基于STC12C5A16S2单片机电子水平仪设计

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级学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单片机目录摘要 (1)1 绪论 (3)2 方案论证 (9)2.1系统设计方案论证 (9)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)3.3A/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)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。

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历经多次更新。

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。

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。

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敏度、反应时间等与国外相比，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。

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。

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。

其系统的总体结构框图如图2-l所示。

图2-1水平仪系统设计原理框图设计的智能电子水平仪的分辨力达到0.001mm/m，传感电容的变化量仅有几个或几十个皮法，屏蔽环境干扰、导线布置、温度等引起的寄生电容比传感电容大得多，例如屏蔽电缆电容一般为100PF/m，多路开关输入电容一般为8pF，而传感器的电容约为1pF，杂散电容将待测电容传感器信号淹没，如何消除寄生电容的影响，把有用的微小信号拾取出来成为难点之一。

本设计除在电容式传感器的设计中采取措施外，根据已有的小电容测量电路原理[7]，设计了一种高分辨力的信号调理电路。

选择检测电路时主要从输出信号的稳定性和精度两方面分别进行对比。

而运算检测电路的优点不仅可以保证输出的稳定性，而且其输出与变极距型传感器的极距成正比，可以保证测量精度会大大高于其它测量电路。

因此，本课题采用运算放大器检测电路作为本课题的电容检测电路。

3.2 传感器的选择传感器的分类方法多种多样，按照其测量原理可分类为电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器。

在本课题中，若采用电阻式传感器作为倾角传感器，由于电阻式传感器是接触式测量，所以将传感器的一端固定在上端盖，探头与摆盘固连在一起。

当壳体倾斜时，传感器输出并不灵敏，输出值的误差也相当大，原因是要驱动电阻式传感器需要比较大的力，而机械系统无法提供那么大的力，因此电阻式传感器不适于本课题，本课题中的倾角传感器采用非接触式的比较合适。

在非接触式位移测量方面，与电感传感器相比，电容式传感器测量精度更高，灵敏度也更好，因此在本课题中选用电容式位移传感器。

3.2.1 电容传感器(1)电容传感器的优点电容式传感器具有一系列突出的优点，如结构简单、体积小、分辨率高、可非接触式测量等。

这些优点，随着电子技术的迅速发展，特别是集成电路的高速发展，将得到进一步的体现，而它存在的分布电容、非线性等问题以又将不断地得到克服，因此电容式传感器有着非常好的应用前景。

电子水平仪采用一个具有可变参数的电容作为传感器，有两个平行板组成的电容器的电容量为：AC d ε= (2-2)当被测参数使得A 、d 或ε发生变化时，电容量C 也随之变化。

电容传感器的分类按照变化参量的不同，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型，以下对这三种类型的电容传感器分别予以介绍。

1．变极距型电容传感器如图2-3变极距型电容传感器原理图所示。

传感器的ε和A 为常数，初始极距为0d 。

由式(2-2)可知其初始电容量00AC d ε=，当动极板因被测量变化而向上移动使0d 减小d ∆，电容量增大C ∆则有：000011AC C C d d d d ε+∆==-∆⎛⎫∆- ⎪⎝⎭ (2-3)可见,传感器输出特性()C f d =是非线性的。

由式（2-3）可知： 图2-3变极距型电容传感器原理图d电容相对变化量为10001C d d C d d -⎛⎫∆∆∆=- ⎪⎝⎭ (2-4) 上式按级数展开为23000001C d d d d C d d d d ⎡⎤⎛⎫⎛⎫∆∆∆∆∆⎢⎥=++++ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦(2-5) 略去式（2-5）中的高次（非线性）项，可得近似的线性关系和灵敏度S 分别为00C d C d ∆∆≈ (2-6) 和 0200C C A S d d d ε∆===∆ (2-7) 如果考虑式(2-5)的线性项及二次项，则0001C d d C d d ⎛⎫∆∆∆=+ ⎪⎝⎭(2-8) 因此，以式(2-6)作为传感器的特性使用时，其相对非线性误差f e 为 ()()20000000100100f d d e d d d d ∆=⨯=∆⨯∆ (2-9)由上讨论可知：1)变极距型电容传感器只有在0d d ∆很小(小测量范围)时，电容才有近似的线性输出；2)灵敏度S 与初始极距0d 的平方成反比，故可以用减小0d 的办法来提高灵敏度。