專利名稱：一種基于單片機的自動調平控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于單片機的自動調平控制裝置，具體地說是一種能為安置在載 物平臺上的儀器設備提供高精度的水平基準面的采用單片機自動調平的控制裝置，適合用于水準儀、經緯儀等測繪儀器的自動調平。
背景技術：
在現代國防與民用技術中，常常需要把某些設備精確地調整到水平位置，以提高設備系統的工作性能，達到某一指標要求。以往調平裝置的研究主要集中在如水平儀、測角儀及測斜儀等角度測量方面，而角度測量與自動控制結合的技術較少。現在很多測量設備都是機械式的水平調整方式，如地質水文勘探、土木工程測量中廣泛應用的水準儀、經緯儀等測繪儀器，該類儀器在使用中一個共同的特點就是需要使用者手動調平。由于受人主觀因素的影響，調平的速度和精度得不到保證，耗時長，精度低。但當前設備越來越向自動化智能化的方向發展，工作臺的自動調平，尤其是應用于野外測量、實驗中及與儀器的結合的工作臺實現水平自動調整是很有必要的，因此開發與儀器設備結合實現自動調平的控制裝置，具有較好的應用價值。
發明內容
本發明的目的是提供一種精度較高，體積小，適用范圍廣，使用方便快捷，能夠為放置在載物平臺上的儀器設備提供高精度的水平基準面的基于單片機的自動調平控制裝置。為了實現上述功能，本發明所采取的技術方案是提供一種基于單片機的自動調平控制裝置，包括設備部分和自動控制部分，所述的設備部分設有載物平臺，X軸向舵機，Y軸向舵機，基座，X、Y軸向轉動機構和三軸加速度傳感器，在基座上安裝有X、Y軸向轉動機構，X軸向舵機和Y軸向舵機安裝在有兩個軸相互正交垂直的X、Y軸向轉動機構上，X軸向舵機和Y軸向舵機的旋轉軸相互垂直，載物平臺安裝在Χ、γ軸向轉動機構上方；三軸加速度傳感器安裝在載物平臺下底面；
所述的自動控制部分設有單片機控制單元，舵機調節單元，傾角傳感器水平檢測單元和液晶顯示單元，所述的單片機控制單元與舵機調節單元連接，單片機控制單元還分別與傾角傳感器水平檢測單元和液晶顯示單元互連；單片機控制單元作為自動控制部分的核心，用于實現對舵機調節單元、傾角傳感器水平檢測單元和液晶顯示單元的控制；舵機調節單元設有X軸向舵機和Y軸向舵機的驅動電路，舵機調節單元用作調節X軸向舵機和Y軸向舵機的Χ、γ正交軸向的角度動作執行器，X軸向舵機和Y軸向舵機轉動的角度通過改變單片機控制單元內部的定時器產生的脈沖寬度調制信號的占空比來實現；傾角傳感器水平檢測單元采用三軸加速度傳感器，三軸加速度傳感器的X、Y軸分別與X軸向舵機和Y軸向舵機的旋轉軸平行；所述的液晶顯示單元連接的液晶顯示器安裝在載物平臺上方，實時顯示載物平臺X、Y軸向的傾斜角度數值。
本發明所述的單片機控制單元采用MSP430F169單片機作為主控器。本發明單片機控制單元選用MSP430F169單片機，是因為其具有高集成度和低功耗的特點，使其非常適合于電池供電和空間受限的場合。本發明所述的單片機控制單元提供2個I/O 口與舵機驅動電路電連接。本發明所述的單片機控制單元中單片機內置A/D提供3個I/O 口與傾角傳感器水平檢測單元電連接。本發明所述的單片機控制單元通過對傾角傳感器水平檢測單元輸出信息的A/D采集與計算分析，決定調平策略，通過控制兩路舵機動作實現調平目標，并控制完成液晶顯示單元的數據顯示。本發明基于單片機的自動調平控制裝置與現有技術相比具有如下優點
