单片机水平测量系统研究

摘要：在自动控制工程设计和大地测量等相关行业中，常常需要对某一个平面或基准进行倾角测量，或进行自动水平调节，特别是在自动控制中，经常需要对某一物体进行动态水平控制，这就要求仪器能对水平倾角进行自动动态跟踪测量,在某些高精度的测量系统中，还要求对系统进行快速调平或对某些装置与水平面的倾斜角进行快速高精度的测量。这些都是传统水平测量系统和水平仪很难做到的。以电子倾角器为传感器而设计的数字倾角测量系统或数字水平仪不仅能满足自动测量与控制的要求，而且能使测量的精度和速度大大提高。本文详细介绍了利用A/D转换器、温度传感器和单片机实现数字倾角测量系统的硬件和软件设计。该系统具有精度高、运行稳定、性能可靠、带温度补偿等优点，可广泛应用于宽工作温度范围的高精度倾斜角测量中。关键词：AT89C52单片机倾角测量ADS12101研究背景31.1目的和意义31.2研究现状32相关技术32.1单片机发展现状32.2AT89C205152.2A/D转换器72.3倾角传感器原理82.3.1分类82.3.2性能比较93数字水平测量系统的组成及工作原理94系统硬件设计104.1系统的硬件结构104.2ADS1210和DS1624与AT89C52的接口电路115系统软件设计125.1主程序125.2计算子程序135.3ADS1210的编程145.4DS1624的编程145.5串口中断服务程序15总结161研究背景1.1目的和意义由传统的光学水平测量向数字化水平测量发展缓慢。直到上世纪中叶以来科学技术的发展如微电子技术、计算机技术、激光技术、通信技术、空间技术的发展，使人类进入了新的产业革命的时代信息革命时代。现代科学技术发展的特点是向多种科学技术综合化方向发展。首先是现代科学和现代技术相结合，科学技术化，技术科学化。在高科技研究和发展领域，多种学科联合攻关，科学技术向综合化和一体化方向发展，以此大力推动当代科学技术的发展。在自动控制工程设计和大地测量等相关行业中，常常需要对某一个平面或基准进行倾角测量，或进行自动水平调节，特别是在自动控制中，经常需要对某一物体进行动态水平控制，这就要求仪器能对水平倾角进行自动动态跟踪测量,在某些高精度的测量系统中，还要求对系统进行快速调平或对某些装置与水平面的倾斜角进行快速高精度的测量。这些都是传统水平测量系统和水平仪很难做到的。以电子倾角器为传感器而设计的数字倾角测量系统或数字水平仪不仅能满足自动测量与控制的要求，而且能使测量的精度和速度大大提高。1.2研究现状基于传感器、数字信号处理、单片机技术的数字水平仪是当前倾角测试仪器数字化发展的方向。利用角度传感器敏感水平倾角，通过信号处理和单片机的控制、运算将倾角以数值的形式直接在数码管上显示或上传到计算机进行显示、处理，从而使角度测量变得方便、快捷，实现了倾角的高精度测量。数字水平仪是20世纪90年代初出现的新型几何水平测量仪器，它的出现解决了水平仪数字化读数的难题，标志着大地测量完成了从精密光机仪器到光机电测一体化的高科技产品的过渡。由于数字水平仪克服了传统水平测量的诸多弊端，具有读数客观、精度高、速度快、能够减轻作业强度、测量结果便于输入计算机和容易实现水平测量内外业一体化的特点，其市场应用前景十分乐观。目前占据数字水平仪市场的主要是瑞士Lelca公司、德国Zeiss公司以及日本Topcon和Sokkia公司生产的几种型号的产品。本文以日本Topcon为例介绍数字水平仪的特点、误差来源、测量系统的组成及工作原理等。2相关技术2.1单片机发展现状计算机系统的发展已明显地朝三个方向发展;这三个方向就是：巨型化，单片化，网络化。以解决复杂系统计算和高速数据处理的仍然是巨型机在起作用，故而，巨型机在目前在朝高速及处理能力的方向努力。单片机在出现时，Intel公司就给其单片机取名为嵌入式微控制器(embeddedmicrocontroller)。单片机的最明显的优势，就是可以嵌入到各种仪器、设备中。这一点是巨型机和网络不可能做到的。数字单片机的技术发展数字单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。在目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也越来越高。下面分别就这四个方面说明单片机的技术进步状况。1、内部结构的进步单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路，例如：定时器，比较器，A/D转换器，D/A转换器，串行通信接口，Watchdog电路，LCD控制器等。