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长春理工大学毕业设计I摘要本文通过对传统电子水平仪的传感器的系统分析以及对传感器原理和检测原理的研究，结合对后续信号处理系统的设计，给出了一套新型高分辨率大范围数字型电子水平仪的设计方案。论文介绍了电子水平仪前端传感器的设计，后端电路设计以及相关的理论分析等。设计了一种电子水平仪，该电子水平仪含有外壳和检测电路。检测电路安装在外壳中，检测电路内包含有测量模块，中央处理器，接口模块和显示模块。测量模块选用一个SCA100TD02倾角传感器；中央处理模块选用ATMEGA16的微处理控制器；倾角传感器的输出端与微处理器的A/D转换输入端连接；接口模块选用MAX232，微处理器ATMEGA16的输入/输出端通过MAX232与显示模块PC的输入端连接或直接与显示模块LCD1602液晶显示器连接。论文详细说明了电路设计的方法及原理、电路实现的功能以及各电路区之间的相互联系等。在软件设计部分，介绍了软件总体设计的工作流程、电压倾角转换的程序设计以及计算机的软件设计，实现了数字化输出。除此之外，本文还对系统进行误差分析，针对可能存在的误差进行了进一步的校正实验，减小了误差，提高了测量精度。该双轴数字式电子水平仪的测量范围可达90,分辨力达到00025,误差可小于000030。可广泛应用于双轴平台调平倾斜测量、垂直方向的各种角度的测量、光学激光仪器的调平。它还可用来测量高精度的工具机，如NC车床、铣床、切削加工机、三次元量床等床面，其灵敏度非常高。关键词电子水平仪SCA100TD02双轴（XY轴）测量ABSTRACTTHROUGHANALYZINGTHESENSORSYSTEMOFTHETRADITIONALELECTRONICLEVELANDINVESTIGATINGTHESENSORTHEORYANDPRINCIPLEOFDETECTION,COMBINEDWITHDESIGNINGTHESUBSEQUENTSIGNALPROCESSINGSYSTEM,THEARTICLEGIVESASETOFDESIGNSOLUTIONSABOUTTHENEWHIGHRESOLUTIONLARGESCALEDIGITALELECTRONICLEVELTHISPAPERINTRODUCESTHEELECTRONICLEVELFRONTENDSENSORDESIGN,BACKENDCIRCUITDESIGN,ANDRELEVANTTHEORETICALANALYSISANDSOONDESIGNINGANELECTRONICLEVEL,THEELECTRONICLEVELCONTAINSWITHASHELLANDADETECTIONCIRCUITDETECTIONCIRCUITINSTALLSINTHESHELL,ANDTHEDETECTIONCIRCUITINCLUDESAMEASUREMENTMODULE,CPU,INTERFACEMODULEANDDISPLAYMODULETHEMEASUREMENTMODULESUSESASCA100TD02ANGLESENSORTHECENTRALPROCESSINGMODULESELECTSAATMEGA16MICROPROCESSINGCONTROLLERTHEANGLESENSORSOUTPUTCONNECTSWITHTHEMICROPROCESSORA/DCONVERTERSINPUTTHEINTERFACEMODULEUSESAMAX232,THEMICROPROCESSORATMEGA16INPUT/OUTPUTANDTHEPCOFTHEDISPLAYMODULESINPUTCONNECTIONSTHROUGHTHEMAX232ORCONNECTSWITHTHEDISPLAYMODULELCD1602LIQUIDCRYSTALDISPLAYTHEPAPERDETAILSTHEMETHODANDPRINCIPLEOFTHECIRCUITDESIGN,THEFUNCTIONSOFTHECIRCUITANDTHELINKSBETWEENTHECIRCUITAREASINSOFTWAREDESIGN,ITINTRODUCESTHEWORKFLOWOFTHESOFTWAREDESIGN,THEPROGRAMDESIGNOFTHEVOLTAGEANGLECONVERSIONANDTHECOMPUTERSOFTWAREDESIGN,ANDACHIEVESTHEDIGITAL长春理工大学毕业设计IIOUTPUTINADDITION,THISARTICLEALSOANALYZESTHESYSTEMERROR,CARRIESOUTFURTHERCORRECTIONEXPERIMENTSFORPOSSIBLEERRORS,REDUCESERRORSANDIMPROVESACCURACYTHEDUALAXISDIGITALELECTRONICLEVELSMEASURINGRANGEISUPTO90,RESOLUTIONTO00025,ERRORCANBELESSTHAN000030“ITCANBEWIDELYUSEDTOTHETILTMEASUREMENTOFTHEDUALAXISPLATFORMLEVELING,VARIOUSOFANGLESMEASUREMENTINVERTICAL,OPTICALLASEREQUIPMENTLEVELINGITCANALSOBEUSEDTOMEASURINGHIGHPRECISIONMACHINETOOLS,SUCHASNCLATHES,MILLINGMACHINES,CUTTINGMACHINES,CMMANDOTHERBED,ITSSENSITIVITYBEINGVERYHIGHKEYWORDSELECTRONICLEVELSCA100TD02AXISXYAXISMEASUREMENTS长春理工大学毕业设计III目录第一章绪论111课题研究的目的和意义112水平仪简介113国内外电子水平仪研制生产现状2131国外电子水平仪研制生产现状2132国内电子水平仪研制生产现状314本文的主要研究内容3第二章系统硬件设计421传感器电路4211倾角传感器的选型4212SCA100TD02传感器4213SCA100TD02传感器芯片电路522微控制器6221微控制器的选型6222ATMEGA16单片机623MAX232通信串口芯片824供电电源电路设计925显示模块设计10251液晶显示器LCD1602显示芯片10252PC机的显示模块设计1026本章小结11第三章电子水平仪接口电路设计1231SCA100TD02与ATMEGA16接口电路设计12311SCA100TD02与ATMEGA16接口电路的功能12312SCA100TD02与ATMEGA16接口电路设计1232ATMEGA16与MAX232接口电路设计13321ATMEGA16与MAX232接口电路的功能13322ATMEGA16与MAX232接口电路设计13323ATMEGA16与MAX232接口电路布线布局特点1433ATMEGA16与LCD1602液晶显示器的接口电路设计14331ATMEGA16与LCD1602液晶显示器的接口电路的功能14332ATMEGA16与LCD1602液晶显示器的接口电路设计14长春理工大学毕业设计IV34本章小结15第四章系统软件设计1641主控单元软件设计16411软件总体设计16412SCA100TD02软件设计18413电压与倾角转换设计2342显示界面设计23421LCD1602显示界面设计23422计算机软件界面设计2443本章小结25第五章系统调试和实验2651硬件调试2652误差分析2753校正实验27531X（Y）轴灵敏度校正27532温度校正29533零点校正30第六章结束语3261总结3262展望32参考文献33致谢34附录35长春理工大学毕业设计V长春理工大学毕业设计1第一章绪论11课题研究的目的和意义在水平仪的发展早期，人们都使用传统的水平仪，并没有引进电子部分，主要包括气泡水平仪和激光水平仪，他们具有共同的缺点被测平面水平与否靠眼睛观测，具有模糊性，这样容易产生测量者的读数误差，这些方法只能指示与水平仪基准面相贴合的平面与地球水平面的夹角是否为零，而不能测量具体的倾角值。随着信息处理技术取得的进展，人们开始专注于电子水平仪的开发，通过后端的处理电路，使水平仪数字化，能够实现数字显示，且提高了分辨率。目前，在市场上出现的电子水平仪测量精度最好的能达到00005，但测量范围都比较小，一般都为30、60。为了精确，准确，大范围（90），大角度的测量被测平面相对于水平位置的倾斜度，并且通过设计后端的处理电路，使倾斜角度信息数字化，实现倾斜角数字实时显示，本课题正是针对现阶段倾斜角度测量中所存在的一些主要不足以及在实际需求的条件下而进行研究的，以方便用户从数字显示屏中读取数字。