I、本發明采用高精度的傾角傳感器和小體積大扭力、步進精度高的舵機，可以快速實現載物平臺自動調平，為放置在載物平臺上的測繪儀器提供高精度水平基準面，為實現高精度測量打下基礎。2、本發明的液晶顯示單元的液晶顯示器能顯示當前使用的平臺X、Y軸向的傾角角度，既方便使用者了解載物平臺上儀器的水平偏移角度信息，必要時候又能作為數字電子水平儀使用，提高了使用的方便程度。3、本發明采用的單片機、傾角傳感器均是小體積、低功耗芯片，安裝所需空間小，控制裝置的工作電源可采用電池供電，適合野外移動場合的應用。4、使用本發明的裝置為實現高精度的測量打下基礎，同時也能為相關工作者減輕工作負擔，工作者可以將更多的時間用于測量上而不是花大量的時間調整儀器。本裝置精度較高，體積小，適用范圍廣。
圖I為本發明基于單片機的自動調平控制裝置的設備部分安裝結構示意圖。圖2為本發明自動調平裝置的自動控制部分結構框圖。圖3為本發明自動調平裝置的兩路舵機的電源和接口電路圖。圖4為本發明自動調平裝置中采用MMA7260三軸加速度傳感器的電路圖。圖5為本發明自動調平裝置的主控MSP430F169單片機的工作電路圖。圖6為本發明自動調平裝置中采用12864液晶顯示器的電路圖。圖7為本發明自動調平裝置的電源模塊電路圖。圖8為本發明自動調平裝置的載物平臺調平坐標示意圖。上述圖中1_載物平臺，2-X軸向舵機，3-Y軸向舵機，4-基座，5-X、Y軸向轉動機構，6-三軸加速度傳感器，10-舵機調節單元，11-傾角傳感器水平檢測單元，12-單片機控制單元，13-液晶顯示單元。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明的裝置作詳細具體的說明。實施例I :本發明提供的一種基于單片機的自動調平控制裝置，其結構如圖1，2所示，包括設備部分和自動控制部分，所述的設備部分設有載物平臺1，X軸向舵機2，Y軸向
4舵機3，基座4，X、Y軸向轉動機構5和三軸加速度傳感器6，在基座4上安裝有X、Y軸向轉動機構5，X軸向舵機2和Y軸向舵機3安裝在有兩個軸相互正交垂直的X、Y軸向轉動機構5上，X軸向舵機2和Y軸向舵機3的旋轉軸相互垂直，X軸向舵機、Y軸向舵機采用精度高、小體積、大扭力的數字舵機，在圖I中Y軸向舵機3被底座部分遮擋，圖中僅見到Y軸向舵機3的主軸。載物平臺I安裝在X、Y軸向轉動機構5上方；三軸加速度傳感器6安裝在載物平臺I下底面。所述的自動控制部分設有單片機控制單元12，舵機調節單元10，傾角傳感器水平檢測單元11和液晶顯示單元13。單片機控制單元12與舵機調節單元10連接，單片機控制單元12還與傾角傳感器水平檢測單元11和液晶顯示單元13互連；單片機控制單元12作為自動控制部分的核心用于實現對舵機調節單元、傾角傳感器水平檢測單元和液晶顯示單元的控制；兩臺舵機的驅動控制信號來自單片機。單片機通過與傾角傳感器水平檢測單元互連，采集處理傾角傳感器輸出電信號，做出相應的處理，完成一系列控制功能。舵機調節單元10用于調節X軸向舵機和Y軸向舵機的X、Y正交軸向的角度動作執行器，X軸向舵機2、Y軸向舵機3轉動的角度通過改變單片機內部定時器產生的脈沖寬度(PWM)調制信號的占空比來實現；傾角傳感器水平檢測單元11連接三軸加速度傳感器6，三軸加速度傳感器6的X、Y軸分別與X軸向舵機2和Y軸向舵機3的旋轉軸平行；所述的液晶顯示單元連接的液晶顯示器安裝在載物平臺上方，實時顯示載物平臺X、Y軸向的傾斜角度數值。本實施例中單片機控制單元采用MSP430F169單片機作為主控器，傾角傳感器水平檢測單元采用MMA7260三軸加速度傳感器，液晶顯示單元采用12864液晶顯示器。以下為本實施例中各模塊的工作方式
