1、礦井生產(chǎn)安全檢測(cè)的測(cè)斜儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要隨鉆測(cè)斜儀是鉆斜井、鉆定向井時(shí)，測(cè)量其井身軌跡的專用儀器。20世紀(jì)90年代以來(lái)，各類巖土工程對(duì)鉆孔孔斜精度的要求越來(lái)越高，早期研制和生產(chǎn)的各種鉆孔測(cè)斜儀大多數(shù)不能適應(yīng)新的市場(chǎng)需求，因此，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理的測(cè)斜儀紛紛被淘汰，新型結(jié)構(gòu)原理的測(cè)斜儀不斷涌現(xiàn)。本文從測(cè)斜儀的系統(tǒng)組成和工作原理出發(fā)，結(jié)合基于51系列單片機(jī)的系統(tǒng)開發(fā)原理及過(guò)程，重點(diǎn)研究了井下測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。該測(cè)斜儀的井下測(cè)試系統(tǒng)采用Atmel公司89S52單片機(jī)為處理器核心，ADXL330和L3G462A三軸傳感器為測(cè)斜器件，使用AD590溫度傳感器，MPX4115為壓力傳感器，ICL7135為A/

2、D轉(zhuǎn)換器件，并采用多路開關(guān)選通八路傳感器通道，通過(guò)RS485總線與地面監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。 在數(shù)字電路系統(tǒng)迅速發(fā)展的今天，51系列單片機(jī)仍然以其不斷加強(qiáng)的新系列以及超強(qiáng)的性價(jià)比發(fā)揮著重要的作用。單片機(jī)穩(wěn)定性強(qiáng)，能適應(yīng)野外惡劣的自然環(huán)境，適合處理運(yùn)算量不是很大的控制系統(tǒng)，開發(fā)周期短，系統(tǒng)易于維護(hù)和擴(kuò)展。故本系統(tǒng)采用單片機(jī)提供了一個(gè)低成本，高效率的測(cè)斜儀實(shí)現(xiàn)方案，并于實(shí)際使用當(dāng)中取得了良好的結(jié)果。關(guān)鍵詞：測(cè)斜儀，51單片機(jī)，數(shù)據(jù)采集AbstractInclinometer is deviated drilling, drilling directional wells, measured wellb

3、ore trajectory special instruments. Since the 1990s, various geotechnical drill hole deviation for the increasingly high demand precision, early development and production of various borehole inclinometer most adapt to the new market demands, therefore, the traditional structural principles inclinom

4、eter have been eliminated, new structural principle inclinometer emerging. This article from the inclinometer system composition and working principle, combined with a system based on 51 MCU development principles and processes, focus on the underground test system hardware and software design. The

5、downhole inclinometer test system using Atmel 89S52 microcontroller processor core, ADXL330 and L3G462A axis inclinometer sensor devices, using AD590 temperature sensor, MPX4115 as pressure sensors, ICL7135 for the A / D conversion devices and multi-way switch strobe eight sensor channels, through t

6、he RS485 bus to communicate with the ground control system. In the digital circuitry rapid development of today, 51 series still continue to strengthen its new series as well as superior cost plays an important role. SCM stability, able to adapt to the wild harsh natural environment, suitable for ha

7、ndling computing is not a great control system, short development cycle, the system is easy to maintain and extend. Therefore, the system uses the MCU provides a low-cost, high-efficiency inclinometer implementations, and in actual use of them achieved good results.Keywords:Inclinometer,51 microproc

8、essor, Data collection1 緒論11 研究背景及其目的意義鉆孔測(cè)斜儀是鉆斜井、定向井時(shí)，測(cè)量其井身軌跡的專用儀器，主要用來(lái)測(cè)量鉆井過(guò)程中各點(diǎn)的傾斜角、方位角和工具面角等。它是目前國(guó)內(nèi)外在巖體土建工程中應(yīng)用最廣泛的一種精密的檢測(cè)儀器，可用以觀測(cè)土石壩、堤防、土體邊坡、建筑物基坑、地下建筑工程土體內(nèi)部以及鐵路、港口、公路、水利、高層建筑等基地內(nèi)部層面的傾斜角度變化和水平位移變化29。山西省具有豐富的礦產(chǎn)資源，特別是煤炭產(chǎn)業(yè)是我省的支柱產(chǎn)業(yè)，安全生產(chǎn)一直是困擾煤炭生產(chǎn)的一大難題5。鉆孔測(cè)斜儀是鉆斜井、鉆定向井時(shí)，測(cè)量其井身軌跡的專用儀器。20世紀(jì)90年代以來(lái)，各類巖土工程對(duì)鉆孔孔

9、斜精度的要求越來(lái)越高，早期研制和生產(chǎn)的各種鉆孔測(cè)斜儀大多數(shù)不能適應(yīng)新的市場(chǎng)需求，因此，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理的測(cè)斜儀紛紛被淘汰，新型結(jié)構(gòu)原理的測(cè)斜儀不斷涌現(xiàn)。它是目前國(guó)內(nèi)外在巖體土建工程中應(yīng)用最廣泛的一種精密的檢測(cè)儀器，可用以觀測(cè)土石壩、堤防、土體邊坡、建筑物基坑、地下建筑工程土體內(nèi)部以及鐵路、港口、公路、水利、高層建筑等基地內(nèi)部層面的傾斜角度變化和水平位移變化圈。在煤層地質(zhì)異常體探測(cè)（如斷層）與采前瓦斯抽采、煤礦井下定向鉆進(jìn)施工作業(yè)中，難免會(huì)發(fā)生鉆孔偏斜和偏離設(shè)計(jì)位置，如果不能實(shí)時(shí)精確確定鉆孔姿態(tài)和位置信息，會(huì)給施工帶來(lái)很大的盲目性而容易導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢，鉆孔事故頻繁或其它安全事故的發(fā)生6。迫切要求礦井施

