1、 本科毕业 设计（ 论文 ） 水平仪的设计与研究 燕 山 大 学 年 月 本科毕业 设计（ 论文 ） 水平仪的设计与研究 学院（系）： 电气工程学院 专 业： 测控技术与仪器 学生 姓名： 学 号： 指导 教师： 答辩 日期： 燕山大学毕业设计（论文）任务书 学院： 电气工程学院 系级教学单位： 仪器科学与工程 学 号 学生 姓名 专 业 班 级 题 目 题目名称 水平仪的设计与研究 题目性质 1.理工类：工程设计 （ ）；工程技 术实验研究型（ ）； 理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ） 2.管理类（ ）； 3.外语类（ ）； 4.艺术类（ ） 题目类 型 1.毕业设计（ ）
2、2.论文（ ） 题目来源 科研课题 （ ） 生产实际 （ ） 自选题目 （ ） 主 要 内 容 1.掌握水平仪的设计结构及设计方案 2.掌握水平仪的测量原理 3.测量系统电路设计 4.设计温度补偿方案 基 本 要 求 对水平仪结构进行设计，并对温度漂移进行补偿 。 参 考 资 料 1、单片机类参考资料 2、电容传感器方面资料 周 次 14 周 58 周 912 周 1316 周 1718 周 应 完 成 的 内 容 查阅资料，熟悉课题 方案分析与确定 系统及测量电路设计 撰写论文初稿 修改论文，准备答辩 指导教师： 职称： 年 月 日 系级教学单位审批： 年 月 日 摘要 I 摘要 基于传感器
3、、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 过信号处理和单片机的控制、运算将倾角以数值的形式直接在数码管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 AD7706 对 所得信号进行 A/D 转换，并给出了 零点和温度补偿方法 。 通过对温度补偿原理的理论推
4、导，提出 了智能电子水平仪中的温度补偿策略。提出 了使用软 件和硬件结合等多项自动补偿与自动校正技术进行温度补偿， 最大限度简化 了 电路，提高 了 系统的稳定性和可靠性。 关键词 智能电子水平仪；差动电容传感器；温度补偿；自动调零 燕山大学本科生毕业设计（论文） II Abstract Based on sensor, digital signal process and SCM technology， a high precision digital gradienter is introduced By using angle sensor to measure level obliqu
5、ity， and using M CU to control and calculate level obliquity， the value of level obliquity given by numerical form is showed through digitron， or uploaded to computer to display and process The measurement by using the digital gradienter is convenient， while rapid operated， and has high precision Th
6、e application proposal of differential capacitive sensor in intellectual electronic level gauge with resolution 0.001mm/m was introduced Differential output signal was sent to the A / D converter, through the AC zoom, rectification filter and DC zoom. It used integrated chip ICL8038 to excite the di
7、fferential capacitor bridge AD7706 was used to convert the sampling signals to digital signa1 Finally the key point for temperature compensation and zero compensation were introduced. Via the theoretic derivation of temperature compensation， the temperature compensation strategy of intellect electro
8、nic level instrument is introduced Several automatic compensation and automatic calibration techniques, such as integration of software and hardware， are put forward to simplify the electric circuit and improve the stability and reliability of the system Keywords intellectual electronic level gauge;
9、 differential capacity principle; temperature compensation; Automatic zero adjust III 目 录 摘要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 .1 1.1 课题背景 .1 1.1.1 课题的目的和意义 .1 1.1.2 国内外在该方向的研究现状及分析 .1 1.2 课题任务 .3 1.3 本文结构 .4 第 2 章 电子水平仪的总体设计 .5 2.1 方案的确定 .5 2.1.1 温度补偿的方案 . 错误 !未定义书签。 2.1.2 零点补偿的方案 .7 2.2 传感器的选择 .7 2.2.1 电
10、容传感器 .8 2.2.2 本课题所采用的传感器类型 . 11 2.3 A/D 转换器的选择 . 11 2.3.1 AD 转换器的分类及介绍 . 11 2.3.2 本课题中对 AD 转换器的选择 .13 2.4 单片机的选择 .13 2.5 本章小结 .14 第 3 章 系统的硬件设计 .15 3.1 倾角传感器的设计 .15 3.1.1 差动电容传感器测角原理 .15 3.1.2 差动电容传感器结构设计 .15 3.2 角度转换模块的设计 .16 3.2.1 激励源电路设计 .17 3.2.2 测量电桥 .19 IV 3.2.3 第一级放大电路 . 20 3.2.4 整流滤波电路 . 22