舵機電源和接口電路如圖3。其中U3為開關型穩壓芯片TPS5430，為兩路舵機提供工作電源，P4、P5分別為單片機控制單元與兩路舵機的接口，舵機控制信號分別與單片機的P4. O和P4. I連接。實施例中傾角傳感器水平檢測單元選用MMA7260，是因為其在單一芯片上集成3個相互獨立、測量方向相互垂直的敏感元的測量模塊，當加速度引起質量塊的相對位置變化時，電容值也發生變化，然后經過電容電壓轉化電路和放大濾波電路后輸出與加速度成正比的電壓信號。采用MMA7260三軸加速度傳感器電路如圖4，MMA7260的第I引腳和第2引腳分別通過電阻P2、P3上拉并和單片機的Pl. O和Pl. I連接，第3引腳與VCC33連接，第4引腳與GND連接，第5、6、7、8、9、10、11及16引腳均無電氣連接，第12引腳與單片機Pl. 2連接，第13、14、15引腳為傳感器輸出電信號引腳，分別通過電阻R11、RIO、R9與單片機的P6. O、P6. 1、Ρ6· 2 連接。單片機控制單元采用的主控MSP430 F169單片機，其工作電路如圖5，圖中電阻R1、復位按鍵RESETl、電容CO組成復位電路，Yl為低速晶振，Υ2為高速晶振，二者共同構成單片機的片外晶振電路。 液晶顯示部分采用12864液晶顯示器的電路如圖6，滑動電阻RPO調節液晶背景燈亮度，液晶8位數據口即第7至第14引腳分別與單片機Ρ2. O至Ρ2. 7連接，液晶第4引腳與單片機Ρ3. O連接，讀寫控制引腳5與Ρ3. I連接，使能控制引腳6與Ρ3. 2連接，片選引腳15和16分別與單片機P3. 3與P3. 4連接，復位引腳17與單片機P3. 5連接。電源模塊電路如圖7，UO為AMS1085電源芯片，為系統提供正5伏電源，Ul為LMl 117電源芯片，為系統提供正3. 3伏電源。本發明的載物平臺I的調平坐標如圖8，ABCD表示載物平臺，α表示載物平臺與水平面在X軸方向的角度值，β表示載物平臺與水平面在Y軸方向的角度值。不論載物平臺如何傾斜，其調平運動過程均可以分解為X軸向和Y軸向兩個方向角度的調節。本發明的自動調平控制裝置具體工作方式如下高精度的ΜΜΑ7260傾角傳感器固定裝在載物平臺I上，實時檢測載物平臺的水平偏移角度，MSP430F169單片機內置的模數轉換器(A/D)采樣所述的傳感器輸出電信號，根據采樣得到的數據不斷計算載物平臺I當前狀態與水平狀態X、Y兩個軸向的偏移的角度差，單片機根據計算結果產生兩路PWM驅動控制信號，控制X軸向舵機2與Y軸向舵機3兩個軸旋轉相應的角度，動態調整載物平臺I， 使載物平臺I 一直處于水平狀態。液晶顯示器實時顯示載物平臺Χ、Υ軸向的傾角α、β的角度值。本實施例中所選芯片僅為I個舉例，其中傾角傳感器水平檢測單元可選用其他任意能夠實現角度檢測功能的高精度傳感器；舵機調節單元可選用其他任意匹配的高精度、大扭力舵機；液晶顯示單元可根據配置需要選用其他類型的顯示器。本發明的自動調平控制裝置體積小精度高，適用范圍廣，可與經緯儀等儀器結合，調平方便快捷，可廣泛應用于地質水文勘探、土木工程測量中，尤其適合用于水準儀、經緯儀等測繪儀器的自動調平，使測繪過程變得快捷方便，同時提高測繪數據的精度。