10、工中能夠?qū)崟r(shí)、精確地掌握鉆孔的位置信息，以避免安全事故的發(fā)生。測(cè)斜儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完成，對(duì)我省的礦產(chǎn)資源開發(fā)，特別是煤炭生產(chǎn)安全監(jiān)測(cè)有重大的社會(huì)意義。測(cè)斜儀該成果還可應(yīng)在油田生產(chǎn)、礦產(chǎn)勘探、井下找孔、舊井及老井的二次開發(fā)等領(lǐng)域中，為我國(guó)的礦產(chǎn)資源生產(chǎn)帶來(lái)了極大的安全保障，提高了不可再生資源有效利用率，具有重大的社會(huì)價(jià)值11。12 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀先進(jìn)國(guó)家在設(shè)計(jì)鉆孔測(cè)斜儀時(shí)采用加速度計(jì)和磁通門研制成功的鉆孔測(cè)斜儀產(chǎn)品極為廣泛普遍。而在采用新型陀螺發(fā)展鉆孔測(cè)斜技術(shù)方面，美國(guó)采用了雙軸加速度計(jì)的電動(dòng)調(diào)諧的雙軸速率陀螺和撓性陀螺，提高了陀螺測(cè)斜儀的性能3。這些新型陀螺具有可以減少漂移、提高精度、不需要地面對(duì)

11、準(zhǔn)等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)4。我國(guó)鉆孔傾斜儀的研究起步較晚，一些重要工程所急需的鉆孔傾斜儀，都是從國(guó)外進(jìn)口。面向礦井生產(chǎn)安全監(jiān)測(cè)的隨鉆測(cè)量和定位問(wèn)題一直以來(lái)是困擾業(yè)界的一項(xiàng)技術(shù)難題，目前市面上隨鉆測(cè)斜系統(tǒng)主要有采用慣性導(dǎo)航技術(shù)和磁測(cè)技術(shù)兩大類。國(guó)外公司的導(dǎo)向定位儀器實(shí)現(xiàn)了鉆頭姿態(tài)參數(shù)的測(cè)量以及鉆頭的定位與定深，但價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜、過(guò)于依賴操作人員等不足，有的還存在這樣或那樣的使用限制，無(wú)法有效滿足地下自動(dòng)定向鉆進(jìn)測(cè)量的要求。通過(guò)對(duì)其文獻(xiàn)的研究和儀器的具體分析，發(fā)現(xiàn)多數(shù)都是在某一方面致力于解決工程問(wèn)題，對(duì)隨鉆測(cè)量方法和定位技術(shù)并沒有從理論上進(jìn)行系統(tǒng)的研究，已有的測(cè)量方法還不成熟、不完善，精度和誤差等因素也沒

12、有進(jìn)行深入的探討，得出指導(dǎo)性的結(jié)論9。我國(guó)的煤田測(cè)井始于 1954年，經(jīng)過(guò)近六十年的發(fā)展，測(cè)井技術(shù)經(jīng)歷了從模擬測(cè)井到數(shù)字測(cè)井、數(shù)控測(cè)井、成像測(cè)井的發(fā)展歷程，特別是隨鉆測(cè)井技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)已成為煤田地質(zhì)勘探不可缺少的勘探手段。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和新材料等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)井方法和技術(shù)裝備不斷完善，測(cè)井解決地質(zhì)問(wèn)題的能力越來(lái)越強(qiáng)7。20世紀(jì)80年代，南京水利科學(xué)院和南京自動(dòng)化設(shè)備廠等一些單位研制成功了電阻應(yīng)變片式鉆孔傾斜儀;1986年航天部33所與北京水科院聯(lián)合研制成功伺服加速度計(jì)式鉆孔傾斜儀，正式定型為CX一01型數(shù)字顯示測(cè)斜儀，在國(guó)內(nèi)使用廣泛;隨后航天部702所開發(fā)研究成功5512

13、型滑動(dòng)式測(cè)斜儀(伺服加速度計(jì)式);冶金工業(yè)部武漢勘察研究院研制成功CX一56型高精度鉆孔測(cè)斜儀(液體泡光電式);為解決測(cè)斜管扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，1990年中國(guó)水科院儀表研究所研制成功了CN型測(cè)扭儀。到90年代，很多廠家已生產(chǎn)出多種類型用于土工測(cè)試的傾斜儀。目前在滑坡監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外深部位移監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)孔深多在80m以內(nèi)，銷售的儀器也多配以5080m電纜，采用人工提拉、有纜測(cè)量。但是，在孔深超過(guò)80m，甚至達(dá)300多米，有纜人工提拉測(cè)量受到先天制約15。目前，測(cè)斜儀的在測(cè)斜技術(shù)上取得了一些最新進(jìn)展，隨著微位移檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)地殼形變觀測(cè)儀器要求的不斷提高，短基線傾斜儀的研究也取得了很大的進(jìn)展，新的測(cè)量原理和