12水平仪简介水平仪用于测量小角度，在生产过程中常用以检验和调整机器或机件的水平位置或垂直位置，进而可对机器或机件作垂直度或水平度的检验工作。我们知道目前在工业界常用气泡水平仪或电子水平仪等二种，后者更可借着RS232适配卡与个人计算机联机极为方便。1气泡水平仪SPRITLEVELS气泡水平仪系检验机器安装面或平板是否水平，及测知倾斜方向与角度大小的测量仪器，其外形系用高级钢料制造架座，经精密加工后，其架座底座必须平整，座面中央装有纵长圆曲形状的玻璃管，也有在左端附加横向小型水平玻璃管，管内充满醚或酒精，并留有一小气泡，它在管中永远位于最高点。玻璃筒上在气泡两端均有刻度分划。通常，工厂安装机器时，常用气泡水平仪的灵敏度为001MM/M、002MM/M、004MM/M、005MM/M、01MM/M、03MM/M和04MM/M等规格，即是将水平仪置于1M长的直规或平板之上，当其中一端点有灵敏度指示大小的差异时，如灵敏度为001MM/M，即是表示直规或平板的两端点有001MM的高低差异相当于两端点相差2秒，当1M长的有HMM高度差时，气泡会一个刻度的差异。气泡水平仪的原理是利用气泡在玻璃管内，气泡可经常保持在最高位置的特性。对于一定的倾斜角，而欲使气泡的移动量大即所谓灵敏度良好，需增大圆弧半径R即可。若水平仪每刻度距离为2MM和灵敏度为001MM/M时，相当1M的两端点相差2秒。即是气泡管半径为206185公尺，装置在框架内，不同灵敏度即有不同半径，而与框架长短并无直接关系。新式的水平仪作为传统水泡式倾角的替代品，现在更多的应用在道路工程，长春理工大学毕业设计2机械测量，建筑工程，工业平台，石油勘测，军工，船舶，以及其他需要重力参考系下的倾角或者水平的情况。2电子水平仪ELECTRONICLEVELS电子式水平仪，它用来测量高精度的工具机，如NC车床、铣床、切削加工机、三次元量床等床面，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两种。根据测量方向不同还可分为一维和二维电子水平仪。电感式原理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。电容式原理电容式水平仪其测量原理为一圆形摆锤自由悬挂在细在线，摆锤受地心重力所影响，且悬浮于无摩擦状况。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。13国内外电子水平仪研制生产现状131国外电子水平仪研制生产现状国外许多国家很早就开始了电子水平仪的研制，在总体性能上领先于国内电子水平仪。他们在分辨率上最高可达00005MM/M，即01秒。目前国外研制生产的电子水平仪主要有1、瑞士WYLER电子水平仪MIULEVELNT特别适合于精密测量微小倾斜角度，采用陶瓷材质传感器元件，确保仪器在恶劣的环境下使用。它实现了LCD大液晶显示，灵敏度达到02秒，显示范围为2MM/M。2、美国自动精密工程公司API公司API电子水平仪是双轴实时测量的高精度水平仪，是为坐标测量机和数控加工中心的评定而设计的，它可用于三坐标测量机以及加工机床的安装和性能评定。由于采用了双轴系统，可快速测量水平运动工作台的倾斜角，翻转角及水平轴与垂直轴的垂直度。双轴水平仪使实际测量时间比传统方式减少了50以上。由于采用了先进的“液体电子”传感技术，水平仪在测量过程中具有很高的精度和一致性。分辨率达01秒，测量范围为士800秒58MM/M。3、韩国TECHVALLEY电子水平仪韩国2D120二维数显电子水平仪/倾角仪可以同时测量平面的两个正交方向的水平度,可同时测量并显示XY两轴的水平度，还可单轴测量水平方向的水平度或竖直方向的垂直度。使安装大型设备时要测量的平面水平度的工作变得非常简便；测量最高分辨率可达0003或005MM/M；为用户量身定做的显示模式，XY轴的水平度在屏幕上以画面和数字相结合的方式显示出来,以便用户更直观的了解水平度,数字显示可自动适应测量方向；绝对水平/相对水平两种可选模式，两种测量模式使得用户可以任意的设定零度水平面。