电子水平仪.docx
- 文档编号:6265880
- 上传时间:2023-01-04
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:149.31KB
电子水平仪.docx
《电子水平仪.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电子水平仪.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
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
3.2A/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
4.2A/D转换器输出设计5
4.3ADS1210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Ⅰ9
附录Ⅱ10
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
图2.1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JewellInstruments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。
3.2A/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DallasSemiconductor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
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。
因此,采用数码管动态显示温度,节省了内部资源。
数码管显示的主程序中开始启动A/D转换并等待中断;中断初始化程序主要负责设置外部中断的响应方式、外部中断的开启、总中断的开启;把12位二进制数据转换成相应的十进制数据;串口发数子程序将从A/D转换器读取回来的数据量通过串口以固定波特率发送到中心机;显示子程序将要显示数字的BCD码发送到相应锁存位。
显示部分如图3.2.
图3.1显示部分
第4章电子水平仪的软件设计
4.1主程序流程图
本系统软件采用汇编语言编程,由主程序、计算子程序、ADS1210读写子程序、DS1624读写子程序和串口中断服务子程序等组成。
倾角器温度补偿的相关参数存放在DS1624的EP2ROM中,必要时上位计算机通过控制命令对其进行修正。
中断服务程序随时接收上位计算机的控制命令,进行系统自检、参数修正、数据输出等。
主程序流程图如下:
图4.1主程序流程图
4.2A/D转换器输出设计
K_AD表示A/D转换器的输出斜率,单位:
1/V;B0表示基准零偏电压,单位:
V;B_temp表示零点偏差系数,单位:
V/℃;ΔT表示温度变化量,单位:
℃;S.F._Temp表示比例因子温度系数;Title表示修正后的倾角,单位:
″。
则变为:
AD=K_AD*B0+K_AD*B_Temp*T+K_AD*S.F.[1+S.F._Temp
△T]*Pi/3600*180*Tilt(4-1)
O0=K_AD*B0(4-2)
OT=K_AD*B_Temp*△T(4-3)
KT=K_AD*S.F.[1+S.F._Temp*△T]*Pi/3600*180(4-4)
AD=O0+OT+KT*Tilt(4-5)
图4.2A/D转换器输出流程图
4.3ADS1210的编程设计
对ADS1210编程,首先对其进行初始化,根据系统设计的要求,确定相关的参数,如增益PGA、加速因子TMR、数据输出率DR(抽取率)等。
在初始化子程序中,将这些相关的参数写入CMR。
启动ADS1210的转换,然后调用读DOR寄存器子程序,将转换的结果读到单片机中。
ADS1210的初始化流程和读DOR寄存器流程如图3.2所示。
图4.3ADS1210的初始化流程和读DOR寄存器流程图
4.4传感器DS1624的编程设计
由于将DS1624的引脚SCL和SDA与AT89C52的P10和P11相连构成I2C总线,对DS1624的读写操作都要遵循I2C总线协议。
利用单片机可以仿真I2C总线的读/写时序。
I2C总线的控制主要包括以下五部分:
开始、读数据、写数据、应答、停止。
DS1624的编程包括以下几个子程序:
初始化子程序、启动温度转换子程序、读取温度值子程序。
在初始化子程序中,向配置/状态寄存器写一个字节的数据用以将DS1624的工作方式设为连续转换方式。
4.5串口中断服务程序
如果更换电子倾角器,那么其相应的参数,如固定零偏差、零偏的温度系数、比例因子、比例因子温度系数等都会发生变化。
