试仪设计学号：2姓名：专业：电子信息工程（本科）指导教师：：1、一、二、三、四、五项由指导教师在毕业设计（论文）开始前填写并交由学生保管；2、成绩评定由指导教师、评阅人、答辩委员会按《武汉工程大学本科生毕业论文（设计）工作条例》、院毕业设计（论文）工作细则严格执行；基于单片机技术的RCL数字测试仪设计摘要：综观现在的电阻，电容和电感测试仪，一般是和专门的函数信号发生器捆绑在一起，大多价格昂贵，体积较大，不适宜用于需要移动测量的场合和野外作业。

本文主要介绍了高精度智能RCL测试仪的一种系统设计方案。

以AT89C51单片机为核心，利用555定时器及三点振荡电路产生测量电阻，电容和电感的振荡信号，利用单片机卓越的记数功能测量所产生的频率量，再利用编程设计将其转换为要测量的物理量，从而得到三种元件的实际值大小，最后通过键盘和LED实现数字显示。

整个系统采用单片机智能控制，进行数据的分析处理和运算，能够对数据做出快速正确的处理，并且有利于其他功能的扩展和实现。

它成本低廉，体积小，便于携带，几乎能满足大多数的应用场合。

关键词：频率单片机测量振荡。

Based on single chip microcomputer technology RCL numeral reflectoscope reflector designABSTRACT:The comprehensive survey present resistance, the electric capacity and the inductance reflectoscope reflector, are generally and the special function signal generating device ties up in the same place, mostly price expensive, the volume is big, is not suitable uses in needing to move the survey the situation and the field work. This article mainly introduced the high accuracy intelligence RCL reflectoscope reflector one kind of system design plan. Take AT89C51 single chip microcomputer as the core, uses 555 timers and three oscillating circuits has the survey resistance, the electric capacity and the inductance vibration signal, has the frequency quantity using the single chip microcomputer remarkable register function survey, again transforms using the programming design it into the physical quantity which must survey, thus obtains three kind of parts the actual value sizes, finally through keyboard and LED realization numeral demonstration. The overall system uses the monolithic integrated circuit intelligence control, carries on the data the analysis to process and to operate, can make fast correct processing to the data, and is advantageous to other functions expansions and the realization. Its cost inexpensive, the volume is small, is advantageous for carries, can satisfy the majority application situation nearly.KEY WORDS:Frequency single chip microcomputer survey vibration.目录一．课题背景 (10)1.概述........................................................................................... 错误！未定义书签。

基于单片机的智能水平仪设计

摘要电子水平仪是一种非常普遍的测量小角度的量具。

用它可测量对于水平位置的倾斜度。

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。

本毕业设计就是采用STC89C52单片机和ADI公司生产的三轴加速度传感器ADXL345相结合，利用ADXL345三轴加速度传感器感应水平倾角，通过单片机的控制以及运算将倾角以数值的形式直接在LCD显示屏上进行显示、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。

通过ADXL345三轴加速度传感器原理，提出了使用软件和硬件结合的自动校正技术进行测量角度，最大限度简化了电路，提高了系统的稳定性和可靠性。

通过对本课题的研究，让我对水平仪有了一定的了解，在未来水平仪将在建筑方面起着重要作用，并且随着时代发展，水平仪对角度的测量将越来越精细，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，光电原理的应用将是未来水平仪的发展方向。

关键词：智能水平仪；单片机；ADXL345；角度AbstractElectronic level gauge is a very common small angle measurement. Measurement for the horizontal position of the inclination to use it. Based on the digital level sensor, digital signal processing, computer technology is the current development of digital instrument tilt testing instrument in the direction of.This graduation design is the use of three axis accelerometer ADXL345 microcontroller STC89C52 and ADI company production of combination, using the ADXL345 three axis acceleration sensor level angle, processing through the MCU control and operation will dip in numerical form directly in the LCD screen display,, so that the angle measuring is convenient, quick, realize high precision measurement of angle. The principle of the ADXL345 three axis accelerometer, and proposes to use the combination of hardware and software of the automatic calibration technique for measuring the angle, the maximum simplifies the circuit, improves the stability and reliability of the system.This graduation design is the use of three axis accelerometer ADXL345 microcontroller STC89C52 and ADI company production of combination, using the ADXL345 three axis acceleration sensor level angle, processing through the MCU control and operation will dip in numerical form directly in the LCD screen display,, so that the angle measuring is convenient, quick, realize high precision measurement of angle. The principle of the ADXL345 three axis accelerometer, and proposes to use the combination of hardware and software of the automatic calibration technique for measuring the angle, the maximum simplifies the circuit, improves the stability and reliability of the system.Keywords: Intelligent level; MCU; ADXL345; angle目录1 绪论 (1)1.1 课题研究背景和意义 (1)1.2 国内外水平仪发展现状和趋势 (1)1.3 系统设计的主要工作 (1)1.4 论文结构及安排 (2)2 三轴加速度传感器感应原理 (3)2.1 ADXL345工作原理 (3)2.2 ADXL345寄存器映射 (5)2.3 ADXL345主要寄存器定义介绍 (6)2.4 测量倾斜角度原理 (8)2.4.1 加速度传感器进行倾角测量简介 (8)2.4.2 ADXL345测量角度原理 (9)3 水平仪总体设计 (12)3.1 水平仪硬件设计 (12)3.1.1 单片机模块 (13)3.1.2 LCD液晶显示模块 (14)3.1.3 ADXL345接口设计 (16)3.1.4 ADXL345加速度传感器模块 (18)3.2 水平仪软件设计 (20)3.2.1 I2C总线协议分析 (21)3.2.2 液晶显示驱动程序设计 (25)3.2.3 ADXL345加速度传感器软件模块 (28)3.2.4 ADXL345加速度传感器误差校准 (28)4 实验数据及总结 (30)结论 (33)致谢 (34)附录A 英文原文 (37)附录B 汉语翻译 (41)附录C 主程序 (44)附录D 电路原理图 (55)1 绪论1.1 课题研究背景和意义在高楼桥梁等建筑行业，对建筑物自身在水平面倾斜度的测量和处理，需要一个能连续工作几个月甚至一年以上采样进度很高的数字水平仪系统，这就要求该系统必须具有高精度微功耗的功能。

