基于倾角传感器的电子水平仪

1、长春理工大学毕业设计摘 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SCA100T-D02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

2、/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0.0025,误差可小于00°0030。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

3、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 SCA100T-D02 双轴（XY轴）测量AbstractThrough analyzing the sensor system of the traditional electronic level and investigating the sensor theory and principle of detection, combined with designing the subsequent signal processing system, the article gi

4、ves a set of design solutions about the new high-resolution large-scale digital electronic level.This paper introduces the electronic level front-end sensor design, back-end circuit design, and relevant theoretical analysis and so on. Designing an electronic level, the electronic level contains with

5、 a shell and a detection circuit. Detection circuit installs in the shell, and the detection circuit includes a measurement module, CPU, interface module and display module. The measurement modules uses a SCA100T-D02 angle sensor; The central processing module selects a ATmega16 micro processing con

6、troller; The angle sensors output connects with the microprocessor A / D converters input; The interface module uses a MAX232, the microprocessor ATmega16 input / output and the PC of the display modules input connections through the MAX232; or connects with the display module LCD1602 Liquid Crystal

7、 Display. The paper details the method and principle of the circuit design, the functions of the circuit and the links between the circuit areas. In software design, it introduces the work flow of the software design, the program design of the voltage-angle conversion and the computer software desig

8、n, and achieves the digital output. In addition, this article also analyzes the system error, carries out further correction experiments for possible errors, reduces errors and improves accuracy.The dual-axis digital electronic levels measuring range is up to ± 90 °, resolution to 0.0025,e

9、rror can be less than 00 °00 '30 ".It can be widely used to the tilt measurement of the dual-axis platform leveling, various of angles measurement in vertical, optical laser equipment leveling. It can also be used to measuring high-precision machine tools, such as NC lathes, milling ma

10、chines, cutting machines, CMM and other bed, its sensitivity being very high.Keywords：Electronic Level SCA100T-D02 Axis (XY axis) measurements目 录第一章 绪 论11.1课题研究的目的和意义11.2水平仪简介11.3国内外电子水平仪研制生产现状21.3.1国外电子水平仪研制生产现状21.3.2国内电子水平仪研制生产现状31.4本文的主要研究内容3第二章 系统硬件设计42.1传感器电路42.1.1倾角传感器的选型42.1.2 SCA100T-D02传感器4

11、2.1.3 SCA100T-D02传感器芯片电路52.2微控制器62.2.1微控制器的选型62.2.2 ATmega16单片机62.3 MAX232通信串口芯片82.4供电电源电路设计92.5显示模块设计102.5.1液晶显示器LCD1602显示芯片102.5.2 PC机的显示模块设计102.6本章小结11第三章 电子水平仪接口电路设计123.1 SCA100T-D02与ATmega16接口电路设计123.1.1 SCA100T-D02与ATmega16接口电路的功能123.1.2 SCA100T-D02与ATmega16接口电路设计123.2 ATmega16与MAX232接口电路设计133

12、.2.1 ATmega16与MAX232接口电路的功能133.2.2 ATmega16与MAX232接口电路设计133.2.3 ATmega16与MAX232接口电路布线布局特点143.3 ATmega16与LCD1602液晶显示器的接口电路设计143.3.1 ATmega16与LCD1602液晶显示器的接口电路的功能143.3.2 ATmega16与LCD1602液晶显示器的接口电路设计143.4本章小结15第四章 系统软件设计164.1主控单元软件设计164.1.1软件总体设计164.1.2 SCA100T-D02软件设计184.1.3电压与倾角转换设计234.2显示界面设计234.2.1

13、 LCD1602显示界面设计234.2.2计算机软件界面设计244.3本章小结25第五章 系统调试和实验265.1硬件调试265.2误差分析275.3校正实验275.3.1 X（Y）轴灵敏度校正275.3.2温度校正295.3.3零点校正30第六章 结束语326.1总结326.2展望32参考文献33致 谢34附 录3547第一章 绪 论1.1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

14、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0.0005，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。1.2水平仪

15、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RS-232适配卡与个人计算机联机极为方便。1.气泡水平仪(Sprit levels)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

16、时，常用气泡水平仪的灵敏度为0.01mm/m、0.02mm/m、0.04mm/m、0.05mm/m、0.1mm/m、0.3mm/m和0.4mm/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0.01 mm/m，即是表示直规或平板的两端点有0.01 mm的高低差异 ( 相当于两端点相差2秒 )，当1 m长的有h mm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2 mm和灵敏

17、度为0.01 mm/m时，相当1 m的两端点相差2秒。即是气泡管半径为206.185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，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(Electronic levels)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