应用领域设备水平度垂直度检测长春理工大学毕业设计3设备组装船舶、桥梁检测工作台水平度垂直度132国内电子水平仪研制生产现状国内有较多公司致力于电子水平仪的研究，但总体技术指标与国外相比有一定距离，据目前的资料显示，国内电子水平仪的分辨率最高能达到0001MM/M，即02秒。目前国内研制生产的电子水平仪主要有1、重庆天箭传感器公司SP系列电子水平仪重庆天箭传感器公司生产的SP系列电子水平仪体积小，用于测量产品安装平面相对水平面的倾斜角度，应用加速度计作为传感元件，通过内部运算单元实时输出倾斜角度值。SP系列的主要应用领域为惯性导航、雷达天线、平台控制、水平基准、伺服控制。此系列包括六个型号，其中，型号SP01的分辨率达到001MM/M，即2秒。此指标与国际发展水平相比，是比较落后的。2、沧州市三丰标准量具有限公司SDS系列电子水平仪华北电力大学硕士学位论文沧州市三丰标准量具有限公司生产的SDS系列的数显电子水平仪采用高灵敏度的三电极空心电容器作为敏感元件，由文氏桥振荡器和倒相器作为电容传感器的激励电源，由偏摆角度反映电子水平仪的倾斜角度大小的传感器输出信号，经过放大器放大，再经检波相处理和滤波后，由数字式电压表显示出来，测量范围小于等于500个数。SDS系列包括五个型号，其中，型号SDS11的分辨率达到0001MM/M，即02秒，此指标在国内属于领先水平。14本文的主要研究内容本论文通过以数字式双轴倾角传感器为核心部件设计一个电子水平仪。通过程序定期采集X、Y轴的倾角数据，计算出仪器在任意摆放方向时，沿X轴、Y轴方向的倾斜角度，以及平面的倾斜角度，实现平面倾斜角度的实时显示和串口输出。论文的主要研究内容如下1第二章介绍电子水平仪硬件设计，通过对不同型号元器件的选择，实现硬件设计。2第三章介绍电子水平仪后端电路设计，说明各模块间的相互联系。3第四章介绍系统的软件设计，包括电压与倾角转换的程序设计和计算机软件设计。4第五章介绍系统调试与实验，在实验室设计实验对系统性能进行检测。5总结开发系统时所做的工作以及对后续工作的展望。长春理工大学毕业设计4第二章系统硬件设计21传感器电路传感器电路采集被测平面的倾角信息，将平面的倾斜情况转化成电信号，并将其输出至微控制器。目前，市场上倾角传感器种类比较多，根据实际情况的不同可以选择不同的传感器，本设计主要用于测量被测平面XY轴的倾斜度，需要测量精度比较高的传感器，选择一款性能价格比高的传感器对于提高系统性能，降低设计成本十分重要。211倾角传感器的选型总体来说，目前市场上生产倾斜度传感器的厂商不多，且单轴倾斜度传感器较多，分辨了较高。就国内产品而言，集成度不高，大多产品只提供模拟输出接口；就国外产品而言，其种类数量也较少，但从数字化、小型化、精度、质量、使用温度范围及线性度等指标而言，具有较高的实用价值。产品主要集中在欧美几家大公司，如荷兰的VTI公司、德国的西门子公司、美国的CROSSBOW公司以及美国数字公司等。荷兰VTI公司的SCA100系列产品、美国CROSSBOW公司CXTA、美国数字公司A2产品均属于数字产品，提供了数字输出端口，可直接与单片机或计算机相连。在综合各种因素的情况下，本文选用了芬兰VTI公司生产的高精度双轴倾斜度传感器SCAL00TD02，它通过测量重力加速度的分量来间接采集角度信息。当传感器静止时，即没有水平或垂直方向的加速度时，重力加速度方向和传感器灵敏轴的夹角就是倾斜角；当SCA100TD02的传感轴与重力矢量垂直，即与水平方向平行时，SCA100TD02对倾斜度十分灵敏。在这个方向上，SCA100TD02对倾斜度变化的灵敏度最高，而当SCA100TD02的传感轴与重力方向一致，即在1G时，对倾斜度变化的灵敏度最低。非常适合于大坝监测、高精度水平尺、机床以及军用。212SCA100TD02传感器SCA100T系列传感器是VTI公司于2005年推出的一个新的产品系列类型，该系列传感器为双轴加速度计传感器，体积小、质量轻（仅12克），如图25所示长春理工大学毕业设计5图25SCA100T系列传感器该系列传感器内部包含一个硅敏感微电容传感器和一个ASIC专用集成电路6，该电路集成了EEPROM存储器、信号校准滤波电路、A/D转换器、温度传感器、自诊断电路以及SPI串行通讯接口，其内部功能框图如图26所示图26SCA100T内部功能框图该系列传感器包括SCA100TD01和SCA100TD02两款型号的产品，SCA100TD01的测量量程为30，SCA100TD02的测量量程为90，该系列传感器在温度和时间方面稳定性和可靠性极高，合理的设计结构、内置温度传感器可实现温度自补偿，低噪声、高分辨率以及较强的抗冲击性，具有仪表量级的良好性能。