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1、1学年论文学年论文(课程设计课程设计)题题 目目 电子式水平仪的原理和设计电子式水平仪的原理和设计学生姓名 学 号学 院专 业指导教师 张 自 嘉 二二 年年 月月 日日2电子式水平仪的原理与设计(南京信息工程大学滨江学院，南京 210044)摘要：水平仪这种精密的测量仪器由于测量电路、信号放大器等因素影响，不可避免地存在温度和时间漂移,给整个仪器引入零位误差,并影响其精度。本文所设计的电子水平仪是以单片机为运算和控制核心,自动化测量和校准,并以 LCD 显示测量结果的智能型电子水平仪,它有效的消除零位误差和温度对精度的影响，保证测量的准确。关键词：零位漂移，自动调零，水平仪，步进电动机，温度
2、补偿Principle and Design of theElectronic Gradienter.Zhu Yihua（Nanjing University of Information Sciencereturn to zero automatically, gradienter, step motor, temperature compensation1、引言水平仪作为一种测量工具，已成为桥梁架设、铁路铺设、土木工程、地质勘探、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。作为小角度常用量具的水平仪，经历了从传统的气泡式水平仪到现在的光电式、电子式以及激光式
3、水平仪，其测角范围大小不一、测角准确度亦相差甚远。对于水平仪这种精密的测量仪器来说,由于测量电路、信号放大器等不可避免地存在温度和时间漂移,将给整个仪器引入零位误差,并影响其精度,因此,消除零位误差和温度对精度的影响是保证测量准确的必要工作。本文所设计的自校准电子水平仪是以单片机为运算和控制核心,自动化测量和校准,并以LCD显示测量结果的智能型电子水平仪,它的最大特点是测量精度高、使用方便,具有很好的实用价值。2、自校准水平仪的原理电子式水平仪是用来测量高精度的工具机，其灵敏度非常高，若以测量时可左右偏移25刻度计算，测量工件只在一定的倾斜范围内均可测量。电子水平仪的主要原理有电感式和电容式等
4、两种。电感式水平仪的测量原理为当水平仪的基座因待测工件倾斜而倾斜时，其内部摆锤因移动所造成感应线圈的电压变化。电容式水平仪其测量原理为一圆形摆锤自由悬挂在一细线上，摆锤受地心重力所影响，因为是悬浮的，所以不受磨擦的影响。摆锤的两边均设有电极且间隙相同时电容量是相等，若水平仪受待测工件所影响而造成，两间隙不同距离改变即产生电容不同，形成角度的差异。3自动化测量仪表中所涉及的传感器有力敏、热敏、光敏、磁敏等多种类型。由于传感器的特性会随着时间、温度以及环境的变化而变化, 同时电路系统中元器件参数的离散性和温度漂移等也会导致输出零点发生偏移。因此, 测量仪表的零点调整是一个十分重要的问题。传统的仪表
5、调零大多采用在控制面板上安装机械电位器进行调整。为实现精确调节, 必须采用体积较大的多圈精密电位器, 通过手动旋转电位器实现零点调整。这种方法不仅操作麻烦, 也不利于实现传感仪表的小型化和便携式。本文结合所设计的电子水平仪提出一种基于数字电位器和单片机的仪表数字调零方法, 可以快速准确地实现仪表自动调零。数字电位器是利用微电子技术制成的集成电路,具有调节准确方便、使用寿命长、受环境影响小、性能稳定等优点, 是一种理想的数字控制式微调电阻器件。本文在设计和实验中采用的是Xicor 公司的X9C102/103/104/503 系列数字电位器。X9C102/103/104/503 系列数字电位器是低