基于C51单片机的智能仪器综合设计实验

基于单片机的智能仪器综合设计实验一、实验目的在实验一~实验三的基础上，完成综合设计实验，学会信号采集、数据处理、键盘控制、LCD或LED显示等功能的智能仪器设计。

二、复习与参考实验一~实验三三、设计指标利用K分度号热电偶进行温度检测，测温范围为500-1200ºC，室温为20ºC，用LCD或LED显示室温和测量温度。

具有4路温度信号循环检测功能，通道切换时间可调；具有任意指定通道显示功能。

四、实验要求1.选择传感器，设计硬件电路,包括检测电路、信号调理电路、AD转换电路、单片机最小系统、LED显示（单号）、LCD显示（双号）、独立式按键，画出电路原理图。

2.画出软件流程图。

3.用Keil C51编写程序。

3.实验结果在LCD或LED上显示出来。

4．实验前完成第1、2项备查。

五、实验仪器设备和材料清单PC机；单片机实验板、连接导线、ST7920图形液晶模块Keil c51软件六、实验成绩评定方法实验成绩包括预习、实验完成质量、实验报告质量3部分组成，各部分所占比例分别为30%、40%、30%。

八、实验报告要求实验报告格式：●实验名称●实验目的●实验内容●硬件设计●软件设计●调试过程●参考文献●附1：电路原理图●附2：程序清单附录：实验程序源代码如下：(陈寅)#include "reg51.h"#define THC0 0xee //5ms时间常数设置#define TLC0 0x00sbit ADWR=P3^6; /***WR*****/sbit ADRD=P3^7; /***RD*****/sbit ADCS=P2^7; /***CS*****/sbit EOC=P3^3; /***EOC****/sbit ADA=P1^3; //通道选择引脚sbit ADB=P1^4;sbit ADC=P1^5;sbit CS =P1^0; /****************/sbit SID=P1^1; /**液晶引脚定义**/sbit SCLK=P1^2; /****************/sbit MODE=P2^0; /*************************/sbit UP=P2^1; /*四个按键接口，0表示按下*/sbit DOWN=P2^2; /*************************/sbit LED1=P2^3; /**4个LED灯引脚定义**/sbit LED2=P2^4; /********************/sbit LED3=P2^5; /********************/sbit LED4=P2^6; /********************//***************500～1200°C范围的K分度表，间隔10*******************/ unsigned int code K_TABLE[71]={20644,21066,21493,21919,22346,22772,23198,23624,24050,24476,24902,25327,25751,26176,26599,27022,27445,27867,28288,28709,29128,29547,29965,30383,30799,31214,31629,32042,32455,32866,33277,33686,34095,34502,34909,35314,35718,36121,36524,36925,37325,37725,38122,38519,38915,39310,39703,40096,40488,40897,41296,41657,42045,42432,42817,43202,43585,43968,44349,44729,45108,45486,45863,46238,46612,46985,47356,47726,48095,48462,48828}; unsigned char GetAdData[10]={0}; //存放获得AD值的数组变量unsigned char ViewTemperature[4]={"0000"}; //显示温度缓冲数组变量unsigned MODESelect=1;int ChangeTime=2; //通道切换时间，单位Sint TongDao=1;void delay(unsigned int j){unsigned char i;do{for(i=0;i<100;i++);}while(j--);}void send_command(unsigned char command_data) //发送命令{unsigned char i;unsigned char i_data;i_data=0xf8; //操作命令,可以查看资料delay(10);CS=1;SCLK=0;for(i=0;i<8;i++){SID=(bit)(i_data&0x80);SCLK=0;SCLK=1;i_data=i_data<<1;}i_data=command_data;i_data&=0xf0;for(i=0;i<8;i++){SID=(bit)(i_data&0x80);SCLK=0;SCLK=1;i_data=i_data<<1;}i_data=command_data;i_data=i_data&0x0f;i_data<<=4;for(i=0;i<8;i++){SID=(bit)(i_data&0x80);SCLK=0;SCLK=1;i_data=i_data<<1;}CS=0;}void send_data(unsigned char command_data) //发送数据{unsigned char i;unsigned char i_data;i_data=0xfa; //操作命令,可以查看资料delay(10);CS=1;for(i=0;i<8;i++){SID=(bit)(i_data&0x80);SCLK=0;SCLK=1;i_data=i_data<<1;}i_data=command_data;i_data&=0xf0;for(i=0;i<8;i++){SID=(bit)(i_data&0x80);SCLK=0;SCLK=1;i_data=i_data<<1;}i_data=command_data;i_data=i_data&0x0f; //取低四位i_data<<=4; //左移四位，从而变成高四位for(i=0;i<8;i++){SID=(bit)(i_data&0x80);SCLK=0;SCLK=1;i_data=i_data<<1;}CS=0;}void InitLCD() //液晶初始化{send_command(0x30); //功能设置:一次送8位数据,基本指令集send_command(0x06); //点设定:显示字符/光标从左到右移位,DDRAM地址加1send_command(0x0c); //显示设定:开显示,显示光标,当前显示位反白闪动send_command(0x04); //显示设定:开显示,显示光标,当前显示位反白闪动send_command(0x01); //清DDRAMsend_command(0x02); //DDRAM地址归位send_command(0x80); //把显示地址设为0X80，即为第一行的首位}/* x,y为起始座标x(0<=x<=3),y(0<=y<=7),x为行座标,y为列座标;how为要显示汉字的个数;style为显示字符的类型，0表汉字，1表字母；str是要显示汉字的地址*/void Display(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char how,bit style,unsigned char *stri) //液晶显示{unsigned char