18、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。1.3国内外电子水平仪研制生产现状1.3.1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0.0005mm/m，即0.1秒。目前国外研制生产的电子水平仪主要有:

19、1、瑞士Wyler电子水平仪Miulevel NT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0.2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

20、和一致性。分辨率达0.1秒，测量范围为士800秒(±5.8mm/m)。3、韩国Techvalley电子水平仪韩国2D-120二维数显电子水平仪/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0.003°或0.05mm/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

21、零度水平面。应用领域：设备水平度垂直度检测设备组装船舶、桥梁检测工作台水平度垂直度1.3.2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0.001mm/m，即0.2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，

22、其中，型号SP-01的分辨率达到0.01mm/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0.001mm/m，即0.2秒，此指标在国内属于领先水平。1.4本文的主要

23、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。第二章 系统硬件设计2.1

24、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。2.1.1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

25、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 SCAl00T-D02，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 SCA100T-D02 的传感轴与重力矢量垂直，即与水平方向平行

26、时，SCA100T-D02 对倾斜度十分灵敏。在这个方向上，SCA100T-D02 对倾斜度变化的灵敏度最高，而当 SCA100T-D02 的传感轴与重力方向一致，即在± 1 g 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 。2.1.2 SCA100T-D02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1.2克），如图2.5所示：图2.5 SCA100T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

27、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2.6所示：图2.6 SCA100T内部功能框图该系列传感器包括SCA100T-D01和SCA100T-D02两款型号的产品，SCA100T-D01的测量量程为±30°，SCA100T-D02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·+5V DC单电源供电，工

28、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0.0025°·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（±0.5g）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2.1.3 SCA100T-D02传感器芯

29、片电路SCA100T-D02电路原理图如图2.7所示：图2.7传感器电路原理图图2.7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。2.2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。2.2.1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

30、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。2.2.2 ATmega16单片机2.2.2.1 ATmega16单片机介绍

31、ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。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

32、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

33、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。2.2.2.2 ATmega16单片机的引脚功能ATmega16单片机为40引脚芯片，如图2.8所示。引脚名称，引脚功能说明：VCC：电源正。GND：电源地。端口A(PA7.PA0)：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B(PB7.PB0)：端口B为8位双

34、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C(PC7.PC0)：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，即使复位出现引脚PC5(TDI)、PC3(TMS)与PC2(TCK)的

35、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D(PD7.PD0)：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。AVCC：AVCC是端口A与A/D转换器的电源。

36、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。AREF：A/D的模拟基准输入引脚。图2.8 ATmega16单片机引脚结构2.3 MAX232通信串口芯片MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232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/EIA-232-F电平）。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一路接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成TTL/CMOS电平，每一路发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。其主要特性有7：·单5V

37、工作电源·LinBiCMOS生产工艺·内置两路驱动器和两路接收器·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/EIA-232-F标准和ITU V.28推荐标准·有商业级和工业级型号选择该芯片的引脚如图2.10所示：图2.9 MAX232引脚结构图图2.9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0.1uF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1.0uF/16V的钽

38、电解电容，以提高抗干扰能力，且接线时尽量靠近器件。2.4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0.5A·输出电压为5V&

39、#183;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D-PAK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5V±0.1（最大值）·优异的温度稳定性·最大8.5ppm/（4085）·低噪声：最大10u Vpp（0.1Hz10Hz）·优异的线性调整率：最大0.

40、01/V·优异的负载调整率：最大0.008/mA·低电流损耗：1.4mA（最大）·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2.11所示：图2.10 REF02AU引脚图图2.10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1.96

41、mV/。五号引脚调节输出电压的范围为5V±300mV，设计人员利用该引脚可以改善系统误差。2.5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。2.5.1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，

42、每行16个字符，对比度可调、黄绿色背光。·LCD1602引脚特性如表2-1所示:表2-1LCD1602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08DB1数据19DB2数据210DB3数据311DB4数据412DB5数据513DB6数据614DB7数据715BG VCC背光源正极16BG GND背光源负极2.5.2 PC机的显示模块设计与PC机串行通信电路如图2.11所示:如图2.11 MAX232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

43、容，即可实现TTL电平和RS-232电平的互换。在电路设计时，T1lN、T2IN引脚中的一个与ATmega16中的TXD(PD1)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RXD(2)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TXD(3)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RXD(PD0)引脚连接，发送R1IN或R2IN引脚接收到的数据。2.6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