14、新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不斷涌現(xiàn)。這里面比較有代表性的研究成果有折疊擺傾斜儀、激光傾斜儀以及二維垂直擺傾斜儀等8。從研究方面看，高精度傾斜儀的發(fā)展方向主要集中在以下幾個(gè)方面:1、追求儀器的小型化、實(shí)用化，拓寬儀器的安裝場(chǎng)所，方便傾斜儀的使用。2、盡可能拓展儀器測(cè)量頻帶，監(jiān)測(cè)不同頻段地面傾斜運(yùn)動(dòng)，以獲取豐富的地傾斜信息。3、實(shí)現(xiàn)傾斜儀的數(shù)字化29。傾斜儀的數(shù)字化是新一代地殼形變觀測(cè)儀器的顯著特點(diǎn)，很多地震臺(tái)站不僅要求新型傾斜儀具有數(shù)字化功能，而且不斷對(duì)已有的傾斜儀進(jìn)行數(shù)字化改造。4、改進(jìn)儀器靈敏度標(biāo)定方法和對(duì)比不同傾斜儀器的觀測(cè)結(jié)果。高精度傾斜儀觀測(cè)精度的提高除了與儀器、使用環(huán)境和設(shè)備管理等密切相關(guān)以外，在

15、很大程度取決于其自身靈敏度標(biāo)定的準(zhǔn)確性。傾斜儀靈敏度標(biāo)定工作是研究的重要方面之一，尤其是避免中間環(huán)節(jié)不確定性的直接標(biāo)定法28。13 該課題主要研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)要求采用加速度計(jì)和陀螺儀研制測(cè)斜儀系統(tǒng)，用于解決礦井鉆孔施工中實(shí)時(shí)精確掌握鉆孔姿態(tài)和位置測(cè)量的難題。本設(shè)計(jì)面向礦井生產(chǎn)安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，主要應(yīng)用在礦井施工、煤礦井下定向鉆進(jìn)、石油測(cè)井，避免礦井鉆孔事故發(fā)生。設(shè)計(jì)主要是測(cè)斜儀地下采集部分的設(shè)計(jì)30。本課題主要研究?jī)?nèi)容：1、學(xué)習(xí)測(cè)斜儀系統(tǒng)原理及測(cè)井方法，完成面向礦井生產(chǎn)安全監(jiān)測(cè)的測(cè)斜儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)；2、對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析；3、完成系統(tǒng)硬件電路原理圖設(shè)計(jì)、PCB版圖等；2 測(cè)斜儀的整體方案設(shè)計(jì)21

16、 測(cè)斜儀的測(cè)斜原理2.1.1 測(cè)斜原理將三軸MEMS加速度計(jì)和陀螺儀沿鉆具的基本軸線安裝，就構(gòu)成基于以鉆具為載體的MEMS陀螺隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，如圖 1 所示。圖 2.1基于三軸MEMS陀螺儀和加速度計(jì)的隨鉆測(cè)斜系統(tǒng)礦井鉆孔施工中，鉆具不僅可以沿三個(gè)坐標(biāo)軸平動(dòng)，亦可以沿三個(gè)坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。三軸加速度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的平移運(yùn)動(dòng)，輸出沿鉆具三個(gè)坐標(biāo)軸的比力信息： （2.1）而三軸陀螺儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，輸出沿鉆具三個(gè)坐標(biāo)軸的角速度信息： （2.2）于是，鉆具隨鉆測(cè)量系統(tǒng)就可以視為基于地下鉆具這個(gè)特殊載體的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，剩下的關(guān)鍵問(wèn)題在于如何通過(guò)加速度計(jì)和陀螺儀的測(cè)量輸出解算出鉆具的姿態(tài)。基于MEM

17、S加速度計(jì)和陀螺儀的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的解算過(guò)程如圖 2.2所示。通過(guò)解算不僅可以得到方位角、傾角和面向角等姿態(tài)信息，而且能夠得到鉆孔位置信息實(shí)現(xiàn)定位。針對(duì)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，我們對(duì)解算過(guò)程作進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。考慮到鉆具在地層中鉆進(jìn)時(shí)速率很小，由速度變化引起的加速度可以忽略，可以認(rèn)為加速度計(jì)僅僅受地球重力的影響。根據(jù)慣性導(dǎo)航基本方程： (2.3)載體靜止，則有： (2.4)所以：由上式可解出：傾角： (2.5) 面向角： (2.6)又由: (2.7)載體靜止時(shí): (2.8)可得到: (2.9) (2.10)由上式(2.10)可解出： 方位角： (2.11)所以，根據(jù)三軸MEMS加速度計(jì)和三軸ME

18、MS陀螺儀測(cè)量值可由公式（2.5）、（2.6）和（2.11）解出方位角 、傾角(頂角為)和面向角，完成姿態(tài)的解算。鉆孔軌跡一般是由直線或曲線段組成的空間曲線，對(duì)其的描述可分為設(shè)計(jì)鉆孔軌跡、實(shí)際鉆孔軌跡和與實(shí)際近似的繪制鉆孔軌跡。其中，實(shí)際鉆孔軌跡是指施工時(shí)鉆頭沿孔底破碎面中心移動(dòng)時(shí)形成的點(diǎn)的實(shí)際幾何軌跡。為了正確地描述鉆孔軌跡，空間每個(gè)測(cè)點(diǎn)上需要測(cè)量的對(duì)象包括三項(xiàng)，即該點(diǎn)處的孔深、頂角（或傾角）和方位角，這些也被稱為鉆孔軌跡的基本要素。直觀起見，我們?cè)诔Ｓ玫牡乩碜鴺?biāo)系中對(duì)其進(jìn)行描述，如圖 4所示。其中，O代表開孔點(diǎn)，X軸代表北向（N），Y軸代表東向（E），Z軸代表垂向（D），路徑OABC為實(shí)際

