一种基于单片机的自动调平控制装置的制作方法

文档序号:6312437阅读:541来源:国知局
专利名称:一种基于单片机的自动调平控制装置的制作方法
技术领域
本发明涉及一种基于单片机的自动调平控制装置,具体地说是一种能为安置在载 物平台上的仪器设备提供高精度的水平基准面的采用单片机自动调平的控制装置,适合用于水准仪、经纬仪等测绘仪器的自动调平。
背景技术
在现代国防与民用技术中,常常需要把某些设备精确地调整到水平位置,以提高设备系统的工作性能,达到某一指标要求。以往调平装置的研究主要集中在如水平仪、测角仪及测斜仪等角度测量方面,而角度测量与自动控制结合的技术较少。现在很多测量设备都是机械式的水平调整方式,如地质水文勘探、土木工程测量中广泛应用的水准仪、经纬仪等测绘仪器,该类仪器在使用中一个共同的特点就是需要使用者手动调平。由于受人主观因素的影响,调平的速度和精度得不到保证,耗时长,精度低。但当前设备越来越向自动化智能化的方向发展,工作台的自动调平,尤其是应用于野外测量、实验中及与仪器的结合的工作台实现水平自动调整是很有必要的,因此开发与仪器设备结合实现自动调平的控制装置,具有较好的应用价值。

发明内容
本发明的目的是提供一种精度较高,体积小,适用范围广,使用方便快捷,能够为放置在载物平台上的仪器设备提供高精度的水平基准面的基于单片机的自动调平控制装置。为了实现上述功能,本发明所采取的技术方案是提供一种基于单片机的自动调平控制装置,包括设备部分和自动控制部分,所述的设备部分设有载物平台,X轴向舵机,Y轴向舵机,基座,X、Y轴向转动机构和三轴加速度传感器,在基座上安装有X、Y轴向转动机构,X轴向舵机和Y轴向舵机安装在有两个轴相互正交垂直的X、Y轴向转动机构上,X轴向舵机和Y轴向舵机的旋转轴相互垂直,载物平台安装在Χ、γ轴向转动机构上方;三轴加速度传感器安装在载物平台下底面;
所述的自动控制部分设有单片机控制单元,舵机调节单元,倾角传感器水平检测单元和液晶显示单元,所述的单片机控制单元与舵机调节单元连接,单片机控制单元还分别与倾角传感器水平检测单元和液晶显示单元互连;单片机控制单元作为自动控制部分的核心,用于实现对舵机调节单元、倾角传感器水平检测单元和液晶显示单元的控制;舵机调节单元设有X轴向舵机和Y轴向舵机的驱动电路,舵机调节单元用作调节X轴向舵机和Y轴向舵机的Χ、γ正交轴向的角度动作执行器,X轴向舵机和Y轴向舵机转动的角度通过改变单片机控制单元内部的定时器产生的脉冲宽度调制信号的占空比来实现;倾角传感器水平检测单元采用三轴加速度传感器,三轴加速度传感器的X、Y轴分别与X轴向舵机和Y轴向舵机的旋转轴平行;所述的液晶显示单元连接的液晶显示器安装在载物平台上方,实时显示载物平台X、Y轴向的倾斜角度数值。
本发明所述的单片机控制单元采用MSP430F169单片机作为主控器。本发明单片机控制单元选用MSP430F169单片机,是因为其具有高集成度和低功耗的特点,使其非常适合于电池供电和空间受限的场合。本发明所述的单片机控制单元提供2个I/O 口与舵机驱动电路电连接。本发明所述的单片机控制单元中单片机内置A/D提供3个I/O 口与倾角传感器水平检测单元电连接。本发明所述的单片机控制单元通过对倾角传感器水平检测单元输出信息的A/D采集与计算分析,决定调平策略,通过控制两路舵机动作实现调平目标,并控制完成液晶显示单元的数据显示。本发明基于单片机的自动调平控制装置与现有技术相比具有如下优点
I、本发明采用高精度的倾角传感器和小体积大扭力、步进精度高的舵机,可以快速实现载物平台自动调平,为放置在载物平台上的测绘仪器提供高精度水平基准面,为实现高精度测量打下基础。2、本发明的液晶显示单元的液晶显示器能显示当前使用的平台X、Y轴向的倾角角度,既方便使用者了解载物平台上仪器的水平偏移角度信息,必要时候又能作为数字电子水平仪使用,提高了使用的方便程度。3、本发明采用的单片机、倾角传感器均是小体积、低功耗芯片,安装所需空间小,控制装置的工作电源可采用电池供电,适合野外移动场合的应用。4、使用本发明的装置为实现高精度的测量打下基础,同时也能为相关工作者减轻工作负担,工作者可以将更多的时间用于测量上而不是花大量的时间调整仪器。本装置精度较高,体积小,适用范围广。


