在自動(dòng)控制和工程設(shè)計(jì)中,，常常需要對(duì)某一個(gè)平面或基準(zhǔn)進(jìn)行傾角測(cè)量，或進(jìn)行自動(dòng)水平調(diào)節(jié),，特別是在自動(dòng)控制中,，經(jīng)常需要對(duì)某一物體進(jìn)行動(dòng)態(tài)水平控制，這就要求儀器能對(duì)水平傾角進(jìn)行自動(dòng)動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量[1],；在某些高精度的測(cè)量系統(tǒng)中，還要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行快速調(diào)平或?qū)δ承┭b置與水平面的傾斜角進(jìn)行快速高精度的測(cè)量,。這些都是傳統(tǒng)傾角測(cè)量系統(tǒng)和水平儀很難做到的。以電子傾角器為傳感器而設(shè)計(jì)的數(shù)字傾角測(cè)量系統(tǒng)或數(shù)字水平儀不僅能滿足自動(dòng)測(cè)量與控制的要求，而且能使測(cè)量的精度和速度大大提高,。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
　　高精度數(shù)字傾角測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,。單片機(jī)選用ATMEL公司的AT89C52，利用其提供的軟件硬件資源,，完成系統(tǒng)的控制以及采集數(shù)據(jù)的計(jì)算。系統(tǒng)的主要部分包括：電子傾角器,、二階低通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器ADS1210,、AT89C52、溫度傳感器DS1624,、電源以及向上位計(jì)算機(jī)傳送數(shù)據(jù)的通訊接口電路等,。

　　電子傾角器選用Jewell Instruments公司生產(chǎn)的LCF-100型電子傾角器,，它屬于力平衡式伺服系統(tǒng)電子傾角器,，測(cè)量范圍為 -1°～+1°，其輸出為模擬電壓,，與傾斜角度的正弦成正比。該傾角器具有分辨率高,、響應(yīng)速度快、線性度好等特點(diǎn),。由于電子傾角器輸出的模擬電壓含有高次諧波，因此通過二價(jià)低通濾波器濾除輸出信號(hào)的高頻分量,。

　　A/D轉(zhuǎn)換器將電子傾角器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，其分辨率的高低將直接影響系統(tǒng)的測(cè)量精度。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,，本系統(tǒng)采用Burr-Brown公司 ADS1210作為電子傾角器的A/D轉(zhuǎn)換器，它是一個(gè)24位分辨率,、寬動(dòng)態(tài)范圍、單5V電源供電,、帶自校正功能的∑-Δ高精度A/D轉(zhuǎn)換器,，其內(nèi)部由可編程增益放大器、二階∑-Δ調(diào)制器,、調(diào)制器控制單元,、三階數(shù)字濾波器、微控制器,、寄存器組、基準(zhǔn)參考源和時(shí)鐘電路等組成[2],。ADS1210將轉(zhuǎn)換的數(shù)字量通過I2C總線傳送到單片機(jī)。

　　溫度傳感器選用Dallas Semiconductor公司的DS1624數(shù)字溫度測(cè)量計(jì),，它具有測(cè)量精度高、測(cè)量溫度范圍寬,，易與單片機(jī)接口等特點(diǎn)，其內(nèi)部還帶有256字節(jié)的E2PROM,，用于存儲(chǔ)測(cè)量系統(tǒng)的修正參數(shù)[3],。溫度傳感器實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的環(huán)境溫度,，將采集的溫度值通過I2C總線送入單片機(jī)。

1.2 ADS1210和DS1624與AT89C52的接口電路
　　ADS1210和DS1624與AT89C52的接口電路如圖2所示,。傳感器的輸出接到ADS1210的AINP和AINN輸入端,。在這里,，ADS1210和AT89C52采用的是三線連接,，DRDY、SDIO,、SCLK分別與P12,、P13、P14相連接,，其中SDIO用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出,，CS直接接地,，MODE接地表示從機(jī)方式。由于在本系統(tǒng)中只用了一塊ADS1210,，故可將DSYNC與DVDD直接相連。

　　利用AT89C52的P1口的P10和P11分別與DS1624的引腳SCL和SDA相連構(gòu)成I2C總線,。I2C總線是一種串行數(shù)據(jù)總線，只用兩根信號(hào)線,，一根是雙向數(shù)據(jù)線SDA,另一根是時(shí)鐘線SCL。在I2C總線上傳送的一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)由八位組成，總線對(duì)每次傳送的字節(jié)數(shù)沒有限制,，但是每個(gè)字節(jié)后必須跟一個(gè)應(yīng)答位（ACK）,，數(shù)據(jù)傳送首先傳最高位（MSB）,。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)軟件采用匯編語言編程，由主程序,、計(jì)算子程序,、ADS1210讀寫子程序,、DS1624讀寫子程序和串口中斷服務(wù)子程序等組成。傾角器溫度補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)參數(shù)存放在DS1624的E2ROM中,，必要時(shí)上位計(jì)算機(jī)通過控制命令對(duì)其進(jìn)行修正,。中斷服務(wù)程序隨時(shí)接收上位計(jì)算機(jī)的控制命令，進(jìn)行系統(tǒng)自檢,、參數(shù)修正、數(shù)據(jù)輸出等,。