19、的鉆孔軌跡，而 A、B、C分別為測(cè)點(diǎn) A、B、C 在水平面的投影。下面以 A 點(diǎn)為例，給出各基本要素的具體定義。圖2.2 鉆孔軌跡的基本要素孔深：測(cè)點(diǎn)處的鉆孔深度，分為斜深和垂深兩種，前者是指孔口到測(cè)點(diǎn)的鉆孔曲線實(shí)長(zhǎng)，通常由鉆桿長(zhǎng)度來(lái)衡量，圖中用LA表示，后者是指測(cè)點(diǎn)距地表的鉛垂距離，圖中用HA表示。頂角（傾角）：鉆孔當(dāng)前點(diǎn)的切線與鉛垂線之間的夾角，如圖中A所示。而且該切線與鉛垂線相交確定一個(gè)平面，該平面叫做終點(diǎn)平面（或鉆孔彎曲平面）。可見，鉆孔頂角就在該平面內(nèi)，頂角的余角稱為鉆孔的傾角，用A表示。方位角：鉆孔當(dāng)前點(diǎn)的切線在水平面的投影與北向之間的夾角，如圖中A 所示。假設(shè)鉆孔軌跡空間上第個(gè)測(cè)

20、點(diǎn)和第個(gè)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別用和表示，測(cè)量得到的斜深、垂深、頂角和方位角分別用和表示，則這個(gè)測(cè)段內(nèi)的基本參數(shù)可表示如下： （2.12）上式（2.12）利用了兩測(cè)點(diǎn)間測(cè)段為直線且直線方向以前、后測(cè)點(diǎn)的平均方向?yàn)闇?zhǔn)的假設(shè)，根據(jù)這些要素，可以逐點(diǎn)計(jì)算出軌跡上任一點(diǎn)的空間坐標(biāo)。由于深度有斜深和垂深兩種表示方法，對(duì)應(yīng)的軌跡計(jì)算方式也有兩種。當(dāng)采用斜深L表示時(shí)，空間測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)遞推公式（2.13）為： （2.13）若是采用垂深H 表示，空間測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)遞推公式（2.14）為： （2.14）通過(guò)逐點(diǎn)遞推，就可得到各點(diǎn)的空間位置，進(jìn)而描繪出鉆孔三維可視化軌跡。就傳統(tǒng)的姿態(tài)解算算法，對(duì)大井斜角時(shí)測(cè)量精度比較高，但在小

21、井斜角測(cè)量時(shí)，存在方位角和滾轉(zhuǎn)角測(cè)量精度差，因此急需尋求一種適用于小角度井斜角測(cè)量的姿態(tài)解算算法。在表示陀螺測(cè)斜儀的姿態(tài)時(shí)，測(cè)斜儀系統(tǒng)采用北東地(NED)地理坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系，用或表示，測(cè)斜儀坐標(biāo)系三軸分別指向載體的前部、右部和下部，用表示，其中、為加速度計(jì)和陀螺儀的敏感軸方向，井下測(cè)斜儀的姿態(tài)也就是井管的姿態(tài)。測(cè)斜儀的姿態(tài)所對(duì)應(yīng)的方位角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角所確定的導(dǎo)航坐標(biāo)系與載體坐標(biāo)系變換矩陣為： (2.15)姿態(tài)矩陣的定義為： (2.16)由矩陣元素之間的關(guān)系可推導(dǎo)得到： (2.17)在井斜角接近垂直測(cè)井時(shí)，利用式(2.17)提取姿態(tài)角，偏航角和滾動(dòng)角會(huì)出現(xiàn)較大的提取誤差，偏航角和滾動(dòng)角的姿

22、態(tài)提取公式中，、和也將同時(shí)趨于0，方位角和滾轉(zhuǎn)角的計(jì)算變得不確定，甚至根本無(wú)法正確分辨和。由矩陣元素之間的關(guān)系可推導(dǎo)得到： (2.18)因此由式（2.18）可得到方位角和滾轉(zhuǎn)角之間的另一種表示： (2.19)當(dāng)測(cè)井垂直時(shí)，俯仰角，式（14）姿態(tài)陣退化為： (2.20)此時(shí)，由姿態(tài)陣不能解算得到方位角和滾轉(zhuǎn)角，只能解算出的值，在姿態(tài)提取時(shí)，可以通過(guò)其它輔助測(cè)量方法，只要先確定方位角和滾轉(zhuǎn)角其中之一，再由式（2.19）就能計(jì)算出另一個(gè)姿態(tài)角值。測(cè)斜儀的方位角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角的隨時(shí)間的變化率與測(cè)斜儀載體坐標(biāo)系相對(duì)于地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度分量、和，它們之間的關(guān)系可表示為式（2.21）： (2.21)而

23、角速度分量的另一種表達(dá)方式（2.9）： (2.22)當(dāng)測(cè)斜儀采用靜態(tài)測(cè)斜的工作方式為零，或采用隨鉆測(cè)斜的工作方式時(shí)，因?yàn)殂@進(jìn)的速度很慢，可以近似為零處理。可由式（2.22）整理為式（2.23）： (2.23)則可推導(dǎo)得到式(2.23)： (2.24)式中和分別是地球自轉(zhuǎn)速率和緯度，當(dāng)方位的變化率很小時(shí)，由式（24）可近似得到下式： (2.25)而無(wú)論測(cè)斜儀任何工作情況下，對(duì)于俯仰角的提取，俯仰角的均可以按下式（2.17）提取，其提取的誤差主要取決于姿態(tài)變換陣的準(zhǔn)確度，判斷計(jì)算所得的仰角是否，若是，由此可初步判斷測(cè)井接近垂直狀態(tài)，利用安裝在測(cè)斜儀縱軸向的高精度陀螺儀的輸出按式(2.22)積分解算