6、功耗CMOS 电路, 电压35V, 触发电流13mA, 静态电流500uA。VH/RH、VL/RL 分别是电位器的两个端点, 可以承受的电压为- 5+5V。VW/RW 是数字电位器的滑动抽头, 对应于机械电位器的滑动端。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。电桥的不平衡输出电压u2 与激励源电压u1之间的关系为u2=u1-=u1*=u1*=u1* （）11*21 1112 cj cjcju 2121 cccc dds ddsdds dds dd其中,d电容两极板之间的距离； d电容两极板间距离的变化量；激励源角频率；电介质常数； s电容
7、极板面积；u1激励源电压； u2电桥不平衡电压输出。由式（） 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d 成一简单的线性关系。理论上讲, 当把水平仪置于绝对水平面上时, 电桥平衡, 水平仪的倾斜度示数应该为零, 但是实际上水平仪往往有一定示数, 这主要由两个原因引起: 第一、温度对传感器的影响, 在小角度测量中, 温度对电容传感器的电介质的影响几乎与信号具有相同的量级; 第二、电路元件参数的离散性和集成运放的温漂影响。基于此, 设计中首先通过软硬件结合的方式对温度进行了补偿, 采用线性温度传感器作为测温元件, 并结合单片机从软件上进行温度补偿, 这样每次测量时由于温度对传
8、感器的影响可以进行有效的消除。针对由运算放大器内部的噪声和温漂以及电路中其它元件的参数变化等引起的零点漂移, 在设计中运用单片机和数字电位器在放大检波环节进行自动的零点调整。为了确保准确度, 水平仪每次测量前, 首先要进行零点调整, 而且应该是在绝对水平面上进行。但是实际操作时, 绝对水平面的提供有很大的困难, 因此,在设计中我们采用的方法是在调零时把传感器的输出信号进行短接, 这就相当于在标准水平面上进行调零。3、自动调零硬件电路设计为了提高水平仪的精度, 在硬件方面, 我们选择高性能的精密元器件, 特别是传感器部分和前置放大电路,采用精密贴片电阻和电容传感器组成阻容电桥, 前置放大部分采用
9、高输入阻抗、高共模抑制比、低温漂的集成运算放大器, 而且对传感器进行温度补偿。即使这样, 在精密测量中, 零点漂移往往仍不可避免, 因此, 在放大检波环节的集成运放的输入端引入由单片机控制的数字电位器进行零点自动调整。4调零时, 将水平仪放在被测平面上, 按下调零开关SW- PB, 系统将自动进行零点调整, 当显示倾斜度为零时, 使开关复位, 完成调零。单片机AT89C51 的三条口线与数字电位器的三个控制端相连, 数字电位器的两个固定端接参考电压“Ref+ ”和“Ref- ”。在前置放大电路中采用低温漂、高共模抑制比的运算放大器后, 当把传感器输出信号短接后对水平仪进行校准时, 由于运放的温
10、漂及其他元件参数的影响而导致的前置放大输出误差是很小的,所以数字电位器的两个固定端的参考电压范围不需要很大, 但是与前置放大的增益有关, 一般在几毫伏到数十毫伏, 需要经过实验来确定。误差电压信号经过放大以后进入A/D 转换, 单片机可以根据电压信号的大小控制数字电位器自动进行调零。由于数字电位器X9C104 是100 级可调的, 适当选取数字电位器两端的参考电压“Ref+ ”和“Ref- ”, 便能够保证在满足给定精度的条件下实现自动调零。4、带自校准电子式水平仪的整体结构水平仪是一种小角度测量仪器, 工业生产中广泛应用于测量平面的倾斜度、工业零件的相互平行度,以及机床的直线度等。传统的气泡
11、式水平仪易受人的视觉误差、气泡边缘的光聚散效应等影响而难以达到较高测量精度。本文设计自校准电子水平仪, 突破了传统水平仪的局限, 其硬件原理框图如图 所示。主要由信号采集、A /D转换、角度换算输出显示和自校准4个部分组成。在实际的设计中,考虑到显示输出设备所用的液晶显示器LCD与单片机间有多条引线,而且,是固定不动的显示装置,所以,本设计方案是将信号采集和转换部分与电机驱动部分与显示部分分开,前一部分称为旋转模板,后一部分称为驱动模板,均以AVR系列单片机中的MEGA16为运算和控制核心, 2块模板通过单片机间串口RXD和TXD进行数据传送。图1所示为带自校准电子水平仪的硬件结构示意图。图1
