大学生科技创新基金项目立项申报书.doc

编 号南京工程学院大学生科技创新基金项目立 项 申 报 书项目名称： 基于单片机的数字测角仪设计 负 责 人： 指导教师： 院 系： 先进制造技术工程中心 联系电话： 填表日期： 2010年12月8日 共青团南京工程学院委员会印制负责人姓 名性 别 男班 级 d数加工081专 业机械设计及其自动化联 系 电 话指导教师姓 名专业/研究方向仪器仪表及检测技术职称/职务讲师联 系 电 话负责人近年来承接、组织、参与的学术科技活动情况（含科技项目、学术论文名称、完成时间、鉴定、发展以及获奖情况等）项目组其他成员情况序号姓 名班 级院 系项目分工签名 项目组其他成员近年来承接、组织、参与的学术科技活动情况（含科技项目、学术论文名称、完成时间、鉴定、发展以及获奖情况等）研 究 项 目名 称基于单片机的数字测角仪设计研究方向 测量技术申请经费 10500一、项目的研究意义、国内外研究现状、水平和发展趋势，研究预期达到的科学技术水平、社会和经济效益。 角度测量是指利用仪器测量相对于水平面的倾斜角度。在土木建筑、地震监测、设备整平等方面都占据重要的地位。如在机床装配中，滑轨之间的水平测量，现在测量主要是用打表的方式，通过机械原理达到二个道轨间的水平一致。在工件装夹中，测量工件安装是否平稳，则需角度上面相关的测量，尤其在二次装配中保持装夹的一致性就更重要了，目前主要是依靠工人的经验。如果直接利用角度测量仪，可以很方便的显示前后的角度差距，对工人的专业要求降低，可以提高生产效率，保证产品质量。角度测量在建筑中应用也很多，包括绝对角度、相对角度、水平度等，工地上工人在测量水平度、垂直度时，还主要利用水泡和标准杆等方法，这样的方式显然和现代建筑是不符的。利用角度测量仪能够对这些楼宇参数量化，有助于建筑质量和安全提高。因此研究一种适用的角度测量方法是必要的。目前量化的角度测量上主要是机械式测角仪或者是比较昂贵的三坐标测量仪。前者属于传统的检测方法，通过目测的方法，质检员长时间的测量，容易疲劳，导致人为误差。而且测量数据的方式和现代管理系统不相匹配。后者测量方法可以满足精度要求，但是在加工行业会造成成本增长，由于测量时需要将工件转移到三坐标测量装置上，生产效率会受到影响，反而可能会引入新的误差。电子技术在工程测量中已经很普遍，相对于传统的测量方法，其在显示、精度、成本上占很大的优势。而且随着传感器技术和测量方法的发展，对于一些物理量的测量变得更方便。在数据管理上，也可以将数据测量出，通过通信的方式传送到上位机，有助于产品和加工过程中的数据统计分析。电子技术的应用能够和企业的自动化系统配合，作为整个企业自动化生产的一个子系统。本项目设计就是从电子应用出发，希望借助于将电子测量技术，将该方法应用到工程实际生产中，提供一种低成本、效率高、精度高的角度测量方法。二、项目的研究内容、预计突破或解决哪些技术难题研究内容：系统中的处理器负责采集、处理数据，同时显示结果。在设计过程中要涉及到处理器的硬件资源了解。首先是接口技术，一般的i/o、总线、控制线。通过地址总线和控制总线控制外围芯片的工作，处理器从数据总线输入转换后的数据。为了能够完成系统的工作，处理器的内部资源要合理的管理，在系统工作时能够保证数据的保存及相关的运算、及显示。基于处理器的语言也是研究内容之一，数据的传送、数据保存、芯片的工作、显示的内容等，都要依靠计算机语言。有效的组织和利用计算机语言也是项目的一个重要方面。模数转换是系统能够得到角度信息的关键，处理器处理的对象都是数字量，传感器转换后的角度是模拟量，需要通过模数转换器才能够变成数字量。在系统选用模数转换器时，相应的转换精度、转换时间、工作的基准电压等都是要考虑到的。角度传感器在系统中是直接测量角度，在选择上有很多类型，系统设计中选择的类型需要考虑到实际的分辨率，环境温度等信息，而且重要的是其输出的电量，如果不在模数转换器的工作范围内，需要外接相应的转换电路，这是选择传感器时需要注意到的。由于项目主要是探讨电子测量在角度中的应用，对精度要求不是很高，只要选择性价比适中的就可以应用于系统中。显示数据是系统的重要内容之一，如何能够通过显示的方式，使得测量的信息直接明了，也是设计中需要考虑的因素，这里首选能够直接和处理器相接的显示，显示器的控制单元内容能够容易操作，减少系统软件店饿开发难度。输入装置是为了系统作必要的设置，操作人员能够简单的对系统进行必要的设置，因此按键设计和识别按键是系统软件设计中需要考虑到的。根据系统输入要求，可以选择矩阵式键盘或开关信号输入方式。这根据实际使用中的要求做相应的开发。一般的系统都可以有电源模块，能够利用220伏交流电。但是项目最终目的是手持式的仪器，因此这里只有利用蓄电的电源模块。在实际中比较普遍的电池，因此在选择处理器、模数转换器和显示器时要注意功率要满足低功耗，这样系统才能具有一定的实际使用价值。因为系统最后是以实物形式验收，电路板的制作需要利用到protel软件，制作合适的pcb图和原理图也是不可少的工作。