24、出滾轉(zhuǎn)角，而方位角的提取按式（2.19）進(jìn)行解算。當(dāng)判斷不是小角度井斜角測(cè)量時(shí)，方位角和滾轉(zhuǎn)角可按下式（2.17）提取。2.1.2 傳感器選擇根據(jù)本設(shè)計(jì)測(cè)斜模型的原理，需要對(duì)X、Y、Z三軸的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，故本設(shè)計(jì)選用三軸加速度計(jì)ADXL330和三軸陀螺儀L3G462A作為傾角測(cè)量工具。通過(guò)測(cè)量加速度與角速度來(lái)計(jì)算出傾角，以便于完成安全監(jiān)測(cè)。22 測(cè)斜儀的總體設(shè)計(jì)方案在建立了測(cè)斜儀的數(shù)學(xué)模型，并選定測(cè)試數(shù)學(xué)參數(shù)的傳感器之后，就需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)而鎮(zhèn)密的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。2.2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案測(cè)斜儀的整個(gè)硬件系統(tǒng)包括井下儀器部分和地面監(jiān)控系統(tǒng)兩個(gè)部分。本設(shè)計(jì)的只涉及

25、井下部分，需要完成數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)部分。整個(gè)系統(tǒng)硬件原理框圖如下圖2.3。圖2.3系統(tǒng)硬件原理框圖本系統(tǒng)中，井下儀器部分主要完成對(duì)傾斜角參數(shù)的精密測(cè)量，并使用微控制器把測(cè)得數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后傳遞到地面。采用三軸傳感器，測(cè)量方向?yàn)閄軸、Y軸、Z軸，相比以前的測(cè)斜儀更精確。這是一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，當(dāng)傳感器完成測(cè)量后，將數(shù)據(jù)傳入A/D芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，之后再由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。2.2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)硬件離不開軟件的支持，只有軟件與硬件相結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)測(cè)斜儀的功能。所以軟件主要是配合硬件完成數(shù)據(jù)采集、處理等功能。3 測(cè)斜儀的硬件設(shè)計(jì)31 測(cè)斜儀的總體架構(gòu)測(cè)斜儀是以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)

26、采集系統(tǒng)，三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、溫度傳感器、壓力傳感器的八路信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，之后在單片機(jī)中進(jìn)行處理。其硬件結(jié)構(gòu)如圖3.1：圖3.1硬件結(jié)構(gòu)圖32 測(cè)斜儀的硬件系統(tǒng)的器件選擇在器件選擇方面單片機(jī)選擇AT89S52，AD轉(zhuǎn)換器選擇ICL7135，溫度傳感器選擇AD590，壓力傳感器選擇MPX4115，三軸加速度計(jì)選擇ADXL330，三軸陀螺儀選擇L3G462A。由于測(cè)斜儀需要在地下1000米以下工作所以需要適應(yīng)溫度與壓強(qiáng)。根據(jù)地溫梯度，地層每加深100米，溫度升高3C，假設(shè)地上溫度是25，則1000米以下是50以上。每下降10米壓強(qiáng)增大100Pa,則1000米大約增大1000

27、0Pa，地下1000米大約是100000Pa。在選擇陀螺儀、加速度計(jì)、溫度傳感器，壓力傳感器需要考慮這些因素30。3.2.1 控制核心AT89S52AT89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)

28、RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止【17】。圖3.2 AT89S52引腳圖 DIP封裝各引腳功能如下：P0 口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏 輯電平。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸

29、入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0不具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。P1 口：P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) TTL 邏輯電平。 此外，P1.0和P1.1分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。引腳號(hào)第二功能：P1.0 T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出P1.1 T

30、2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用）P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用）P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用）P2 口：P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì)P2 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX DPTR） 時(shí)，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用 8位地址（

31、如MOVX RI）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。P3 口：P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P3 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) TTL 邏輯電平。 P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下所示。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收一些控制信號(hào)。端口引腳第二功能：P3.0 RXD(串行輸入口)P3.1 TXD(串行輸出口)P3.2 INTO(外中斷0)P3.3 INT1(外中斷1)P3.4 TO(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0)P3.5 T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1)P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

32、寫選通)P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。對(duì)FLASH存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位

33、，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無(wú)效。PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89S52由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次PSEN信號(hào)。EA/VPP：外部訪問(wèn)允許，欲使CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則

34、執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。FLASH存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 看門狗定時(shí)器：WDT是一種需要軟件控制的復(fù)位方式。WDT 由13位計(jì)數(shù)器和特殊功能寄存器中的看門狗定時(shí)器復(fù)位存儲(chǔ)器（WDTRST）構(gòu)成。WDT 在默認(rèn)情況下無(wú)法工作；為了激活WDT，用戶必須往WDTRST寄存器（地址：0A6H）中依次寫入01EH 和0E1H。當(dāng)WDT激活后，晶振工作，WDT在每個(gè)機(jī)器周期都會(huì)增加。WDT計(jì)時(shí)周期依賴于外部時(shí)鐘頻率。除了復(fù)位（硬件復(fù)位

