1、学士学位毕业设计I本科毕业设计数字水平仪设计 目 录摘要与关键词 II0 引言 11 ADXL202 简介11.1 结构特点 11.2 工作原理 2 1.3 应用原理 22 模拟信号处理电路33 C8051F020 简介33.1 内部功能部件 33.1.1 CPU 3 学士学位毕业设计II3.1.2 A/D 转换器 4 4 单片机 C8051F020 控制44.1 程序流程 45 电路框图 56 结束语 6参考文献7致谢7学士学位毕业设计III数字水平仪设计摘 要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
2、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。关键词数字水平仪；ADXL202；高精度；低功耗Digital gradienterAbstractA low-power digital gradienter is designed. Using a high-precision and low-power chip ADXL202, the system uses C8051F020
3、as a processor. the acceleration sensor ADXL202 by the C8051F020 analog signal processing A/D output after the digital signal and a description of its key chip ADXL202 the structure and principle and the use of methods, presented detailed schematics and the program flow.KeywordsDigital gradienter；AD
4、XL202；high-precision；low-power学士学位毕业设计10 引言在科技飞速发展的今天，特别是传感器、计算机、A/D 转换器的快速发展，这就要求水平仪也要发展为数字化、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、桥梁等建筑行业，对建筑物自身在水平面倾斜度的测量和处理，还需要一个能连续工作并且采样精度很高的数字水平仪系统，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。本文将设计能满足这些要求的数字水平仪系统，该系统主要采用 ADXL202 芯片对与水平面倾斜的两个角进行度量。ADXL202 芯片是一个具有高精度、宽动态特性的加速度测量芯片。下面对该
5、芯片的主要特点和用法进行简要介绍，随后介绍 ADXL202 与微功耗单片机 C8051F020 的接口电路与程序设计。1 ADXL202 简介1.1 结构特点ADXL202 特点如下：（1） ADXL202 是集双轴加速度传感器于一体的单块集成电路。（2） 它既可测量动态加速度又可测量静态加速度。（3） 具有脉宽占空比输出且每轴的输出带宽可调。（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 1。 图 1 和图 2 分别为 A
6、DXL202 的功能结构框图和引脚排列图。表 1 所列是其引脚功能 2。图 1 功能结构框图学士学位毕业设计2图 2 ADXL202 引脚图表 1 ADXL202 引脚及功能1.2 工作原理加速传感器 ADXL202 是基于单块集成电路的双轴加速度测量系统。它是一个以多晶硅为表面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，输出环路将模拟信号转换为脉宽占空比的数字信号。这些数字信号直接进入微处理器进行运算。ADXL202 可测量正负加速度，其最大测量范围为-2g 和+2g 。ADXL202 也可测量静态加速度，所以可用作斜度测量。ADXL202 加速传感器采用在硅片上
7、经表面微加工的多晶硅结构，用多晶硅的弹性元件支撑它并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 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。解调器的输出通过 32k 的固定电阻输出到脉宽占空比解调器。这时允许用户改变滤波电容的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 将 T2 设定在 0.5ms10ms
8、 范围内。在 0g 加速度时使输出占空比为 50%。加速度可由一计数/计时器或低功耗的微控制器，通过测量 T1、T 2 来测得。模拟输出信号可通过以下两种方法获得：一种从 Xfilt 和 Yfilt 管脚得到；一种是通过 RC 滤波器对脉冲信号滤波后得到的值进行推算。由于本设计系统后端处理的单片机中带有高精度的 12 位A/D 转换器，故决定采用模拟输出 ，在 Xfilt 和 Yfilt 处取值 12 10。管脚序号 名 称 功 能1、6、8 NC 空置端2 VIP 检测端3 ST 自我测试端4、7 COM 公共接地端5 T2 外接 Rset，可设定 T2 周期9 Yout Y 轴脉宽信号输出
