2011届测控技术与仪器专业毕业论文高精度倾角测量电路的设计摘 要本文论述了高精度倾角测量电路的原理和现状，选择了高精度倾角传感器LCF-100电路设计测量倾角。采用了ADUC845单片机作为倾角信号控制的核心、MAX293作为低通滤波器、AD7701作为模拟信号到数字信号转换芯片、MAD491作为电平转换的芯片，完成了各个芯片硬件电路设计、AD转换控制、信号电平转换控制软件设计，并实现了软件和硬件的调试，通过调试和误差计算分析，表明本文所研究的高精度倾角测量电路有很高的精度和稳定性，很适合于精度需求较高的军事、航空航天等领域的仪器设备使用，达到了本课题的要求。关键词：LCF-100高精度倾角传感器，AD转换，ADuC845芯片控制，精度，422总线信号。朗读Design of high-precision angle measuring circuit显示对应的拉丁字符的拼字典 - 查看字典详细内容ABSTRACTThis article discusses the principle of high-precision angle measurement circuit and the status quo of high-precision angle measurement circuit, choose the high-precision angle sensor LCF-100 circuit to measure angle. Using the microcontroller ADUC845 as control core a dip signal, the MAX293 as a low-pass filter, the AD7701 as an conversion chip of analog signal to digital signal, the MAD491 as a chip of signal level conversion ,completing the hardware design of each chip and the software design of AD converter control and the software design of change control of the signal Level, and completing the debugging of software and the debugging of hardware, through the debugging and the calculation and analysis of error, the study have shown that the high-precision angle measurement circuit has high accuracy and stability, the article design should use to the fields of aerospace military equipment that demanding very high demand for precision. Reached this topics requirementsKeywords: LCF-100 high-precision angle sensor, AD conversion, ADuC845 chip control, precision, 422 bus signals.4目 录第一章 绪论11.1 课题的背景、意义11.2 课题的研究内容11.3 国内外的研究状况及发展趋势2第二章 总体方案设计42.1 预选方案42.1.1 方案一基于加速度传感器的倾角仪设定42.1.2 方案二62.2 方案优化与拓展7第三章 硬件设计103.1 数据采集单元电路设计103.2信号处理单元电路设计113.3.1 低通滤波电路设计113.3 A/D转换电路设计133.3.1A/D晶振电路设计153.3.2A/D数据传输控制电路153.3.3A/D其他电路设计163.4 中心控制单元电路设计173.4.1 单片机型号的选择173.4.2 串行通信接口电路设计203.4.3 复位电路设计203.4.5 晶振电路设计213.4.6 其他外设电路设计223.5 信号传输单元电路设计223.6系统供电电源电路设计253.6.1 LCF-100高精度倾角传感器电源电路设计253.6.2电路芯片电压源电路设计253.7 实验板设计26第四章 软件设计284.1 软件设计原则和编程方法284.2 软件设计的总体思路及框架284.3 各模块程序设计304.2.1 系统初始化程序设计304.2.2 AD7701A/D转换程序设计314.2.3 TTL到422总线转换软件设计原理33第五章 课题总结355.1 毕业设计过程总结355.2 系统总体演示355.2.1 Proteus仿真调试355.2.2 实验板演示365.3 总结37参考文献38第一章 绪论1.1 课题的背景、意义倾角传感器是一种可以直接将倾角转换成脉宽调制信号，测量关于某一基准面的倾斜角或者是姿态的装置，可直接由数字系统进行处理和显示的电子器件，该传感器量程宽、精度高、分辨率较高，可在严酷的环境条件下工作，因此它在数字式斜度计、水平仪等精密测角系统中得到广泛的应用。1传感器在我们的生活中无处不在，发挥着很重要的作用，在航空航天、天线定位、机器人技术、坦克和舰船火炮平台控制、飞机姿态、汽车电子控制等需求精度较高的设备上，为保证操作平台的水平状态，需要对其进行水平检测和调整。