35、或WDT溢出復(fù)位），沒有辦法停止WDT工作。當(dāng)WDT溢出，它將驅(qū)動(dòng)RSR引腳一個(gè)高電平輸出。 WDT的使用：為了激活WDT，用戶必須向WDTRST寄存器（地址為0A6H的SFR）依次寫入01EH和0E1H。當(dāng)WDT激活后，用戶必須向WDTRST寫入01EH和0E1H喂狗來(lái)避免WDT溢出。當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到8191（1FFFH）時(shí)，13 位計(jì)數(shù)器將會(huì)溢出，這將會(huì)復(fù)位器件。晶振正常工作、WDT激活后，每一個(gè)機(jī)器周期WDT 都會(huì)增加。為了復(fù)位WDT，用戶必須向WDTRST 寫入01EH 和0E1H（WDTRST 是只讀寄存器）。WDT計(jì)數(shù)器不能讀或?qū)憽．?dāng)WDT計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，將給RST引腳產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位脈沖輸出

36、，這個(gè)復(fù)位脈沖持續(xù)96個(gè)晶振周期（TOSC），其中TOSC=1/FOSC。為了很好地使用WDT，應(yīng)該在一定時(shí)間內(nèi)周期性寫入那部分代碼，以避免WDT復(fù)位【20】。掉電和空閑方式下的 WDT：在掉電模式下，晶振停止工作，這意味這WDT也停止了工作。在這種方式下，用戶不必喂狗。有兩種方式可以離開掉電模式：硬件復(fù)位或通過(guò)一個(gè)激活的外部中斷。通過(guò)硬件復(fù)位退出掉電模式后，用戶就應(yīng)該給WDT喂狗，就如同通常AT89S52 復(fù)位一樣。通過(guò)中斷退出掉電模式的情形有很大的不同。中斷應(yīng)持續(xù)拉低很長(zhǎng)一段時(shí)間，使得晶振穩(wěn)定。當(dāng)中斷拉高后，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。為了防止WDT在中斷保持低電平的時(shí)候復(fù)位器件，WDT 直到中斷拉

37、低后才開始工作。這就意味著WDT 應(yīng)該在中斷服務(wù)程序中復(fù)位。為了確保在離開掉電模式最初的幾個(gè)狀態(tài)WDT不被溢出，最好在進(jìn)入掉電模式前就復(fù)位WDT。在進(jìn)入待機(jī)模式前，特殊寄存器AUXR的WDIDLE位用來(lái)決定WDT是否繼續(xù)計(jì)數(shù)。默認(rèn)狀態(tài)下，在待機(jī)模式下，WDIDLE=0，WDT繼續(xù)計(jì)數(shù)。為了防止WDT在待機(jī)模式下復(fù)位AT89S52，用戶應(yīng)該建立一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)離開待機(jī)模式，喂狗，再重新進(jìn)入待機(jī)模式【22】。3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊ICL7135ICI7135是4位雙積分A/D轉(zhuǎn)換芯片,可以轉(zhuǎn)換輸出20000個(gè)數(shù)字量,有STB選通控制的BCD碼輸出,與微機(jī)接口十分方便.ICL7135具有精度高(

38、相當(dāng)于14位A/D轉(zhuǎn)換),價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn).其轉(zhuǎn)換速度與時(shí)鐘頻率相關(guān),每個(gè)轉(zhuǎn)換周期均有:自校準(zhǔn)(調(diào)零),正向積分(被測(cè)模擬電壓積分),反向積分(基準(zhǔn)電壓積分)和過(guò)零檢測(cè)四個(gè)階段組成,其中自校準(zhǔn)時(shí)間為10001個(gè)脈沖,正向積分時(shí)間為10000個(gè)脈沖,反向積分直至電壓到零為止(最大不超過(guò)20001個(gè)脈沖).故設(shè)計(jì)者可以采用從正向積分開始計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù),到反向積分為零時(shí)停止計(jì)數(shù).將計(jì)數(shù)的脈沖個(gè)數(shù)減10000,即得到對(duì)應(yīng)的模擬量.圖1給出了ICL7135時(shí)序,由圖可見,當(dāng)BUSY變高時(shí)開始正向積分,反向積分到零時(shí)BUSY變低,所以BUSY可以用于控制計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)/停止。MAx1M公司生產(chǎn)的ICL7135便是

39、這類A/D轉(zhuǎn)換器中之一，其數(shù)據(jù)以BCD碼格式輸出，很容易與LED、LCD、顯示器及CPU連接，因而成為首選。prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)圖3.3ICL7135時(shí)序prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào) prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)ICL7135為DIP28封裝,芯片引腳排列如圖2所示,引腳功能及含義如下:圖3.4 ICL7135引腳圖prX838電子-技術(shù)資料-電子元

40、件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)與供電及電源相關(guān)的引腳(共7腳)： prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)-V:ICL7135負(fù)電源引入端,典型值-5V,極限值-9V;prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)+V:ICL7135正電源引入端,典型值+5V,極限值+6V;prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)DGND:數(shù)字地,ICL7135正,負(fù)電源

41、的低電平基準(zhǔn);prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)REF:參考電壓輸入,REF的地為AGND引腳,典型值1V,輸出數(shù)字量=10000(VIN/VREF);prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)AC:模擬地,典型應(yīng)用中,與DGND(數(shù)字地)一點(diǎn)接地;prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)INHI:模擬輸入正;prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修

42、-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)INLO:模擬輸入負(fù),當(dāng)模擬信號(hào)輸入為單端對(duì)地時(shí),直接與AC相連.prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)與控制和狀態(tài)相關(guān)的引腳 (共12腳) ：prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)CLKIN:時(shí)鐘信號(hào)輸入.當(dāng)T=80ms時(shí),fcp=125kHz,對(duì)50Hz工頻干擾有較大抑制能力,此時(shí)轉(zhuǎn)換速度為3次/s.極限值fcp=1MHz時(shí),轉(zhuǎn)換速度為25次/s.prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維