11、3.2.5 第二级放大电路 . 26 3.3 数据处理模块的设计 . 28 3.3.1 信号采集与 A/D 转换 . 28 3.3.2 单片机测量系统设计 . 31 3.3.3 LED 显示 . 34 3.3.4 温度与零点误差补偿 . 35 3.4 本章小结 . 38 第 4 章 系统的软件设计 . 39 4.1 总体流程图 . 39 4.2 按键服务程序 . 40 4.3 滤波程序 . 40 4.4 AD 转换程序 . 41 4.5 数据处理 . 43 4.6 LED 显示程序 . 43 4.7 自动调零程序 . 43 4.8 本章小结 . 44 结论 . 45 参考文献 . 46 致谢
12、. 48 附录 1 开题报告 . 49 附录 2 文献综述 . 58 附录 3 中期报告 . 64 附录 4 文献 翻译 . 72 附录 5 文献翻译原文 . 80 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 1.1.1 课题的目的和意义 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
13、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。 1.1.2 国内外在该方向的研究现状及分析 目前国内已有的水平仪不能很好的满足生产和应 用的需求，国内电子水平仪的生产和研制能力与国外相比相对落后。尤其是存在着智能化程度不高，对数据缺乏处理能力，无法一次性测量出被测面倾斜角和方位角等缺点。近年来，国内在水平仪的研制开发方面取得了不少进展。 湛江师范
14、学院测试中心的孙国敏、林劲松研制的智能化水平仪，以单片机作为中枢系统配上传感器、 A/D转换器等外围部件，可自动检测物体与标准水平面的倾斜程度。传感器有两个金属圆筒构成，小圆筒固定在大圆筒内并密封。大圆筒和小圆筒之间充满整个容量一半左右的流体介质。电介质呈粘滞性液体，在小圆筒内壁和大圆筒外壁各引出一根 导线，当它水平时有一电容值 0C ，当平板发生一偏转角度 后，该圆柱电容值的变化与偏转角度的正切成线性关系，形如 arctan b ， a、 b为常量，只与传感器本身有关。每一个倾斜角度对应一个电容值，于是在测量物体的倾斜度时，可用电容值的燕山大学本科生毕业设计（论文） 2 变化来反应被测物体的
15、倾斜角度，经 A/D转换和 8031的处理后，倾斜角度由液晶显示器显示出来。不过该传感器在灵敏度方面有所欠缺，有待于进一步改进 1。 随着光学应用领域的不断扩展，也相应的产生了一些基于光电原理的光电式水平仪和激光式水平仪。上海交通大学的李佳列、颜国正等研制的数字式电子水平仪，由带 CCD的普通探头、 CCD信号驱动板、整形电路、单片机及后继电路四部分构成，采用普通水平仪的探头、内灌黑色油状液体放在一个暗盒内，顶部有一气泡，气泡长度为 5 7mm之间，探头一边为毛玻璃和一组小灯泡，模拟出近似的平行光源，另一边为有 2160个象元的线阵 CCD传感器 (该传感器用到其中的 2048个象元 )。检测
16、水平度时，让灯泡发光，有气泡处 CCD接收到光信号，输出 信号数字信号 1(整形后 )，无气泡处光信号被溶液吸收，输出数字信号 0。通过算法对 串行信号的处理来判断气泡的位置，算出气泡的中心，最后通过气泡中心位置得到倾斜角度。研制出的样机探头长为 28.7mm，圆柱面半径为 l所时，量程为 50，分辨率达到 23.1，反应时间小于 10ms(CCD采样频率为 20MHz)2。 由南京理工大学应用物理系的袁红星、贺安之等人研制的用 PSD构成的全方位高准确度数字水平仪，是用连续型光电位置探测器作为传感器，由半导体激光器另加配重并悬挂于壳体顶部作为竖直基准，辅以高准确度信号变换电 路，以单片机进行
17、数据处理和显示。当激光器的悬挂点距光敏面垂直距离 R=100mm时， PSD敏感面为 212 12mm 时，测量准确度达 9.25。测量范围可达 3.2 3。 军械工程学院的牛燕雄等人研制出的激光水平仪是一种智能化显示装置仪器，该仪器在二维空间实时产生一条激光扫描线，使这条扫描线总是与地平线平行。它可安装于运动物体上，采集地平仪信号，在较大的视场显示地平线，实时显示出物体的运动姿态。应用于飞机上，可防止空间定向障碍 ；在医学检测重，利用手动信号来调节激光扫描线的位置，还可对人体进行某些病理检测 4。 目前生产中广泛应用的电子水平仪在原理上以重物铅垂线为直线基准，这类水平仪主要有电感式和电容式两
18、种。由于电容传感器和其他传感器相比第 1 章 绪论 3 有输入能量极低，只需要非常小的输入力就可以获得较大的相对变化量，且结构简单、运行可靠等优点，在目前广泛应用的数字式电子水平仪中多采用这种传感器。其中电容式电子水平仪的原理是将差动式电容传感器的两个固定极板固定在水平仪的底座上，当水平仪处于自然水平位置时，可动极板位于两固定极板的正中位置，与两个极 板的间隙相等，电容量相等，电桥处于平衡状态，输出为零。当底座有微小倾斜时，装在底座上的两个极板随之倾斜，于是可动极板与两个固定极板之间的空气间隙便不相等，造成电容量不等，从而破坏电桥的平衡，则输出即为反应倾斜量的电压信号 5。 目前国外数字式电子
19、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。其中最著名的是瑞士 Wyler公司，其生产的 NT系列新型电子水平仪适用于测量小角度，主要用于测量工件表面的平面度，也可测量机床的几何误差，其 中的NT11型平面式电子水平仪最高分辨率可达 0.001mm/m，具有数字显示功能，可选择角度读数和 mm/m读数，国内的同类产品主要有青岛前哨 SDSIO和SDS11型，航空 304所的 TD-80型数字型电子水平仪，其最高精度均可达到0.001mm/m6。 1.2 课题任务 （一）研究的基本内容 本课题研究的主要内容是： 1) 通过查阅资料了解各种水平仪的结构设计特点，并在此基础上根据课题要求确定要设计的水平仪的结构及设计的具体方案。对几种非接触式位移传感器进行比较后，选择了差动电容传感器。 2) 掌握水平仪的基本测量原 理， 本课题所设计的电子水平仪是根据摆原理，结合传感器技术、微机测量技术设计而成的。 3) 在掌握了测量原理的基础上逐步进行系统电路的设计，包括单片机检测电路、温度补偿电路以及零点补偿电路等。 4) 确定温度补偿的方案，包括硬件补偿和软件补偿。 5) 采用汇编语言对单片机进行编程，以解决水平度计算、数码显示以及温