2随着市场需求和科技的发展，人们对工程、机械、航空、航海设备的可靠性、精度和稳定性提出了更高的要求，现使用的光学象限仪、单轴、双轴和三轴型传感器等仪器由于精度低、防震性能差、操作费时等因素,已不能满足设备的快速精确测量要求。因此，在该领域还有很大的发展空间，为此需要使用一种精度高的高精密型传感器，才能满足所需要的高精度测量结果，LCF-100型高精度倾角传感器达到了1度，LCF-100型高精度传感器以其精度高、抗干扰强、稳定性好等优点在很多领域应得到广泛的应用。31.2 课题的研究内容本课题研究设计的高精度倾角传感器电路要求能够对航空航天、天线定位、机器人技术、坦克和舰船火炮平台控制、飞机姿态、汽车电子控制等需求精度较高的设备静态、动态倾角的测量。在设计过程中，此电路设计应该具有能够精确测量正负倾角，同时通过单片机控制将测得的倾角信号远距离传送出去，从而实现设备针对倾角的调整，确保这些仪器设备正常的使用。根据任务书的要求，本设计的主要工作是完成基于单片机的LCF-100倾角传感器的硬件电路设计及软件的分析规划，并对测量结果进行仿真和误差分析。1.3 国内外的研究状况及发展趋势建国初期我国连一个简单的多面棱镜都要进口。半个世纪以来，计量工作者做了大量的工作，建立了我国的角度计量基准器和各级标准器，对角度的测量的理论、方法、和技术进行了深入研究，并研制出各种角度测量仪器以满足经济建设和国防的需求。随着生产和科学的不断发展，角度测量也来越广泛的应用于工业、科研等各领域，技术水平和测量准确度也在不断地提高。近年来特别是随着电子技术的蓬勃发展，使得角度测量技术得以实现自动化，极大地扩充了角度测量的应用范围。作为测量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代先进的光电式、电子式以及激光式水平仪的过程。分度值一般分为1、30、10、1几个等级，对于较高精度的测量则需采用分度为0.01mm/m（12）的合像水平仪以及分度值为0.005-0.01mm/m（12）的电子水平仪。图1所示分别为瑞士WYLER公司生产的条式气泡水平仪和国内山东潍坊量具厂生产的框式水平仪。图1 条式气泡水平仪（左）和框式水平仪（右）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，使计量检测具有了一定程度的智能，但在电子水平仪中尚无此种用法。大角度测量仪器通常称为倾角传感器。从反馈的信息可知，目前生产倾角传感器的厂家较少，而且产品规格不全，以单轴倾角传感器居多，如图为一种国产单轴倾角传感器。单轴倾角传感器的分辨率较高，但其缺点式结构复杂，体积大，使用中调整和安装很不方便。例如，单轴倾角传感器可用于标定三维转台的示值精度。标定中需要将其安装于三维转台的工作台上，如图2所示：由于标定时需要将倾角传感器的旋转轴线与三维台的旋转轴线重合，才能获得高精度标定结果，很明显，在此项标定硬件条件下，无法两轴线重合。再有一个问题是，倾角传感器很重，必须将其牢固固定在工作台上，以便随三维台旋转，在此实例中，如何固定倾角仪，是一个令人难解的问题。图2 单轴倾角传感器及其对三维转台的标定如何将倾角仪便携和微型化，就不能提到微机电系统（MEMS）。微传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器，具有体积小、总量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。利用MWMS技术制成的传感器完全符合倾角传感器的发展趋势。4在参考传感器世界、传感器产品目录等期刊杂志等的基础上，通过网络查询和厂家代理商咨询等形式，查阅了大量的倾角传感器资料。从反馈的信息可知，目前生产倾角传感器的厂商较少，但就产品而言，单轴倾角传感器居多，且分辨率较高。就国内产品而言，传感器与电路集成较少，且大多只提供模拟量输出。就传感器发展状况而言，从收集资料看，北京信息工程学院的产品在小型化及产品精度等指标方面较领先，如膜电位倾角传感器。就网络查询反馈看，产品主要集中在欧美几家大公司，如英国的Clino 公司、德国的西门子公司、美国的Cross Bow Technology 公司、Atmos 工程公司、Fredericks 公司以及美国数字公司。就国外产品种类而言，其数量也较少，但从数字化、小型化、精度、重量、使用温度范围及线性度等指标而言，具有较高的实用价值。如LS 系列产品分辨率可达到1.8，英国Clino公司SP 系列产品高度只有22mm，特殊的可达到16mm，可用于一些特殊场合。Cross Bow公司CXTA、美国数子公司A2产品均属于数字产品，可以通过接口板直接与计算机相连。5拥有超过40年经验的Jewell仪器公司在世界具有领先地位，制造包括惯性传感器、速度计和倾角仪器。质量和可靠性被认可，LCF型传感器可广泛用于多种工业、商业和航空航天。The Jewell LCF系列是应用存在冲击和振动领域的倾角范围为190的高水平装置。LCF加速度是完全独立的。他们连接到直流电源且完整的操作系统读出或控制。输出是一个正比于加速度高水平的直流信号，倾斜角度是0.010g到20g，LCF加速度响应速度变化小到1ug。满量程输出滞后小于0.0005且振动小于50G/G2时可用。LCF单元优异性表现在具有重复开启低疲劳和非常低的磁滞性。同时在查阅的过程中可以看出，LCF型传感器由于其动态性能好，精度高，因此在倾角测量中也得到广泛的应用。6第二章 总体方案设计2.1 预选方案2.1.1 方案一基于加速度传感器的倾角仪设定下面介绍利用新型单片双轴MEMS加速度传感器ADX