43、修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)REFC+:外接參考電容正,典型值1F.prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)REFC-:外接參考電容負(fù).prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)BUFFO:緩沖放大器輸出端,典型外接積分電阻.prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)INTO:積分器輸出端,典型外接積分電容.prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-

44、參數(shù)-電子元器件符號(hào)AZIN:自校零端.prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)LOW: 欠量程信號(hào)輸出端,當(dāng)輸入信號(hào)小于量程范圍的10%時(shí),該端輸出高電平.prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)HIGH:過(guò)量程信號(hào)輸出端,當(dāng)輸入信號(hào)超過(guò)計(jì)數(shù)范圍(20001)時(shí),該端輸出高電平.prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)STOR:數(shù)據(jù)輸出選通信號(hào)(負(fù)脈沖),寬度為時(shí)鐘脈沖寬度的一半,每次A/D

45、轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),該端輸出5個(gè)負(fù)脈沖,分別選通由高到低的BCD碼數(shù)據(jù)(5位),該端用于將轉(zhuǎn)換結(jié)果打到并行I/O接口.prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)R/H:自動(dòng)轉(zhuǎn)換/停頓控制輸入.當(dāng)輸入高電平時(shí);每隔40002個(gè)時(shí)鐘脈沖自動(dòng)啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換;當(dāng)輸入為低電平時(shí),轉(zhuǎn)換結(jié)束后需輸入一個(gè)大于300ns的正脈沖,才能啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換.prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)POL:極性信號(hào)輸出,高電平表示極性為正.prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站

46、-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)BUSY:忙信號(hào)輸出,高電平有效.正向積分開始時(shí)自動(dòng)變高,反向積分結(jié)束時(shí)自動(dòng)變低.prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)與選通和數(shù)據(jù)輸出相關(guān)的引腳(共9腳)：prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)B8B1:BCD碼輸出.B8為高位,對(duì)應(yīng)BCD碼;prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)

47、站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)D5:萬(wàn)位選通;prX838電子-技術(shù)資料-電子元件-電路圖-技術(shù)應(yīng)用網(wǎng)站-基本知識(shí)-原理-維修-作用-參數(shù)-電子元器件符號(hào)D4D1:千,百,十,個(gè)位選通.圖3.5 A/D轉(zhuǎn)換圖3.2.3 溫度傳感器AD590 AD590是美國(guó)ANALOG DEVICES公司的單片集成兩端感溫電流源，其輸出電流與絕對(duì)溫度成比例。在4 V至30 V電源電壓范圍內(nèi)，該器件可充當(dāng)一個(gè)高阻抗、恒流調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)系數(shù)為1 A/K。片內(nèi)薄膜電阻經(jīng)過(guò)激光調(diào)整，可用于校準(zhǔn)器件，使該器件在298.2K (25C)時(shí)輸出298.2 A電流。AD590適用于150C以下、目前采用傳

48、統(tǒng)電氣溫度傳感器的任何溫度檢測(cè)應(yīng)用。低成本的單芯片集成電路及無(wú)需支持電路的特點(diǎn)，使它成為許多溫度測(cè)量應(yīng)用的一種很有吸引力的備選方案。應(yīng)用AD590時(shí)，無(wú)需線性化電路、精密電壓放大器、電阻測(cè)量電路和冷結(jié)補(bǔ)償。除溫度測(cè)量外，還可用于分立器件的溫度補(bǔ)償或校正、與絕對(duì)溫度成比例的偏置、流速測(cè)量、液位檢測(cè)以及風(fēng)速測(cè)定等。AD590可以裸片形式提供，適合受保護(hù)環(huán)境下的混合電路和快速溫度測(cè)量。AD590特別適合遠(yuǎn)程檢測(cè)應(yīng)用。它提供高阻抗電流輸出，對(duì)長(zhǎng)線路上的壓降不敏感。任何絕緣良好的雙絞線都適用，與接收電路的距離可達(dá)到數(shù)百英尺。這種輸出特性還便于AD590實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用：輸出電流可以通過(guò)一個(gè)CMOS多路復(fù)用器

49、切換，或者電源電壓可以通過(guò)一個(gè)邏輯門輸出切換。AD590符合本設(shè)計(jì)測(cè)斜儀的溫度測(cè)量要求。AD590的主要特性有：（1） AD590的測(cè)溫范圍為- 55+150；(2) AD590的電源電壓范圍為430 V，可以承受44 V正向電壓和20 V反向電壓，因而器件即使反接也不會(huì)被損壞；(3) 輸出電阻為710 m；(4) 精度高，AD590在- 55+-150范圍內(nèi)，非線性誤差僅為0.3。AD590的引腳使用：AD590的引腳共有3個(gè),只用了兩個(gè)引腳(即“+”和“-”)第三個(gè)腳可以不用,是接外殼做屏蔽用的。測(cè)量溫度是把整個(gè)器件放到需要測(cè)溫度的地方。圖3.6 AD590引腳圖3.2.4 壓力傳感器MP