12、.自校准电子式水平仪是设计框图在测量角度时,传感器在水平仪所处位置输出相应的模拟量,同样经过A /D变换、数字滤波后送入单片机A,单片机A从EEPROM中读出零位偏移量,对目前的测量值进行补偿,再将补偿后的数字量传送给单片机B,在B中进行角度换算,并将最终角度值在LCD中显示出来。传感器转换单片机角度显示驱动转盘1234 8567自动调零温度补偿放大检波5图2.自校准电子式水平仪的硬件结构示意图1. 传感器 2. 3.单片机 4.步进电机 5.电机驱动,6. 单片机 7. 8. 固定板 5 5、 步进电动机驱动电路的设计步进电动机驱动电路的设计本文中选用单片机驱动步进电动机来实现自校准功能。由
13、于步进电动机能快速启停、精确给进、能直接接收数字量,特别适用于数字控制的定位系统。本系统选用42BYG型两相步进电动机,电压12V,电流0. 4A,步距角1. 8。选用MEGA16单片机控制L297 + L298 组合结构作为电机的驱动电路。用单片机的PC口与L297的几个主要端口相连,控制电动机的运动方式。L297是单片步进电动机控制器集成电路,它适用于双极性两相步进电动机或单极性四相步进电动机的控制。L298是双H桥驱动器,可用来驱动电压为46 V、每相电流为2. 5A 以下的步进电动机。L297 核心部分是一组译码器,它能产生各种所需要的相序,主要由单片机控制方向信号( CW ) 和激励
14、方式( H /F) 及时钟信(CLOCK)来得到不同的控制模式,产生两相极性驱动信号(A, B, C, D ) ,送入L298 驱动步进电动机。其中,L298输出的A, B, C, D 分别与步进电极的四线相连。与L298的1脚和15脚连接的2 只电阻器R6 , R7 起到调节流过步进电动机线圈电流大小的作用,防止电流过大损坏电机, 设计选用1W 功率的0. 5 电阻器。同时,要在L298的输出端接快恢复的二极管,以保护芯片不会被电机产生的反向感应电压烧坏。二极管的参数要满足VF 1. 2V, I = 2A, trr 200 ns。设计选用FR203快恢复二极管,能够满足要求。电源部分通过78
15、05 稳压芯片产生5V稳定直流电压提供给L297,另外,因为所选用电机的驱动电压为12V,所以,利用7812稳压芯片产生12V电压与L298的VS 相连。 在软件设计部分选择半步工作方式,工作状态图如图所示。单片机的PC5 与H /F (即HALF /FULL)端口相连的硬件设置,软件上向PC5写“1”即选择半步工作方式。同时, PC3置“1”控制电动机正转,置“0”控制电动机反转;利用定时器方式输出时钟信号。6、温度补偿本文采用软硬件结合的方法进行温度补偿，使用线性温度传感器REF02 作为测温元件对仪器进行温度补偿,同时使用查表的方法进行软件补偿。电压u1 及电桥不平衡电压输出u2 之间的关系为：=( 2u RddsjRuRddsjRu 11 11)11 sRjddsRjddRsuj1（）式中，R 为桥臂电阻； d 为电容器两极板之间的距离；d 为电容器两极板距离变化量；为激励源角频；为电介质数；s 为电容器极板面积；u1 为激励源电压；u2 为电桥不平衡电压输出。令d + jRs = K，则jRs = K - d ,则上式变为=()()=-() （）2udKdK11dK 1u222 dKd dK 1u因为K2 d2 ,所以上式简化为=- （）2udSudKKd1)(22式中，S 为灵敏度。6上述推导只是在理想条件下的推导过程中, 在实际的电子水平仪系统中关系式应进行修正
