电子水平仪设计完整的论文.doc

精选资料 摘 要 水平仪作为一种测量小角度的常用仪器，广泛的应用在机械和仪表制造中。通过测量相对于水平位置的倾角度，设备安装的水平位置和垂直位置等，是桥梁建设、道路铺设、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或缺的重要仪器。国外许多国家很早就开始了电子水平仪的研究和制造，已有的电子水平仪不能满足精度要求。 随着技术的发展，原有的一些水平仪由于存在着很多的问题，特别是在灵敏度这方面，还有就是反应时间。而对于我们来说，研究分辨率更高，性能更好的智能性的电子水平仪是很重要和迫切的。而伴随着计算机技术不断的更新和发展，微控制器在工业测量和应用的越来越广泛，使计量检测仪器具有了一定的智能化。关键词：电子水平仪；单片机；倾角传感器AbstractLevel is commonly used as a kind of small Angle measurement instrument , widely used in machinery and instrument manufacture, by measuring the tilt angle of relative to the horizontal position, the horizontal position of installation of equipment and vertical position, are bridge construction, paved roads, civil engineering, oil drilling, aviation navigation, industrial automation, intelligent platform, machinery processing and other fields are indispensable important instrument. Many foreign countries began very early on the electronic level research and manufacturing, the existing electronic level can not meet the accuracy requirements.With the development of technology, some of the original level because there are a lot of problems, especially in terms of sensitivity in this regard, and the reaction time, and for us.Research in higher resolution and better performance intelligent electronic level is very important and urgent.Along with computer technology constantly updated and developed of micro-controllers, Single chip microcomputer has been widely used in industrial measurement and control applications, Make the measurement instrumentation has certain intelligence.Keywords: Electronic level; Single chip microcomputer; Tilt sensor 不要删除行尾的分节符，此行不会被打印可修改编辑精选资料目 录 在再要 摘 要IAbstractII第1章 绪论.11.1 课题背景、目的和意义11.2 国内外在该方向的研究现状及分析.2 1.2.1 水准器式水平仪.2 1.2.2 光学倾斜仪.2 1.2.3 电子水平仪.3 1.3 主要研究的内容.31.4 本文结构.4第 2章 有关器件的资料.52.1 SCA100T_D01的结构.5 2.2 SCA100T_D01的工作原理.5 2.3 SCA100T_D01的控制过程. .7 2.4 