hi=0;if(x==0) send_command(0x80+y);else if(x==1) send_command(0x90+y);else if(x==2) send_command(0x88+y);else if(x==3) send_command(0x98+y);if(style==0){for(hi=0;hi<how;hi++){send_data(*(stri+hi*2));send_data(*(stri+hi*2+1));}}elsefor(hi=0;hi<how;hi++) send_data(*(stri+hi));}float LvBo(void)//复合滤波{unsigned char max,min,i;unsigned int sum=0;float U1;max=GetAdData[0];min=GetAdData[0];for(i=0;i<10;i++){sum=sum+GetAdData[i];if(max<GetAdData[i]) max=GetAdData[i];if(min>GetAdData[i]) min=GetAdData[i];}sum=sum-max-min;U1=(float)sum/8;U1=10.0*((U1*5.0)/255); //换成mvreturn U1;}void search (void)//查表子函数{unsigned int da=0,max,min,mid,j;unsigned int var;da=LvBo()*1000; //u1扩大1000倍da=da+798; //20度max=71;min=0;var=0;while(1){mid=(max+min)/2; //中心元素位置if(K_TABLE[mid]==da) {var=mid*10;break;} //中心元素等于查表元素,计算相应温度else if(K_TABLE[mid]>da) max=mid-1;else min=mid+1;if(max-min==1) /*线性插值计算温度值*/{j=(K_TABLE[max]-K_TABLE[min])/10; /*表中相邻两值对应温度相差10°C*/j=(da-K_TABLE[min])/j;var=10*min+j;break;}if(max==min){if(da>=K_TABLE[min]){j=(K_TABLE[min+1]-K_TABLE[min])/10;j=(da-K_TABLE[min])/j;}else if(da<K_TABLE[min]){j=(K_TABLE[min]-K_TABLE[min-1])/10;j=(da-K_TABLE[min-1])/j;min=min-1;}var=10*min+j;break;}}var=var+500;ViewTemperature[0]=var/1000+0x30;ViewTemperature[1]=var/100%10+0x30;ViewTemperature[2]=var/10%10+0x30;ViewTemperature[3]=var%10+0x30;}void LcdDisplay(void){unsigned char ViewMODESelect,ViewTongDao[5]={"0 "},ViewChangeTime[5]={"00(S)"};ViewMODESelect=MODESelect+0x30;ViewTongDao[0]=TongDao+0x30;if(MODESelect==1||MODESelect==2){if(MODESelect==1) Display(0,3,5,0,"：自动切换");else if(MODESelect==2) Display(0,3,5,0,"：手动切换");Display(0,0,2,0,"模式"); //液晶显示Display(0,2,1,1,&V iewMODESelect);Display(1,0,5,0,"温度通道：");Display(1,5,5,1,V iewTongDao);Display(2,0,4,0,"温度值：");Display(2,4,4,1,V iewTemperature);Display(2,6,2,1,"℃");}else if(MODESelect==3){ViewChangeTime[0]=ChangeTime/10+0x30;ViewChangeTime[1]=ChangeTime%10+0x30;Display(0,0,2,0,"模式");Display(0,2,1,1,&V iewMODESelect);Display(0,3,5,0,"：设置时间");Display(1,0,5,0,"切换时间：");Display(1,5,5,1,V iewChangeTime);Display(2,0,14,1," "); //本行清屏}}void TDSelect(void) //AD通道设置{if(TongDao>=5) TongDao=1;if(TongDao<=0) TongDao=4;if(TongDao==1) {ADC=0;ADB=0;ADA=0;}else if(TongDao==2) {ADC=0;ADB=0;ADA=1;}else if(TongDao==3) {ADC=0;ADB=1;ADA=0;}else if(TongDao==4) {ADC=0;ADB=1;ADA=1;}}main(){unsigned char AdCount=0; //用来存放AD采集次数InitLCD();TMOD=0x11; //定时器0初始化TH0=THC0;TL0=TLC0;TR0=1;ET0=1;EA=1;P2|=0x07; //按键初始为高while(1){ADWR=1; /************/ADCS=0; /************/ADWR=0; /**AD初始化**/ADWR=1; /************/while(!EOC); //等待转换结束ADRD=0;GetAdData[AdCount]=P0; //读取转换结果AdCount++;if(AdCount>=10) //连续采集10次值{AdCount=0;search(); //查表LED1=!LED1;LcdDisplay(); //显示}}}void Timer0() interrupt 1{static unsigned char count=0,UPFlag=1,DOWNFlag=1; //按键标志位static unsigned int TimeCount=0;TH0=THC0;TL0=TLC0;if(MODE==0||UP==0||DOWN==0){count++;if(count>=30) //消抖处理{count=0;if(MODE==0) //按键按下{MODESelect++;if(MODESelect>=4) MODESelect=1;}else if(UP==0){UPFlag=0;if(MODESelect==2){TongDao++;TDSelect();}}else if(DOWN==0){DOWNFlag=0;if(MODESelect==2){TongDao--;TDSelect();}}}}else count=0;if(MODESelect==1){TimeCount++;if(TimeCount>=(ChangeTime*1000/5)){TimeCount=0;TongDao++;TDSelect();}}else if(MODESelect==3){if(UPFlag==0) {UPFlag=1;ChangeTime++;}else if(DOWNFlag==0){DOWNFlag=1;ChangeTime--;if(ChangeTime<=0) ChangeTime=1;}}}。