9、端10 Xout X 轴脉宽信号输出端11 Yfilt 连接 Y 滤波电容12 Xfilt 连接 X 滤波电容13 Vdd 电源端，与 14 引脚相连14 Vdd 电源端，与 13 引脚相连学士学位毕业设计31.3 应用原理斜度测量仪是 ADXL202 以重力矢量作为基准以测定空间物体的方位。如图 1 所示，ADXL202 芯片是双轴加速度传感器(a x 和 ay)。a x 和 ay 性能完全一样，并且所在轴彼此垂直。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 ax(ay)在 Xfilt(Yfilt)管脚处取得，并且可以得到最多 5KHz 的输出信号带宽。当传感
10、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 ax(ay)为 Vdd/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(V dd/2 +60mVVdd)和 (Vdd/2 60mVVdd)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，V dd 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300mV/g。所受重力加速度为 0g 时输出：V dd/2 = 2.5V(Vdd=+5V)灵敏度：( 60mV V dd )/g = 300mV/g(V
11、dd=+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 y 的输出关系算法如下 8：(1)3.052arcsinpithx(2)pitchos.V-rly2 模拟信号处理电路ADXL202 的 Xfilt 和 Yfilt 引脚接 0.1F 电容使得模拟输出带宽为 50Hz。由于 ADXL202 内部32k 的 Rfilt 的影响，使得在 Xfilt 和 Yfilt 的模拟输出驱动力不足。故在 Xfilt 和 Yfilt 之后加上一个由LM324 运放构成的跟随器增加驱动 1112。ADXL202 感应的重力分量的变化在+1g-1g
12、 之间，相应的，使得 Vdd 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 A/D 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。3 C8051F020 简介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
13、MCS51 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 和调试电路，通过 JATG 接口可以进行系统调试 46。3.1 C8051F020 内部功能部件 3.1.1 CPUC8051F020CPU 的主要特点如下：学士学位毕业设计4（1）与标准 80
14、51 机完全兼容，支持标准的 ASM51、KeilC 高级语言。（2）具有高速指令处理能力，机器周期由 MCS51 标准的 12 个系统时钟周期降为 1 个系统时钟周70%的指令时间为 1-2 个机器周期，指令处理能力大大提。（3）增加了中断源，由 MCS51 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 MCS51 只有外部引脚复位，而 C8051F020 增加了 7 种复位，使系统可靠性大大提高。（5）增加了内部能独立工作的时钟源。C8051F020CPU 支持标准的 ASM51、KeilC 高级语言，编写程序利用公式(1) 、 (2)可计算出倾斜角。3.1.2
15、A/D 转换器 C8051F020 内部有 2 个 ADC 子系统。 （1）12 位 A/D 转换器 ADC0 该转换器由逐次逼近型 ADC、多通道模拟输入选择器和可编程增益放大器组成，ADC 工作在100KBPS 的最大采样速率时可提供真正的 12 位精度，ADC0 的 8 个外部输入通道都可被配置为两个单端输入或 1 个差分输入，ADC0 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 基准电压，可编程增益放大器的增益可用软件设置，从 0.51 6 以 2 的整数次幂递增，允许用软件事件、硬件信号触发转换或进行连续转换。（2）8 位 A/D 转换器 ADC1 除了 1
16、2 位的 ADC 子系统 ADC0 外，C8051F020 还有 1 个 8 位 ADC 子系统即 ADC1，它有 1个 8 通道输入多路选择器和可编程增益放大器，该 ADC 工作在 500KBps 的最大采样率时可提供真正的 8 位精度，ADC 的基准电压可在电源电压引脚和外部 Vref 引脚之间选择，ADC1 的可编程增益放大器的增益可被编程为 0.5、1、2 或 4，ADC1 也有灵活的转换控制机制，允许用软件命令，定时器溢出或外部信号输入启动 ADC1 转换，用软件可以使 ADC1 与 ADC0 同步转换。A/D 采样转换，将 ADXL202 输出的模拟信号转换成数字量。 C8051F
