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新型便攜式傾角傳感器設(shè)計(jì)針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)角儀體積大、讀取困難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型便攜式測(cè)角儀。P2采用C8051單片機(jī)。通過(guò)單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集0口傳感器的輸出電壓并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量首先經(jīng)過(guò)平均值濾波器處理，然后轉(zhuǎn)換成角度，最后通過(guò)液晶顯示器輸出角度測(cè)量值。同時(shí)，還設(shè)計(jì)了RS-232通信模塊。它用于與主機(jī)通信。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，具有重量輕、體積小、電池供電、使用方便等特點(diǎn)。結(jié)果表明:在0-90。系統(tǒng)的最小分辨率為0。1. ，靈敏度為0。02 V /°，具有良好的重復(fù)性和線性度。 0引言 傾角傳感器用于測(cè)量?jī)x器相對(duì)于水平面的傾角，在航空、太陽(yáng)能2J、自動(dòng)水準(zhǔn)儀j、軍事j、高精度科學(xué)設(shè)備等方面發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的傾斜傳感器由于可靠性強(qiáng)、精度高，在水平、垂直和角度測(cè)量領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，在許多專業(yè)領(lǐng)域作為配套儀器得到了廣泛的應(yīng)用。但是在相對(duì)惡劣的環(huán)境條件和沒(méi)有市電供電的狀態(tài)下，這種傳感器產(chǎn)品是無(wú)法進(jìn)行測(cè)量的。因此，研究適應(yīng)惡劣環(huán)境、機(jī)身體積小、重量輕、電池供電、使用方便、靈活的傾角傳感器產(chǎn)品是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。作者設(shè)計(jì)了一種基于c8051f310單片機(jī)的傾角測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傾角傳感器的最小分辨率為0。1. 其重復(fù)性和線性度都比較合理，可應(yīng)用于各種高精度儀器的水準(zhǔn)和角度測(cè)量系統(tǒng)中，具有非常高的應(yīng)用價(jià)值。 1電路系統(tǒng)方案 角度傳感器sca60c傳感器輸出的電壓信號(hào)與角度呈正態(tài)相關(guān)，通過(guò)Analog (Analog to digital，以下簡(jiǎn)稱:a /D)轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)傳輸給微處理器C805 1F3 10進(jìn)行濾波、限幅、角度處理，使其成為對(duì)應(yīng)角度的實(shí)時(shí)信號(hào)，通過(guò)顯示模塊顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面。另外配置RS-232信號(hào)通信模塊，系統(tǒng)通過(guò)RS-232信號(hào)通信模塊傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。經(jīng)過(guò)分析，傾角傳感器分為以下六大主要模塊:傳感器傳感模塊、電源模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、微處理器模塊、顯示模塊和RS-232信號(hào)傳輸模塊。 1.1傳感器傳感器元件模塊 SC A60C是芬蘭VTI科技公司推出的一款分辨率高、噪音低、穩(wěn)定性好、抗沖擊性強(qiáng)的單軸傾斜傳感器芯片。該芯片可用于測(cè)量物體是處于水平、垂直位置還是與水平呈一定角度，它實(shí)際上是一個(gè)加速度計(jì)，其內(nèi)部由敏感元件、測(cè)量電路、增益放大和濾波模塊組成，它通過(guò)測(cè)量地球在測(cè)量方向上的重力，將其轉(zhuǎn)換成傾斜角度。用公式(1)將角度轉(zhuǎn)換為模擬量輸出:
式(1)中，為角度傳感元件的輸出電壓;為輸入角;是模塊在水平位置的輸出電壓(輸出值通常為2)。5 V);V是模塊的靈敏度(其靈敏度為每重力加速度2v)。為了獲得更好的準(zhǔn)確性，請(qǐng)使用實(shí)際輸出值而不是通常的值。該傳感器靈敏度高，在小角度范圍內(nèi)，其傾斜產(chǎn)生的電導(dǎo)率信號(hào)與實(shí)際角度具有良好的線性相關(guān)性，可用于實(shí)現(xiàn)精確的角度測(cè)量。該傳感器對(duì)溫度變化不敏感，因此溫度變化對(duì)測(cè)量精度的影響很小。 1.2電源模塊 為了給電路中的傾斜傳感器SCA 60C和通信轉(zhuǎn)換芯片MA X 232 cep提供+ 5v電壓，作者采用了lm78i ~ 5A CZ穩(wěn)定芯片。通過(guò)該芯片可以為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的+ 5V電壓，電源為9V干電池。為C805 1F3 10單片機(jī)提供+ 3。在3V電壓下，作者使用的是ms1117核心芯片，通過(guò)該芯片可以為單片機(jī)提供穩(wěn)定的+ 3電源。3v電壓。