基于STM32的自调节水平仪设计与实现

整个系统的硬件框架结构如图 1 所示袁其中为了保证系统运行的流畅袁主控采用了主流的 STM32F103 芯片袁其具有 72MHz 的主频袁并且包含了 UART尧 SPI尧 IIC 等多种外设袁能够满足对效率和成本的需求遥为了满足移动数据采集的需要袁系统配置有锂电池及相应的电源管理芯片袁型号为 BQ2057袁该系列为美国 TI 公司生产的锂电池充电管理芯片袁其采用动态补偿锂电池组的内阻以减少充电时间袁在工作时将充电分为 3 个阶段院预充状态尧恒流充电和恒压充电阶段遥另外袁该芯片上还包括有电池温度检测尧充电状态指示灯多种辅助功能袁为了满足各种不同用户对产品体积的需求袁 TI 公司还提供有 MSOP尧 TSSOP尧 SOIC 等多种封装形式袁可以广泛应用于目前的各种便携式电子系统的电源管理中遥
转动的角度袁电机带动偏心连杆来实现平衡尺的角度调节遥
渊3冤蓝牙数据传递院使用双模蓝牙 CC2 实时数据显示尧角度调整尧描点等功能遥
渊4冤激光描点功能院利用激光高聚集度的特性袁把线激光源装在调整平面上袁当调整平面到达指定位置后袁开启激光源即可获取一条基准线袁方便后续施工遥
渊1冤倾角信息采集院通过 ADC 数模转换器获取高精度水平传感器的结果袁经过滤波算法处理袁得到较为准确的倾斜角度袁并转换为 3 个丝杆电机各自的调整量遥由于该模块是整个水平仪的核心袁因此袁水平传感器采用的是美国 JEWELL 生产的高精度单轴水平传感器 LCF-100-14.5袁其通过力平衡伺服加速度原理来测量当前倾斜角度的袁满量程范围为依14.5毅袁全量程范围的输出为依5v袁非线性最大值为 0.02%袁固有频率为 30Hz袁能够满足本水平仪的测量需求袁但由于其只能完成单轴测量袁因此本水平仪采用了两个 LCF-100-14.5 传感器且呈正交放置遥

基于单片机的多功能数字测量仪设计

基于单片机的多功能数字测量仪设计编号本科生毕业设计基于单片机的多功能数字测量仪Design of Digital MultipurposeMeter Based on Single Chip Microcomputer学生姓名房虎专业电气工程及其自动化学号110432319指导教师孙荣春学院电子信息工程学院2015年6月毕业设计（论文）原创承诺书1.本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）《基于单片机的多功能数字测量仪》，是认真学习理解学校的《长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。

2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。

3.在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。

4.本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。

以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作者签名：• 年•• 月•••日摘要本次设计用单片机芯片AT89S52设计一个多功能数字测量仪，实现电压、电流、电阻、温度等测量，并配有计时功能，具有按键与显示功能。

此系统由分流电阻、分压电阻、基准电阻、单片机最小系统、显示部分、报警部分、A/D 转换和控制等部分组成。

为使系统更加稳定，使系统整体精度得以保障，本电路使用了AD0809数据转换芯片，单片机系统设计采用AT89S52单片机作为主控芯片，配以RC上电复位电路和11.0592MHZ震荡电路，显示采用LCD1602液晶显示屏，程序每次执行周期耗时缩到最短，这样保证了系统的实时性。

完成稿-基于单片机的多功能测试仪设计

基于单片机的多功能测试仪设计摘要早期的指南针采用了磁化指针和方位盘的组合方式，整个指南针从便携性、指示灵敏度上都有一定不足，极易受到外界因素的干扰。

本设计采用霍尼韦尔公司的HMC5883作为指南针传感器,可以精确得到数字化的指南针数据,并可以在LCD1602上显示。

同时测试仪还包含水平测量仪的功能，水平测量仪基于陀螺仪的工作原理，通过在LCD1602上显示X,Y坐标轴的偏移量，可以十分方便的作为水平测量仪在工程实践当中使用。

