基于数字倾角测量仪的设计

0 引 言

数字倾角测量仪是一种测量小角度的量具，用它可测量对于水平位置的倾斜度，两部件相互平行度和垂直度，机床、仪器导轨的直线度，工作台平面度，以及平板的平面度等，具有十分广阔的应用前景。

设计中的倾角传感器是基于热对流的倾角传感器，该倾角传感器质量较小，在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小，所以，具有较强的抗振动或冲击能力，是为数不多的能够兼有结构简单、可靠性高、有通用传感器集成电路等优点的倾角传感器之一。本设计通过倾角传感器测量平台的倾角，输出电压信号，经过运放放大后，输出给单片机电路进行数据处理，最后，通过数码管显示倾角的大小，还可用做控制系统输出控制信号调整平台的倾角。

1 数字倾角测量仪的原理

倾角测量仪的整体硬件设计原理如图1所示，它由传感器、前置放大电路、A／D转换电路及单片机系统等部分组成。传感器采集加速度信息，经过内部转换后输出电压值，电压值分为两路，一个是测量X轴方向上的加速度；另一个是测量Y轴方向上的加速度。两路电压信号经过低通滤波、运算放大器放大处理后输出放大后的电压给A／D转换模块，A／D转换模块输出8位数字量给单片机进行处理，单片机最后输出串行数据，通过数码管显示电路输出平台的倾斜角度。

2 传感器工作原理

设计中使用的传感器为MXA2050A，其是位于一单片集成电路CMOS IC上的完整的加速度测量系统。该传感器是基于自然对流而进行热传导的，在MXA2050A中气体是密封腔体内的唯一运动体，它的质量较小，在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小，所以，具有较强的抗振动或冲击能力。它是一个极其低廉的双轴加速度计，因为不带有移动部件，所以器件特别可靠，而且，还可采用基于一个亚微米的CMOS方法生产制造。这种方法可以生产小型尺寸的晶片，所以，这种器件非常低廉且多功能。MXA2050A加速度测量范围是：±10gn，输出量是两路模拟电压信号。允许分辨1 Hz带宽中的低于10 mg。信号，频响可扩展至40Hz。在附带一个简单外部电路的情况下，频响扩展至160Hz。

热对流加速度计包含一个密闭的腔体，腔体内充有流体，其中，有一个加热元件将把腔体中加热元件周围的流体加热，加热后的流体发生膨胀而密度下降，在重力的作用下上升，周围的相对冷的流体补充到空位置上，这样，反复循环而造成热对流传导。在静止状态下温度曲线是对称的，在有加速度的情况下，由于自然对流热传导，使得任何方向上的加速度会扰乱温度，引起温度的不对称。因此，加速度计中4个热电堆的温度和输出电压是相异的。不同的热电堆输出电压直接正比于加速度。在加速度计上它们具有2个相同的加速度信号通道。一个是测量X轴方向上的加速度；另一个是测量Y轴方向上的加速度，其外围电路如图2所示。

3 运放、A／D转换和显示电路

在传感器的应用中，高阻抗的前置放大器主要作用有2个：一是将传感器的微弱信号放大；二是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，设计中的前置放大器主要由AD623放大电路组成，电路图如图3所示。

运放AD623同时可以实现减法、加法、放大的功能，传感器输出的信号VX先减去其在水平方向时的零位电压，然后，经过放大G倍，再加上参考电压VREF，最后输出为

通过调节RG1的大小就可以调节放大倍数，参考电压由滑动变阻器分压输出。传感器产生的电压信号首先经过放大器后输出给A／D转换电路。A／D转换采用TLC5510，可以实现由单片机控制转换的速度，输出数字量为8位，可以实现设计的精度要求。

显示电路主要由移位寄存器、数码管显示两部分组成，单片机处理后的数据转变为串行格式的数据，在时钟信号的作用下，通过移位寄存器实现移位显示。显示电路共采用8个移位寄存器，8个数码管，分别实现x，y方向的4位角度显示，精确可达到0.01°。移位显示电路如图4所示。

来源：维库开发网