一种采用CCD的数字式水平仪研制

　　1　引言

　　水平仪从过去简单的水泡水平仪到现在的电子水平仪已经历经无数次更新。作为一种通用工具,它已成为桥梁架设、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、智能平台、机械加工等领域不可缺少的重要工具。传统的电子水平仪大多是基于应变电感、电容原理或热平衡等基本物理规律[1,2],其测角范围大小不一、测角准确度亦相差甚远。测角范围小到几十秒,大到360°;测角准确度小到秒级,大到分级。随着现代仪器的发展,为了配合计算机的使用,许多电子仪器都采用数字量作为输出信号。现在一般使用的电子式水平仪都采用模拟信号获得倾斜角度,然后通过A/D转换输出准数字量,这样带来两个问题:一是在需要实时控制的场所,A/D的转换时间限制了反应灵敏度,使复杂的实时控制变的十分困难;二是A/D器件的精度有限,无法获得更高精度的数据。本文介绍的数字式水平仪使用CCD传感器获得信号,应用单片机作为处理单元,具有很好的实时性和较高的精度。

　　2　原理与结构

　　本仪器由带CCD传感器的水平仪探头和单片机系统两部分构成,最终输出为LED显示,同时预留了PC的串行通讯口,为进一步的扩展应用打下基础。

　　2·1　水平仪的探头结构示意图

　　如图1所示,数字式水平仪的探头放在一个暗箱内,探头采用普通水平仪的探头(长为28.7mm,圆柱面半径为1mm),内灌黑色油状液体,顶部有一气泡,汽泡长度为2.5~3mm之间。探头一边为毛玻璃和小灯泡(光源),另一边为有2160像元的线阵CCD传感器(本水平仪用到2048个像元)。

　　检测原理:检测水平度时,灯泡发光,有气泡处接收到光信号,输出为数字信号1(整形后),无气泡处光信号被溶液吸收,输出为数字信号0。通过算法对所有信号的处理来判断气泡的位置,最后通过气泡位置得到倾斜度或水平度。

　　2·2　单片机系统

　　系统框图如图2所示。

　　工作原理:CCD传感器的信号由采集板经过预处理后输出(采集板向外输出信号时序图见图3),由于此信号不是TTL电平,故采用电平转换电路(比较器)将其转换为TTL电平输入单片机,单片机根据算法完成对气泡位置的判定,并将结果输出到LED显示器上,预留的串行接口则为进一步的控制做好了准备。电路主要分为3个部分(图4):信号采集电路(LC01A),LED显示电路(MC14499),串行通讯电路(MAX232)。

　　3　程序算法

　　3·1　角度值的确定

　　具体情况及算法如下:

　　因为单片机的数据输入是8位,所以在算法中将2048个像元分为256组,分组采集数据,采集由左至右,气泡在左半边角度值为负,在右半边角度值为正,计算公式如下