实际制作的硬件达到了预期的效果，具有好的人机接口界面，并且数据输出清晰，具有较好的使用价值。

关键词：指南针；水平测量仪；LCD1602；键盘输入AbstractThe earlier compass is based on magnetization and display is not very stable, also it is easily affected by the outside environment. This design use the HMC5583 produced by Honeywell as the sensor, it can display the precise data as compass and system can display the data on LCD1602.Meanwhile, the system contain the horizontal measurement function, the horizontal measurement system is based on the gyroscope theory, it can display the X, Y axis data on the LCD1602, so user can easily use it in the real industrial area. The practical design meets the expectation, and it has very good user interface and also good and precise data output displayed on LCD1602. It has good practical value.Key words:compass; horizontal measurement instrument; LCD1602Keyboard input.目录基于单片机的多功能测试仪设计 (I)摘要 .................................................................................................................................................. I I Abstract ............................................................................................................................................ I II 1引言 .. (1)1.1 课题背景 (1)1.2 国内外发展现状 (1)2 系统的总体方案选择和设计 (3)2.1 水平测量仪的选择 (3)3 实际硬件系统的设计 (4)3.1 系统整体硬件电路图 (4)3.2 单片机最小系统设计 (5)3.3晶振电路 (8)3.4 电子指南针设计 (9)3.4.1 HMC5883指南针芯片介绍 (9)3.4.2 电子指南针原理介绍 (10)3.5 水平测试仪电路设计 (12)3.5.1 MPU陀螺仪芯片介绍 (13)3.6 LCD1602显示模块 (15)4 软件部分程序的编写 (18)4.1 软件控制部分流程图 (18)5总结与体会 (19)参考文献 (20)附录1 系统整体原理图 (21)附录2 系统软件程序 (21)1引言1.1 课题背景（1）指南针的发明是我国劳动人民，在长期的实践中对物体磁性认识的结果。

基于stm32数字水平仪课程设计报告

数字水平仪是一款用于测量物体水平度的仪器。

在工程实践中，数字水平仪被广泛应用于建筑、机械制造、地质勘探等领域。

基于STM32的数字水平仪设计，不仅能够实现高精度、高稳定性的测量，还可以通过数字化显示和数据存储功能提高工作效率和数据管理能力。

本课程设计旨在通过对STM32微控制器的学习和实践，帮助学生深入理解数字水平仪的工作原理和设计方法，并通过实际操作锻炼学生的电子设计和嵌入式系统开发能力。

本报告将详细介绍基于STM32的数字水平仪课程设计的内容和实施过程，以及学生的学习成果和反馈意见。

一、课程设计内容本课程设计主要包括以下内容：1. STM32微控制器介绍：包括STM32系列微控制器的基本特性、架构和外设功能。

2. 数字水平仪原理分析：介绍数字水平仪的工作原理、传感器原理、数据处理方法等内容。

3. 硬件设计与制作：包括电路原理图设计、PCB制作、传感器连接、外设接口设计等。

4. 软件程序设计：包括STM32固件库的使用、传感器数据采集与处理算法设计、显示与存储功能实现等。

5. 系统调试与测试：对设计的数字水平仪系统进行功能验证、性能测试和可靠性评估。

6. 实践应用与拓展：对数字水平仪系统进行实际应用测试，并对其功能进行拓展和完善。

二、课程设计实施过程1. 理论学习与基础实验：学生首先需要学习STM32微控制器的基本原理和编程方法，进行相关的基础实验，掌握其开发环境和编程工具的使用。

2. 课程大作业设计：老师布置数字水平仪课程设计的大作业，要求学生在一定时间内完成数字水平仪的硬件设计和软件程序开发，并提供相应的实验报告。

3. 老师指导与实验辅导：老师对学生在数字水平仪课程设计过程中遇到的问题进行指导和辅导，帮助学生解决技术难题和设计瓶颈。

4. 组织实际测试与应用：学生根据设计的数字水平仪系统进行实际测试，并在实际工程中应用，收集相关数据和反馈意见。

三、学生学习成果和反馈意见本课程设计在实施过程中取得了一定的成果，学生们不仅学习到了STM32微控制器的相关知识和技能，还掌握了数字水平仪的设计与制作方法。

基于单片机的数字温度测量仪的设计(DOC)

--基于单片机的数字温度测量仪的设计系部: 学生姓名: 专业班级：学号：指导教师：２012年 10月２6日声明本人所呈交的基于单片机的数字温度测量仪设计 ,是我在指导教师的指导和查阅相关著作下独立进行分析研究所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。

作者签名：日期：--目录摘要 (1)一、引言 (2)(一)课题研究的背景及意义 (2)1．设计背景 (2)2.设计意义……………………………………………………………………………２(二)设计方案论证....................................................................................２(三）设计要求及设计思路 (3)1．设计要求 (3)2.设计思路 (3)二、硬件设计 (4)(一）总设计框图 (4)(二)硬件电路设计 (4)１.主控制器AT８9C51 (4)２.复位与时钟电路 (8)3.温度传感电路………………………………………………………………………９４.液晶显示电路………………………………………………………………………１１5．按键输入电路 (12)６.报警电路 (13)三、软件设计 (13)(一)主程序设计 (13)（二)子程序的设计…………………………………………………………………………１4１.读出温度子程序……………………………………………………………………１42．温度转换命令子程序 (15)3．计算温度子程序 (16)--四、仿真与调试 (17)五、总结……………………………………………………………………………………１9六、致谢 (20)七、参考文献 (20)附录一: 电路仿真图 (21)附录二: 源程序 (21)--【摘要】随着时代的进步和发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小,功耗低，价格便宜,工作可靠，使用方便等特点,特别适合与控制有关的系统设计。