图I为本发明基于单片机的自动调平控制装置的设备部分安装结构示意图。图2为本发明自动调平装置的自动控制部分结构框图。图3为本发明自动调平装置的两路舵机的电源和接口电路图。图4为本发明自动调平装置中采用MMA7260三轴加速度传感器的电路图。图5为本发明自动调平装置的主控MSP430F169单片机的工作电路图。图6为本发明自动调平装置中采用12864液晶显示器的电路图。图7为本发明自动调平装置的电源模块电路图。图8为本发明自动调平装置的载物平台调平坐标示意图。上述图中1_载物平台,2-X轴向舵机,3-Y轴向舵机,4-基座,5-X、Y轴向转动机构,6-三轴加速度传感器,10-舵机调节单元,11-倾角传感器水平检测单元,12-单片机控制单元,13-液晶显示单元。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明的装置作详细具体的说明。实施例I :本发明提供的一种基于单片机的自动调平控制装置,其结构如图1,2所示,包括设备部分和自动控制部分,所述的设备部分设有载物平台1,X轴向舵机2,Y轴向
4舵机3,基座4,X、Y轴向转动机构5和三轴加速度传感器6,在基座4上安装有X、Y轴向转动机构5,X轴向舵机2和Y轴向舵机3安装在有两个轴相互正交垂直的X、Y轴向转动机构5上,X轴向舵机2和Y轴向舵机3的旋转轴相互垂直,X轴向舵机、Y轴向舵机采用精度高、小体积、大扭力的数字舵机,在图I中Y轴向舵机3被底座部分遮挡,图中仅见到Y轴向舵机3的主轴。载物平台I安装在X、Y轴向转动机构5上方;三轴加速度传感器6安装在载物平台I下底面。所述的自动控制部分设有单片机控制单元12,舵机调节单元10,倾角传感器水平检测单元11和液晶显示单元13。单片机控制单元12与舵机调节单元10连接,单片机控制单元12还与倾角传感器水平检测单元11和液晶显示单元13互连;单片机控制单元12作为自动控制部分的核心用于实现对舵机调节单元、倾角传感器水平检测单元和液晶显示单元的控制;两台舵机的驱动控制信号来自单片机。单片机通过与倾角传感器水平检测单元互连,采集处理倾角传感器输出电信号,做出相应的处理,完成一系列控制功能。舵机调节单元10用于调节X轴向舵机和Y轴向舵机的X、Y正交轴向的角度动作执行器,X轴向舵机2、Y轴向舵机3转动的角度通过改变单片机内部定时器产生的脉冲宽度(PWM)调制信号的占空比来实现;倾角传感器水平检测单元11连接三轴加速度传感器6,三轴加速度传感器6的X、Y轴分别与X轴向舵机2和Y轴向舵机3的旋转轴平行;所述的液晶显示单元连接的液晶显示器安装在载物平台上方,实时显示载物平台X、Y轴向的倾斜角度数值。本实施例中单片机控制单元采用MSP430F169单片机作为主控器,倾角传感器水平检测单元采用MMA7260三轴加速度传感器,液晶显示单元采用12864液晶显示器。以下为本实施例中各模块的工作方式
舵机电源和接口电路如图3。其中U3为开关型稳压芯片TPS5430,为两路舵机提供工作电源,P4、P5分别为单片机控制单元与两路舵机的接口,舵机控制信号分别与单片机的P4. O和P4. I连接。实施例中倾角传感器水平检测单元选用MMA7260,是因为其在单一芯片上集成3个相互独立、测量方向相互垂直的敏感元的测量模块,当加速度引起质量块的相对位置变化时,电容值也发生变化,然后经过电容电压转化电路和放大滤波电路后输出与加速度成正比的电压信号。采用MMA7260三轴加速度传感器电路如图4,MMA7260的第I引脚和第2引脚分别通过电阻P2、P3上拉并和单片机的Pl. O和Pl. I连接,第3引脚与VCC33连接,第4引脚与GND连接,第5、6、7、8、9、10、11及16引脚均无电气连接,第12引脚与单片机Pl. 2连接,第13、14、15引脚为传感器输出电信号引脚,分别通过电阻R11、RIO、R9与单片机的P6. O、P6. 1、Ρ6· 2 连接。单片机控制单元采用的主控MSP430 F169单片机,其工作电路如图5,图中电阻R1、复位按键RESETl、电容CO组成复位电路,Yl为低速晶振,Υ2为高速晶振,二者共同构成单片机的片外晶振电路。 液晶显示部分采用12864液晶显示器的电路如图6,滑动电阻RPO调节液晶背景灯亮度,液晶8位数据口即第7至第14引脚分别与单片机Ρ2. O至Ρ2. 7连接,液晶第4引脚与单片机Ρ3. O连接,读写控制引脚5与Ρ3. I连接,使能控制引脚6与Ρ3. 2连接,片选引脚15和16分别与单片机P3. 3与P3. 4连接,复位引脚17与单片机P3. 5连接。电源模块电路如图7,UO为AMS1085电源芯片,为系统提供正5伏电源,Ul为LMl 117电源芯片,为系统提供正3. 3伏电源。本发明的载物平台I的调平坐标如图8,ABCD表示载物平台,α表示载物平台与水平面在X轴方向的角度值,β表示载物平台与水平面在Y轴方向的角度值。