其主要特性如下XY双轴高分辨率双向测量5VDC单电源供电，工作电流4MA工作温度范围为40125线性模拟电压输出模拟量（带宽为10HZ）输出分辨率00025片内A/D精度为11位，转换时间为150US内置温度传感器可自动实现温度补偿数字SPI串行外围接口，输出角度信号和温度信号输出灵敏度为4V/G（05G）和2V/G（1G）内置过阻尼频率响应敏感元件（3DB，18HZ）内置智能故障自诊断功能抗震性强，可承受20000G的机械冲击极高的稳定性长春理工大学毕业设计6213SCA100TD02传感器芯片电路SCA100TD02电路原理图如图27所示图27传感器电路原理图图27中，VREF为传感器的供电电源，VOUT_X为X轴输出模拟电压信号，VOUT_Y为Y轴输出模拟电压信号，传感器输出的电压信号经滤波处理后传送至微控制器的A/D转换模块，实现倾角信号的采集。22微控制器微控制器是电子水平仪的核心控制器件，它控制着倾角传感器按照设定的程序进行工作，该芯片品质的优良与否直接决定着整个系统的品质，选择一款性能优良的微控制器对于本设计来说十分重要。221微控制器的选型51单片机，ARM，DSP都是嵌入式系统的核心芯片的类型，现在的嵌入式系统都是高度面向对象的。项目规模、对效率的要求以及成本问题很大程度上决定了对单片机类型的选用。基于对系统的整体设计和硬件资源的要求，电路设计中采用的微处理器电路相对模拟系统更为简单，可实现较复杂的控制算法，有一定的数据存储空间，灵活适应性强，控制精度高，无零点漂移。可见普通的51系列单片机因为资源缺乏而无法满足设计要求。ARM系列处理器价格昂贵且在本系统设计中使用，会资源浪费。DSP系列往往注重数字信号的处理也不适合。根据单片机的对比，系统设计应该选用8位机中性能优越的单片机。所以选择由ATMEL公司制作AVR系列芯片中的ATMEGA16作为本次设计的处理单元。222ATMEGA16单片机2221ATMEGA16单片机介绍ATMEGA16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。长春理工大学毕业设计7由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATMEGA16的数据吞吐率高达1MIPS/MHZ，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATMEGA16有如下特点16K字节的系统内可编程FLASH具有同时读写的能力，即RWW，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器T/C,片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益TQFP封装的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；STANDBY模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展STANDBY模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。2222ATMEGA16单片机的引脚功能ATMEGA16单片机为40引脚芯片，如图28所示。引脚名称，引脚功能说明VCC电源正。GND电源地。端口APA7PA0端口A做为A/D转换器的模拟输入端。端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。端口BPB7PB0端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。端口B也可以用做其他不同的特殊功能。端口CPC7PC0端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使长春理工大学毕业设计8复位出现引脚PC5TDI、PC3TMS与PC2TCK的上拉电阻被激活。端口C也可以用做其他不同的特殊功能。端口DPD7PD0端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。