摘要：本文运用MCS51单片机和NS45/P2数字输出双轴倾角传感器设计了一种便携式即插即用水平校正仪,并通过实验对倾角传感器零点温漂进行了软件补偿，经验证本校正仪具有较高的性价比和良好的可用性。
关键词：倾角传感器；水平校正仪；零点温漂补偿 ；RCS232串口通讯          

1 引言
    在工程应用中，许多场合下需要一个水平基准或是对倾角进行测量，目前市场上有许多此类产品，但有些场合下需要对某平台进行倾角的测量和统计，并将这些数据输入到计算机等设备进行数据处理，有时是实时处理，市场上的大多数产品均需要靠人的手工纪录并输入到计算机内，不但效率低下，而且容易出错。本文根据这一需要，经过对单片机和传感器的测量范围、精度、性价比等各方面要求的综合筛选，选择了通用的intel MCS51单片机和德国制NS45/P2倾角传感器，并开发出了一种具有RS-232C串行接口和外挂64KRAM的便携式水平校正仪，不但可以通过接口与上位机进行实时通讯，而且可以存储后进行处理。MCS51单片机不仅具有良好的性能，而且价格便宜，是当前单片机市场的主流产品，配套的开发平台多，因此相对易于开发。NS45/P2倾角传感器是一款高性能、低价位的数字输出双轴向倾斜测量产品，其核心部件为陶瓷封装的电解质检测器件，具有很好的稳定性、精度、坚固性以及一致性。并且其内置微处理器，提供线性化后的RS232输出，防护等级也达到了IP65级，可用于水平检测、对准和倾斜控制及角度测量。同时为提高传感器的精度和稳定性，通过实验对其零点温漂进行测量，并采用软件进行了补偿。

2 系统硬件设计
2.1 NS45/P2倾角传感器

35mA。采用电解质型检测器件和相关电路组成。检测器件由一定化学成分的电解质溶液和电极构成，通过向电极提供交流激励电源后，激发溶液中离子之间的运动，便会形成相应的电场。电场的强度与电极浸入电解质溶液中的深度有密切关系。当检测器件发生倾斜时，激励电源引入的两对电极浸入电解质溶液的深度会不同，相应的电场也有差异，如图1所示。通过测量这个差异，便可得知倾斜方向和倾斜角度的大小值。
 
              
    和其它电解质型倾角传感器相比，NS45/P2的优点是：一、由于传感器底层和电解液容器是由具有相同温度膨胀系数的陶瓷材料制成，减少了温度的不利影响；二是在采用最新的密闭封装技术后，防止了电解液的泄漏；另外，根据应用场合的不同，还可以改变电解液的粘度来降低振动的影响，提高沸点和传感器的性能及寿命。
2.2 系统硬件结构
    系统采用DS12C887即时时钟计时，用来确定测量的时刻。DS12C887不仅具有电路面积小、零件数少、价格低廉和性能稳定可靠等优点，而且内含锂电池，在不接电源情况下操作，亦可使用十年。为对倾角传感器的零点温度漂移进行补偿，采用DS18B20数字温度计进行实时测温，这种传感器稳定温度精度可达0.5 ，具有测量速度快、精度高、体积小、实现电路简单等优点。另外，观测者可通过液晶显示实时观察传感器测量值，并可通过按键选择保存数据或重调即时时钟。条件允许下，还可通过RS232接口在上位机的界面实时显示与控制。为提高系统的可靠性，该系统设计了“看门狗”电路。图2为系统硬件结构示意图。
 
3 系统软件设计
3.1主程序流程图
    为提高效率，系统在等待DS18B20温度转换时对倾角进行采样。通过所测温度，用软件对倾角输出进行零点温漂补偿，并输出补偿值至显示系统。为避免有用数据丢失，系统默认此数据需要保存。图3为系统的主程序流程图。

3.2 子程序流程图
    测温子程序流程如图4所示。
 
    由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格保证读写时序，否则将无法读取测温结果。实现这个时序有两个方法：一是可以用软件延时，二是定时延时。其中软件延时简单实用，效果好一些，不过要求晶体振荡器要好，才能保证延时的准确性。在与DS18B20握手过程中，需要DS18B20响应主机发出的负脉冲复位，因此，若DS18B20的管脚与外界连接接触不良或连接脱落，主机将接收不到DS18B20发出的存在脉冲，主机将陷入等待的死循环，这在进行硬件连接和软件设计时必须注意。
     对DS12C887的读取是采用UIP位测试法，即寄存器A的更新周期标志位（UIP）为“0”时，表示在下一个数据改变前，至少有244us的时间可以读到正确数据，可以利用这个期间读取时间数据。

4 零点温漂补偿
    由于潜艇舱室的夏冬温度差异较大，因此，必须考虑温度变化对倾角传感器的影响。对于NS45/P2这种电解质型传感器，温度变化将引起传感器各组成零件的几何尺寸的改变，使传感器底层和电解液容器的相对位置产生漂移，尽管传感器底层和电解液容器是由具有相同温度膨胀系数的陶瓷材料制成，减少了一些温度的不利影响，但仍存在零点温度漂移；另外，电解质电导率随温度变化而变化，导致电极间电场的变化，也会带来零点温漂。因此，为提高传感器的精度和稳定性，通过实验对其零点温漂进行补偿。
    通过实验发现，随着温度升高，X轴和Y轴倾角均向负方向漂移，且漂移量呈线形增大趋势，考虑尽量减少单片机的计算量，采用一阶多项式最小二乘曲线来拟合零点温漂曲线。规定一个大气压，室温 时，倾角传感器的零点温漂为零，则得到如下拟合公式：
 

    这样完成对倾角传感器零点温漂的补偿，提高了量测精度和稳定性。另外，由于X和Y方向倾角测量原理与电路均相同，因此，其理论温漂应相等，而基于实验得出的零点温漂公式中，X和Y方向倾角随温度漂移的斜率和常数大致相当，这为实验的可信度提供了依据。图5为根据实验拟合的温漂曲线图。从图中可以看出，传感器的零点曲线经补偿后有了明显改善。

5 结论
    经过硬件电路设计和通用性较强的软件补偿，利用NS45/P2倾角传感器和MCS51单片机（80C51）设计了便携式水平校正仪。经实验证明，该水平校正仪转换线性好、工作稳定，且通过对传感器零点温漂的高精度补偿，可实时、准确的测量倾角，可用于平台实时水平监测（如潜艇水下平台基准校正）和各种倾角测量，具有良好的应用前景。
 

参考文献
1. 赵敏，陈小平.传感器实时自校准/自补偿的实现[J].仪器仪表学报,Vol 20.4.1998.8 432-434.
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4. 薛栋梁.MCS-51/151/251单片机原理与应用（二）[M].北京：中国水利水电出版社.2001.5.
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7. DS18B20  Programmable  Resolution 1-Wire  Digita  Thermomet。