STC89C51的资料.8 2.4.1 MCS-51系列单片机的基本组成.8 2.4.2 单片机的重要接口.9 2.4.3 FALSH EPROM存储器.11 2.4.4 低功耗模式.11 2.4.5 定时器0和1的操作.12 2.5 LCD1602的资料.13 2.5.1 线段的显示.13 2.5.2 字符的显示.13 2.5.3 汉字的显示.14 2.5.4 LCD1602的主要技术参数.14 2.5.5 LCD1602控制器的11条控制指令.15第3章 原理框图和方案总体设计.16 3.1 原理框图.16 3.2 设计方案.16 3.2.1 传感器选用.16 3.2.2 液晶显示器选用.17 3.2.3 单片机选用.17 3.2.4 报警的电路的设计.18 第4章 硬件设计.20 4.1 传感器硬件电路.20 4.2 液晶显示器硬件电路.21 4.3 报警电路.22 4.3.1 R1、R2的选择.22 4.3.2 蜂鸣器外围电路设计.22 4.4 本章小结.22第5章 软件设计.24 5.1 主程序框图.24 5.2 采集程序框图.25 5.3 显示子程序框图.26 5.4 报警子程序框图.27 5.5 本章小结.27第6章 结果调试.28 6.1 硬件调试.28 6.1.1 单片机调试.28 6.1.2 LCD显示器调试.28 6.1.3 传感器模块调试.28 6.1.4 报警电路调试.28 6.2 软件调试.28 6.3 调试中遇到的问题.28 6.3.1 硬件调试遇到的问题.286.3.2 软件调试遇到的问题.296.4 达到的效果.29结论.30致 谢.31参考文献.32附 录.34可修改编辑第1章 绪论 二十一世纪是科学发展最为快速的一百年1。随着电子技术的发展和计算机技术的应用，测量技术和测量仪器都得到了迅速的发展。自从第一台电子水平仪诞生以来，由于其精度高，测量速度快，灵敏度高，和操作简单等优点，得到了迅速的发展和广泛的应用，开创了水平测量自动化的新时代。与传统的水平仪相比较，电子水平仪有无可比拟的优越性，它是机电一体化和计算机技术于一身的最先进的测量仪器。它具有测量速度快，精度高，使用方便，作业劳动强度轻等优点由于电子水平仪的原理不同，影响其精度误差也有所不同，所以如何客观准确地评价其性能，为其制定合适的电子水平仪检测规程，也就没那么重要了。在自动控制和工程设计中，经常需要对某个平面或者是基准面进行倾斜角的测量，或者进行自动水平调节，特别是在自动控制中，常常需要对某一个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，还要求系统进行快速跳平或对某些装置与水平面的倾角进行快速高精度的测量。这些都是传统的倾角测量系统和水平仪很难做到的。以电子倾角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，而且还能使测量的精度和速度大大的提高。1.1 课题背景、目的和意义随着市场需求和科技的发展2，人们对工程、机械、航空、航海设备的可靠性和稳定性提出了更高的要求，其中姿态测量是一项重要的指标。倾角传感器是测量关于某一基准面的倾斜角或者是姿态的装置。目前，市场上已有单轴、双轴、三轴的倾角传感器，但大多都价格昂贵或者体积较大。本文提出以双轴传感器STC100T_D01和STC89C51单片机实现的设计，可大大降低系统成本，不但可以构成一个单独的数字输出传感器，也可以作为一个测量模块，嵌入到测量控制系统中，广泛应用于机器人控制、平台姿态(俯仰和滚转)测量、双轴加速度测量等系统中。直线度和平面度是表示零件形状的主要几何因素之一，也是形位公差的基本表征参数。其中直线度测量是几何量计量领域里一个最基本的测量内容，它是平面度、平行度、垂直度、同轴度等几何量测量的基础。因此，世界上各个国家对于直线度、平面度测量和误差评定这一领域一直给予高度重视，并不断地推出新型高精度的测量方法和装置，以满足日益增长的对产品质量的要求。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经历多次更新。电子水平仪是一种急需的测量小角度的量具。用它可以测量对于水平未知的倾斜度，两部件相互平行度和垂直度，机器，仪器导轨的直线度，工作台平面度，以及平板的平面度等。在机械测量中起到了很重要的作用。