基于单片机原理的多功能测量仪的设计毕业设计

基于单片机原理的多功能测量仪的设计毕业设计目录设计总说明 (III)General Design Description (V)一 .绪论 (8)1.1课题的研究背景 (8)1.2测量仪表的简介 (8)1.3 51单片机简介 (9)二.电参数测量的理论依据 (11)2.1交流电流、电压有效值的测量 (11)2.2两相间相位差的测量 (12)2.3 单相有功功率、无功功率、视在功率的测量 (13)2.4 三相有功功率的测量 (13)2.5功率因数的测量 (14)三.方案设计 (14)3.1 使用功能要求 (15)3.2 仪器设计的总体框架和各模块的划分 (16)四．硬件电路设计 (18)4.1信号采集电路 (18)4.1.1 电压信号采集电路 (18)4.1.2 电流信号采集电路 (20)4.2整形电路设计 (20)4.3 A/D转换电路 (21)4.4 74ls138译码器 (31)4.5 A/D转换电路 (33)4.6显示电路设计 (34)4.6.1数码管的介绍 (34)4.6.2数码管结构 (36)4.6.3驱动方式 (36)4.6.4适用范围 (38)4.7 CD4511 (39)4.7.1引脚功能 (39)4.7.2工作范围 (40)4.7.3真值表 (40)4.7.4使用方法 (40)4.7.5锁存功能 (41)4.8 通信接口电路 (43)4.8.1 Rs485特点 (43)4.8.2接口 (43)4.8.3 rs485功能 (44)4.8.4 RS-485通信电路 (45)五．系统软件设计 (46)5.1 程序模块的划分 (46)5.2 结构化程序的设计方法 (46)5.3 软件模块 (47)5.3.1 主程序流程图 (47)5.3.2数据采集子程序 (49)5.3.3数据处理程序 (49)5.3.4 A/D转换程序 (51)5.3.5数码管显示 (52)5.3.6 RS485 (52)六．总结与展望 (54)附录A: 总电路图 (57)附录B: 总的系统框图 (58)附录C: 程序 (59)致谢 (64)基于单片机原理的多功能测量仪的设计设计总说明随着电力系统的快速发展，电网容量不断增大，结构日趋复杂，电力系统中实时监控、调度的自动化显得尤为重要，而电力参数的数据采集又是实现自动化的重要环节，如何快速准确地采集系统中各元件的电参数（电压、电流、功率、功率因数等）是实现电力系统自动化的一个重要因素。

基于单片机的RLC智能测量仪器设计

摘要在使用电子元器件时，首先需要了解参数。

采用传统的仪表进行测量时，首先要从电路板上焊开器件，再根据元件的类型，手动选择量程挡位进行测量，这样不仅麻烦而且破坏了电路板的美观。

基于单片机控制实现的RLC测量仪可以在线测量、智能识别、量程自动转换等多种功能，大大提高测量仪的测量速度和精度，扩大了测量范围。

因此这种RLC测量仪既可改善系统测量的性能，又保持了印刷电路的美观，较传统的测量仪还具有高度的智能仪和功能的集成化，在未来的应用中将具有广阔的前景。

本课题主要研究内容为设计一个基于单片机的RLC智能测量仪器，能够智能地识别出待测元件是电容、电感还是电阻；能精确测量出电阻、电容、电感的参数值，同时还能加入语音播报的功能；可以实现量程电阻的自动转换，无须人工选择档位；对测量仪进行扩充后还实现了二极管、三极管的测量。

关键词：RLC测量仪；AT89S52；NE555AbstractIn the use of electronic components, the first need to understand ing the traditional instrument to measure, the first circuit board from a welding device, according to the type of components, manually select range Shift to measure, this is not only troublesome but also undermine The appearance of the circuit board. Based on SCM control to achieve the RLC-measuring instrument can measure, intelligent identification, range automatic conversion, and other features, thereby greatly increasing the meter measuring speed and accuracy, expanded the range. So this RLC measuring instrument can improve the performance measurement system, and maintain the appearance of the printed circuit, the more traditional measuring instrument also is highly intelligent and functional instrument of integration and application in the future will have broad prospects.The main topics for the design of research has been based on the RLC SCM smart measuring instruments, smart and able to identify components under test is capacitors, inductors or resistance; can be accurately measured resistors, capacitors, inductors of the parameters, while adding V oice of the broadcast function can be automatically converted range of the resistance, not artificial selection stalls; measuring instrument to carry out the expanded also to achieve the diodes, transistors measurement.Key words：RLC meter;AT89S52;NE555目录引言 (1)1 硬件电路 (2)1.1 设计要求 (2)1.2 电路方框图及说明 (2)1.3 各部分电路设计 (2)1.3.1 电阻测量电路 (2)1.3.2 电容测量电路 (3)1.3.3 电感测量电路 (4)1.3.4 多路选择开关电路 (4)1.3.5 按键及显示电路 (5)1.3.6 单片机模块 (6)1.3.7 量程选择模块 (7)1.3.8 电源模块 (8)2 软件部分 (8)2.1 主程序流程图 (8)2.2 程序清单 (9)3 相关元器件 (19)3.1 元件清单 (19)3.2 AT89S52资料 (20)3.3 ICM7218资料 (31)3.4 74LS390资料 (32)3.5 CD4052资料 (33)3.6 NE555资料 (33)3.7 共阳4位LED数码管资料 (39)3.8 三极管相关资料 (40)3.9 三端稳压管LM7805资料 (41)3.10 继电器资料 (42)4 调试总结 (43)5 结论 (44)谢辞 (45)参考文献 (46)附录 (47)引言测量电子元器件集中参数R、C、L的仪表种类较多，方法也各有不同，但都有其优缺点。

