基于單片機(jī)的自動(dòng)水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)

侯健生

(廣東省珠海市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測所)

1 引言

全站儀是罐體體積計(jì)量中一種重要的測量儀器，它的準(zhǔn)確測量是建立在水平面平整的基礎(chǔ)上，而目前大多數(shù)的全站儀的水平面調(diào)節(jié)都需要人工進(jìn)行。在浮頂罐的測量中由于人員的走動(dòng)可能使全站儀的水平面發(fā)生變動(dòng)，故在調(diào)整完成儀器的水平后人員必須留在原地以保持安定面，且在測量過程中也不可有較大的移動(dòng)以免影響測量精度，這對于在狹小空間內(nèi)的操作人員是一個(gè)很大的考驗(yàn)。為了讓操作人員能從束縛中解放出來，同時(shí)避免人為因素影響測量精度，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的自動(dòng)水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是通過對水平尺的測量確定全站儀所處的平面，由單片機(jī)控制位于底座的伺服電機(jī)來調(diào)整全站儀的平面與水平面平行。因?yàn)槿緝x是三點(diǎn)支撐，所以調(diào)整原理是：以一個(gè)點(diǎn)為固定點(diǎn)、另外兩點(diǎn)為動(dòng)點(diǎn)，確定一個(gè)通過固定點(diǎn)的平面，通過調(diào)節(jié)兩個(gè)動(dòng)點(diǎn)的高度，使平面與水平面平行[1]。

該系統(tǒng)由兩個(gè)水平測量模塊、兩個(gè)高度調(diào)整模塊和一個(gè)控制單元組成。

水平測量模塊是由水平尺和光電傳感器組成。單個(gè)水平測量模塊：在一個(gè)水平尺軸向上均勻分布七組光電傳感器，傳感器為直射式的紅外二極管模塊[2]。兩組光電傳感器之間的距離為二分之一個(gè)水泡的長度，七組傳感器將水泡的位置分為了13個(gè)狀態(tài)位。每組傳感器對應(yīng)一個(gè)控制單元的I/O口。兩個(gè)水平尺測量模塊相互垂直，從而確定169個(gè)（13×13）平面狀態(tài)，控制單元根據(jù)平面狀態(tài)來調(diào)整平面至水平。水平尺結(jié)構(gòu)及光電測量點(diǎn)示意圖如圖1所示。

圖1 水平尺結(jié)構(gòu)及光電測量點(diǎn)示意圖

高度調(diào)整模塊由步進(jìn)電機(jī)、絲杠機(jī)構(gòu)和限位機(jī)構(gòu)組成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠機(jī)構(gòu)[3]從而調(diào)節(jié)底座支撐盤的高度。限位機(jī)構(gòu)位于絲杠的始端和末端，可防止絲杠滑出，且在極限位置時(shí)可使控制單元調(diào)整調(diào)節(jié)方案。全站儀為三角支撐，高度調(diào)整模塊位于其中的兩個(gè)支撐點(diǎn)下，另外一個(gè)為固定點(diǎn)。

圖2為高度調(diào)整模塊結(jié)構(gòu)和位置示意圖，箭頭所指的位置為高度調(diào)整點(diǎn)。

圖2 高度調(diào)整模塊結(jié)構(gòu)和位置示意圖

控制單元采用8051單片機(jī)作為處理單元[4]：P1、P2口分別連接水平測量模塊，采集水平測量信號；P0口用于控制步進(jìn)電機(jī)；中斷口 INT0用于連接紅外接收器；串口與全站儀或上位機(jī)連接。控制程序主要分四個(gè)部分：紅外信號處理、水平測量信號處理、調(diào)整方式處理和電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號處理。程序框圖如圖3所示。

紅外信號處理：主要是用于對紅外信號進(jìn)行解碼。由于本系統(tǒng)的信號指令較少，故采用軟件解碼以減少外圍的器件。

圖3 程序框圖

水平測量信號處理：從I/O口讀取位置信號并轉(zhuǎn)換為位置代碼。以水平尺A為例：單片機(jī)的P1口的七個(gè)引腳分別于尺上的七個(gè)傳感器相連，如果水泡位于尺的中間，則只有中心的傳感器處于導(dǎo)通狀態(tài)，其它均處于截止?fàn)顟B(tài)，相應(yīng)的P1口上可讀到二進(jìn)制碼為0001000（第八位屏蔽），對應(yīng)位置碼為0；如果水泡向左偏少許，則中心點(diǎn)和左側(cè)與之相鄰的點(diǎn)處于導(dǎo)通狀態(tài)，其它均處于截止?fàn)顟B(tài)，相應(yīng)的P1口上可讀到二進(jìn)制碼為 0011000，對應(yīng)位置碼為-1。由此可類推得13個(gè)狀態(tài)的位置碼：

