基于 STC12C5A16S2 单片机电子水平仪设计
专
业
电气工程学院
学 生 姓 名
班
学
级
号
指 导 教 师
专 业 系 主 任
顾 春 雷
发 放 日 期
2012 年 2 月 10 日
博雅学院
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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
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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......................................................................................... 19
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
3.3 A/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
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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。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
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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。
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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
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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。
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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。
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