44、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3.1

45、 SCA100T-D02与ATmega16接口电路设计3.1.1 SCA100T-D02与ATmega16接口电路的功能SCA100T-D02与ATmega16电路区的主要作用是在ATmega16单片机的控制下，通过SCA100T-D02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。3.1.2 SCA100T-D02与ATmega16接口电路设计如图3-1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

46、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（Self-test）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SCA100T-D02的数据输入输出的控制。ATmega16图3-1 SCA100T-D02与ATmega16电路连接图3.2 AT

47、mega16与MAX232接口电路设计3.2.1 ATmega16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。3.2.2 ATmega16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3-2所示。如图3-2 ATmega16与MAX232电路连接图注1：电路中具有相同的网

48、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2：max232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。3.2.3 ATmega16与MAX232接口电路布线布局特点本电路区中ATmega16和MAX232都采用D

49、IP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R1-IN,R2-IN,T1-IN,T2-IN和输出信号R1-OUT,R2-OUT,T1-OUT,T2-OUT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。3.3 ATmega16与LCD1602液晶显示器的接口电路设计3.3.1 ATmega16与LCD1602液晶显示

50、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。3.3.2 ATmega16与LCD1602液晶显示器的接口电路设计如图3-3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

51、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。3.4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。第四章 系统软件设计软件设计部分包括主控单元软件设

52、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。4.1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，即把从传感器读取来的电压值根

53、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。4.1.1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4-1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，SCA100T-D02初始化等。设置CSB,SCK的端口值，因为SCA100T-D02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

54、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PORTA&=0x90且DDRA&=0xff时驱动LCD1602，在LCD1602显示角度值。而当满足PORTD&=0x03且DDRA&=0x02,通过MAX232,在PC机中显示XY轴的角度值。其中，LCD1602初始化，如图4-2所示，首先，延时15ms,写指令38H(不检测忙信号)，然后延时15ms,写指令38H(不检测忙信号)，接着还是延时15ms,写指令38H(不检测忙信号)，（注意：在这以后每次写指令，读/写数据操作之前需检测忙信号）再延时15ms，写指令

55、38H，显示模式设置；写指令08H，显示关闭；写指令01H，显示清屏；写指令06H，显示光标移动设置；写指令0CH，显示开及光标设置。完成这些初始化后，就可以对LCD1602的读写进行操作了。图4-1软件总体设计简要流程图图4-2 LCD1602初始化流程图4.1.2 SCA100T-D02软件设计1、SPI总线SPI（Serial Peripheral Interface）总线是Motorola公司提出的一个同步串行外设接口，用于CPU与各种外围器件进行全双工、同步串行通讯。SPI可以同时发出和接收串行数据。它只需四条线就可以完成MCU与各种外围器件的通讯。这些外围器件可以是简单的TTL移位

56、寄存器、复杂的LCD显示驱动器、A/D和D/A转换子系统或其他的MCU。图4-3为SPI的主从访问时序图21。串行外设接口（SPI）系统由一个主机和一个或多个从机组成。主机为一个微型控制器，用来提供SPI时钟。而任何集成电路上的从机接受来自主机上的SPI时钟。在主-从工作模式中，VTI科技产品的专用集成电路(ASIC)始终是一种从机工作方式。图4-4所示。图4-3 SPI主从访问时序图4-4 SPI串口接口其中，SCK为同步时钟脉冲，SS为片选线，MOSI为主器件的数据输出和从器件的数据输入线，MISO为主器件的数据输入线和从器件的数据输出线。SPI是全双工的，即数据的发送和接收可同时进行。如

57、果仅对从器件写数据，主器件可以丢弃同时读入的数据；反之，如果仅读数据，可以在命令字节后，写入任意数据。数据传送以字节为单位，并采用高位在前的格式。每次传输由CSB的下降沿开始，CSB的上升沿结束。在传输过程中，命令和数据由SCK和CSB按照以下的规则控制：·命令和数据移位元:高位(MSB)在先，低位(LSB)在后。·每个输出数据位/状态位在SCK（MISO线）的下降沿时被移位。·每个位在SCK（MOSI线）的上升沿时被采样。·在CSB下降沿选择该器件后，接受8位命令，这个命令决定执行一项操作。·在CSB上升沿结束所有数据传输操作，并复位内部控制器和命令寄存器。·如果接受了一个非法的命令，不会有数据传输到芯片，并且MISO线保持高阻抗状态直到CSB出现下降沿为止，这样重新初始化一次串行通信。·当接受所用情况下的命令后，数据立即通过MOSI线连续传输，其中数据被写入到SCA100T的内部寄存器。·当SPI命令的最后一位被SCK的上升沿采样以后，立即通过MISO线依靠SCK下降沿连续传输数据。·最大的SPI时