端口D也可以用做其他不同的特殊功能。RESET复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2反向振荡放大器的输出端。AVCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。AREFA/D的模拟基准输入引脚。图28ATMEGA16单片机引脚结构23MAX232通信串口芯片MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS232标准串口设计的接口电路,使用5V单电源供电。该器件包含两路驱动器、两路接收器和电压发生器电路（提供TIA/EIA232F电平）。该器件符合TIA/EIA232F标准，每一路接收器将TIA/EIA232F电平转换成TTL/CMOS电平，每一路发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA232F电平。其主要特性有7单5V工作电源LINBICMOS生产工艺内置两路驱动器和两路接收器长春理工大学毕业设计9电平输入范围为30V低功耗电流（典型值为8MA）符合甚至优于TIA/EIA232F标准和ITUV28推荐标准有商业级和工业级型号选择该芯片的引脚如图210所示图29MAX232引脚结构图图29中，C1、C1、C2、C2、VS、VS是电源的变电部分。在实际应用时，器件对噪声很敏感，因此，VCC必须对地加一个阻抗为01UF的去藕电容，C1与C1之间、C2与C2之间、VS与VCC之间以及VS与地之间均需连接一个阻抗为10UF/16V的钽电解电容，以提高抗干扰能力，且接线时尽量靠近器件。24供电电源电路设计电子水平仪需要工作电源为其供电，在设计时，采用可充电电池方法为电子水平仪供电。可充电电池在长期工作时，其内阻会增加，输出电压会下降，对于电源精度要求较高的元器件（如传感器、A/D模块等）影响较大，从而会影响系统的性能。因此需要为直流电源提供稳压电路，以适应设计需要。设计时，采用78M05芯片为微控制器提供工作电压，用REF02AU芯片为传感器供电，同时为A/D提供基准电压。78M05芯片是美国FAIRCHILD半导体公司生产的一款稳压器产品，该芯片的主要特性为8输出电流可达05A输出电压为5V支持过载保护支持短路保护支持输出晶体管安全工作区保护该芯片为三端集成稳压芯片，其输出电压精度比较高，线性调整率为100MV。从芯片正面（带有标识的一面）由左至右分别为输入引脚、地引脚（若为DPAK封装时，该引脚在该免的正上方）以及输出引脚。REF02AU芯片是美国德州仪器公司（TI）推出的一款5V高精度基准电压芯片，该芯片的主要特性如下9输出电压为5V01（最大值）优异的温度稳定性最大85PPM/（4085）低噪声最大10UVPP（01HZ10HZ）优异的线性调整率最大001/V优异的负载调整率最大0008/MA低电流损耗14MA（最大）长春理工大学毕业设计10支持短路保护较宽的电源电压范围8V40V扩展的工业温度范围4085可选择性封装DIP封装和SOIC封装REF02AU芯片为八引脚芯片，该芯片的平面引脚图如图211所示图210REF02AU引脚图图210中，一号引脚、七号引脚以及八号引脚均为保留引脚，不能连接任何元器件或导线，三号引脚为温度输出引脚，五号引脚为输出电压调节引脚，三号引脚可以检测芯片的温度变化，其输出与芯片的温度成比例，室温时输出电压约为550MV，温度系数约为196MV/。五号引脚调节输出电压的范围为5V300MV，设计人员利用该引脚可以改善系统误差。25显示模块设计本论文采用两种显示方式第一种为直接通过LCD1602液晶显示器与ATMEGA16相连，在LCD1602液晶显示器显示倾角；第二种是通过DB9串口线，在PC机上显示倾角。251液晶显示器LCD1602显示芯片显示器件是用户快速读取倾角数据的输出器件，较常用的是LED数码管和LCD液晶显示器。前者仅能显示数据输出，而后者能显示更多，更复杂的字符，如汉字，甚至是图形等。设计时，采用LCD1602作为输出显示器件。LCD1602液晶是一款很常用，也很易用的字符液晶。可以显示2行，每行16个字符，对比度可调、黄绿色背光。