權利要求
1.一種基于單片機的自動調平控制裝置，包括設備部分和自動控制部分，其特征在于所述的設備部分設有載物平臺，X軸向舵機，Y軸向舵機，基座，Χ、γ軸向轉動機構和三軸加速度傳感器，在基座上安裝有Χ、γ軸向轉動機構，X軸向舵機和Y軸向舵機安裝在有兩個軸相互正交垂直的Χ、γ軸向轉動機構上，X軸向舵機和Y軸向舵機的旋轉軸相互垂直，載物平臺安裝在X、Y軸向轉動機構上方；三軸加速度傳感器安裝在載物平臺下底面； 所述的自動控制部分設有單片機控制單元，舵機調節單元，傾角傳感器水平檢測單元和液晶顯示單元，所述的單片機控制單元與舵機調節單元連接，單片機控制單元還分別與傾角傳感器水平檢測單元和液晶顯示單元互連；單片機控制單元作為自動控制部分的核心用于實現對舵機調節單元、傾角傳感器水平檢測單元和液晶顯示單元的控制；舵機調節單元設有X軸向舵機和Y軸向舵機的驅動電路，舵機調節單元用作調節X軸向舵機和Y軸向舵機的Χ、γ正交軸向的角度動作執行器，X軸向舵機和Y軸向舵機轉動的角度通過改變單片機控制單元內部的定時器產生的脈沖寬度調制信號的占空比來實現；傾角傳感器水平檢測單元采用三軸加速度傳感器，三軸加速度傳感器的X、Y軸分別與X軸向舵機和Y軸向舵機的旋轉軸平行；所述的液晶顯示單元連接的液晶顯示器安裝在載物平臺上方，實時顯示載物平臺X、Y軸向的傾斜角度數值。
2.根據權利要求I所述的基于單片機的自動調平控制裝置，其特征在于所述的單片機控制單元采用MSP430F169單片機作為主控器。
3.根據權利要求I所述的基于單片機的自動調平控制系統，其特征在于所述的單片機控制單元提供2個I/O 口與舵機驅動電路電連接。
4.根據權利要求I所述的基于單片機的自動調平控制系統，其特征在于所述的單片機控制單元中單片機內置A/D提供3個I/O 口與傾角傳感器水平檢測單元電連接。
5.根據權利要求I所述的基于單片機的自動調平控制系統，其特征在于所述的單片機控制單元通過對傾角傳感器水平檢測單元輸出信息的A/D采集與計算分析，決定調平策略，通過控制兩路舵機動作實現調平目標，并控制完成液晶顯示單元的數據顯示。
全文摘要
本發明涉及一種基于單片機的自動調平控制裝置，包括設備和自動控制部分，設備部分設有載物平臺，X、Y軸向舵機，基座，X、Y軸向轉動機構和三軸加速度傳感器，在基座上安裝有X、Y軸向轉動機構，X、Y軸向舵機安裝在X、Y軸向轉動機構上，兩臺舵機的旋轉軸相互垂直，載物平臺裝在X、Y軸向轉動機構上方；三軸加速度傳感器裝在載物平臺下底面；自動控制部分由單片機控制單元，舵機調節單元，傾角傳感器水平檢測單元和液晶顯示單元組成。單片機內置的A/D采樣傳感器輸出信號，并產生兩路PWM驅動信號控制兩臺舵機旋轉相應的角度，動態調整載物平臺使其保持水平。本裝置體積小精度高，適用范圍廣，可與經緯儀等儀器結合，調平方便快捷。
文檔編號G05B19/042GK102929295SQ20121044153
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月8日 優先權日2012年11月8日
發明者王廣君, 張懷, 曾旭明, 冀連杰, 郝玉君, 鄒琴, 鮑衛崗, 張鵬凱 申請人:中國地質大學(武漢)