随着技术的发展，原有的一些水平仪由于存在着很多的问题，特别是在灵敏度这方面，还有就是反应时间，这些都和国际上存在这很大的差距，而对于我们来说，研究分辨率更高，性能更好的智能性的电子水平仪是很重要和迫切的。而伴随着计算机技术不断的更新和发展，微控制器在工业测量和控制领域应用的越来越广泛；在很多的计量检测仪器中应用到了单片机，使计量检测仪器具有了一定的智能化。1.2 国内外在该方向的研究现状及分析水平仪基本上可分为水准式水平仪、光学水平仪和电子水平仪3。1.2.1水准器式水平仪 利用水准器式气泡偏移来测量被测平面相对于水平面微小倾角的角度测量仪器，又称为水泡式水平仪。水准器式水平仪又可以分为条式水平仪、框式水平仪和合像水平仪。传统的气泡式水平仪有水准管和基座两部分组成，水准管是在曲率半径为R的玻璃管中，封装进酒精，只留一个气泡，并在管上刻有刻度线。当基座地面水平时，管中的气泡位于管的最中间，将水平仪置与被测平面上，可从旗袍的偏移方向判定该面的倾斜情况。这种水平仪的分度值一般分为1”、30”、10”几个等级。1.2.2光学倾斜仪 具有一个基座测量面及两个水准器，以光学度盘相对于基座测量面调整水准器气泡，并由读数显微镜读数，用于检测各种平面在120范围内倾斜角度的测量器具，又称为光学象限仪。1.2.3电子水平仪 具有一个基座测量面，以电容摆或电感铁芯摆的平衡原理测量被测面相对于水平面微小倾角的测量仪器，主要用于测量平板和机床导轨等平面的直线度、平行度、平面度、垂直度，并能测量被测面对于水平面的倾斜角。电子水平仪的分度值有：0.001mm/m、0.0025mm/m、0.005mm/m、 0.01mm/m、0.02mm/m和0.05mm/m。电子水平仪可为指针式水平仪和数显式水平仪。指针式电子水平仪以指针式指示装置指示测量值，数显式水平仪以数显式指示装置指示测量值。近年来，国内在在水平仪的研究和开发方面取得了不少进展。综上所述，传统的气泡式水平仪由于受到环境和人为的影响较大， 精度受到限制，已经不能满足高精度测量的要求；而含有光学元件的光电水平仪和激光水平仪由于调节困难，成本高，也使其应用领域收到了限制，与此同时，电子水平仪具有精度高，使用方便、易维护等特点，正得到越来越广泛的应用。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。其中最著名的事瑞士的Wyler公司，其生产的T系列新型电子水平仪适合测量小角度，主要用于测量工件表面的平面度，也可以测量机床的几何误差，其中NT11型平式电子水平仪最高分辨率可达到0.001mm/m，具有数字显示功能。1.3 主要研究内容本课题所设计的电子水平仪用的高精度双轴传感器。按照一定的算法就可以计算出被测面的倾斜角和倾斜方位。而对于输出的信号经过检测电路的处理转换成电压值后由高精度模数转换器采样，利用微控制器对采样的数据按照一定的算法进行运算，得到结果后，同LCD显示出来。 课题任务及主要研究内容： (1)对于测量系统总体方案进行设计，对于电子水平仪传感器布置方式进行研究。 (2)对于几种传感器的选择，最后选择SCA100T_D01倾角传感器，能够很好测量。 (3)对于单片机检测电路进行设计，研究单片机各个接口和LED显示模块等进行了设计。 (4)介绍电子水平仪及其使用环境:主要研究水平仪的功能、种类、使用环境、操作方法等。1.4 本文结构 本文将设计一个完整的电子水平仪设计系统的过程展开。而在这个整个的设计过程中，它主要包括了一个基于SCA100T_D01双轴倾角传感器模块，还有一个单片机最小系统，一个报警模块，以及一个LCD显示模块，具体流程如图1-1所示。传感器 信号调理电路AD转换器单片机液晶显示报警电路 图1-1 系统的总体结构框图 本文主要内容如下： 第2章中，首先是介绍了我在整个设计过程重要到到器件的一些资料 和原理，包括了：LCD1602、SCA100T_D01、STC89C51。 第3章中，对整个过程做总体的规划，和各种方案的选择。第4章中，硬件电路的具体设计内容，测量模块和单片机和连接、显示模块和单片机的连接以及报警模块和单片机的连接。第5章中，对于软件的设计，设计整个过程需要的各个流程框图。第6章中，对软硬件的调试以及在调试中遇到的一些问题最后对毕业设计工作进行了总结。 第2章 有关器件的资料2.1 SCA100T_D01的结构 SCA100T_D01倾角传感器是芬兰 VTI公司 2005年最新推出的4, 利用MEMS技术开发生产的高精度的双轴倾角传感器 , 体积小重量轻仅1.2克。