便携式倾角传感器的设计

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文献标识码1引言传统的倾角传感器以其测量精度高、可靠性强在水平、垂直度检测以及小角度测量领域占据有重要的地位，已经作为多种大型号军用设备配套仪器在航天发射、雷达车调平、火炮初始化调平等专业领域得到广泛的应用。但在比较恶劣的环境条件、无市电供应状态下该类传感器产品不能进行测量工作。因此研究可适应恶劣环境及民用要求的小体积、轻重量、电池供电、使用方便灵活的倾角传感器产品成为一个亟待解决的问题。经过对课题的讨论，以及对方案涉及到的新技术、新工艺的试验论证，确立方案如下：以现有的倾角传感器中使用的模拟处理电路及其敏感元件为基础，增加了A/D转换器（模数转换器）、微处理器、电源稳压处理、液晶显示、RS-232数据处理等电路模块，采用微功耗电子元器件，提高倾角传感器的数据处理功能，改变电源供电的形式，增加人机对话接口，整体提高了仪器的技术含量和市场竞争力。电路系统方案2.1系统整体设计电路系统设计采用了模块化设计的方法，经过分析将便携式倾角传感器分为以下几个主要模块：传感器敏感元件模块；2） 电源供电模块；3） 传感器信号采集与放大模块；4） A/D转换模块；5） 微处理器模块；6） 液晶显示模块；7） RS-232信号传输模块。系统结构如图1所示：图1系统结构该水平倾角传感器系统的工作过程如下：敏感元件是对角度变化敏感的液体式电导液，其输出的电导信号在小范围内与角度成线性变化，经过转变后使其以电压信号的形式输出。通过运算放大器的适度放大后，变为对用户有用的电压信号。传统的水平倾角传感器多采用电压信号输出的形式实现其功能。在本系统中，将其通过A/D转换后变为数字信号并将数字信号传送入微处理器中进行滤波、限幅、角度化等处理，使之变为对应的精确的角度实时信号，并通过液晶模块进行显示以实现人机接口。另外配置了RS-232信号传输模块，系统可以通过该模块进行数据传输，实现与上位机的通讯。为满足仪器的便携式要求，在电源处理及电路元器件选择上，我们主要采取了选用干电池电源稳压处理模块和采用微功耗器件实现电路功能的方法。系统中元器件的供电都采用由干电池组合并经过稳压处理的±5V电源供电。为实现能源的节约以满足较长时间的工作需求，数字处理部分元器件都采用了节电的COMS器件，其封装除了微处理器仍采用传统的DIP直插式结构为满足程序烧写的要求以外，其他元器件尽量采用低功耗的SOP封装形式，这样可以将系统电路中的功耗大幅降低，满足便携式仪器的应用要求。2.2电路设计为便于分析仪器工作原理，将电路分为模拟和数字两大部分。2.2.1模拟电路部分模拟部分工作的原理如图2所示：模拟部分工作原理：由信号源产生的激励信号加到测量电桥上。若水平敏感元件处于水平状态，则测量电桥平衡，信号输出为零；当其向某一方向倾斜时，由于水平敏感元件的两个角敏电阻阻值分别向相反方向变化，电桥失去平衡，其输出信号值与倾角在一定范围内成近似线性关系，信号输出将在一定范围内和此倾角保持线性输出关系。输出电压大小在一定范围可以调整。信号极性同倾斜方向有关。交流放大器将电桥输出的微弱电信号进行预处理，经相敏检波器对角度信号进行解调为直流电压，再经进一步放大后，输出合适的电压信号，以供数字电路部分处理。图2模拟部分工作原理图（1）传感器敏感元件模块为了测量水平面或竖直面，系统采用两个相互垂直放置的水平敏感元件作为系统的测量单元。水平敏感元件采用我公司常用的水平液体摆式传感器件。该器件反应灵敏，在较小的角度范围内，其倾斜所产生的电导信号与实际角度成很好的线性关系，利用此原理可以实现精确的角度测量。而且敏感元件内封装的电导液体因其化学成分合理的配比，使其对温度变化的响应不灵敏，因此温度变化对敏感元件测量精确度产生的影响很小。在零位附近因外界变化对敏感器件的影响具有平衡性，所以用该敏感元件组成传感器常用于测量水平度或者垂直度。（2） 电源供电模块仪器为满足便携式要求，采用干电池供电。设计中采用了四节可充电的镍氢电池作为整个系统的电源。考虑到电池的放电过程中，会随着电路的耗能而逐渐减小自身存储的电量，导致供电电压不足，而使电路中部分元器件停止工作，所以必须采用稳压电源供电模块来使之输出比较稳定的电压。经过能耗及电源转换效率的考虑，电路中的正电源部分采用了MAXIM公司的+5V、300mA输出、开关式DC-DC转换器MAX603。此DC-DC模块可以允许的输入电压范围是3V—15V，包含了四节1.5V干电池供电电压变化曲线中的范围。通过此模块使干电池组电压在降低到比较低值的状态后，仍旧可以供应稳定的+5V直流电压。而且此模块的外形尺寸比较小，可以节约空间（封装形式为SO8）。系统中除了+5V电源以外还需要-5V的电源，经过选择，采用了MAXIM公司的开关型DC-DC转换器MAX764作为-5V电源变换器。通过此模块可以为系统提供稳定的-5V电压，为系统提供所需负电源。MAX764可以允许输入的电压范围为3V—15V，四节干电池供电允许降压的范围可以满足此芯片的允许输入电压范围。芯片也采用SOP封装，性能优越，功耗低，体积小，适合小型化、低功耗产品的需求。