基于单片机和CPLD的数字相位测量仪设计

《工业控制计算机》2010年23卷第1期正弦信号υ（t）＝υm cos（ωt＋φ）有三个要素：振幅、角频率和初相位。

正弦信号经过不同的时间或不同的网络后可以有不同的相位。

通常所谓相位测量是指对两个同频率信号之间相位差的测量。

相位的测量很重要，如测某元件的阻抗Z＝UI∠φ，因此要知道复阻抗就要知道电压与电流间的相位差φ。

另外在间接调频电路中，利用电压控制谐振电路的中心频率，从而使载波的相位φ产生漂移Δφ，即频率随控制电压改变。

在这种调频电路中要确定控制电压与相移Δφ间线性变换的范围，因而就需要测量输入与输出信号间的相差Δφ，以便确定线性控制的范围。

低频数字式相位测试仪在工业领域中是经常用到的一般测量工具，比如在电力系统中电网并网合闸时，要求两电网的电信号相同，这就要求精确的测量两工频信号之间的相位差。

还有测量两列同频信号的相位差在研究网络、系统的频率特性中具有重要意义。

近年来，随着科学技术的迅速发展，很多测量仪逐渐向“智能仪器”和“自动测试系统”发展，这使得仪器的使用比较简单，功能越来越多。

1系统组成系统主要包括整形电路，以CPLD为核心的频率、相位差测量电路，以单片机为核心的计算、控制电路以及以8279为核心的键盘显示电路组成。

系统的结构原理图如图1所示。

图1低频数字相位测量仪结构图1．1整形电路整形电路主要用于将两路具有相位差的正弦波都整形成方波，以便让CPLD可以对其进行计数、测频。

本系统中我们使用两个施密特触发器对两路信号进行整形，电路图如图2所示。

施密特触发器在单门限电压比较器的基础上加入了正反馈网络，可以有效提高抗干扰能力，从而避免信号在过零点时多次触发的现象。

另外，为了保证输入电路对相位差测量不带来误差，必须使两个施密特触发器的门限电平相等。

图2施密特整形电路1．2频率、相位差测量电路本系统主要采用测周期的方法来测量信号的频率。

首先，将整形后的信号进行二分频，那么二分频后信号的高电平宽度正好对应于原信号的周期T。

基于单片机的TDS水质测试仪设计毕业设计

基于单片机的TDS水质测试仪设计王春（陕理工物理与电信工程学院电子信息工程专业1103班，陕西汉中，723000）指导老师：秦伟[摘要]本设计通过研究分析TDS（溶解性总固体）测量的原理，设计了一款以STC89C52单片机为核心的水质测试仪。

本设计通过电导率测量电路实现电导率信号的采集，并采用温度传感器进行温度测量，使用温度补偿方法减小温度对电导率测量值的影响，通过单片机程序进行相关计算得出TDS值。

该设计包括信号采集电路、按键电路、温度测量电路、数码管显示电路。

该水质测试仪结构简单，操作容易，低成本，测量的TDS值对帮助人们了解水质情况起到了非常重要的作用。

[关键字]STC89C52，溶解性总固体，水质测试The design of TDS water quality tester based on SCMWang Chun(Grade03,Class11,Major Electronic Information Engineering，College of physics and telecommunication engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，Shaanxi)Tutor:Qin Wei[Abstract] This design studies the principle of Total Dissolved Solids (TDS) measurement.And it designs a water quality tester which takes STC89C52 Single Chip Microcomputer (SCM) as the core.The design collects the electrical conductivity signal by electrical conductivity measurement circuit .And it uses temperature sensor to measure temperature.And it reduces the influence of temperature on the electric conductivity measurement by using the temperature compensation method.And through the SCM program for correlation calculation to calculate the value of TDS.The design includes signal acquisition circuit, key circuit, temperature measurement circuit and digital tube display circuit.The water quality testing instrument has the advantages of simple structure, easy operation, low cost, which play a very important role in helping people to understand the situation of water quality .[keywords]STC89C52, TDS, water quality testing目录引言 (1)1设计内容与方案 (2)1.1设计内容与要求 (2)1.2方案论证 (2)1.3方案选择 (2)1.3.1单片机的选择 (3)1.3.2温度传感器的选择 (3)2系统硬件电路设计 (4)2.1单片机最小系统 (4)2.1.1单片机STC89C52简介 (4)2.1.2单片机最小系统 (4)2.2 TDS值测量电路 (5)2.2.1 TDS值测量原理 (5)2.2.2 TDS测量电路 (6)2.3温度补偿原理与电路 (8)2.3.1温度补偿原理 (8)2.3.2温度测量电路 (8)2.4数码管显示电路 (9)2.4.1共阳极数码管工作原理 (9)2.4.2数码管显示电路 (10)2.5按键电路 (10)2.6总体电路图 (11)3系统软件设计 (12)3.1软件设计的整体思想 (12)3.2总流程图与各部分流程图 (12)3.2.1总流程图 (12)3.2.2 电导率测量 (13)3.2.3 温度测量流程图 (14)3.2.4 TDS测量流程图 (15)3.2.5 按键电路流程图 (16)3.2.6 数码管显示流程图 (17)4软硬件调试 (18)4.1 软件调试 (18)4.2 硬件调试 (18)结论 (19)展望 (20)致谢 (21)参考文献 (22)引言水是生命之源，人类在生产生活中都离不开水。