MEMS（Micro electro mechanical system）是二十一世纪的前沿技术，采用MEMS技术可以在硅芯片上加工出完整的徽型电子机械系统,包含了微型传感器、微型机械结构、以及信号处理和控制电路、通讯接口等于一体的微型器件, 把信息系统的微型化、多功能化、 智能化和可靠性水平提高到新的高度 ，引脚图如图2-1所示。 图2-1 芯片引脚图 2.2 SCA100T_D01的工作原理SCA100T_D01系列是基于MEMS三维的双轴倾角系列，该器件内部包含了一个硅敏感微电容传感器，测量芯片在X和Y方向的加速度以及一个专用ASIC集成电路, ASIC电路集成了EEPROM存储器、信号放大器、AD转换器、温度传感器和SPI串行通信接口,组成了一个完整的数字化传感器，原理如图2-2所示。yyaxbxgg 图2-2 工作原理图gg g图中g代表重力加速度，x和y分别代表双轴的重力加速度，a和b分别代表双轴上的重力加速度与水平的夹角；芯片内部通过对x，y，g以及合成量的测量，再将信号通过一定得集成电路，将输出量与角度线性化、数字化，这样得出的输出量就为随倾角变化的分量，其内部结构如图1-3所示。 图 2-3 芯片内部结构图 分析内部结构可知SCA100T_D01输出有两种形式，即模拟量与数字量，模拟输出到角度的转化公式为：= arcsin (Vout-offset)/Sensitivity其中Vout为芯片输出的电压（OUT_1、OUT_2输出X、Y轴角度对应电压），offset是0是输出电压（2.5V），Sensitivity是芯片灵敏度（SCA100t-D01为4V/g，SCA100t-D02为2V/g）；数字输出到角度转化公式为：= arcsin（Dout -Dout0）/ Sensitivity其中Dout为X或Y通道的数字输出量，Dout0为0时X或Y通道的数字输出量，Sensitivity为芯片灵敏度（SCA100t-D01为1638LSB/g，SCA100t-D02为819LSB/g）。 SPI（Serial Peripheral Interface）总线是Motorola公司提出的一个同步串行外设借口，用于CPU与各种外围器件进行全双工，同步串行通讯。SPI可以同时发出和接收串行数据。它只需要四条线就可以完成MCU和各种外围器件的通讯。图2-4为SPI的主从访问时序图 图2-4 主从SPI的主从访问时序图2.3 SCA100T_D01的控制过程 每次传输由CSB的下降沿开始，CSB的上升沿结束5，在传输过程中，命令和数据由SCK和CSB 按照一下的规则控制： (1)命令和数据移位元：高位（MSB）在先，低位（LSB）在后。 (2)每个输出数据位/状态在SCK（MISO线）的下降沿时被移位。 (3)每个位在SCK（MOSI线）的上升沿时被采样。 (4)在CSB下降沿选择该器件后，接受了8位命令，这个命令决定执行一项操作。 (5)在CSB上升沿结束所有数据传输操作，并复位内部控制器和命令寄存器。 (6)如果结束了一个非法的命令，不会有数据传输到芯片，并且MISO线保持高阻抗状态直到CSB出现下降沿为止，就这样重复初始化一次串行通信。 (7)当接受所有情况下的命令后，数据立即通过MOSI线连续传输，其中数据被写入到SCA100T_D01的内部寄存器。 (8)当SPI命令的最后一位被SCK的上升沿采样以后，立即通过MISO线依靠SCK下降沿连续传输数据。 (9)最大的SPI时钟频率是500KHZ。 (10)RDAX和RDAY的最大数据传输速率是每秒5300次/通道。(11)SPI命令要么是一个简单命令，要么是命令和数据的组合，在命令和数据组合时，输入数据紧随SPI命令之后，并且输出数据与输入数据同时并行执行。2.4 STC89C51的资料2.4.1 STC89C51单片机的基本组成STC89C51系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机6，指令代码与传统8051单片机完全兼容，而它的基本组成图如图2-5所示。MCS51的主要特点为：(1)CPU为8位。(2)片内带振荡器，频率范围为1.212MHz。(3)片内带128字节的数据存储器；（RAM）。(4)片内带4KB的Flash程序存储器；（ROM）。(5)程序存储器的寻址空间为64KB；（需要扩展ROM）。(6)片外数据存储器的寻址空间为64KB；（需要扩展RAM）。