LCD1602引脚特性如表21所示表21LCD1602引脚特性管脚号管脚名称管脚功能描述1GND电源地2VCC电源电压3V0液晶显示偏压信号4RS数据/命令选择端5RW读写选择端6E使能信号7DB0数据0长春理工大学毕业设计118DB1数据19DB2数据210DB3数据311DB4数据412DB5数据513DB6数据614DB7数据715BGVCC背光源正极16BGGND背光源负极252PC机的显示模块设计与PC机串行通信电路如图211所示如图211MAX232与PC的串行通信电路MAX232电平转换芯片实现电平转换，仅需外加4个10UF的电容，即可实现TTL电平和RS232电平的互换。在电路设计时，T1LN、T2IN引脚中的一个与ATMEGA16中的TXDPD1引脚连接，接收CPU发送给PC机的数据T1OUT、T2OUT引脚中的一个与9芯D插座中的RXD2引脚连接，发送巧T1IN或T2IN取引脚接收到的数据。R1IN，R2IN引脚中的一个与9芯D插座中的TXD3引脚连接，接收上位机发送给ATMEGA16的数据R1OUT、R2OUT引脚中的一个与ATMEGA16中的RXDPD0引脚连接，发送R1IN或R2IN引脚接收到的数据。26本章小结本章主要介绍了电子水平仪的外围硬件电路设计。电子水平仪由传感器电路、微控制器、通信串口电路、供电电源电路、显示电路组成，传感器电路完成倾角信息的转换，将倾角信息转换为电压信号，再将电压信号转换成倾斜角，设计时主要从传感器的选型、其硬件特性以及传感器电路的实现几个方面加以介绍；微控制器控制电子水平仪按照设定的程序运行，设计时主要从微控制器的选型以及其主要硬件特性两个方面加以介绍；通信串口电路完成通信电平的长春理工大学毕业设计12转换，设计时主要从其主要电器特性方面加以介绍；供电电源电路为电子水平仪提供稳定、可靠的电源，设计时主要从其主要电器特性方面加以介绍；显示电路用于显示所测平面的倾斜角度，设计时主要从液晶显示器的选型和其主要硬件特性两方面加以介绍。第三章电子水平仪接口电路设计31SCA100TD02与ATMEGA16接口电路设计311SCA100TD02与ATMEGA16接口电路的功能SCA100TD02与ATMEGA16电路区的主要作用是在ATMEGA16单片机的控制下，通过SCA100TD02传感器采集被测平面的倾斜信号，然后将倾斜信号转换为电压信号，最后转化为倾斜角度，并且通过SPI串口电路传送到ATMEGA16单片机的存储区中暂存起来，再送往显示电路区进行显示。312SCA100TD02与ATMEGA16接口电路设计如图31所示为倾角传感器SCA100T与ATMEGA16的实际电路图。将SCA100T的模拟输出、数字数据端口均引出，分别为接插件J1、J2。如果SPI接口不使用，必需将SCK、MISO、CSB悬空；ST_1、ST_2端口为芯片自检（SELFTEST）控制端，通过置高电平（电源电压）激活自检程序，如果自检功能不用，需要将ST_1、ST_2端口悬空或接地处理；OUT_1、OUT_2分别为X、Y轴倾角模拟输出端口。将ATMEGA16的SCK,MISO,MOSI分别与SCA100T的SCK,MISO,MOSI相连。CSB与ATMEGA16的PORTC0相连，通过控制CSB、SCK，现对SCA100TD02的数据输入输出的控制。ATMEGA16长春理工大学毕业设计13图31SCA100TD02与ATMEGA16电路连接图32ATMEGA16与MAX232接口电路设计321ATMEGA16与MAX232接口电路的功能MAX232与ATMEGA16电路区的主要作用是在ATMEGA16单片机的控制下，将前端电路区传送过来的模拟电压信号转换为数字电压信号，并将数字电压信号暂存在ATMEGA16的存储区，通过MAX232，送往显示电路区进行显示。本课题采用了12位转换精度进行采集转换。322ATMEGA16与MAX232接口电路设计MAX232是一种通用A/D芯片，可以和多种微机接口，在此选用ATMEGA16单片机与其连接，如图32所示。长春理工大学毕业设计14如图32ATMEGA16与MAX232电路连接图注1电路中具有相同的网络标号的端点相当于导线直接连接。这样做的目的是使电路图看起来更清晰明了。例如本电路图中芯片MAX232上的网络标号“TXD”、“RXD”与芯片ATMEGA16上网络标号“TXD”、“RXD”是分别相连的。注2MAX232芯片是个电压转换芯片，使用方法简单，一般如图中所示连接使用。