电子水平仪

辽宁工业大学

单片机及接口技术课程设计（论文）题目：电子水平仪设计

院（系）：电气工程学院

目录

第1章绪论 (1)

1.1 概述 (1)

第2章方案论证 (1)

2.1系统设计方案论证 (1)

2.2各模块的方案选择和论证 (2)

第3章电子水平仪的硬件电路设计 (3)

3.1电子倾角器的设计原理 (3)

3.2 A/D转换器的设计原理 (3)

3.3温度传感器的设计原理 (3)

3.4显示器的设计原理 (3)

第4章电子水平仪的软件设计 (4)

4.1主程序流程图 (4)

4.2 A/D转换器输出设计 (5)

4.3 ADS1210的编程设计 (6)

4.4 传感器DS1624的编程设计 (7)

4.5串口中断服务程序 (7)

第5章课程设计总结 (8)

参考文献 (9)

附录Ⅰ (9)

附录Ⅱ (10)

第1章绪论

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。

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。

第2章方案论证

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AT89S51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，利用温度传感器实时采集倾角器周围环境的温度，也送入单片机，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ATMEL 公司的AT89S51 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AT89S51 构成系统控制部分。

2.2.2显示模块

方案一：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。但是由于只需显示计时这样的数字，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用比较多，而且其成本也比较高。

方案二：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。同时数码管采用BCD 编码显示数字，程序编译简单，资源占用比较少。

综上所述，选择方案二，采用数码管动态显示温度，节省了内部资源。在本设计中，用于控制和运算的单片机以及数码管显示器都需要在+5V 直流电压下才能工作。

2.3总体设计方案框图

第3章电子水平仪的硬件电路设计

3.1电子倾角器的设计原理

电子倾角器选用Jewell Instruments公司生产的LCF-100型电子倾角器，它属于力平衡式伺服系统电子倾角器，测量范围为-90°～+90°，其输出为模拟电压，与倾斜角度的正弦成正比。该倾角器具有分辨率高、响应速度快、线性度好等特点。由于电子倾角器输出的模拟电压含有高次谐波，因此通过二阶低通滤波器滤除输出信号的高频分量。

3.2 A/D转换器的设计原理

A/D转换器将电子倾角器输出的模拟量转换为数字量，其分辨率的高低将直接影响系统的测量精度。根据设计要求，本系统采用Burr-Brown公司ADS1210作为电子倾角器的A/D转换器，它是一个24位分辨率、宽动态范围、单5V电源供电、带自校正功能的Σ-Δ高精度A／D转换器，其内部由可编程增益放大器、二阶Σ-Δ调制器、调制器控制单元、三阶数字滤波器、微控制器、寄存器组、基准参考源和时钟电路等组成]。ADS1210将转换的数字量通过I2C总线传送到单片机。

3.3温度传感器的设计原理

温度传感器选用Dallas Semiconductor 公司的DS1624数字温度测量计，它具有测量精度高、测量温度范围宽，易与单片机接口等特点，其内部还带有256字节的E2PROM，用于存储测量系统的修正参数。温度传感器实时采集系统的环境温度，将采集的温度值通过I2C总线送入单片机。

3.4显示器的设计原理