基于STC12C5A16S2单片机电子水平仪设计

基于STC12C5A16S2单片机电子水平仪设计摘要基于传感器、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单片机目录摘要 (1)1 绪论 (3)2 方案论证 (8)2.1系统设计方案论证 (8)2.2各模块的方案选择和论证 (5)2.2.1控制器模块 (5)2.2.2显示模块 (6)3电子水平仪的总体设计 (8)3.1方案的确定 (18)3.2传感器的选择 (9)3.2.1电容传感器.................................................. 错误！未定义书签。

3.2.2本课题所采用的传感器类型 (13)3.3A/D转换器的选择 (14)3.3.1 AD转换器的分类及介绍 (14)3.3.2本课题中对AD转换器的选择 (16)4系统的硬件设计 (18)4.1倾角传感器的设计 (18)4.1.1差动电容传感器测角原理 (18)4.1.2 差动电容传感器结构设计 (18)4.2角度转换模块的设计 (19)4.2.1测量电桥...................................................... 错误！未定义书签。

4.2.2 第一级放大电路 (22)4.2.3整流滤波电路 (24)4.2.4第二级放大电路 (28)4.3信号采集与A/D转换 (29)4.4主电路 (32)5系统的软件设计 (33)5.1总体流程图 (33)5.2程序清单 (30)总结 (43)致谢 (43)参考文献 (44)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，以及平板的平面度等.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.在机械测量及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，国内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，需要光学以及测绘知识的应用，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.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，平面直角显示以及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.图2-1水平仪系统设计原理框图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：AC d ε= (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0d .由式(2-2)可知其初始电容量00AC d ε=，当动极板因被测量变化而向上移动使0d 减小d ∆，电容量增大C ∆则有：000011AC C C d d d d ε+∆==-∆⎛⎫∆- ⎪⎝⎭ (2-3)图2-3变极距型电容传感器原理图d可见,传感器输出特性()C f d =是非线性的.由式（2-3）可知：电容相对变化量为10001C d d C d d -⎛⎫∆∆∆=- ⎪⎝⎭ (2-4) 上式按级数展开为23000001C d d d d C d d d d ⎡⎤⎛⎫⎛⎫∆∆∆∆∆⎢⎥=++++ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦(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00C d C d ∆∆≈ (2-6) 和 0200C C A S d d d ε∆===∆ (2-7) 如果考虑式(2-5)的线性项及二次项，则0001C d d C d d ⎛⎫∆∆∆=+ ⎪⎝⎭(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f e 为 ()()20000000100100f d d e d d d d ∆=⨯=∆⨯∆ (2-9)由上讨论可知：1)变极距型电容传感器只有在0d d ∆很小(小测量范围)时，电容才有近似的线性输出；2)灵敏度S 与初始极距0d 的平方成反比，故可以用减小0d 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0.01m μ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0l 方向平移l ∆时，则电容为：()00000r l l b C C C d εε-∆=-∆= (2-10) 式中00000r l b C d εε=为初始电容，相对变化量为：00C l C l ∆∆= (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000r b C S l d εε∆==∆ (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0d ，相对介电常数为2r ε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1C图2-4变面积型电容传感器原理图和2C 的并联结果.由式(2-2)得()12001200r r b C C C l l l d εεε⎡⎤=+=-+⎣⎦ (2-13) 式中0l 、0b 为极板长度和宽度，l 为第二种介质进入极间的长度. 若电介质l 为空气()11r ε=，当0l =时传感器的初始电容00000r C l b d εε= (2-14)当介质2进入极间l 后引起电容的相对变化为()()000201r C C C C C l l ε∆=-=- (2-15)可见，电容的变化与电介质2的移动量l 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图2-5变介质型电容传感器原理图 2r ε定极板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.3.3 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.本节主要按转换电路和工作原理的不同对ADC进行粗略的分类介绍.3.3.1 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、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．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.其内部有一个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.是目前国内应用最广泛的8位通用A/D 芯片.ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，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）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准.6）工作温度范围为-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:2d lθ≈∆ (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.图3-2测角模型图图3-1差动电容传感器结构简图底座动极板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：图4-3 角度转换模块工作原理框图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11211111u R u R u R R s s j j d d d dj su R d d j R s d d j R s εεωωωεωεωε=-+++∆-∆⎛⎫=- ⎪+∆+-∆+⎝⎭(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d j R s K ωε+=，则j R s K d ωε=-，则上式变为()()21122112u K d u K d K d d K d u K d ⎛⎫=-- ⎪+∆-∆⎝⎭∆=---∆ (3-3)因为22K d >>∆，所以上式简化为()2122du K d u S d K ∆=--=∆ (3-4) 式中()122S K d u K =--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及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 及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、增益选择范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：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49.41GK G R Ω=+，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49.41G R K G =Ω-.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4-9 AD620电路原理图图4-8 AD620引脚图Rc -IN +IN -Vs TOP VIEW4.2.3 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CA V是一个重要的参数，CA V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CA V=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V out输出也为零；通过调整R1可以对输出信号进行校正.。