表1 狀態(tài)位置碼

調(diào)整方式處理：根據(jù)位置代碼計(jì)算出以何種方式調(diào)整平面，生成調(diào)整數(shù)據(jù)，它是程序的關(guān)鍵部分，下面以一個(gè)例子來說明它的處理原理。

由圖4可見，垂直于水平尺A、B中心的軸線將空間劃分為四個(gè)象限，箭頭所指的點(diǎn)為調(diào)整點(diǎn)。假如A、B的水泡垂線的交點(diǎn)位于第三象限且靠近邊緣（A尺位置碼為-4，B尺位置碼為-4），則說明兩個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn)均高于水平面，如圖5所示。

圖4 水平尺與象限的關(guān)系示意圖

圖5 兩個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn)均高于水平面示意圖

此時(shí)的調(diào)節(jié)方案為：先下降左邊的支點(diǎn)，右邊支點(diǎn)不動(dòng)，直到水平尺A的水泡回到中點(diǎn)，此時(shí)兩邊支點(diǎn)再同時(shí)下降直至水平尺B的水泡回到中點(diǎn)；如果交點(diǎn)在第三象限且B的水泡靠近中點(diǎn)（A尺位置碼為-4，B尺位置碼為-1），則說明左邊的支點(diǎn)高于水平面，而右邊的支點(diǎn)低于平面，如圖6所示。

圖6 兩個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn)分別位于水平面上下方示意圖

此時(shí)的調(diào)節(jié)方案為：左邊支點(diǎn)下降同時(shí)右邊支點(diǎn)上升，直到水平尺A的水泡回到中點(diǎn)，此時(shí)兩邊支點(diǎn)再同時(shí)下降直至水平尺B的水泡回到中點(diǎn)。在這個(gè)過程中，調(diào)整方式模塊根據(jù)水泡的位置調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速和信號采樣的間隔[5]，當(dāng)水泡在邊緣時(shí)電機(jī)以較高的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，水平尺信號的采樣間隔為 1s左右；當(dāng)水泡靠近中心時(shí)電機(jī)速度下降，且采樣間隔縮短為0.1 s～0.5 s。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號處理：把調(diào)整好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成脈沖信號[6]，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

3 結(jié)束語

基于成本和維護(hù)方便考慮，本系統(tǒng)的測量模塊未采用高精度的傾角傳感器，但其調(diào)整精度仍可滿足全站儀的正常使用。本系統(tǒng)的安裝比較簡單，只需將測量模塊固定于全站儀上，并與儀器的水泡校正，把調(diào)整模塊分別放在三腳架的任意兩只腳下即可。使用時(shí)操作人員先將全站儀的水平大致調(diào)好后就可離開，在離開浮盤后通過遙控啟動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)將在調(diào)節(jié)完成后啟動(dòng)測量信號發(fā)給全站儀或上位機(jī)。這樣操作人員就無需留在罐內(nèi)等待，也避免了測量過程中可能引起的晃動(dòng)。調(diào)整后的水平安定面在一般情況下不會(huì)發(fā)生變化，故本系統(tǒng)在測量過程中不再監(jiān)測水平面。若需進(jìn)一步的實(shí)時(shí)監(jiān)測和報(bào)警則只需修改程序的流程就可完成。本系統(tǒng)也可應(yīng)用于其他需要水平調(diào)節(jié)的三點(diǎn)支撐的設(shè)備。

[1]歐同庚等.水平面基準(zhǔn)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)平方法研究[J].大地測量與地球動(dòng)力學(xué),2008.10.

[2]強(qiáng)錫富.傳感器[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[3]龐振基,張弼光.儀表零件及結(jié)構(gòu)[M].天津:天津大學(xué)出版社,1990.

[4]李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1994.

[5]孫亮,楊鵬.自動(dòng)控制原理[M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,1999.

[6]張國雄,金篆芷.測控電路[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.