考虑到以上选取的电源变换模块属于开关电源模块，输出端子处有较大的纹波，因此需要在电压输出端外接适当的旁路滤波电容，以消除电源输出纹波对系统中元器件所需电源供电的稳定性的干扰。（3） 传感器信号采集与放大模块传感器输出的信号较为微弱，因此需要经过放大电路的处理后才提供给输出端子。为了减小电路中的共模电压对输出信号的影响，系统采用了将敏感元件加入到惠斯顿电桥桥路中以产生差模电压的输出方式，从而抑制了共模分量。来自电桥的差模电压经过ADI公司的仪表放大器AD620放大。其示意原理图如下图3：图3仪表放大器的使用2.2.2数字电路部分数字部分电路的原理框图如图4所示：图4数字部分电路原理（1） 微处理器模块数字电路部分采用以AT89C52单片机为核心的微处理器主控模块单元。AT89C52单片机应用广泛，有较多的源程序代码可以直接借鉴，从而减少了工作量，节约了开发时间。AT89C52为ATMEL公司出品的以8051体系结构为基础具有8KFlashROM程序存储器的8位微处理器。其提供的FlashROM以其较大的容量和方便灵活的输出接口受到广大工控设计人员的青睐。信号通过模拟电路部分处理后进入数字电路部分。因为输入信号是双路传感器产生的，而在同一时间数字电路部分只能处理唯一的一路数据，因此在进入数字电路部分之前，必须增加模拟多路开关来选择模拟部分输入信号。故系统中选取了MAXIM公司的DG419模拟双路开关芯片来进行信号的选取。控制模拟信号选取的控制端和单片机的一个I/O口相连，通过溢出时钟脉冲置所控制的DG419信号选择端0或1来选择相应的模拟输出，以此控制输入信号的选取。（2） A/D转换模块当选择了模拟信号以后，要把模拟信号转换成微处理器可以识别的数字信号，必须采用A/D转换器。本系统的模拟信号为电压信号，通过A/D转换器以后，每一个角度对应的电压值都被转化为唯一确定的2进制数字量信号，这个数字量是微处理器可以识别处理的信号形式。仪器中选用了MAXIM公司的MAX194芯片作为A/D转换器。MAX194是14位高速、高精度、低功耗串行A/D转换器，特别适合本系统的设计开发要求。其同系列更高精度的MAX195具有16位的分辨率，而且封装形式、管脚定义、使用方法与MAX194完全相同。因此可以根据用户要求，提高或降低系统数据处理的精度，选择合适的芯片类型。液晶显示模块本系统中选用了液晶模块作为数据显示的一种用户接口方案。经过选型，我们选择了GTC08021液晶模块作为显示器件，该模块将液晶显示屏和液晶显示控制器做在一个封装好的模块中，通过外接的引脚，可以直接与单片机的I/O端子及电源接口相连接。该模块提供的液晶屏幕尺寸为：35X15(mm)，显示面积较大，用户可以在这里清晰的观察到测量并显示的角度值数据信号。数据显示为8X2的双行显示，有两行显示空间，每行可以显示一个字符，可以满足设计要求的双路输出显示。整个液晶模块外观简洁、体积较小，可以满足小型化、便携式仪器的设计要求。RS-232数据传输模块系统还提供了与上位机通讯的RS-232信号传输模块。所以必须将单片机串行I/O接口TXD输出的TTL电平转换为上位机可接收的RS-232电平信号。这里选用的RS-232处理模块中，主控芯片选用的是MAXIM公司的DS232芯片。此芯片可以将TTL电平转换成RS-232电平，也可以将RS-232电平转换成TTL电平，属于双向驱动/接收器。系统通过此芯片作为与上位机相连接的处理单元，将系统信号数据传送到上位机中，上位机通过接收调整合适的波特率，使用COM端口来接收传送过来的数据，用户可以在RS-232协议允许的距离内通过上位机采集传感器系统数据，用户可以方便的利用此数据来进行后向处理，实现与上位机通讯。3、机械结构分析本系统的机械加工部分为整机的外壳以及测量安装底板。为满足提高便携性，机体外壳采用长方体形状，尺寸为：长X宽X高二200X80X80，安装板测量面尺寸为：长X宽X高二115X67.5X64。本机的机械结构外形尺寸比起原有的一体化结构的传统仪器，要小10至20倍。测量人员可徒手携带仪器到野外工作，方便灵活，完全可以适应便携式仪器的要求。4、 软件设计软件设计也采用了模块化设计的原理。将实现各个功能的模块程序做成子程序，然后在主程序中进行调用。根据水平倾角测量仪系统的需要，分为以下几个子模块：液晶模块控制器初始化；A/D转换器初始化；A/D转换器采集数据并送交单片机；向液晶模块送数据；液晶模块显示；RS-232数据传输。软件流程程序框图如图5所示：图5程序框图软件设计的语言采用的汇编语言与C语言交叉编写的方式。主程序因为涉及到算法的实现和程序的调用、管理，因此使用了FranklinC51语言编写，可以方便的实现算法及程序调用管理。FranklinC51除其与硬件接口部分的语法外，与通用的ANSIC语言语法相近似，具有ANSIC语言的一切优点，可移植性、可读性、灵活度、结构化、目标代码质量都比较强。软件中与系统硬件联系比较紧密的子功能模块，因其与硬件的联系比较紧密，对端口的读取比较频繁，因此使用ASM51汇编语言进行编写效率更高。因此汇编语言与C语言的结合使用，可以提高系统软件的执行效率，满足实时性要求比较严格的系统需求，并且使系统代码的可读性得以提高。具体的程序代码在此不再赘述。5、 结语样机在组装完