不论载物平台如何倾斜,其调平运动过程均可以分解为X轴向和Y轴向两个方向角度的调节。本发明的自动调平控制装置具体工作方式如下高精度的ΜΜΑ7260倾角传感器固定装在载物平台I上,实时检测载物平台的水平偏移角度,MSP430F169单片机内置的模数转换器(A/D)采样所述的传感器输出电信号,根据采样得到的数据不断计算载物平台I当前状态与水平状态X、Y两个轴向的偏移的角度差,单片机根据计算结果产生两路PWM驱动控制信号,控制X轴向舵机2与Y轴向舵机3两个轴旋转相应的角度,动态调整载物平台I, 使载物平台I 一直处于水平状态。液晶显示器实时显示载物平台Χ、Υ轴向的倾角α、β的角度值。本实施例中所选芯片仅为I个举例,其中倾角传感器水平检测单元可选用其他任意能够实现角度检测功能的高精度传感器;舵机调节单元可选用其他任意匹配的高精度、大扭力舵机;液晶显示单元可根据配置需要选用其他类型的显示器。本发明的自动调平控制装置体积小精度高,适用范围广,可与经纬仪等仪器结合,调平方便快捷,可广泛应用于地质水文勘探、土木工程测量中,尤其适合用于水准仪、经纬仪等测绘仪器的自动调平,使测绘过程变得快捷方便,同时提高测绘数据的精度。
权利要求
1.一种基于单片机的自动调平控制装置,包括设备部分和自动控制部分,其特征在于所述的设备部分设有载物平台,X轴向舵机,Y轴向舵机,基座,Χ、γ轴向转动机构和三轴加速度传感器,在基座上安装有Χ、γ轴向转动机构,X轴向舵机和Y轴向舵机安装在有两个轴相互正交垂直的Χ、γ轴向转动机构上,X轴向舵机和Y轴向舵机的旋转轴相互垂直,载物平台安装在X、Y轴向转动机构上方;三轴加速度传感器安装在载物平台下底面; 所述的自动控制部分设有单片机控制单元,舵机调节单元,倾角传感器水平检测单元和液晶显示单元,所述的单片机控制单元与舵机调节单元连接,单片机控制单元还分别与倾角传感器水平检测单元和液晶显示单元互连;单片机控制单元作为自动控制部分的核心用于实现对舵机调节单元、倾角传感器水平检测单元和液晶显示单元的控制;舵机调节单元设有X轴向舵机和Y轴向舵机的驱动电路,舵机调节单元用作调节X轴向舵机和Y轴向舵机的Χ、γ正交轴向的角度动作执行器,X轴向舵机和Y轴向舵机转动的角度通过改变单片机控制单元内部的定时器产生的脉冲宽度调制信号的占空比来实现;倾角传感器水平检测单元采用三轴加速度传感器,三轴加速度传感器的X、Y轴分别与X轴向舵机和Y轴向舵机的旋转轴平行;所述的液晶显示单元连接的液晶显示器安装在载物平台上方,实时显示载物平台X、Y轴向的倾斜角度数值。
2.根据权利要求I所述的基于单片机的自动调平控制装置,其特征在于所述的单片机控制单元采用MSP430F169单片机作为主控器。
3.根据权利要求I所述的基于单片机的自动调平控制系统,其特征在于所述的单片机控制单元提供2个I/O 口与舵机驱动电路电连接。
4.根据权利要求I所述的基于单片机的自动调平控制系统,其特征在于所述的单片机控制单元中单片机内置A/D提供3个I/O 口与倾角传感器水平检测单元电连接。
5.根据权利要求I所述的基于单片机的自动调平控制系统,其特征在于所述的单片机控制单元通过对倾角传感器水平检测单元输出信息的A/D采集与计算分析,决定调平策略,通过控制两路舵机动作实现调平目标,并控制完成液晶显示单元的数据显示。
全文摘要
本发明涉及一种基于单片机的自动调平控制装置,包括设备和自动控制部分,设备部分设有载物平台,X、Y轴向舵机,基座,X、Y轴向转动机构和三轴加速度传感器,在基座上安装有X、Y轴向转动机构,X、Y轴向舵机安装在X、Y轴向转动机构上,两台舵机的旋转轴相互垂直,载物平台装在X、Y轴向转动机构上方;三轴加速度传感器装在载物平台下底面;自动控制部分由单片机控制单元,舵机调节单元,倾角传感器水平检测单元和液晶显示单元组成。单片机内置的A/D采样传感器输出信号,并产生两路PWM驱动信号控制两台舵机旋转相应的角度,动态调整载物平台使其保持水平。本装置体积小精度高,适用范围广,可与经纬仪等仪器结合,调平方便快捷。
文档编号G05B19/042GK102929295SQ20121044153
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月8日 优先权日2012年11月8日
发明者王广君, 张怀, 曾旭明, 冀连杰, 郝玉君, 邹琴, 鲍卫岗, 张鹏凯 申请人:中国地质大学(武汉)
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