有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块CAN。例如，Infineon公司的C505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90;Motorola公司的68HC08AZ系列等。特别是在单片机C167CS-32FM中，内部还含有2个CAN。因此，这类单片机十分容易构成网络。特别是在控制，系统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。为了能在变频控制中方便使用单片机，形成最具经济效益的嵌入式控制系统。有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路，这些单片机有Fujitsu公司的MB89850系列、MB89860系列;Motorola公司的MC68HC08MR16、MR24等。在这些单片机中，脉宽调制电路有6个通道输出，可产生三相脉宽调制交流电压，并内部含死区控制等功能。特别引人注目的是：现在有的单片机已采用所谓的三核(TrCore)结构。这是一种建立在系统级芯片(Systemonachip)概念上的结构。这种单片机由三个核组成：一个是微控制器和DSP核，一个是数据和程序存储器核，最后一个是外围专用集成电路(ASIC)。这种单片机的最大特点在于把DSP和微控制器同时做在一个片上。虽然从结构定义上讲，DSP是单片机的一种类型，但其作用主要反映在高速计算和特殊处理如快速傅立叶变换等上面。把它和传统单片机结合集成大大提高了单片机的功能。这是目前单片机最大的进步之一。这种单片机最典型的有Infineon公司的TC10GP;Hitachi公司的SH7410，SH7612等。这些单片机都是高档单片机，MCU都是32位的，而DSP采用16或32位结构，工作频率一般在60MHz以上。2、功耗、封装及电源电压的进步现在新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节电等工作方式。Philips公司的单片机P87LPC762是一个很典型的例子，在空闲时，其功耗为1.5mA，而在节电方式中，其功耗只有0.5mA。而在功耗上最令人惊叹的是TI公司的单片机MSP430系列，它是一个16位的系列，有超低功耗工作方式。它的低功耗方式有LPM1、LPM3、LPM4三种。当电源为3V时，如果工作于LMP1方式，即使外围电路处于活动，由于CPU不活动，振荡器处于1～4MHz，这时功耗只有50?A。在LPM3时，振荡器处于32kHz，这时功耗只有1.3?A。在LPM4时，CPU、外围及振荡器32kHz都不活动，则功耗只有0.1?A。现在单片机的封装水平已大大提高，随着贴片工艺的出现，单片机也大量采用了各种合符贴片工艺的封装方式出现，以大量减少体积。在这种形势中，Microchip公司推出的8引脚的单片机特别引人注目。这是PIC12CXXX系列。它含有0.5～2K程序存储器，25～128字节数据存储器，6个I/O端口以及一个定时器，有的还含4道A/D，完全可以满足一些低档系统的应用。扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是今天单片机发展的目标之一。目前，一般单片机都可以在3.3～5.5V的条件下工作。而一些厂家，则生产出可以在2.2～6V的条件下工作的单片机。这些单片机有Fujitsu公司的MB89191～89195，MB89121～125A，MB89130系列等，应该说该公司的F2MC-8L系列单片机绝大多数都满足2.2～6V的工作电压条件。而TI公司的MSP430X11X系列的工作电压也是低达2.2V的。3、工艺上的进步现在的单片机基本上采用CMOS技术，但已经大多数采用了0.6?m以上的光刻工艺，有个别的公司，如Motorola公司则已采用0.35?m甚至是0.25?m技术。这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠性。以单片机为核心的嵌入式系统shzlyj279.com/sdjq/mdqxj265.com/thsylc/gbzlyj285.com/jjylc1/sfzlyj282.com/ambjl/szlyj280.com/sb138/szlyj280.com/dbw/mdqxj265.com/amlp/mdqxj265.com/zrbjl/mdqxj265.com/yzhylc/sgzlyj278.com/jzylc/