2.1主程序
　　主程序完成初始化后，實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度和電子傾角器數(shù)據(jù),，并進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算,。為了保證采集傾角器數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,，采集一次環(huán)境溫度數(shù)據(jù)后,，連續(xù)采集10次傾角器數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，然后再采集一次環(huán)境溫度如此,，如此循環(huán)往復(fù)。 請(qǐng)登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 瀏覽更多信息

　　主程序的流程如圖3所示,。

2.2 計(jì)算子程序
　　電子傾角器輸出的模擬電壓V與傾斜角度θ的正弦近似成線性關(guān)系,，即：

　　V=V0+K0×sinθ　?。?）

　　其中,，K0是電子傾角器的轉(zhuǎn)換比例因子,。因傾角器的測(cè)量范圍為±1,?？梢杂没《戎堤娲嵌鹊恼抑?，其計(jì)算誤差為：

該誤差可以忽略不計(jì),，則公式（1）簡(jiǎn)化為：

　　V=V0+K0×θ

　　從公式（2）可以看出,，傾斜角度θ是隨環(huán)境溫度線性變化的函數(shù)，而線性傳感器的溫度補(bǔ)償是對(duì)零位和靈敏度的補(bǔ)償,，所以經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)膬A角器輸出為：

　　V=V0+K×ΔT+K0（1+K1×ΔT） ×θ

　　式中，K為零位溫度系數(shù),，K1為比例因子溫度系數(shù)。

　　用AD表示A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù),；K_AD表示A/D轉(zhuǎn)換器的輸出斜率，單位：1/V,；B0表示基準(zhǔn)零偏電壓，單位：V,；B_temp表示零點(diǎn)偏差系數(shù),，單位：V/℃,；ΔT表示溫度變化量，單位：℃,；S.F._Temp表示比例因子溫度系數(shù)；Title表示修正后的傾角,，單位："。則（3）式變?yōu)椋?

2.4 DS1624的編程
　　由于將DS1624的引腳SCL和SDA與AT89C52的P10和P11相連構(gòu)成I2C總線,，對(duì)DS1624的讀寫操作都要遵循I2C總線協(xié)議,。利用單片機(jī)可以仿真I2C總線的讀/寫時(shí)序,。I2C總線的控制主要包括以下五部分：開始,、讀數(shù)據(jù),、寫數(shù)據(jù),、應(yīng)答、停止,。

　　DS1624的編程包括以下幾個(gè)子程序：初始化子程序、啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換子程序,、讀取溫度值子程序。在初始化子程序中,，向配置/狀態(tài)寄存器寫一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)用以將DS1624的工作方式設(shè)為連續(xù)轉(zhuǎn)換方式,。
　　DS1624的初始化子程序,、讀取溫度值和啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖6所示。

2.5 串口中斷服務(wù)程序
　　如果更換電子傾角器,，那么其相應(yīng)的參數(shù)，如固定零偏差,、零偏的溫度系數(shù),、比例因子,、比例因子溫度系數(shù)等都會(huì)發(fā)生變化,。為了提高系統(tǒng)的通用性,，將這些參數(shù)通過串口中斷的方式進(jìn)行修改。單片機(jī)計(jì)算得到的結(jié)果即修正角度也是通過串口中斷的方式輸出的,。本系統(tǒng)的串口中斷服務(wù)程序包括以下幾個(gè)命令：寫零偏差,、寫零偏溫度系數(shù),、寫傾角器轉(zhuǎn)換比例因子,、寫比例因子溫偏差,、寫ADS1210的轉(zhuǎn)換比例,、寫ADS1210的轉(zhuǎn)換速率,、寫角度校準(zhǔn)值、初始化E2ROM中的數(shù)據(jù),、讀溫度值,、讀計(jì)算后修正角度值,、檢查寫進(jìn)數(shù)據(jù)的正確性、檢查芯片是否工作正常等。串口中斷服務(wù)的流程圖如圖7所示,。

　　本文介紹的高精度數(shù)字傾角測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)在工程中得到實(shí)現(xiàn)，并通過T3經(jīng)緯儀驗(yàn)證了它的測(cè)量精度,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在-10℃～+50℃的溫度范圍內(nèi)，其精度達(dá)到3”,，能滿足寬工作溫度范圍高精度測(cè)量系統(tǒng)的需要,。更寬溫度范圍內(nèi)的精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行中。該系統(tǒng)已經(jīng)在某項(xiàng)目的水平傾斜角測(cè)量中得到應(yīng)用,，運(yùn)行穩(wěn)定,、性能可靠,。