自动电子安平仪控制系统的设计

　　一、引言

　　自动电子安平仪作为新一代测平仪器，是一种用来测量水平度并自动调整姿态的仪器，它作为一种重要的通用工具，广泛应用在桥梁架设、铁路铺设、土木工程、地质勘探、石油钻井、航空航海、工业自动化、机械加工、精密制造、教学研究、国防军事等各个领域和行业中。

　　二、系统硬件设计

　　自动电子安平仪主要由电子水平仪和控制系统构成，通过测量仪器所处的水平度，调整控制仪器的姿态使仪器总是处于水平状态，然后输出水平的激光标识线。

　　结合需求，根据所研制自动电子安平仪的特点和自身要求，我们设计自动电子安平仪控制系统的总体结构如图 1 所示。该系统主要由倾角传感器、前置放大电路、A/D 转换电路、微处理器及姿态调整电路等部分组成。

　　由图1可见，系统以硅光电池为测量敏感部件，构成高精度的光电角度传感器作为输入单元，以AT89C2051作为中央处理器，采用MAX144为模数(A/D)转换器, 并对各种干扰源进行分析，并提出相应的抗干扰措施。

　　自动电子安平仪的工作原理如下：X方向角度传感器将仪器的X方向的水平度测量，经X 方向的前置放大器AD623放大后，输出到双通道12 位串行模数转换器MAX144的CH0通道，转换成数字信号后经SPI接口输出至微处理器 AT89C2051，由 CPU 判断是否达到了平衡，若未达到了平衡，通过 PID 调节控制 X 方向电机驱动，使仪器的水平度变化，直到达到平衡要求的精度。Y 方向也同样采用类似的方法，这样，整个仪器在水平面达到水平，此时，CPU 控制激光二极管输出水平的标识线。

　　2、光电式角度传感器的设计

　　我们所研制的电子安平仪的传感器部分利用硅光电池作为关键元件，其结构图2所示。

　　将硅光电池和水泡密封在暗盒内，在气泡的两端分别置一发光二极管LED1和LED2，光电池位于水泡的下方，当两个发光二极管点亮时，发射的光线透过水泡照射到光电池表面上。在水泡位于水平状态时，两个光电池所接受的照度相等，经过差分放大器后输出的电压为零。由于位置不同时，气泡在水泡中也会处于不同的位置，这样气泡会挡住一部分的光线，因此就会产生一电压差。理论上，光生电动势的输出时采用差动式的，所以输出电压为0，即表示装置处于水平状态，如装置不在水平状态，则气泡不会处在水泡的中间，那么就会在光电池的两端产生电压差，经差动输出后产生正或负电压，输出信号经过滤波，放大并经A/D转换后输入单片机进行分析处理，并驱动直流电机调整电子水平仪至水平状态。