畢業(yè)設(shè)計 數(shù)字水平儀設(shè)計

學(xué)士學(xué)位畢業(yè)設(shè)計I摘要與關(guān)鍵詞 11ADXL202簡介 11.1結(jié)構(gòu)特點 1 2 2 3 3 3 33.1.2A/D轉(zhuǎn)換器 44單片機(jī)C8051F020控制 4 4 56結(jié)束語 6參考文獻(xiàn) 7 7Ⅲ設(shè)計一種低功耗數(shù)字水平儀。該系統(tǒng)采用高精度低功耗加速傳感器芯片ADXL202獲取信號，采用芯片C8051F020作為中央處理器。加速傳感器芯片ADXL202得到的模擬信號經(jīng)C8051F020處理A/D轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字信號即傾斜角。敘述了其關(guān)鍵芯片ADXL202的結(jié)構(gòu)和原理以及使用方法，并簡單介紹了芯片C8051F020,最后給出了設(shè)計電路框圖和單片機(jī)的程序流程圖。數(shù)字水平儀；ADXL202;高精度；低功耗principleandtheuseofmethods,presentedDigitalgradienter;ADXL202;high-precision;low-power1要發(fā)展為數(shù)字化、智能化且可以與打印機(jī)、計算機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)自動化測量的儀器。在高樓、橋梁等建數(shù)字水平儀系統(tǒng)，這又要求該系統(tǒng)必須具有測量精度高、連續(xù)工作時間長的功能。本文將設(shè)計能滿(4)消耗低、測量儀響應(yīng)快。(5)每根軸的帶寬均可通過電容調(diào)整。(6)直流工作電壓為+3V~+5.25V。(7)可承受1000g的劇烈沖擊。(8)可應(yīng)用于：斜度測量、加速度測量、地震監(jiān)測裝置、交通安全系統(tǒng)等。RfY軸傳感器5文文Rf脈寬占空比解調(diào)器④解調(diào)解調(diào)Xf2259NCXf證YfNC管腳序號空置端2檢測端3自我測試端公共接地端5外接Rset,可設(shè)定T?周期9Y軸脈寬信號輸出端X軸脈寬信號輸出端連接Y濾波電容連接X濾波電容電源端，與14引腳相連電源端，與13引腳相連的微電機(jī)傳感器和信號控制環(huán)路來執(zhí)行操作的開環(huán)加速測量結(jié)構(gòu)。對每根軸而言，輸出環(huán)路將模擬提供平衡加速度所需的阻力。結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)是通過由獨立的固定極板和附在移動物體上的中央極板組成的可變電容來測量的。固定極板通過方波的每π個相位控制。加速度計受到加速度力后改變了可變電容的平衡，使輸出方波的振幅與加速度成正比。相位解調(diào)技術(shù)用來提取信息，判斷加速方向。大小來設(shè)置輸出信號的帶寬。這種濾波提高了測量的精度，并有效地防止頻率混疊。經(jīng)過低通濾波后，模擬信號由DCM(脈寬占空調(diào)制器)轉(zhuǎn)換為脈寬占空比信號。通過一個電阻RsET或低功耗的微控制器，通過測量T?、T?來測得。模擬輸出信號可通過以下兩種方法獲得：一種從Xni和Yfn管腳得到；一種是通過RC濾波器對轉(zhuǎn)換器，故決定采用模擬輸出，在Xm和Yin處取值1-21[10]。1.3應(yīng)用原理3斜度測量儀是ADXL202以重力矢量作為基準(zhǔn)以測定空間物體的方位。彼此垂直。下面對加速度傳感器ADXL202單軸性能進(jìn)行描述。單軸模擬信號的輸出值a(a)在X(Yr)管腳處取得，并且可以得到最多5KHz的輸出信號帶寬。當(dāng)傳感軸與重力軸垂直(與水平面平行)時，加速度傳感器測得重力加速度在傳感軸上的分量為0g,此時模擬輸出a(a,)為Va/2。當(dāng)傳感軸在分別與重力矢量方向一致和相反時，傳感器感應(yīng)到的重力分量分別為+1g和-1g,同時，模擬輸出為(Vd/2+60mV×Vda)和(Vaa/2-60mV×Vaa)信號輸出隨感應(yīng)到的重力矢量分量逞線性變化3。在實際設(shè)計中，Vaa選用+5V,使得0g時的模擬輸出的電平偏置為+2.5V,線性增長的斜率為所受重力加速度為0g時輸出：Vdd/2=2.5V(Vdd=+5V)靈敏度：(60mV×Vad)/g=300mV/g(Va=+5V)數(shù)字水平儀的輸出是兩個角度量，分別為俯仰角(pitch)和旋轉(zhuǎn)角(roll)。這兩個角度和ax、a,的輸出關(guān)系算法如下8]:2模擬信號處理電路ADXL202的X6i和Yn引腳接0.1μF電容使得模擬輸出帶寬為50Hz。由于ADXL202的R6i的影響，使得在Xri和Y6in的模擬輸出驅(qū)動力不足。故在Xin和Yfit之后加上一個由LM324運ADXL202感應(yīng)的重力分量的變化在+1g~-1g之間，相應(yīng)的，使得Vaa為+5V時，輸出模擬量的線性變化在+2.2V~+2.8V之間。