毕业设计 数字水平仪设计

学士学位毕业设计I摘要与关键词 11ADXL202简介 11.1结构特点 1 2 2 3 3 3 33.1.2A/D转换器 44单片机C8051F020控制 4 4 56结束语 6参考文献 7 7Ⅲ设计一种低功耗数字水平仪。该系统采用高精度低功耗加速传感器芯片ADXL202获取信号，采用芯片C8051F020作为中央处理器。加速传感器芯片ADXL202得到的模拟信号经C8051F020处理A/D转换后输出数字信号即倾斜角。叙述了其关键芯片ADXL202的结构和原理以及使用方法，并简单介绍了芯片C8051F020,最后给出了设计电路框图和单片机的程序流程图。数字水平仪；ADXL202;高精度；低功耗principleandtheuseofmethods,presentedDigitalgradienter;ADXL202;high-precision;low-power1要发展为数字化、智能化且可以与打印机、计算机进行联机自动化测量的仪器。在高楼、桥梁等建数字水平仪系统，这又要求该系统必须具有测量精度高、连续工作时间长的功能。本文将设计能满(4)消耗低、测量仪响应快。(5)每根轴的带宽均可通过电容调整。(6)直流工作电压为+3V~+5.25V。(7)可承受1000g的剧烈冲击。(8)可应用于：斜度测量、加速度测量、地震监测装置、交通安全系统等。RfY轴传感器5文文Rf脉宽占空比解调器④解调解调Xf2259NCXf证YfNC管脚序号空置端2检测端3自我测试端公共接地端5外接Rset,可设定T₂周期9Y轴脉宽信号输出端X轴脉宽信号输出端连接Y滤波电容连接X滤波电容电源端，与14引脚相连电源端，与13引脚相连的微电机传感器和信号控制环路来执行操作的开环加速测量结构。对每根轴而言，输出环路将模拟提供平衡加速度所需的阻力。结构偏转是通过由独立的固定极板和附在移动物体上的中央极板组成的可变电容来测量的。固定极板通过方波的每π个相位控制。加速度计受到加速度力后改变了可变电容的平衡，使输出方波的振幅与加速度成正比。相位解调技术用来提取信息，判断加速方向。大小来设置输出信号的带宽。这种滤波提高了测量的精度，并有效地防止频率混叠。经过低通滤波后，模拟信号由DCM(脉宽占空调制器)转换为脉宽占空比信号。通过一个电阻RsET或低功耗的微控制器，通过测量T₁、T₂来测得。模拟输出信号可通过以下两种方法获得：一种从Xni和Yfn管脚得到；一种是通过RC滤波器对转换器，故决定采用模拟输出，在Xm和Yin处取值1-21[10]。1.3应用原理3斜度测量仪是ADXL202以重力矢量作为基准以测定空间物体的方位。彼此垂直。下面对加速度传感器ADXL202单轴性能进行描述。单轴模拟信号的输出值a(a)在X(Yr)管脚处取得，并且可以得到最多5KHz的输出信号带宽。当传感轴与重力轴垂直(与水平面平行)时，加速度传感器测得重力加速度在传感轴上的分量为0g,此时模拟输出a(a,)为Va/2。当传感轴在分别与重力矢量方向一致和相反时，传感器感应到的重力分量分别为+1g和-1g,同时，模拟输出为(Vd/2+60mV×Vda)和(Vaa/2-60mV×Vaa)信号输出随感应到的重力矢量分量逞线性变化3。在实际设计中，Vaa选用+5V,使得0g时的模拟输出的电平偏置为+2.5V,线性增长的斜率为所受重力加速度为0g时输出：Vdd/2=2.5V(Vdd=+5V)灵敏度：(60mV×Vad)/g=300mV/g(Va=+5V)数字水平仪的输出是两个角度量，分别为俯仰角(pitch)和旋转角(roll)。这两个角度和ax、a,的输出关系算法如下8]:2模拟信号处理电路ADXL202的X6i和Yn引脚接0.1μF电容使得模拟输出带宽为50Hz。由于ADXL202的R6i的影响，使得在Xri和Y6in的模拟输出驱动力不足。故在Xin和Yfit之后加上一个由LM324运ADXL202感应的重力分量的变化在+1g~-1g之间，相应的，使得Vaa为+5V时，输出模拟量的线性变化在+2.2V~+2.8V之间。