拟解决的关键技术 1.角度传感器的选择 目前测量角度的传感器有多种方式，主要有基于加速度的方式、陀螺仪、气泡等方式。由于角度测量在现场测量，现场作业机器种类很多，往往测量物不是静止的，因此需要要满足抗振动，高温。角度测量输出电压范围能够直接由常用传感器转换。因此合适的角度传感器是系统设计的关键之一。 2.测量数据处理 从传感器中读到的数据肯定包含干扰信号，选择合适的数据处理方法是保证系统测量有效的关键。一般的单片机开发语言都是低级语言，在实现数字滤波上比较困难，能够利用一种有效的算法和测量方法，保证最后显示出正确的数值，是决定系统设计成功与否的关键。 3.电源选择 系统需要为处理器、模数转换、显示器、传感器等芯片供电，在这些芯片中他们输入电源可能不一致。在电压转换设计面临一定的难度。在选择电源上需要选择体积小、功率大的电路，在电路设计上需要升压、降压设计。能够保证系统正常工作。三、项目的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析1.实现测量系统处理器通过模数转换器获取外界信息。利用仿真软件与实验板及模数转换器组成的系统，读取输入的电压。电压可以利用稳压源提供。这样既可以初步实现读取模拟量的功能，又能够估算出模数转换的精度。如果精度不理想，可以调整电路，以达到理想的状态。角度传感器种类很多，可以利用加速度的传感器实现角度测量，可以利用微型陀螺仪实现角度传感器。在构建系统之前首先确定，模数转换器的输入电压及转换精度，再根据角度传感器的参数，选择合适的传感器。传感器要便于和系统组合成测量系统，方便安装，体积要尽可能的小。输入输出设备，方案初步准备用液晶显示器，输入装置利用按键。显示内容主要是测量的角度信息。按键输入装置主要是测量开始、结束、保存等功能。系统构成框图见图（1）。处理器显示器输入按键模数转换角度传感器角度显示输入信息输入控制信号数据输入角度模拟量图（1） 系统硬件构成图 2软件实现 在软件上功能主要分成：按键处理程序、显示程序、模数转换控制、数据处理程序。按键输入程序可以通过查询的方式识别按键是否有效。显示程序主要幅值将测量的信息输出到显示屏，可以利用显示器自动的控制电路实现信息的显示，利用控制字可以实现对显示器的控制，数据处理程序主要是滤波程序，一般基于低级语言的滤波可以利用多次平均的方式。程序框图如图(2)所示。主 程 序显示程序按键处理程序数据处理程序模数转换控制 图（2）程序结构框图四、研究工作条件和基础（包括前期研究工作基础，已有研究成果，现有的主要仪器设备、研究技术及协作条件等）本人现为先进制造技术工程中心数控加工及维修专业的学生，在过去的学习时间里，单片机技术、数字电路、模拟电路等相关课程。同时也在电测实验室帮助老师管理实验室日常使用，能够有机会熟悉单片机软硬件和计算机语言的工作原理，积累了一定的科研经验。而且电测实验室已经指导过三界大学生创新的相关项目，其中06级严贵同学曾经获得大学生创新三等奖。部门老师在电子技术应用上有丰富的经验，能够在工作中给予无私的帮助。鉴于此，完成本课题的研究、设计和实现是可行的。五、预期研究成果1、能够利用系统实现被测量结构的水平倾斜度。六、考核目标 1.数子式测量角度系统一套，包含软件程序和硬件实物。2.在公开的期刊上发表相关文章一篇。七、主要参考文献或资料1.何希才编著.传感器应用电路是设计与实践m.北京：科学出版社，2007.9.2.李立全，迟荣强. 单片机原理及接口技术m.北京：高等教育出版社,2004.3.刘修文. 图解单片机应用技术要诀m. 北京：中国电力出版社，2006.4.王幸之等.单片机应用系统抗干扰技术m.第二版，北京：航空航天大学出版社，1999.5.田东亮，向中凡.微型数字测角仪设计j，西华大学学报，27（4）：2008.76.汤国锋，刘猛等.双轴倾斜角度测量系统设计j,传感器与微系统，28（12）：20097.毕泗平，许婷华等.锚杆水平倾斜角度测量装置的应用研究j，山西建筑，36（5）：2010.28赵文勇，刘庆纲等.分辨率优于0.1arcsec的二维微小角度传感器的系统设计j，航空精密制造技术，43（3）：2007.69.张凯军，吕黎.单片机及液晶显示模块在数字化角度测量装置中的应用j，电子工程师，33（7）：2007.0710.潘康立，常祖鹏.基于aduc812bs的角度测量电路设计j,激光与红外，37(1):2007.01八、经费预算支 出 科 目金 额（元）计 划 根 据购买传感器4000购买加速度传感器或陀螺仪，用于测量研究。 制作电路板 2000实物提交需要制作实验板，包括制图、开模等。 电路制作相关器件、电源等1000在系统设计过程中，需要试验电线、匹配的元器件等。实验平台搭建2000为了验证实验系统是否工作有效，要搭建一个实验平台验证，需要机械结构和千分尺等。发表文章稿费1500项目发表一篇文章，需要版面费用。总经费 10500 元，其中申请10500 元，自筹 0 元项目组意见（项目的意义、项目组成员的学术水平、完成本项目