为了提高系统的通用性,将这些参数通过串口中断的方式进行修改。
单片机计算得到的结果即修正角度也是通过串口中断的方式输出的。
本系统的串口中断服务程序包括以下几个命令:
写零偏差、写零偏温度系数、写倾角器转换比例因子、写比例因子温偏差、写ADS1210的转换比例、写ADS1210的转换速率、写角度校准值、初始化EP2ROM中的数据、读温度值、读计算后修正角度值、检查写进数据的正确性、检查芯片是否工作正常等。
串口中断服务的流程图如图3.3
所示。
图3.3串口中断服务的流程图
第5章课程设计总结
本设计采用单片机AT89S51为核心,涉及到传感器,A/D转换器,显示角度的LED数码管以及自动调零装置。
单片机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。
通过计算机与电子水平仪的串口通信,实现了计算机对电子水平仪的控制和数据获取,实时显示电子水平仪倾斜数据并绘制倾斜位置示意图。
该水平仪可以对待测平面的倾斜角度信号和倾斜方位信息实时提取,解决了平面倾斜度测量中一些传统电子水平仪无法解决的问题,本程序具有较好地再开发能力,通过对获取的电子水平仪数据的处理,可使其应用于各工业领域与各类工业现场,,可方便的实现智能平台和机器人的水平保持控制,是一种很有推广前途的现代测量控制仪器。
参考文献
[1]孙宝元,杨宝清.传感器及其应用手册.北京:
机械工业出版社,2004
[2]喻宗泉,喻晗,李建民.单片机原理与应用技术[M].西安:
西安电子科技大学出版社.2006
[3]梅丽凤,王艳秋.单片机原理及接口技术(修订版).北京:
清华大学出版社,2006.8
[4]周航慈,朱兆优,李跃忠.智能仪器原理与设计.北京:
北京航空航天大学出版社,2006.8
[5]张玉艳、王玉田、王莉田,‘用于差动电容传感器的高分辨率电路的研究’,传感技术学报,2004.3
[6]邱仁峰,胡晓东.一种高精度数字倾角测量系统的设计[J].电子技术应用.2005
[7]王存堂,阳恩会,张建国,等.全方位电子水平仪的结构及测量原理分析[J].仪器仪表学报,2006
[8]钱帅杰,王存堂,唐立平,等.新型全方位电子水平仪的设计及误差分析[J].传感技术学报,2006
[9] YuTianchi,WangJialing.Measureoftiltsforaxialmamaticliquidcrystals.JournalofHarbinUniversityofCommerce(NaturalSciencesEdition)Aug.2006
[10]KeiISoftWare.Macroassemblerandutilitiesuser’Sguide[M].KeilSoftWare,2001.
[11]LuoHongandLongNing.Designanimplementationofremoteintelligentmanagementsystemforcityenergyresourcesbasedonwirelessnetwork.StudyofComputerApplacation,2004.
附录Ⅰ
整体电路图
附录Ⅱ
程序清单
LJMPMAIN
ORG001BH
LJMPPINT1
MAIN:
MOVSP,#5FH
MOVIE,#84H
SETBIT1
SETBTR1
LP:
AJMPLPDISP:
PUSHACCMOVDPTR,#TAB
MOVA,0FH
ANLA,@R0
CNCQS:
MOVCA,@A+DPTRMOVA,P0
MOVR7,#200
L1:
MOVR6,#100L2:
DJNZR6,L2
DJNZR7,L1POPACC
RET
TAB:
DB0C0HDB0F9HDB0A4HDB0B0HDB99HDB92HDB82HDB0F8HDB80HDB98H
PINT1:
MOVA,P1
JNBACC.4,PINT1
JBACC.0,PER
JBACC.2,PL1
SETB77H
AJMPPL2
PL1:
CLR77H
PL2:
JBACC.3,PL3
SETB74H
AJMPPL4
PL3:
CLR74H
MOVRO,74H
LCALLDISP
PL4:
MOVA,P1
JNBACC.5,PL4
MOVR0,#2EH
XCHDA,@R0
LCALLDISP
PL5:
MOVA,P1
JNBACC.6,PL5
SWAPA
XCHDA,@R0
LCALLDISP
PL6:
MOVA,P1
JNBACC.7,PL6
XCHDA,@R0
LCALLDISP
RETI
PER:
SETB10H
RETI
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电子 水平仪
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)