但设计中后端单片机AD采样的输入范围为0V~+2.5V,为了提高采样精度并匹配A/D采样的输入范围，在跟随器之后加上了由LM324运放组成的参考电压为+2.5V、放大系数为7的负反馈放大电路。这使得放大电路的输出随输入的+2.2V~+2.8V线性变化为输出的+0.4V~+4.6V。然后再进行电阻分压，使得最终进入单片机的采样输入为+0.2V~+2.3V与单片机要求电压向匹配。C8051F020单片机是集成在1块芯片上的混合信号系统级单片机，具有与MCS-51内核及指令完全兼容的微控制器。除了具有标准8051机的数字外设部件外，片内还集成了数据采集与控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件，主要包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBUS/I2C、UART、SPI、可编程计数器/定时器阵列、定时器、I/O端口、电源监视器、看门狗定时器和时钟振荡器等，且该单片机内部具有JTAG和调试C8051F020CPU的主要特点如下：(1)与标准8051机完全兼容，支持标准的ASM51、KeilC高级语言。4(2)具有高速指令处理能力，机器周期由MCS-51标准的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周(3)增加了中断源，由MCS-51标准7个中断源增加至22个中断源。(4)增加了复位源，标准的MCS-51只有外部引脚复位，而C8051F020增加了7种复位，使系统(5)增加了内部能独立工作的时钟源。C8051F020内部有2个ADC子系统。(1)12位A/D转换器ADCO单端输入或1个差分输入，ADCO的第9个输入通道为内部温度传感器，同时内部提供1个2.34V除了12位的ADC子系统ADCO外，C8051F020还有1个8位ADC子系统即ADC1,它有14单片机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数，fs是初始采样频率要求，fos是过采样频率。采样频率是指将模拟信号数字化时，每秒钟所抽取模拟信号样本的次数。90°4096≈0.022。不能满足设计要求，因此要把原有的12位分辨率提高到16位的分辨率，16位的量化则可表示65536个不同的量化值，90°/65536=0.001373。可以精确的小数点后三位，可以满足设计要求，模拟输入信号带宽fs=50Hz,实际的采样速率fos选取为12800Hz⁷。数字水平仪输出的倾斜角的精确度取决于采样频率和量化位数这两个重要参数，量化位数越高就越精确但数据量也越大。5单片机C8051F020程序流程图如下：主程序主程序系统上电复位初始化定时器初始化，产生12.8KHz定时中断空循环等待中断此图为单片机C8051F020的主程序流程图，为了提高采样精度让定时器产生12.8KHz的定时中断，分辨率从12位提高到16位，利用定时器控制中断进入C8051F020的子程序，图4是单片机C8051F020的子程序流程图，首先将静态量ax、a、COUNT,变量pitch、roll初始化，然后经A/D采样转换，将12位转换结果转换为实际电压量累加存入ax、a,中，采样一次COUNT自加1,判断采样次数直到采样12800次中断继续向下执行，否则退出中断。12800次采样值累加再用ax=a√/12800、通过UARTO输出pitch、roll的值，然后ax、ay、roll清零，退出中断等待下次测量。数据的输出除了在本设计提到的通过UARTO接到PC机的COM口外，还可以通过UART1口和该单片机的另一UART口外接GPRSmodem进行Internet的无线接入，从而可以向Internet上的任一IP终端进行数据交换。5电路框图加速传感器单片机电平转换MAX3232图5设计电路框图加速传感器ADXL202将倾斜度转换成模拟电信号进入单片机C8051F020系统进行处