圖2電源模塊 1. 3微處理器模塊 本電路采用單片機(jī)C805 1f310作為微處理器主模塊單元的核心。c805 1f310單片機(jī)應(yīng)用廣泛，有更多的源代碼可供學(xué)習(xí)，減少了工作量，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。c805 1f310單片機(jī)具有8 1024字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，其提供的程序存儲(chǔ)器容量大，輸入輸出接口方便靈活，受到廣大工控設(shè)計(jì)人員的青睞。 1. 4 A/D轉(zhuǎn)換模塊 模擬信號(hào)選定后，必須進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成微處理器能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。系統(tǒng)的模擬信號(hào)是電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將每個(gè)角度對(duì)應(yīng)的電壓值轉(zhuǎn)換成唯一的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，這就是微處理器能夠識(shí)別和處理的信號(hào)。 C805 1F310單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to D digital Converter，以下簡(jiǎn)稱Adc)集成了兩個(gè)25通道模擬復(fù)用器和一個(gè)每秒采樣20萬(wàn)次的10位逐次逼近型Adc。直流可以單端或差分模式工作，模擬多路復(fù)用器選擇直流P1.0到P3的正、負(fù)輸入。4和G、N、D中的任意一個(gè)都可以作為負(fù)輸入，P1.0 ~ P3。4. 可以選擇片上溫度傳感器輸出和正電源中的任意一個(gè)作為正輸入，如圖3所示。只有當(dāng)ADAC控制寄存器中的ADOEN位設(shè)置為“1”時(shí)，ADC子系統(tǒng)才能啟動(dòng)。當(dāng)位doen為0時(shí)，子系統(tǒng)adc0處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)選擇gnd為負(fù)輸入時(shí)，直流工作在單端模式。在所有其他模式下，直流工作在差分模式。adc的輸入通道是通過(guò)對(duì)寄存器amxo P和amxon的值進(jìn)行調(diào)諧來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果的高字節(jié)和低字節(jié)保存在寄存器A DCOH和A DCOL中。在本次設(shè)計(jì)中，作者采用單端工作模式，選擇P2。端口0為模塊A、D、C的正輸入，端口G、N、D為模塊A、D、C的負(fù)輸入。
圖3 A/D模塊 1.5MSC 1602a液晶顯示模塊 液晶顯示器具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕量化等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在各種儀器儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)采用常用的2線16字SMC 1602A液晶模塊顯示測(cè)量角度。SMC1602A液晶模塊與單片機(jī)的連接示意圖如圖4所示。 單片機(jī)的P1口與SMC 1602A液晶模塊的數(shù)據(jù)口相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和命令。P2端口控制R S、R/W和e端使能。R S為數(shù)據(jù)/命令選擇終端，高功率小時(shí)傳輸次數(shù)和低功率小時(shí)命令傳輸次數(shù)。R/W為讀寫控制終端。高功率讀，低功率寫。當(dāng)rs和R/W同時(shí)處于低功耗時(shí)，可以寫指令或顯示地址;當(dāng)信噪比低、信噪比高時(shí)，可讀忙音。當(dāng)RS高，R/w低時(shí)，可以寫入數(shù)據(jù)。E表示啟用結(jié)束。當(dāng)E由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，LCD模塊執(zhí)行該命令。D0和D7為8位數(shù)據(jù)線。V L為液晶模塊的比例調(diào)節(jié)端， 當(dāng)連接到正電源時(shí)，對(duì)比度最弱，接地時(shí)該比率最高。當(dāng)比率過(guò)高時(shí)，可以通過(guò)10千歐姆電位器調(diào)節(jié)“鬼影”。