(7)128位（16字节）用户位寻址空间；（在128个字节中）。(8)18个字节特殊功能寄存器SFR（MCS52子系列为21个）。(9)4个8位的并行I/O接口：P0、P1、P2、P3。(10)2个16位定时器/计数器T0、T1；（MCS-52子系列为3个，T2）。(11)2个优先级别的5个中断源；（高、低2个）。(12)1个全双工的串行I/O接口，可多机通信。图2-5 89C51基本组成图AT89C51与51系列中各种型号芯片的引脚互相兼容。目前多采用40只引脚双列直插，如图2-6所示。引脚按其功能可分为如下3类7： (1)电源及时钟引脚VCC、VSS；XTAL1、XTAL2；(2)控制引脚、和；(3)I/O口引脚P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口。图2-6 管脚图2.4.2单片机重要的接口(1)P0：P0口是开漏双向口8，可以写为1使其状态为悬浮用作高阻输入。P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节，在访问外部数据存储器时作数据总线，此时通过内部强上拉输出1。(2)P1: P1口是带内部上拉的双向I/O口，向P1口写1时，P1口被内部上拉为高电平，可作为输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流，P1口第二功能：T2(P1.0):定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出。T2EX(P1.1): 定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制。 P2:P2口是带内部上拉的双向I/O口，向P2口写入1时，P2口被内部上拉为高电平，可作为输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流。在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位节和16位地址（MOVEDPTR）,此时通过内部强上拉传送1.当使用8位寻址方式（MOVRi）访问外部数据存储器时，P2口发送P2特殊功能寄存器的内容。 (3)P3:P3口是带内部上拉的双向I/O口，向P3口写入1时，P3口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P3口因为内部上拉而输出电流，P3口还具有一下特殊的功能：RxD(P3.0)：串行输入口。TxD(P3.1)：串行输出口。INT0(P3.2)：外部中断0。INT1(P3.3)：外部中断。T0(P3.4)：定时器0外部输入。T1(P3.5)：定时器1外部输入。WR(P3.6)：外部数据存储器写信号。RD(P3.7)：外部数据存储器独信号。(4)RST: 复位，当晶振在运行中，只要复位管脚出现2个机器周期高电平即复位，内部有扩散电阻连接到Vss，仅需要外接一个电容到Vcc即可以实现上电复位。(5)ALE: 地址锁存使能，在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节。在正常的情况下，ALE输出信号恒定为1/6振荡频率，并可以作为外部时钟或定时，注意每次访问外部数据时一个ALE脉冲将被忽略。ALE可以通过位置SFR的auxlilary_0禁止，置位后ALE只能在执行MOVX指令时被激活。(6)PESN：程序存储使能，当执行外部程序存储器代码时，PESN每个机器周期被激活两次，在访问外部数据存储器时PESN无效，访问内部程序存储器时PESN无效。(7)EA: 外部寻址使能/编程电压，在访问整个外部程序存储器时，EA必须外部置低。如果EA为高时，将执行内部程序，除非程序计数器包括了大于片内FLASH的地址。该引脚在对FLASH编程时接5V/12V编程电压。如果保密位1已经编程，EA在复位时由内部锁存。XTAL1：晶振1，反向振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入。XTAL2：晶振2，反向晶振放大器输出。ACC:累加器。AUXR：辅助功能寄存器。AUXR1：辅助功能寄存器1。CKCON：时钟控制寄存器。DPTR：时钟指针。DPH：指针高字节。