17、020 内部功能部件还包括：存储器、I/O 与数字交叉开关、可编程计数阵列、D/A 转换器 JTAG 接口和逻辑。4 单片机 C8051F020 控制TMS、TCK、TDI 和 TDO 引脚为 JTAG 引脚，用于下载和更新程序存贮器 FLASHROM 中的程序。A/D 基准电压 Vref0 接+2.5V。AIN0.0 和 AIN0.1 引脚接输入被采样的模拟信号。经过单片机处理后得到的 pitch 和 roll 信号从 UART 口输出，并通过电平转换芯片 MAX3232 转换为可以直接和 PC 机的 COM 口相通信的 RS232 信号 4,9。4.1 程序流程这里不再赘述系统时钟、端口、
18、UART0 口等初始化设置，主要将讲述一下采样后的数据处理过程。根据过采样和求均理论：为了增加有效位数，信号被过采样，或者所 A/D 以高于系统所需采样频率 fs 的速率对信号采样。每增加一位分辨率 ，信号采样速率必须提高 4 倍。fos=4 W fs (3)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。根据设计的要求：小数点后要显示两位，而 12 位的的分辨率只能表示 4096 个不同的量化值，90/40960.022。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
19、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。fos=4 4 50Hz=12800Hz (4)学士学位毕业设计5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。单片机 C8051F020 程序流程图如下：图 3 C8051F020 单片机的主程序流程图此图为单片机 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
20、 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 y、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 y 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=ax/12800、a y=ay/12800 求平均值以提高准确度减少误差，利用编程计算出， 通过 UART0 输出 pitch、roll 的值，然后V3.052rc
21、sinpithx pitchos0.3V25-arnlyax、a y、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 UART0 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ADX202单片机C8051F020电平转换MAX3232 PC 机图 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 系统进行处理，通过内部 CPU 处理，
22、计算出倾斜角度进经 A/D 转换器输出数字信号，再经过电平转换可在 PC 机上直接读出倾斜角大小。学士学位毕业设计6图 4 C8051F020 单片机的子程序流程图6 结语学士学位毕业设计7实验数据表明：该系统的电路具有高精度、低功耗、数字化、智能化等特点，能够实现与微机、PC 机的连接，可直接读出倾斜度，本次设计的数字水平仪的精确度将精确到小数点后两位即精确度为：0.01 度。但该系统仍存在一些问题敬请指导、改正，笔者将不胜感激。参考文献1 Analog Devicesreference manual.2002.2 http:/ loadFiles/ujs/detail/32-583.htm
23、l.3 韩屏.加速传感器ADXL202在无线检测中的应用.单片机与嵌入式系统应用.2006，9：21-27.4 潘琢金.C8051FXXX高速SOC单片机原理及应用.北京：北京航空航天大学出版社，2005（1）：30-80.5 艾玲，王亮.微功耗单片机在数字压力表设计中的应用 T.自动化与仪器仪表.2002，102（4）：34-40.6 何道清.传感器与传感器技术M .北京：科学出版社， 2004：337-339.7 “用过采样和求均值提高ADC分辨率” ，wwwXhlcomcn.8 李佳列，颜国正，丁国清.一种新型数字式水平仪：原理与实现 J.传感技术学报.2001，9（3）：191-195
24、.9 蒋怀威，尹志强，关胜晓.一种基于单片机的新型线阵 CCD电路.电子设计应用.http:/jd.21ce.info/Article/2006-08-10/28027.htm转载.10 张福学.现代实用传感器技术M .北京：中国计量出版社， 1997：46-47.11 Scott O. Improve encoder performanceJ. power TranSmission Design，1996，384：43-46.12 Shkle AM.Micromachined gyroscopes:challenges,design Solutinos and opportuniesA.proc SPIE.Newport Beath,CA:SPIE，2001：74-85 .