50、X4115本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的數(shù)字氣壓計(jì)顯示的是絕對(duì)氣壓值，同時(shí)為了簡(jiǎn)化電路，提高穩(wěn)定性和抗干擾能力，要求使用具有溫度補(bǔ)償能力的氣壓傳感器。經(jīng)過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用美國(guó)摩托羅拉公司的集成壓力傳感器。MPX4115可以產(chǎn)生與所加氣壓呈線性關(guān)系的高精度模擬輸出電壓。MPX4115系列壓電電阻傳感器是一個(gè)硅壓力傳感器。這個(gè)傳感器結(jié)合了高級(jí)的微電機(jī)技術(shù)，薄膜鍍金屬。還能為高水準(zhǔn)模擬輸出信號(hào)提供一個(gè)均衡壓力。在085的溫度下誤差不超過(guò)1.5%，溫度補(bǔ)償是-40-125。MPX4115符合本設(shè)計(jì)測(cè)斜儀的壓強(qiáng)測(cè)量要求。它的實(shí)物如圖3.7所示。圖3.7 MPX4115實(shí)物圖氣壓傳感器MPX4115的管腳說(shuō)明如表所示

51、：表 3.1氣壓傳感器MPX4115的管腳說(shuō)明123456VOUTGNDVSN/SN/SN/S氣壓傳感器MPX4114的特性參數(shù)如表3.2所示：表3.2 氣壓傳感器MPX4114的特性參數(shù)參 數(shù)符 號(hào)最 小典 型最 大單 位壓力范圍Pop15-115KPa供電電壓Vs4.855.15.35Vdc供電電流Lo-7.010mAdc最大壓力偏置 （085）Vs=5.0VVpss0.1350.2040.273Vdc滿量程輸出 （085）Vs=5.0VVoff4.7254.7944.863Vdc滿量程比例 （085）Vs=5.0VVFSS4.5214.5904.695Vdc精度（085）-1.5%VPS

52、S靈敏度V/P-45.9-mV/KPa響應(yīng)時(shí)間（10%90%）tR-1.0-ms上升報(bào)警時(shí)間-20-ms偏置穩(wěn)定性-0.5-%VFSS圖3.8 MPX4115電路圖3.2.5 三軸加速度計(jì)ADXL330ADXL330是美國(guó)模擬器件公司(ADI)新近推出的一款帶有信號(hào)調(diào)理電路可提供模擬電壓輸出的小量程、小尺寸、低功耗3軸加速度計(jì)。ADXL330將MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))傳感器結(jié)構(gòu)與信號(hào)調(diào)理結(jié)合在一起功耗電流降低至200 uA(在20 V電源電壓下)，比同類器件的功耗典型值低50。ADXL330的引腳排列如圖所示。從圖中可以看出，1、4、9、1l、13、16是預(yù)留引腳；2引腳是自我檢測(cè)；5、6,7引

53、腳是公共地；14、15引腳是電源；8、l0、12引腳是加速度模擬信號(hào)輸出。選擇ADXL330是因?yàn)閳D3.9 ADXL330引腳圖選擇ADXL330的原因是首先它輸出的是模擬信號(hào)，并且它的三個(gè)軸測(cè)量范圍均大于2g，精確度小于10-5g，所以完全符合本設(shè)計(jì)的要求。為了使ADXL330正常工作，還需要一些簡(jiǎn)單的外圍元件。圖3.10是ADXL330的內(nèi)部功能模塊圖。圖3.10 ADXL330 內(nèi)部功能模塊圖 ADXL330基本工作過(guò)程為：首先利用微傳感器感知三維的加速度，將得到的三維交流信號(hào)放大，然后分別將信號(hào)解調(diào)，在輸出端分別將三路信號(hào)再次放大、濾波后輸出和加速度成正比的模擬電壓。圖3.11 ADX

54、L330 電路圖3.2.6 三軸陀螺儀L3G462A橫跨多重應(yīng)用領(lǐng)域、全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體制造商及全球第一大消費(fèi)電子和便攜應(yīng)用MEMS器件供應(yīng)商意法半導(dǎo)體擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)傳感器產(chǎn)品陣容，推出市場(chǎng)上最小的3軸模擬輸出陀螺儀。意法半導(dǎo)體最新的陀螺儀采用4x4x1mm3 超小封裝，擁有優(yōu)異的性能和可靠性及智能電源管理和設(shè)計(jì)靈活性，意法半導(dǎo)體的L3G462A陀螺儀的每個(gè)軸均配備獨(dú)立輸出，可提供精確的角速度檢測(cè)。625dps的全量程范圍能夠精確地測(cè)量各種手勢(shì)和動(dòng)作以及不同的速度，實(shí)現(xiàn)從導(dǎo)航到運(yùn)動(dòng)控制式用戶界面和游戲等各種應(yīng)用。模擬接口的反應(yīng)速度非常快，并在外部濾波功能和針對(duì)特定應(yīng)用需求微調(diào)主要參數(shù)方面具有靈活性。新款陀螺儀的超小型設(shè)計(jì)徹底解決了現(xiàn)有大尺寸解決方案常見的布局和布線問(wèn)題，且不會(huì)影響傳感器的性能或可靠性。無(wú)可比擬的穩(wěn)定性(0.04dps/C)和靈敏度(0.017%/C)大幅提升了測(cè)量準(zhǔn)確度，其低噪聲特性(0.017dps/Hz)確保高水準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)和手勢(shì)識(shí)別精確度。意法半導(dǎo)體最新的3軸模擬輸出陀螺儀的電壓范圍為2.4至3.6V，關(guān)機(jī)模式和睡眠喚醒模式有助于降低整體系統(tǒng)功耗。選擇L3G462是因?yàn)槠淙齻€(gè)軸的測(cè)量范圍均大于720/s，精度小于10-4/s，完全符合本設(shè)計(jì)的要求。圖3.12 L3G462A引