圖 4 單片機(jī)與SMC1602A液晶模塊連接圖 1. 6 RS-232通信模塊 系統(tǒng)還提供RS與上位機(jī)通信。因此需要將單片機(jī)的TX - D端晶體管-晶體管邏輯電平轉(zhuǎn)換為上位機(jī)可以接收的RS。232電平信號(hào)。在RS.232通信模塊中，主控芯片為美亞通信公司的m&x2 32C PE芯片。這個(gè)芯片可以用來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)晶體管。晶體管邏輯電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平，也可以將RS-232電平轉(zhuǎn)換為晶體管。晶體管邏輯級(jí)，屬于雙向驅(qū)動(dòng)接收器。系統(tǒng)使用該芯片作為與上位機(jī)連接的處理單元，將系統(tǒng)信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。用戶可以在RS-232協(xié)議允許的距離內(nèi)通過(guò)上位機(jī)采集傾角傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，也可以方便地利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行反向處理。電路如圖5所示。
2、軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)也采用模塊化設(shè)計(jì)原則。將實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的模塊程序制作成子程序，然后在主程序中調(diào)用。根據(jù)水平傾角測(cè)量?jī)x系統(tǒng)的需要，將其分為以下五個(gè)子模塊:單片機(jī)輸入輸出初始化模塊、A/D轉(zhuǎn)換器初始化模塊、A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集與發(fā)送到單片機(jī)模塊、數(shù)據(jù)傳輸與顯示模塊到液晶模塊、rs . 232數(shù)據(jù)傳輸模塊。軟件流程圖如圖6所示，具體的程序代碼在此不再贅述。 3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 為了測(cè)試系統(tǒng)的性能，使用角度發(fā)生器設(shè)置儀器傾斜角度，每次傾斜1。記錄數(shù)據(jù)一次，從0到90。在陽(yáng)性和陰性范圍內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)并記錄，最終得到兩組數(shù)據(jù)，如表1所示。這樣可以測(cè)試傳感器的可重復(fù)性和線性度。采用最小二乘法對(duì)直線進(jìn)行擬合，因?yàn)槠鋽M合精度最高。擬合直線方程為:Y = x10。18、系統(tǒng)的線性度為:A rnax /】，f = 0。279/9 0 = 0。00 31 (Am ax為真實(shí)特性曲線與擬合曲線之間的最大偏差，為傳感器的滿量程輸出)。最小分辨率0.1°，靈敏度2/90 0≈0.02}
表 1 系統(tǒng)性能測(cè)試 4 結(jié) 語(yǔ) 筆者設(shè)計(jì) 的新型便攜式傾角傳感器系統(tǒng)通過(guò)電源管理模塊改變 了電源 的供 電方式 ， 實(shí)現(xiàn) 了干電池供 電； 通過(guò)微 處理器 主控單 元控制 了顯示 、R S -232 數(shù)據(jù)傳輸?shù)确绞?的人機(jī)接 口，改造 了原有傳感器產(chǎn)品只具備模擬量輸 出的接 口方式 ，縮 小了產(chǎn)品體積 ，機(jī)體外殼采用長(zhǎng)方體形狀 ， 機(jī)體外殼長(zhǎng) ×寬 ×高 = 120m m ×80m m ×40m m ，安裝板測(cè)量面長(zhǎng) ×寬 ×高 = 110 r a m ×60 m m X 35m m ． 本機(jī) 的結(jié)構(gòu)外形尺寸比原有 的一體化結(jié)構(gòu) 的傳統(tǒng)儀器要小許多 ，其體積 比文獻(xiàn) [9 ] 中的體積更小 ， 更便 于攜帶． 傾角傳感器技術(shù) 的應(yīng)用 給水平傾 角測(cè)量領(lǐng)域提供了更多新 的選擇 ，滿 足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng) 對(duì)角度測(cè)量的廣泛應(yīng)用需求． 參考文獻(xiàn) ： [1] 盧衛(wèi)平 ，黃鳴豐 ，孫永 榮． 傾 角傳感 器在 太 陽(yáng)能 跟蹤系統(tǒng) 中 的 應(yīng) 用 研 究 [J ] ． 現(xiàn) 代 電 子 技 術(shù) ， 2012 ， 35( 1 ) ：129 —13 1． [3] 楊興瑤 ，劉行景． 高精度 電子傾 角傳感器 及其在 自動(dòng)調(diào)平儀中的應(yīng)用[J] ． 江蘇機(jī)械制造與 自動(dòng)化 ， 1994 ，(6 ) ：34 —3 5 ． 班寧產(chǎn)品匯總 |