但設(shè)計中后端單片機(jī)AD采樣的輸入范圍為0V~+2.5V,為了提高采樣精度并匹配A/D采樣的輸入范圍，在跟隨器之后加上了由LM324運放組成的參考電壓為+2.5V、放大系數(shù)為7的負(fù)反饋放大電路。這使得放大電路的輸出隨輸入的+2.2V~+2.8V線性變化為輸出的+0.4V~+4.6V。然后再進(jìn)行電阻分壓，使得最終進(jìn)入單片機(jī)的采樣輸入為+0.2V~+2.3V與單片機(jī)要求電壓向匹配。C8051F020單片機(jī)是集成在1塊芯片上的混合信號系統(tǒng)級單片機(jī)，具有與MCS-51內(nèi)核及指令完全兼容的微控制器。除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051機(jī)的數(shù)字外設(shè)部件外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件，主要包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBUS/I2C、UART、SPI、可編程計數(shù)器/定時器陣列、定時器、I/O端口、電源監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器等，且該單片機(jī)內(nèi)部具有JTAG和調(diào)試C8051F020CPU的主要特點如下：(1)與標(biāo)準(zhǔn)8051機(jī)完全兼容，支持標(biāo)準(zhǔn)的ASM51、KeilC高級語言。4(2)具有高速指令處理能力，機(jī)器周期由MCS-51標(biāo)準(zhǔn)的12個系統(tǒng)時鐘周期降為1個系統(tǒng)時鐘周(3)增加了中斷源，由MCS-51標(biāo)準(zhǔn)7個中斷源增加至22個中斷源。(4)增加了復(fù)位源，標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51只有外部引腳復(fù)位，而C8051F020增加了7種復(fù)位，使系統(tǒng)(5)增加了內(nèi)部能獨立工作的時鐘源。C8051F020內(nèi)部有2個ADC子系統(tǒng)。(1)12位A/D轉(zhuǎn)換器ADCO單端輸入或1個差分輸入，ADCO的第9個輸入通道為內(nèi)部溫度傳感器，同時內(nèi)部提供1個2.34V除了12位的ADC子系統(tǒng)ADCO外，C8051F020還有1個8位ADC子系統(tǒng)即ADC1,它有14單片機(jī)C8051F020控制4.1程序流程fos=4W×fs其中W是所希望增加的分辨率位數(shù)，fs是初始采樣頻率要求，fos是過采樣頻率。采樣頻率是指將模擬信號數(shù)字化時，每秒鐘所抽取模擬信號樣本的次數(shù)。90°4096≈0.022。不能滿足設(shè)計要求，因此要把原有的12位分辨率提高到16位的分辨率，16位的量化則可表示65536個不同的量化值，90°/65536=0.001373?？梢跃_的小數(shù)點后三位，可以滿足設(shè)計要求，模擬輸入信號帶寬fs=50Hz,實際的采樣速率fos選取為12800Hz?。數(shù)字水平儀輸出的傾斜角的精確度取決于采樣頻率和量化位數(shù)這兩個重要參數(shù)，量化位數(shù)越高就越精確但數(shù)據(jù)量也越大。5單片機(jī)C8051F020程序流程圖如下：主程序主程序系統(tǒng)上電復(fù)位初始化定時器初始化，產(chǎn)生12.8KHz定時中斷空循環(huán)等待中斷此圖為單片機(jī)C8051F020的主程序流程圖，為了提高采樣精度讓定時器產(chǎn)生12.8KHz的定時中斷，分辨率從12位提高到16位，利用定時器控制中斷進(jìn)入C8051F020的子程序，圖4是單片機(jī)C8051F020的子程序流程圖，首先將靜態(tài)量ax、a、COUNT,變量pitch、roll初始化，然后經(jīng)A/D采樣轉(zhuǎn)換，將12位轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換為實際電壓量累加存入ax、a,中，采樣一次COUNT自加1,判斷采樣次數(shù)直到采樣12800次中斷繼續(xù)向下執(zhí)行，否則退出中斷。12800次采樣值累加再用ax=a√/12800、通過UARTO輸出pitch、roll的值，然后ax、ay、roll清零，退出中斷等待下次測量。數(shù)據(jù)的輸出除了在本設(shè)計提到的通過UARTO接到PC機(jī)的COM口外，還可以通過UART1口和該單片機(jī)的另一UART口外接GPRSmodem進(jìn)行Internet的無線接入，從而可以向Internet上的任一IP終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。5電路框圖加速傳感器單片機(jī)電平轉(zhuǎn)換MAX3232圖5設(shè)計電路框圖加速傳感器ADXL202將傾斜度轉(zhuǎn)換成模擬電信號進(jìn)入單片機(jī)C8051F020系統(tǒng)進(jìn)行處