注3计算机上的串口2脚为RXD，3脚TXD；故为了与PC正常通讯，线路板上的串口2脚接TXD，3脚接RXD，连接线使用非交叉串口线；如果线路板上的串口2脚接RXD，3脚接TXD，则连接线应该使用交叉串口线。323ATMEGA16与MAX232接口电路布线布局特点本电路区中ATMEGA16和MAX232都采用DIP封装，电路布局时晶振应尽量靠近ATMEGA16的XTALI和XTAL2两引脚，并且尽量避免在晶振与XTALI和XTAL2的布线之间出现过孔，这样可以减少甚至防止其他信号对时钟信号的干扰，保证单片机的正常稳定工作。另外，在电路布局时，晶振应与MAX232的输入信号R1IN,R2IN,T1IN,T2IN和输出信号R1OUT,R2OUT,T1OUT,T2OUT保持一定的距离，以避免晶振信号对电压输入输出信号的干扰，减少AD转换后得到的电压值的波动范围，提高转换精度。33ATMEGA16与LCD1602液晶显示器的接口电路设计331ATMEGA16与LCD1602液晶显示器的接口电路的功能ATMEGA16与LCD1602液晶显示器的接口电路主要负责对转换计算后的结果进行显示，以便用户能接收到电子水平仪测量出来的结果。长春理工大学毕业设计15332ATMEGA16与LCD1602液晶显示器的接口电路设计如图33液晶显示电路原理图VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。R/W读写选择信号与PD5连接，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。RS是数据显示和指令数据选择信号，与PD4连接。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。D0D7是数据线，分别与PB0PB7连接，用于传送CPU发送给显示器的数据、指令等。34本章小结本章主要介绍了电子水平仪的各模块之间的接口电路设计。以ATMEGA16为核心控制部件，介绍了各模块与之相连的接口电路设计，以及电路实现的功能，通过ATMEGA16的控制指令，实现各模块各自的功能。通过各模块之间的相互连接，达到此电子水平仪设计的最终目的，即将倾角信息转换为电压信号，再将电压信号转换成倾斜角，通过A/D转换，最终实现数字化输出。长春理工大学毕业设计16第四章系统软件设计软件设计部分包括主控单元软件设计和显示界面设计两部分，它要使系统实现以下功能1、单片机需要接收计算机的命令、数据显示以及提供各个器件的驱动，另外还有一个很重要的作用就是计算，即把传感器输出的电压值转换为角度值。2、通过编程实现单片机对LCD1602液晶显示器的控制，将采集到的数据在显示器上进行显示、存储、处理。3、通过计算机软件实现单片机与计算机的串口通讯，将采集到的数据在计算机上进行显示、存储、处理。4、数据的预处理与进一步处理分析。41主控单元软件设计本文中以ATMEGA16单片机为核心的主控单元，除了接收计算机的命令、数据显示以及提供各个传感器的驱动之外，还有一条很重要的作用就是计算，长春理工大学毕业设计17即把从传感器读取来的电压值根据预先标定好的存储在单片机内部的参数，通过解方程计算得到角度量。411软件总体设计主函数内容精简，只做了一些必要的系统配置，如单片机时钟、看门狗、I/O口设置、特殊功能选择、UART初始化、显示开机画面等，完成这些工作后，系统进入低功耗模式，等待中断。如图41为软件总体设计简要流程图。首先，对各模块进行初始化，包括ATMEGA16初始化，LCD1602初始化，SCA100TD02初始化等。设置CSB,SCK的端口值，因为SCA100TD02的每次数据和命令传输都从CSB的下降沿开始，CSB的上升沿结束，因而进行传输时应将CSB置为低电平。对MISO,CSB端口进行判定，若满足MISO为高电平，CSB为低电平，则读取X，Y轴的数据，最后对POTRA口，POTRD口进行判定，当满足PORTAUSUS5/4/5/4是在8MHZ晶振下，通过软件仿真反复实验得到的数值FORI0IINCLUDEINCLUDEVOIDSPI_STOPVOIDSCKSCK_LOWCSBCSB_HIGHSPI_DELAY10VOIDSPI_RESETVOIDSPI_STOPVOIDSPI_DELAYUCHARNWHILENVOIDSPI_STARTVOID